投配率对连续两相厌氧发酵酸化效果的影响

罗立娜，李文哲，王忠江，肖佳月

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

在两相厌氧发酵工艺中，产酸相能否为后续产甲烷相提供适宜的底物，关系到整个系统的稳定运行[1]，因此，对产酸相的研究至关重要。目前，产酸发酵主要分为丁酸型发酵、丙酸型发酵和乙醇型发酵三种发酵类型。水力停留时间（Hydraulic resident time,HRT）、温度、有机物浓度、pH等生态因子对产酸相的末端产物都有影响，能形成不同的发酵类型[2]。HRT是指一个消化器内的发酵液按体积计算被全部置换所需的时间，是影响产酸发酵的一个重要因素，HRT过短产酸微生物随出水流出，影响酸化效果，HRT过长降低设备利用率。连续运行的消化器，可根据HRT求出每天投料量，而生产上习惯用投配率表示，投配率指每天进料体积占消化器有效容积的百分数，与HRT互为倒数关系[3]。本试验根据不同的HRT确定了不同的投配率，探讨不同投配率对产酸发酵类型的影响，为产酸相进一步达到定向酸化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所采用的发酵原料为新鲜牛粪，牛粪取自哈尔滨香坊奶牛场，牛粪总固体含量为17%左右，取回后与水以适当比例混合，搅拌均匀，去除较大纤维后测定总固体含量（Total solid,TS）和挥发性固体含量（Volatile solid,VS），进入酸化罐酸化，发酵初始料液的有机物含量及酸碱度为TS 8.63%，VS 7.21%，VS/TS 83.5%，pH 7.2，挥发酸：4 199.31 mg·L-1。

1.2 试验装置和方法

1.2.1 试验装置

试验装置示意图如图1所示。主要包括酸化罐、产气罐、集气罐、水槽、热水器、总控制柜、增压泵、电磁阀等，其中酸化罐、产气罐、集气罐分别有三个，三套装置同时运行。整个系统通过总控制箱进行自动控制，温度通过温度传感器进行监测，当温度低于设定温度时，总控制柜控制增压泵从水槽向热水器内泵水，同时电磁阀开启，热水器内热水进入罐体夹套内对罐体进行加热，出水流回水槽，温度高于设定温度时，增压泵停止工作，电磁阀关闭，处于保温状态。

图1 试验装置Fig.1 Scheme of experimental device

1.2.2 试验方法

试验采用35℃中温酸化，温度变化为±1℃，不使用接种物，酸化罐的有效容积为18 L，研究HRT分别为2、3、5和7 d，即投配率分别为50%、33%、20%和14%时对产酸发酵末端产物组成及含量的影响。

1.3 指标测定方法

测定的主要指标有pH和挥发性脂肪酸，pH采用HI9224便携式酸度计测定。挥发性脂肪酸采用下述方法测定。

通过这两个指标判断酸化效果，并由此分析对后续产物的影响。

1.3.1 样品预处理

取一定量样品与蒸馏水1∶1稀释，加一滴6 mol·L-1硫酸，在 12 000 r·min-1的条件下离心10 min，用0.45 mm微孔滤膜进行压滤，滤液加甲酸调到合适pH后，用气相色谱测定挥发酸的含量及成分。

1.3.2 仪器及测试条件

GC-6890色谱仪，HP-INNOWAX（19091N-133）毛细管柱，氢火焰检测器，载气为氮气，分流式进样，进样量1 μL，分流比为20∶1，进样压力100 kPa，进样口温度220℃，检测器温度为250℃，程序升温，60℃保持2 min，然后以15℃·min-1升至110℃，再以10℃·min-1升至170℃。试验每天取1次样，每个样品做3个平行样，取其平均值。

2 结果与分析

2.1 投配率对挥发性脂肪酸的影响

2.1.1 投配率对挥发性脂肪酸总量的影响

厌氧发酵过程中，挥发酸是重要的中间产物，产甲烷菌主要利用挥发酸形成甲烷，所以挥发酸总量多少直接关系到产甲烷菌能够利用底物的多少，能够反映整个发酵系统产甲烷的潜力，是厌氧发酵过程中的重要指标[4-5]。本试验探讨投配率对挥发酸总量的影响，结果如图2所示。

图2 投配率对挥发酸总量的影响Fig.2 Influence of dosing rate on volatile acids content

从图2我们可以看出，33%、20%和14%三组的挥发酸总量变化趋势基本相同，都是先上升至最高点后开始下降，而50%组的挥发酸总量一直呈现上升的趋势。投配率在14%～33%的范围内变化时，挥发酸总量随着投配率的增加而增加，投配率由14%升高到20%时挥发酸总量上升较快，20%组明显高于14%组，而20%与33%组的含量差异较小，33%组挥发酸总量略高于20%组，三组的挥发酸总量最大值按照投配率由大到小的顺序分别为13 701.67、13 182.05 和 10 703.9 mg·L-1；而投配率升高到50%时，挥发酸总量明显低于33%和20%组。由于随着投配率的增加，有机物含量增加，产生的挥发酸总量较高，但投配率过高，导致负荷过高，水力停留时间过短，有机物降解不完全，挥发酸总量低。

2.1.2 投配率对挥发性脂肪酸各成分百分含量影响结果见图3。

由于产酸发酵细菌种类、数量众多，产酸发酵的末端产物种类繁多，主要有乙醇、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等。本试验中，产酸相中乙醇、戊酸、乳酸的含量很少，挥发酸主要由乙酸、丙酸、丁酸组成。酸化过程中产生的挥发酸只有乙酸能直接被利用，丙酸和丁酸只有转化为乙酸才能被利用，丙酸的转化速率慢，易积累，导致运行失败[5]。所以，挥发酸各成分的百分含量关系到产甲烷相的稳定性和整个两相厌氧发酵系统的产气量。本试验分析了投配率对挥发酸各成分百分含量的影响。

由图3可知，50%、33%和20%三组乙酸与丁酸之和百分含量的变化趋势基本相同，都是先下降，降低到最低点后开始升高，而14%组前3 d呈现升高的趋势，后一直下降。从总体上看，50%组的乙酸与丁酸之和百分含量最大，33%组最小，20%和14%组差距较小，当投配率在14%～33%范围内变化时，随着投配率的增加乙酸与丁酸之和百分含量呈现减小的趋势，含量差距逐渐加大，当投配率增加到50%后乙酸与丁酸之和百分含量增加，各组的乙酸与丁酸之和百分含量都在80%以上，均属于丁酸型发酵。

由图3可知，丙酸百分含量的变化趋势与乙酸与丁酸之和百分含量的变化趋势相反。随着酸化天数的增加，50%、33%和20%三组均呈现先上升后下降的趋势，14%组前3 d呈现下降的趋势，后一直升高，这主要是因为发酵初期产生的挥发性脂肪酸的量较小，产生的挥发性脂肪酸中的乙酸被产甲烷菌降解，致使丙酸的相对含量逐渐升高，但随着反应的进行挥发性脂肪酸总量也随之增加，对产甲烷菌产生抑制作用，使产甲烷菌活性降低，对乙酸的降解量减少，进而导致丙酸的相对含量又随之逐渐降低；14%组前3 d丙酸百分含量呈现下降的趋势，3 d后一直呈现上升的趋势，主要因为前3 d 14%组丁酸含量升高，导致丙酸的相对含量降低。

综合挥发酸总量和挥发酸各成分百分含量图可知，虽然50%组的乙酸和丁酸百分含量之和最高，但由于其挥发酸总量低，可以供给产甲烷菌的底物含量少，33%组的百分含量相对较低，但是挥发酸的含量高，综合分析，33%组能达到更好的酸化效果。

2.2 投配率对pH的影响

pH是厌氧发酵过程中重要的参数，影响产酸代谢的类型，一般认为，pH 4.0～4.5发生乙醇型发酵，pH 5.0左右发生丙酸型发酵，pH 6.0以上往往发生丁酸型发酵[6]。本试验比较不同投配率对pH的影响，如图4所示。

图4 投配率对pH的影响Fig.4 Influence of dosing rate on pH

各组pH的变化趋势与挥发酸总量的变化趋势相反，33%、20%和14%三组都是呈现先下降后上升的趋势，50%组呈现总体下降的趋势。原料的pH为7.2，酸化第1天33%组和20%组的pH迅速下降，而其他两组pH降低较缓慢，因为33%组和20%组挥发酸总量较其他两组上升较快，各组pH下降到最低点正是挥发酸总量达到最高点，挥发酸的大量产生是体系pH降低的主要原因，但pH降低到最低点后由于反馈抑制作用增强及含氮有机物分解使体系缓冲能力增强，pH开始回升。产酸发酵过程中，各组的pH均在6.0～6.5之间变化，在丁酸型发酵最佳pH范围内，各组的产酸发酵类型均为丁酸型发酵类型。

3 讨论

a.本试验在投配率为33%组即当产酸罐的投料量与有效容积比为1∶3时能达到较好的酸化效果，在沼气工程实际运行生产时酸化相可参照此试验结果，为沼气工程的运行提供了参数依据。

b.本试验采用两相厌氧发酵的方式，研究投配率对产酸相酸化特性的影响，结果表明，两相厌氧发酵的产酸相可以获得较高的挥发性脂肪酸产率，能为后续产甲烷阶段提供适宜的底物，显示了两相厌氧发酵的优越性，为大中型沼气工程应用两相厌氧发酵工艺奠定基础。

c.本试验还应进一步研究投配率对产甲烷相产气特性的影响，确定产甲烷相最佳投配率，进而优化产酸相和产甲烷相的匹配运行参数。

4 结论

a.投配率由14%升高到33%过程中，挥发酸总量随着投配率的增加而增加，三组的挥发酸总量最大值依次分别为10 703.9、1 3182.05和13 701.67 mg·L-1。但当投配率增加到50%时，挥发酸总量降低。

b.各组的乙酸与丁酸之和百分含量均在80%以上，均为丁酸型发酵；50%组乙酸与丁酸之和百分含量最高，33%组最低，但33%组的挥发酸总量最高。综合考虑，33%组能为产甲烷相提供较适宜底物。

c.pH的变化趋势与挥发酸总量的变化趋势相反，挥发酸总量的变化是导致pH变化的主要原因，各组的pH均在6.0～6.5之间变化，在丁酸型发酵最佳pH范围内。

[1]凡广生,李多松.两相厌氧消化工艺的研究进展及其应用[J].水科学与工程技术,2006(2):6-7.

[2]任南琪,王爱杰,马放.产酸发酵微生物生理生态学[M].北京:科学出版社,2005:4.

[3]周孟津,张榕林,蔺金印.沼气实用技术[M].北京:化学与应用化学出版社,2004:1.

[4]王忠江.牛粪高浓度厌氧水解酸化工艺及特性研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2007.

[5]刘海庆,李文哲,王忠江.中、高温酸化两相厌氧发酵处理牛粪的试验[D].哈尔滨:东北农业大学,2007.

[6]李文哲,王忠江,王丽丽,等.牛粪高浓度水解酸化过程丙酸含量的影响因素研究[J].农业环境科学学报,2008,27(1):363-367.

[7]李建政,任南琪.产酸相最佳发酵类型工程控制对策[J].中国环境科学,1998,18(5):398-402.