物化组合预处理对秸秆厌氧水解酸化pH值的影响

蒋田华 王友保

摘要微生物在厌氧水解酸化过程中将农作物秸秆转化为可利用的清洁能源沼气,但农作物秸秆木质纤维素含量较高,需对秸秆进行预处理以提高厌氧水解酸化效率,而在厌氧水解酸化过程中pH值是一个非常重要的指标。探讨了通过物化组合预处理秸秆对厌氧水解酸化pH值的影响,这对更深刻地理解厌氧水解酸化过程具有重要意义。

关键词物化组合;预处理;厌氧水解酸化;pH值

中图分类号S712文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)14-0228-01

国内外关于厌氧水解酸化的研究中,很多都把pH值作为一个重要的影响因素[1-3],在厌氧水解酸化过程中,厌氧微生物的生命活动、物质代谢与pH值有密切的关系。因微生物体内酶只有在最适宜的pH 值时才能发挥最大活性,不适宜的pH值使酶的活性降低,从而影响微生物细胞内的生化反应过程。另外,过高或过低的pH值都降低微生物对高温的抵抗能力[4-7]。一般在进行秸秆厌氧水解酸化试验之前往往需要对秸秆进行预处理,因为比较合适的预处理手段可以提高厌氧水解酸化产沼气的效率。本试验针对不同物化组合预处理秸秆后厌氧水解酸化过程中的pH值进行了分析和讨论。

1材料与方法

1.1试验材料和接种物

选用稻草作为试验原料。2008年3月从江西省宜春市采集稻草,在实验室自然条件下风干,用切纸刀切成2～3cm小段用于厌氧酸化试验。稻草干物质(TS)重约为83%,木质素约占稻草原料总干物质(TS)的23.5%。

产酸的接种物是同济大学生物质能源研究中心富集和驯化的产酸微生物液。驯化方法:在一塑料桶中加入切碎2～3cm的稻草,然后用混合1%的城市污水处理厂消化污泥的溶液浸泡15d,上清液即为接种物质。城市污水处理厂消化污泥取自上海市松江污水处理厂厌氧消化塔流出物经脱水后的泥饼。

1.2主要仪器和设备

粗磨机、pH计、电子分析天平、电子称、干燥箱、马弗炉、温控仪、水浴锅、高压锅。

1.3试验方法

采用4因素3水平正交试验设计,共9组试验(见表1),称取当量为TS=200g×83%的稻草,按照试验的工艺条件最后添加氨水和双氧水,在100℃的水浴锅中蒸煮1h。将进行上述预处理的稻草,添加1%尿素调节C/N比,并添加接种物700mL。分别装入编号为1~9的反应罐中。打开温控柜的加温系统,等温度达到35℃时,将装有原料的各发酵反应罐放置在里面,此时记为发酵开始时间。试验进行过程中,对试验酸液pH值指标进行监测。液体样品从反应器底部的取样口取出的同时补充等体积的营养液,每次采样10mL。其中pH值利用pH计进行测定。

2结果与分析

具体9组正交试验的厌氧水解酸化过程中的pH值随时间变化关系如图1所示。可以看出,经不同物化组合预处理的秸秆,在其厌氧水解酸化过程中,pH值的变化总体趋势趋向一致,都是先逐渐下降,最后pH值稳定在一个适合的范围。针对具体的某个时间段来说,经过不同物化组合预处理秸秆之后,厌氧水解酸化过程中的pH值差别很大,尤其是处理1,它的pH值明显不同于其他8个处理,它的pH值处于较高水平,一直高于6.5。而其他8组的pH值在200h以内逐渐下降并略有波动,在 200h以后逐渐趋向稳定,在600h后它们的pH值介于5.5~6.1之间。

在厌氧水解酸化初期,pH值逐渐下降并略有波动,而随着时间的推移,pH值逐渐趋于稳定,这是由于在沼气发酵初期,非产甲烷细菌首先降解溶出液中的有机物质,产生大量的有机酸和碳酸盐,使发酵液中pH值明显下降[7]。同时非产甲烷细菌类群中还有一类氨化细菌,能够迅速分解蛋白质产生氨,氨可中和部分酸,起到一定的缓冲作用。另一方面,产甲烷细菌可利用乙酸、氢和二氧化碳形成甲烷,从而避免了酸的积累,使pH值稳定在一个适宜的范围,不会使发酵液中pH值达到对产甲烷过程不利的程度[7]。每组物化组合预处理秸秆之后,厌氧水解酸化过程中的pH值随时间变化规律总体趋于一致,但是他们之间对于具

体的某个时间段pH值差别却很大,这是由于预处理对厌氧水解酸化的影响造成的。这说明物化组合预处理不仅可以改变木质素的结构,提高厌氧水解酸化效率,同时从另一个角度来说,物化组合预处理可以调节发酵液的pH值,使某些微生物处于适合的酸碱度,使之更加有利于参与厌氧水解酸化的过程。

3结论

(1)物化组合预处理秸秆之后,厌氧水解酸化过程中的pH值,随时间的变化,总体趋势趋于一致,都是先逐渐下降,最后pH值稳定在一个适合的范围。

(2)针对具体的某个时间段来说,经过不同物化组合预处理秸秆之后,厌氧水解酸化过程中的pH值差别很大,这是由于物化组合预处理对其的影响。

由于本试验仅仅从物化组合预处理角度来探讨厌氧水解酸化过程中pH值的变化,若需要探讨物化组合预处理之后COD、VFA等值的变化,以及对pH值具体变化的内部关系,则需要进一步深入研究。

4参考文献

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