基于青貯玉米秸稈的固態厭氧發酵機理分析

李 濤，王虹雅

（山西省科技資源與大型儀器開放共享中心，山西 太原 030006）

1 研究背景

我國是工農業大國，也是人口大國，各類農作物生產量和消耗量巨大，由此產生較多的秸稈等廢棄物量，秸稈焚燒不僅污染環境而且浪費資源。同時，傳統化石能源引發的環境污染問題層出不窮，而資源短缺等問題也一定程度上削弱了我國在國際中的競爭力。當前我國經濟社會發展進入新時代，守牢糧食安全、能源安全紅線底線任務依然艱巨，完善產業體系建設，降低對傳統能源的依賴，防止出現新的環境問題。多維度發展可再生能源已經成為我國能源經濟轉型的一個重要方向。因此，為助力碳達峰碳中和目標的實現，減少垃圾填埋的容量、進行資源循環利用，都對以發酵為核心的廢棄物處理技術提出了新的要求。

厭氧發酵是一種生物轉化過程，主要利用微生物在缺氧或無氧環境中的代謝來分解有機質，進而產出沼氣（體積分數為40%～70%的甲烷和30%～60%的二氧化碳及少量氫氣、硫化氫、氨氣等）[1]，其中甲烷經過后續提純、凈化，可直接并入管網實現家庭、工農業能源消費[2]，二氧化碳也能用于制氫和合成淀粉等過程[3-4]，實現資源的最大化利用。

固態厭氧發酵相較傳統液態發酵，存在設計精巧、有機負荷較高、處理量大、沼渣性能優良便于后續處理等優勢，對于玉米秸稈這類木質纖維素類廢棄物來說，固態厭氧發酵可解決液態發酵體系中原料上浮、分層、需水量大等問題[5-6]。但固態厭氧發酵也有其局限性，如體系內可能存在發酵死區、局部過度酸化、原料與發酵液接觸不均勻等問題，進而導致整個厭氧發酵周期過長、期間產氣不穩定、運行效率降低等問題，同時，由于體系本身存在多變性和非均相性，原料的地域性質差異、固液相間的傳質性能及發酵工藝的選擇等均會對發酵過程產生較大影響[7-8]。

本文選擇青貯玉米秸稈為原料，結論適用于大部分木質纖維素類固體廢棄物，以批式固態厭氧發酵作為研究方法，通過對比分析一定工藝條件下的發酵性能，結合數學模型和分子生物學手段，揭示此類廢棄物降解機制和微生物作用機理，為固態厭氧發酵體系提供從宏觀到微觀的認識，從而為工藝優化提供理論基礎和技術支持。

2 實驗設計與儀器設備

具體實驗過程為：采用傳統車庫式固態厭氧發酵工藝，選取單相箱式固態發酵反應系統，原料經預處理后置于反應器（容積約45 L）進行中溫（37 ℃）發酵，水力停留時間28 d，滲濾液經底部流出后從頂部進行回流噴淋，回流流量約為4 L/min，噴淋方式設為3 組。①組前2 周每次噴淋6 min，間隔6 h，第3周每次噴淋3 min，間隔也為6 h，最后1 周無噴淋，記為（6，3，0）；②組采取（4，2，0）；③組采取（2，1，0）。原料為青貯玉米秸稈，經機械粉碎后粒徑2～3 mm、長度5 cm，總固含率（TS）30.14±0.45%，總揮發固含率（VS）為27.43±0.37%。接種液取自污水處理廠，并在37 ℃的恒溫培養箱中充分馴化，TS 的取值為1.70±0.10%，VS 為0.60±0.08%，在實驗開始前先用接種液浸泡原料2 h，加速發酵的啟動。表1 為所用實驗儀器設備與軟件。

表1 所用實驗儀器設備與軟件

3 結果分析

3.1 甲烷產量

圖1 為甲烷產量。由圖1 可知，①組甲烷產量達到80.85 L（196.5 mL/g VS），②組和③組甲烷產量分別達到76.42 L（186.5 mL/g VS）和53.04 L（128.9 mL/g VS），且主要集中于前2 周，后2 周合計占總產氣量約10%。

圖1 甲烷產量

①組和②組甲烷產量遠大于③組，說明③組的噴淋量不足，固液兩相未能充分接觸，產氣潛力未能充分釋放，沼渣中還未回收利用的資源較多。①組和②組甲烷產量接近，①組比②組高約5%，但能耗高了約50%，考慮到能效比，因此，在工業實踐中顯然②組更符合生產要求。

3.2 液相組成及性質分析

分析各組液相數據可知，3 組在反應前期均有較大的VFA 積累，圖2 為液相組成分析。

圖2 液相組成分析

由圖2 可知，在第2 天和第7 天VFA 質量濃度有逆勢上漲，說明此時水解產酸速率大于產甲烷速率，體系中可能存在過度酸化或酸抑制現象。第2 周中后期直至反應末，VFA 質量濃度降至1000 mg/L 以下，此時水解產酸速率約等于產甲烷速率，且速率都有所降低，推測體系內可供產甲烷菌利用的有機物質較少，產甲烷動力不足或滋生其他雜菌，產生多種副反應。液相組成及質量濃度差別不大，3 組液相主要質量濃度均大致如圖2（b）所示，主要為乙酸（50%左右）、丙酸（20%左右）、正丁酸（15%左右）、異丁酸、戊酸等，在整個反應過程中，以其為營養物質的產甲烷菌代謝旺盛，消耗大量VFA 使其質量濃度持續下降。

3.3 動力學參數分析

在諸多厭氧發酵數學模型中，理論模型、統計模型、經驗模型三大類被研究人員廣泛認可[9]。本文選取與實驗條件最為接近的擴散分布模型（理論模型的1 種），選擇kh（水解速率）、ks（產乙酸速率）、ρmax（乙酸最大利用率）、kd（微生物細胞團衰敗系數）為4 個關鍵參數，χ2為擬合精度，擬合結果見表2。

表2 擬合結果

由表2 可知，kh和ks擬合偏差相對較大，說明反應器內的環境復雜多變，隨著反應過程的進行，水解速率和產乙酸速率變化較大，體系內不同菌種競爭激烈，各種代謝產物不斷積累，對厭氧發酵過程產生不同的影響。

ρmax和kd擬合度相對較好，表明體系內利用乙酸生產甲烷的過程較為穩定，微生物細胞團衰敗系數與噴淋量呈負相關，隨著噴淋量和可利用有機物質的減少微生物細胞團衰敗速度加快，乙酸利用率整體小于產乙酸速率，說明工藝條件還有優化空間。

3.4 微生物代謝分析

厭氧發酵過程由各類微生物共同代謝調控，微生物種群結構變化是影響發酵性能的關鍵[10-11]，對體系內不同時間節點的微生物組成情況進行全面分析，可以深化發酵過程中微生物作用的認識，為優化各種工藝參數提供參考和支持。

3 組反應器中每隔1 周取1 次樣，進行微生物DNA測序，分析樣品中各類菌種演變情況。

分析樣品OTU 表可以得出，在整個反應過程中，甲烷桿菌和甲烷八疊球菌含量最多，不同之處在于甲烷八疊球菌隨著反應的進行呈減少態勢，而甲烷桿菌隨著反應的進行先增加后減少。據此可推測，甲烷八疊球菌主要為酸營養型，利用液相中的有機物質代謝合成甲烷，隨著時間的推移，液相有機物質含量不斷減少、各種代謝產物不斷積累，其菌落規模不斷萎縮，但依然是產甲烷的主力菌種；甲烷桿菌主要為H2/CO2營養型，隨著反應的進行，體系內CO2含量不斷增加，甲烷桿菌得以大量增殖，成為另一產甲烷主力菌種，但在第4 周不噴淋后，產氣量大大減少、固液相物質交換幾乎停止，其菌落規模驟減，說明其對環境變化的敏感性更強。其余菌種推測主要為H2/CO2營養型，與甲烷桿菌變化趨勢類似，其中深古菌在環境惡化后其菌落規模仍保持穩定，沒有大幅衰敗，說明其抵抗外界環境變化的能力更強。

通過樣品OTU 表還可以得到各自sobs 指數、simpson 指數以及shannon 指數，分別用來反映群落豐富度、群落均勻度和群落多樣性。各組sobs 指數均為第2 周最大、第4 周最小，與前述結論一致；simpson 指數均在0.20～0.25 之間，表明在多次噴淋回流下，液相性質較為穩定，菌落均勻度變化較小；shannon 指數前3 周相近，第4 周上升幅度明顯，表明此時群落多樣性明顯增大，有可能滋生多種與產甲烷無關的雜菌，對反應產生一定程度負面影響。

4 結束語

對玉米秸稈類原料進行固態厭氧發酵過程中，不同種類的產甲烷細菌共同作用能使固液兩相性質穩定在適宜發酵進行范圍內，但是，如果一些條件（如反應溫度、進料負荷、原料C/N、滲濾液培養、回流噴淋量等）控制不好，可能出現體系酸化、產甲烷動力不足、副反應增多等問題，嚴重影響產甲烷菌的正常代謝，甚至使發酵中斷。因此，要合理把握原料固含率、噴淋量、噴淋間隔等工藝條件，在得到較高產能的同時盡量降低能耗、縮減反應時間，同時對體系內性質進行實時監測、及時修正，保證各類產甲烷菌活性，抑制雜菌生長和副產物產生，最大限度提高生產效能，助力循環經濟和綠色低碳發展。

本文以青貯玉米秸稈為原料，在實驗室環境下對部分工藝條件及分析方法進行研究論述，存在一定局限性。在后續研究及工業放大中，還需對不同類型固廢原料和多條件耦合效應進行深入探討，同時綜合其他分子生物學分析方法，如物種組成分析、群落差異分析、預測分析等，更詳細深入地認識不同反應階段不同菌種的變化情況，為各階段反應機理和體系變化提供更為精準全面的宏觀、微觀解釋。此外，對反應后沼渣的性質分析和處理也是一大研究課題，需要在反應設計與研究過程中統籌謀劃。