pH值對苦蕎渣厭氧發酵性能的影響

曾 靜， 楊 紅， 劉士清， 尹 芳， 張無敵

(云南師范大學 能源與環境科學學院 太陽能研究所，云南 昆明 650500)

苦蕎(Fagopyrumtataricum(L.) Gaertn)，蓼科蕎麥屬植物，主要集中栽培在中國西南的四川、云南、貴州等省區。苦蕎營養豐富，富含蛋白質、膳食纖維、維生素等營養成分[1]。黑苦蕎即珍珠黑苦蕎，營養價值極高，富含18種氨基酸、9種脂肪酸、礦物質及微量元素等，屬純天然珍貴營養食品，對糖尿病、高血壓等有一定預防和治療作用，且其效果比普通苦蕎更好[2]。研究表明，人體要從苦蕎中獲得這些微量元素，最好的途徑就是通過飲用苦蕎浸泡液[3]。隨著苦蕎殘渣累積越來越多，直接將這些苦蕎渣扔掉不僅會造成資源浪費，還會對環境造成破壞。因此，對苦蕎渣進行資源化利用顯得極為重要。

苦蕎渣中豐富的營養成分為厭氧消化提供了充足的條件，使其成為了一種很好的厭氧消化原料。厭氧消化作為資源化、無害化處理固體廢棄物的最佳技術途徑之一，具有運行過程能耗低、有機負荷高、污水產生量少的特點，已經被廣泛應用[4-5]，其主要包括水解階段、發酵產酸階段、產乙酸階段和產甲烷階段[6]。但實際運行中超負荷運行、溫度驟變等因素的影響會造成發酵系統內揮發性脂肪酸(VFAs)過量積累[7]，不僅會使系統pH值驟降，還可能對產甲烷菌產生抑制，影響產甲烷效率及系統穩定性，最后造成系統崩潰[8]。目前，針對性解決酸化問題主要從添加添加劑、利用緩沖溶液調節pH值等方向進行研究。Capson-Tojo等[9]以餐廚垃圾為原料進行厭氧消化時，發現添加活性炭能提高揮發性脂肪酸的消耗，緩解發酵體系酸化；宇文超歲等[10]發現生物炭可以有效促進過量積累的VFAs快速降解，加快發酵系統恢復；鄒惠等[11]發現添加鋼渣可以恢復厭氧消化酸化體系進行產甲烷。但添加添加劑恢復酸化可能會出現所需恢復時間相對較長、產氣不穩定等情況。然而，王立軍等[12]發現添加堿性緩沖溶液調節pH值可使酸化系統快速恢復；蔣金和等[13]指出，與單相厭氧消化相比，聯合產氫產甲烷具有較高的有機負荷率、能源產率及較好的反應穩定性等優勢。當前，以苦蕎渣為原料進行厭氧發酵的相關研究還未見報道。因此，本研究以苦蕎渣為原料，通過設置發酵液中不同的總固體(TS)質量分數進行厭氧消化，優選苦蕎渣酸化體系并添加pH值緩沖溶液進行聯合產氫產甲烷，以期為苦蕎渣的資源化利用、實際沼氣系統中控制酸化并提高能源回收提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

接種物污泥取自實驗室長期馴化得到的厭氧發酵活性污泥，經過測定，其總固體(TS)質量分數為8.36%, 揮發性固體(VS)質量分數為66.84%, pH值為7.0。發酵原料為產自四川省涼山州西昌市的黑苦蕎浸泡過后廢棄的茶渣，經測定，其TS質量分數為27.58%，VS質量分數為98.73%。原料性質如表1所示。

表1 原料的基本性質

1.2 實驗方法

實驗采用批量式發酵，原理為向上排空氣法。裝置由500 mL厭氧發酵瓶、 500 mL集氣瓶和500 mL 計量瓶以及溫控系統組成，在厭氧狀態下進行實驗，產生氣體時，氣壓將集氣瓶中的水排進計量瓶中進行讀數和氣體組分分析。本酸化實驗設定溫度為(35±1) ℃，其中設置了5個實驗組(1#～5#)和2個對照組(6#和7#)，每組均重復設置3個平行實驗，具體發酵料液的工藝配方見表2。由于配方2#和3#中的原料添加量過大，受揮發性脂肪酸積累的影響，出現“酸化”現象。因此，將徹底酸化的實驗組按照同樣配料比配好之后，添加緩沖溶液調節其體系pH值進行聯合產氫產甲烷發酵實驗，探究其不同濃度和不同處理下的產氣情況和能源轉換效率。其中，在產氫產甲烷聯合發酵實驗組中，先用緩沖溶液(6 mol/L的鹽酸溶液)將發酵料液的pH值調至5.0～5.5進行苦蕎渣厭氧發酵產氫實驗，記錄產氣量并進行氣體成分含量測定。待發酵產氫結束后，再用緩沖溶液(質量分數為30%的氫氧化鈉溶液)將發酵產氫余液pH值調至7.0～7.5進行厭氧發酵產甲烷實驗，在產甲烷階段每天按時記錄產氣量并進行甲烷含量的測定。其中，整個實驗過程中所有實驗組的產氣量均已扣除對照組產氣量(配方1#、2#、3#的對照組為配方6#，配方4#、5#的對照組為配方7#)。TS質量分數通過在(105±1) ℃的烘箱中烘干至質量恒定后的樣品質量除以烘干前的樣品質量得出，VS質量分數通過將烘箱中烘干后的樣品放至(550±5) ℃的馬弗爐中灼燒至質量恒定時揮發部分的樣品質量除以灼燒前的樣品質量得出。

表2 發酵料液的配方表

1.3 分析方法

通過每天測量排水量記錄各個配方的沼氣產量[14]。采用福立GC 9790II型氣相色譜儀測定各處理的氫氣濃度、甲烷濃度和揮發性脂肪酸含量[15]。采用本課題組的方法測定pH值、TS、VS含量、水分和灰分[16]。粗纖維含量采用國家標準GB 6434—1986進行測定。粗脂肪采用索氏提取法[7]。粗蛋白采用凱式定氮法[17]進行測定。無氮浸出物使用GB 10648—2013計算得出。熱值采用氧彈卡(式)量熱計進行測定。

2 結果與討論

2.1 緩沖溶液對苦蕎渣發酵的影響

2.1.1產氣量 各實驗組的日產氣量如圖1(a)所示。由圖可知，各實驗組的日產氣量均在第1天出現了峰值，配方1#、 2#、 3#、 4#、 5#分別為730、 1 470、 2 103、 2 660、 3 920 mL。特別的是，兩個添加緩沖溶液進行聯合產氫產甲烷的實驗組(4#和5#)分別在第9天和第13天出現了第二個產氣高峰，分別為535和838 mL，其他實驗組則沒有。這是因為適宜的pH值提高水解酸化效率，有助于厭氧消化前期的快速啟動[18]，因此第1天添加緩沖溶液實驗組的日產氣量均高于未添加的實驗組。在產氫階段結束后，4#和5#添加NaOH緩沖溶液，NaOH預處理有助于提高厭氧發酵產氣效率[19]，因此這兩個實驗組的日產氣量出現第二個峰值。在厭氧消化中，適宜的TS質量分數有利于產氫產甲烷微生物菌群的生長，可以大大提高產氣效率，并且可以減少揮發性脂肪酸(VFAs)的積累，防止酸化出現[20]。閆香霖等[21]指出較高的負荷沖擊可能達到其可承受的極限值，微生物無法及時將VFAs轉化為甲烷, 從而導致VFAs累積過多出現酸化現象。1#由于投料量適宜，產氣情況良好，發酵效率較好；2#和3#由于原料添加量過高，高于其最大承受負荷的范圍，導致VFAs積累，產生酸化現象，研究結果與文獻[21]一致。

由圖1(b)和(c)看出，1#雖然在第1天產生部分氫氣，但隨著系統逐漸穩定，甲烷體積分數開始上升，在第5天出現峰值，此時甲烷體積分數為55%。2#和3#由于產氫產乙酸菌的活躍，當發酵到第18小時時出現氫氣體積分數峰值，2#峰值為35%，3#峰值為43%。回收氫氣之后由于系統內VFAs積累過多，難以恢復，因此產甲烷階段無法進行，甲烷無法收集。4#在產氫階段的第12小時出現了氫氣體積分數峰值，為52%；在產甲烷階段的第10天出現了甲烷體積分數峰值，為59%。5#也在產氫階段的第12小時出現了氫氣體積分數峰值，為56%；在產甲烷階段的第11天出現了甲烷體積分數峰值，為61%。鄧玉營等[22]研究發現，pH值調控體系通過強化水解和產甲烷菌活性提高了稻秸厭氧消化的效率，這和本研究結果一致。通過調節pH值進行聯合產氫產甲烷實驗，不僅提高了氫氣含量和產量，還能促進甲烷的生成，提高了能源回收率。

a.日產氣量daily gas production; b.CH4; c.H2

2.1.2酸化恢復性能 將本實驗結果與不同恢復酸化方法的研究結果進行對比分析，結果如表3所示。由表可知，添加緩沖溶液不僅可以快速恢復產氣，其恢復產氣率也較高。原因可能是在實驗啟動時添加鹽酸緩沖溶液，可以調節發酵液pH值快速處于產氫產乙酸菌的活躍pH值范圍內，提高了氫氣產量和VFAs產量；然后產氫結束再添加NaOH緩沖溶液調節pH值處于產甲烷菌活躍范圍值內，能更好地促進產甲烷菌利用更多的乙酸轉化成甲烷，從而提高產氣效率。但是利用緩沖溶液恢復酸化所需成本相對偏高，且如果緩沖溶液中Na+、K+添加過多，可能會對厭氧消化系統產生抑制作用。因此，在添加緩沖溶液過程中需控制其用量，避免對發酵體系產生反作用。 從表3中可以看出，添加生物炭、零價鐵、緩沖溶液等不同的物質進行酸化恢復時，添加緩沖溶液的恢復方式所需時間更短，恢復后的產氣率更高。

表3 不同恢復酸化方式對比

2.1.3能源轉換效率 對所有實驗組的能源轉換效率進行分析，能源轉換效率的計算公式[24]如式(1)所示。

(1)

式中:η—能源轉換效率，%；V—實驗測定的氣體體積，mL；Q—熱值，氫氣的熱值為12.86 J/mL，甲烷的熱值為35.822 J/mL[16]，黑苦蕎茶渣的熱值為17 782 J/g；m0—原料干物質質量,g。

通過計算得出，未添加緩沖溶液的1#、2#和3#的能源轉換效率分別為24.16%，2.59%，2.37%；因為酸化而進行添加緩沖溶液調節pH值處理的4#和5#的能源轉換效率分別為28.02%、 30.34%。相同TS質量分數條件下，處理后的聯合產氫產甲烷實驗組(4#和5#)的能源轉化效率分別是相應未處理過的酸化實驗組(2#和3#)的10.8倍和12.8倍，并且產氫產甲烷實驗組的能源轉換效率均高于1#。可以發現，實驗酸化會嚴重影響其能源轉換效率，導致原料不能被充分利用，此時通過添加緩沖溶液進行聯合產氫產甲烷實驗不僅有效地解決了因為酸化而導致的能源轉換效率低的問題，還能提高原料的利用率。

2.2 發酵前后揮發性脂肪酸含量對比分析

揮發性脂肪酸濃度變化是影響厭氧消化過程產氣情況的因素之一，主要是因為其在維系酸化菌群、產乙酸菌群和產甲烷菌群的代謝平衡過程中起著決定作用[25]。表4記錄了整個實驗過程中揮發性脂肪酸的變化情況。從表4可以發現，2#和3#發酵后總酸量分別高達13 908和20 473 mg/L，此時，系統內有機酸量積累過多，難以自我調節，導致系統崩潰停止產氣，即發生“酸化”。在本研究中，4#和5#發酵后較發酵前脂肪酸總量減少，說明通過添加緩沖溶液進行聯合產氫產甲烷實驗能充分利用脂肪酸，提高發酵體系的緩沖性和穩定性，提高產氣率。

表4 發酵前后揮發性脂肪酸含量變化1)

由表4可知，所有實驗組在開始發酵前系統內揮發性脂肪酸主要以乙酸為主，體積分數均高達80%以上，并含有少量其他脂肪酸。隨著發酵的進行，各實驗組的揮發性脂肪酸含量均發生了變化。其中，所有實驗組結束后系統內揮發性脂肪酸以乙酸和丁酸居多，二者之和高達96%以上，以苦蕎渣為原料的厭氧發酵產酸類型為丁酸型發酵。1#和4#發酵結束后的乙酸濃度都較開始前相應的有所減少，但減少幅度不是很大；丁酸含量也有增加，丙酸變化不是很明顯，并且戊酸被全部利用，結束后系統里未檢測到戊酸。產氫產甲烷聯合實驗組(4#和5#)的產氫階段結束后的乙酸(59.58%和67.46%)較開始前減少幅度很大，丁酸(36.89%和31.25%)增加幅度很大，且直至產氫結束系統內仍含有微量戊酸(0.52%和0.34%)，酸化實驗組(2#和3#)也有著相同的變化趨勢。在酸化階段理論中間產物丁酸、丙酸等短鏈揮發性脂肪酸只占整個系統中的20%[26]，然而在該實驗過程中2#和3#中丁酸體積分數均在40%左右，此時，丁酸無法全部被產乙酸菌利用，剩余部分留在了系統里，造成了丁酸積累，導致實驗“酸化”停止產氣。而聯合實驗組(4#和5#)在產氫階段雖然丁酸體積分數(36.89%和31.25%)也在30%左右，但由于停止產氣之后加入了NaOH緩沖溶液調節了此時系統內的厭氧環境，激活了產甲烷菌，從而促進產乙酸菌對丁酸的利用，體系開始恢復正常進入產甲烷階段。

2.3 動力學分析

使用改進的Gompertz模型模擬比產氫量和產甲烷量。Gompertz模型是三參數方程，對應曲線特點是增長率>0，其函數表態與參數密切相關[27]。方程見式(2)：

y(t)=a·exp[-exp(b-ct) ]

(2)

式中：y(t)—時間t時的累積產氣量，mL；a—最大累積產氣量， mL；b—發酵過程中氣體產率達最大的時間與最大斜率的乘積；c—最大斜率。

Gompertz模型變換，并賦予Modified Gompertz模型參數特殊的生物學意義。獲得Modified Gompertz模型如方程(3)：

(3)

式中：Hm—最大累積產氣量，mL，當t→∞時，y(t)→a，Hm=a；Rm—最大產氣速率，mL/d，Rm=a·c/e；λ—發酵滯留時間，d，λ=(b-1)/c； e—常數，2.718 28。

實際數據處理過程中，利用origin軟件對實際累積產氣量的圖進行Gompertz曲線擬合，在origin軟件的擬合表中得出參數a、b、c，然后轉換為Hm、Rm、λ的值，即得出擬合后的累積產氣量、最大產氣速率、發酵滯留時間、相關系數等數據，見表5。通過對幾個實驗組產氣時的累積產氣量使用動力學方程進行擬合發現，相關系數R均在0.99以上，擬合結果較好，說明實驗數據能較好地反應實驗結果。

表5 不同條件下苦蕎渣產氣數據擬合分析

3 結 論

3.1以苦蕎渣為原料進行厭氧發酵時，當發酵液總固體(TS)質量分數為4%時，產氣情況良好；但當發酵液總固體(TS)質量分數超過4%時，VFAs積累發生酸化，此時通過添加NaOH緩沖溶液調節pH值進行聯合產氫產甲烷實驗能恢復酸化，提高能源回收率。相同TS質量分數下，處理后的聯合產氫產甲烷實驗組(4#和5#)的能源轉化效率分別是相應未處理過的酸化實驗組(2#和3#)的10.8倍和12.8倍。并且，酸化后使用緩沖溶液調節pH值不僅可以快速恢復產氣，恢復后的產氣率也相比文獻報道中其他恢復方式的更高，產氣率達1 267 mL/g。

3.2使用改進的Modified Gompertz方程進行擬合發現，相關系數(R)均在0.99以上，擬合結果較好，實驗數據能較好地反應實驗結果。