发酵原料水解率对CSTR反应器产气率影响的研究

王 欣，刘 伟，徐晓秋，赵 娴，王玉鹏，秦国辉，刘旭丹

（ 黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨 150090）

0 引 言

《中国畜牧业年鉴2010》(高鸿宾等)公布的统计资料显示［1］，2009年末奶牛存栏1260万头，牛粪便产生总量约23亿吨，大量的牛粪便未得到及时处理，造成了极大的危害，带来较为严重的环境生态压力。厌氧消化生产沼气是牛粪综合利用的途径之一，如何提高沼气产率是研究重点。美国的IRaja等［2］首先提出了污水碱预处理方法;林志高等［3］研究了加碱预处理对中温厌氧消化的影响;Lin等［4］利用NaOH对ABSI业产生的高含氮污水污泥进行碱解处理;Weemaes等［5－8］针对生物质的晶体结构复杂，不易直接被利用问题，采用切碎处理方法，减小物料的体积，增加其与发酵菌群的单位接触面积，提高利用效率。

文中在牛粪高温厌氧消化工艺的基础上，研究发酵原料水解率对提高CSTR(全混式厌氧发酵反应器continuous stirred tank reactor)反应器产气率影响，解决目前存在的CSTR反应器不能正常运行的问题(不产气或产气不稳定)，并对影响因素进行优化，提高现有厌氧发酵处理效率［5－8］。

1 材料与方法

1.1 实验装置与材料

以泰康镇奶牛广场的新鲜奶牛粪便为原料，综合分析发酵原料主要成分的水解过程，确定料液水解率影响CSTR反应器中厌氧发酵产气率的关键参数。通过研究投料浓度等因素对原料水解率的影响，控制料液pH值，提高产气效率，防止CSTR反应器过度酸化中毒。

实验所采用的IMUS牛粪高温厌氧消化中试试验装置如图1所示，该系统含有两个100LCSTR反应器，一个200LCSTR反应器，伴热带加热，外置式搅拌器定时搅拌，反应器内装80L物料，由进料斗混合进料，料液中不添加接种物。纤维素、半纤维素、木质素的含量测定采用范氏(Van Soest)的洗涤纤维分析法。中性纤维素酶(颗粒)购自绵阳禾本生物工程有限公司，酶活10000 U/g。

图1 实验装置

1.2 试验方法设计

1.2.1 单因素试验

(1)加酶量对总产气率的影响:将新鲜牛粪分别按照8%投料浓度，分析料液中的纤维素、半纤维素和木质素的含量后，加入到CSTR反应器中(消化温度53℃、周期14 d)，加酶量梯度为:0、800和、1000和、1200和、1400和，分析消化液中的纤维素、半纤维素和木质素的含量，确定其水解率，研究加酶量与产气率之间的关系，并观察牛粪厌氧消化过程的pH值。

(2)投料浓度对总产气率的影响:将新鲜牛粪分别按照6、7、8、9、10、11、12 的投料浓度，加酶量1000 U/g，加入到CSTR反应器中(消化温度53℃、周期14 d)，研究投料浓度与产气率之间的关系，并观察牛粪厌氧消化过程的pH值。

(3)加酶时间对总产气率的影响:将新鲜牛粪分别按照8%投料浓度，加酶量1000 U/g，加入到CSTR反应器中(消化温度53℃、周期14d)，研究在不同时间0、6、12、18和24加入纤维素酶与产气率之间的关系，并观察牛粪厌氧消化过程的pH值。

(4)搅拌时间对总产气率的影响:将新鲜牛粪分别按照8%投料浓度，加酶量1000 U/g，加入到 CSTR反应器中(消化温度53℃、周期14 d)，研究不同搅拌时间0、2、4、6和8与产气率之间的关系，并观察牛粪厌氧消化过程的pH值。

1.2.2 正交试验

根据单因素实验结果，选定各因素的水平，对加酶量、投料浓度、加酶时间、搅拌时间四因素选用L9(34)表，进行正交实验，全面考察各因素对产气率效果的影响，并通过极差分析获得较优组合。

2 结果与分析

泰康镇奶牛广场的新鲜奶牛粪便的性质见表1。

表1 牛粪基本性质

2.1 单因素结果与分析

2.1.1 加酶量对总产气率的影响

图2 加酶量对总产气率的影响

由上图可知，加酶量在0～1000 U/g区间内，总产气率呈稳步提高趋势，而pH值则稳定在7.6左右，加酶量达到1000 U/g时，得到产气率的最大值17.2 L/kg。加酶量超过1000 U/g时，总产气量急剧下降，pH值也明显下降，在加酶量为1400 U/g时，pH值为5.0，这时CSTR反应器酸化中毒。通过对原料纤维素、半纤维素、木质素发酵前后的含量进行分析(见表2，图2)，可知纤维素、半纤维素、木质素的水解率均呈上升趋势，加酶量越多，水解率越大，pH值越低，这是由于其加快了厌氧消化的水解速率，产酸过多所致，因此，过度提高厌氧消化限速阶段的水解率是不可行的。综上所述，选取加酶量800、1000和1200三个水平进行正交试验。

表2 牛粪木质纤维素水解率

续表2 牛粪木质纤维素水解率

图3 牛粪木质纤维素水解率

2.1.2 投料浓度对总产气率的影响

如图3所示，固含量在7% ～12% 时，总产气率维持在16 L/kg左右，固含量在8%时达到最大产气率17 L/kg，而固含量对pH值的影响不大，故选取固含量7%、8%、9%三个水平进行正交试验。

图4 投料浓度对总产气率的影响

2.1.3 加酶时间对总产气率的影响

如图2.4所示，加酶时间在0～6 h内，总产气率越来越高，说明越早加酶越有利于牛粪木质纤维素的分解，使总产气率提高。然而在6～24 h内牛粪木质纤维素的分解率虽然提高了，但是总产气率相对减少，分析原因是由于木质纤维素分解过快，产酸过多，抑制了甲烷菌的生长，故选取0、6和12 h三个水平进行正交试验。

图5 加酶时间对总产气率的影响

2.1.4 搅拌时间对总产气率的影响

随着每天搅拌时间的延长，总产气率也随之增加，而对pH的影响不大。但是在不搅拌的情况下，总产气率较每天搅拌2 h的实验组高，原因可能是在厌氧消化过程的初始阶段，罐内还处于好氧阶段，抑制了罐内液面处甲烷菌的生长，如果这时搅拌开启，会使更多的甲烷菌受到抑制，所以在进料初期不宜搅拌，而在厌氧消化后期，则是搅拌时间越长越有利于甲烷菌与底物之间地作用面积，故选取4、6和8h三个水平进行正交试验。

图6 搅拌时间对总产气率的影响

2.2 正交试验结果及分析

以前述四项因子实验分析结果为基础，进行正交试验，并进行极差分析。表3是正交试验方案和结果。由极差分析可知，各因素对总产气率影响的大小顺序为B＞A＞C＞D，即投料浓度＞加酶量＞加酶时间＞搅拌时间。最佳的因素水平组合为A2B2C2D3，即投料浓度8%、加酶量1000 U/g、加酶时间6 h、搅拌时间8 h。以此结果进行验证实验，结果为Y=17.55，与Ymax相差不大，因此可以认为模型是可靠的，通过上式得到的最优工艺参数是准确的。

表3 正交实验方案及结果

3 结论

文中利用畜禽粪便进行厌氧发酵生产沼气，不仅可以从源头上减少焚烧干牛粪所带来的环境污染，并且可以产生大量的有机生态肥——沼渣，施用沼渣可很好的改善土壤理化性状，提高土壤肥力，减少使用化学肥料所带来的环境污染，加快生态农业建设。另外，通过高温厌氧发酵能杀死畜禽粪便中的病原虫卵，避免畜禽粪便直接还田所产生的作物病虫害等问题。本实验通过研究发酵原料水解率对提高CSTR反应器产气率的影响，得到最优工艺条件组合:加酶量1000 U/g;投料浓度8%;加酶时间6 h;搅拌时间8 h。为充分发挥现有工艺设施的潜力，进一步提高我国的畜禽粪便综合处理效率，实现沼气工程的工业化生产，特别是对牛粪作为发酵原料的大型沼气工程提供基础参考数据。

［1］高鸿宾.中国畜牧业年鉴［M］.北京:中国农业出版社，2010，11:1－2.

［2］Chen S，Liu J H，Pan J Y，et a1.Studies on utilizing the multi-strains cofermentation for biotransformation of coin straw［J］.Biotechnology 1999，9(4):15 －20.

［3］郑晓芬，陈胜一，林志高.都市下水污泥应用于绿农地利用与资源化之可行性研究.第七届海峡两岸环境保护学术研讨会，2001.

［4］刘艳慧，王静，叶凤芬，等.昆明市庭院排水管网雨污分流改造工程初探［J］.森林工程，2011，27(3):74－76.

［5］Barnett A.1978.Biogas technology in the third world:a multidisciplinary Review IDRC，Ottawa，Canada.51.

［6］B.Sahoo，Saraawat M L，Haque N，et al.Energy balance and methane production in sheep fed chemically treated wheat straw［J］.Small Ruminant Research，2000，35:13－19.

［7］M Weemaes，H Grootaerd，F Simoens.Anaerobic digestion of ozonized biosolids［J］.Wat.Res，2000，34(8):2330－2336.

［8］H Hartmann，I Angelidaki，B K Ahring.Increase of anaerobic degradation of Particulate organic matter infull-scale biogas plants by mechanical maceration［J］.Wat Sci Tech，2000，41(3):145－152.