外源氢厌氧发酵原位合成甲烷的实验研究

林春绵，俞　游，章祎玛，叶媛媛

(浙江工业大学 生物与环境工程学院，浙江 杭州 310014)

外源氢厌氧发酵原位合成甲烷的实验研究

林春绵，俞游，章祎玛，叶媛媛

(浙江工业大学 生物与环境工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：降低沼气中CO2的体积分数是提高沼气利用效率的重要途径.分别以营养液和水稻秸秆作为发酵底物，在发酵瓶(500 mL)中利用外源H2和CO2厌氧发酵原位合成CH4.实验探索发酵温度、外源气体组成(H2与CO2体积比)对发酵过程中的产气规律和组成的影响，以确定适宜的反应条件；根据不同条件下食氢产甲烷菌利用H2和CO2的发酵表现，解析沼气中各组分的变化规律.沼气中CH4的相对体积分数随着温度、外源气体组成(H2与CO2体积比)的升高而升高；以营养液为底物的厌氧发酵中，外源氢气的引入能明显提高厌氧发酵沼气产量和CH4的体积分数，外源气体H2与CO2的体积比以5∶1为宜，发酵适宜的温度在55～65 ℃之间.以秸秆为底物的厌氧发酵中，温度以55 ℃为宜，以纯H2作为外源气为宜，流量为180 mL/(L·d)的条件下，沼气中CH4相对体积分数达到75.5%.

关键词：厌氧发酵；沼气；氢气；甲烷；二氧化碳；水稻秸秆

Research on the in-situsynthesis of methane from exogenous

hydrogen by anaerobic fermentation

LIN Chunmian, YU You, ZHANG Yima, YE Yuanyuan

(1.College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Reducing the content of carbon dioxide in biogas is an important way to promoting the utilization of biogas. The exogenous H2and CO2were used to synthesize CH4in-situ in a fermentation bottle(500 mL)based on taking nutrient solution or rice straw as a substrate respectively. The effects of parameters such as temperature and exogenous H2proportion(H2/CO2)on the biogas production and its components were investigated to determine the suitable technological conditions. The change laws of the biogas contents and production rate were discussed according to the performance of M. thermautotrophicus deltaH using H2and CO2under different conditions. With the increasing of temperature and H2proportion(H2/CO2), the content of methane increased. In the anaerobic fermentation process with nutrient solution as the substrate, the addition of exogenous gas can promote the content of methane and also the production of biogas. The optimum temperature was between 55-65 ℃ and exogenous gas ratio (H2/CO2)was 5∶1. Pure H2was suitable exogenous gas in the anaerobic fermentation with straw as a substrate. The appreciate temperature is 55 ℃ and H2flow is 180 mL/ (L·d) under which the relative methane content in biogas could reach 75.5%.

Key words:anaerobic fermentation; biogas; methane; carbon dioxide；exogenous hydrogen; rice straw

可再生能源紧缺和生物质废弃物资源化利用是当今世界面临的重大课题.以秸秆等农作物废弃物作为原料，改进传统厌氧发酵产沼气的研究也成为了当下研究的热点.沼气发酵是在厌氧发酵条件下，通过微生物的生物活动，将有机质降解生成沼气的过程[1].而作为产品的沼气是一种混合气体，一般由50%～70%的CH4和30%～50%的CO2组成[2]，还会有其他一些微量气体，如CO2，NH3，H2S，H2，N2，CO等.鉴于沼气中CH4体积分数的高低，直接影响其能量密度低(或热值)和利用效率，所以人们很早就进行了沼气脱碳方面的研究，并对CO2进行资源化利用[3].起步较早、目前发展较成熟的方法主要有变压吸附法、吸收法[4]和膜分离等，其他技术还处于实验室研究阶段[5，6].近年来有学者尝试利用沼气发酵体系中的食氢产甲烷菌的生物活动，在原位或者离位条件下通过添加外源氢气来消耗CO2，厌氧发酵合成CH4[7-9].虽然在合成CH4的过程中由于产生水而导致约22%的能量损失.但CH4的热值高，相对稳定,便于贮藏、运输和使用.而且通过可再生能源电解水获得H2，能使该技术的成本进一步降低[2].笔者选择水稻秸秆作为发酵底物，实验探索发酵温度和外源气体组成(H2与CO2体积比)对发酵过程中的产气规律和组成的影响，确定适宜的发酵条件；基于不同条件下食氢产甲烷菌利用H2和CO2的发酵表现，解析沼气中各组分的变化规律[10].

1实验部分

1.1实验材料

本实验选用的水稻秸杆取自浙江省绍兴市柯桥区安昌镇安华村，水稻秸秆的总固体(TS)为(88.1±2.8)%，挥发性固体(VS)为(83.2±2.0)%.配制的营养液每升含有2.1 g NH4Cl，6.8 g H3PO4，3.4 g Na2CO3，0.09 g EDTA，0.04 g MgCl2·6H2O，0.01 g FeCl2·4H2O，0.2 mg CoCl2·6H2O，1.2 mg NiCl2·6H2O，0.2 mg NaMoO4·2H2O.沼液取自杭州正兴牧业有限公司浙江大学奶业科学研宄所实验牧场，总固体(TS)为(0.72±0.15)%，挥发性固体(VS)为(0.61±0.14)%.实验中所用的药品均为分析纯试剂.

1.2实验装置及原理

实验装置如图1所示，由一个沼气发酵瓶、一个沼气收集瓶和量筒组成.将200 mL营养液与200 mL沼液，或6 g搅碎的水稻秸秆与400 mL沼液一同放入沼气发酵瓶(500 mL)，密封后用高纯氮气驱赶瓶内空气.发酵瓶置于恒温水浴锅(HH-4/HH-6)，发酵温度分别控制在(35±1) ℃，(45±1) ℃，(55±1) ℃，(65±1) ℃.180 mL/(L·d)不同组分体积比(H2与CO2为3∶1，4∶1，5∶1)的混合气体或纯H2通过针筒直接通入发酵瓶底部.收集瓶中充满pH约为3的水(以阻止CO2的吸收)，采用排水法集气，每天计量排出的水量，即为沼气产生量.并进行无外源气体条件下的对照组实验.

每隔5 d用气相色谱(GC1650TF)测定沼气中CH4，CO2和H2的体积分数.操作条件：填充柱为TDX-01和5A分子筛，检测器为热导检测器(TCD)，柱箱温度为90 ℃，进样温度为150 ℃，检测器温度为120 ℃，载气为高纯氩气.

1—针筒；2—细钢管；3—发酵瓶；4—恒温水浴锅；5—沼气收集瓶；6—量筒图1　间歇式厌氧发酵实验装置示意图Fig.1　Schematic diagram of batch fermentation device

为消除外源气体残留的影响，并忽略代谢产生的H2，发酵沼气的实际产生量修正式为

(1)

式中：V*为修正后的沼气产量，mL/(L·d)；V为修正前的沼气产量，mL/(L·d)；V外为外源气体量，mL/(L·d)；yH2为沼气中H2的体积分数；n为外源气体中H2与CO2比值.

以纯氢气作为外源气体时，修正式为

V*=(1-yH2)V

(2)

2结果与讨论

2.1营养液为底物外源氢气间歇厌氧发酵合成甲烷

图2为55 ℃下营养液为发酵底物外源气体组成(H2与CO2体积比)为5∶1沼气中CH4，CO2，H2体积分数变化图.发酵初期主要表现为底物的水解和产氢产乙酸反应，加之外源气体的稀释作用，CH4体积分数很低.10～25 d左右微生物处于稳定期，是间歇发酵过程主要的产CH4阶段，外源氢气的引入明显提高了食氢产甲烷菌的活性[9]，CH4体积分数不断上升.之后随营养液消耗，产CH4能力逐渐减弱，外源气体中带入的H2和CO2开始积累，CH4相对体积分数渐渐下降.

图2　55 ℃下营养液为发酵底物沼气中各组分变化图Fig.2　Biogas contents with nutrient solution as substrate at 55 ℃

外源气体组份体积比是影响沼气的产量及组分的重要影响因素.由公式(3)可知：理论上外源气体组分体积比(H2与CO2体积比)以4∶1为宜.但是厌氧发酵本身会代谢产生一定量H2和CO2，所以实际情况下适宜的外源气体体积比还需要经过实验来确定.

4H2+CO2→CH4+2H2O

(3)

发酵温度对发酵的影响及其调节控制是影响产物生成的重要因素之一，任何生物化学反应都与温度变化有关.

表1为以营养液为底物，外源氢气作用下间歇厌氧发酵稳定期沼气中各组分体积分数及产气量.在中温(35 ℃)条件下，随着外源气体中CO2组分体积比的增加，残留的CO2体积分数也随之增加，拉低CH4在沼气中占有的比例，沼气中CH4相对体积分数均低于对照组.以纯H2作为外源气体时，沼气中CH4和CO2的体积分数比对照组分别低了7.2%和4.7%，但CH4的相对体积分数与对照组基本相当.对照组中，由于缺少有机质作用，产甲烷菌整体的产沼气能力很弱(这与文献[11]的结果一致)，结果使得沼气中N2(用于排除发酵瓶中空气)占有的比例很大，CH4体积分数很低.

表1　营养液为底物外源氢气间歇厌氧发酵稳定期沼气中各组分体积分数及产气总量

注：1) 对照组实验无外源气体参与，以下同.

当温度上升到45 ℃时，在H2与CO2体积比为5∶1的外源气体参与下，沼气中CH4相对体积分数达到60.9%.说明微生物在温度升高的情况下活性增加.此时随着H2与CO2体积比的升高，CH4相对体积分数也不断升高，而CO2的相对体积分数和H2的残留量不断下降.纯H2作为外源气体时，CH4相对体积分数达到62.3%，但产气量仅为混合气体为外源气体时的1/3左右.

在55 ℃，随着外源气体H2与CO2体积比的升高，沼气中CH4体积分数也随之升高.外源气体组分H2与CO2体积比为5∶1的条件比较合适，此时CH4的相对体积分数可以达到76.5%，同时残留的H2占24.4%.而以纯H2为外源气体时，由于受CO2体积分数的限制，沼气中相对体积分数只增加到70.1%，沼气产量也只有268 mL/L.在较高温度条件下，发酵体系对外源气体的利用能力得到加强，沼气的产量明显增加，受H2与CO2体积比的影响也更加明显，在H2与CO2为4∶1时达到最佳.

当温度继续上升至65 ℃，食乙酸产甲烷菌活性受到抑制，导致沼气产量下降，所以发酵温度55 ℃比较适宜.而以纯H2作为外源气体时，沼气的产气量在65 ℃后继续升高，说明食氢产甲烷菌在65 ℃活性继续加强，沼气产量继续上升.以营养液为底物，发酵微生物利用外源H2原位合成甲烷的反应随着温度的升高而加强，适宜的温度在55～65 ℃之间.外源氢气的引入能明显提高厌氧发酵沼气产量和CH4的体积分数，沼气中CH4相对体积分数随外源气体中H2与CO2的体积比升高而升高，合适的H2与CO2体积比为5∶1，CH4相对体积分数为76.5%；在H2与CO2体积比为4∶1条件下，沼气产量达到1 064 mL/L.

2.2秸秆为底物外源氢气间歇厌氧发酵合成甲烷

图3为55 ℃下H2为外源气体沼气中各组分变化图.在稳定期内CH4和CO2相对体积分数可达到75.5%和24.5%.CH4相对体积分数从反应初期就保持很快的增长.此时厌氧发酵降解秸秆微生物活动本身产生的CO2浓度足以使得反应进行，不需要在外源气体中混入CO2.

图4为55 ℃下不同外源气体沼气累计产气量，外源气体的引入使得沼气产量略有增加.以纯H2作为外源气体时，沼气的产气高峰提前5 d来到，这是因为厌氧发酵产生的CO2部分被消耗，促进了液相中乙酸的分解，进一步刺激了微生物分解秸秆的生物活动.而底物的提前消耗也使得在反应后期产沼气能力减弱.

图3　55 ℃下秸秆为发酵底物、H2为外源气体沼气中各组分变化图Fig.3　Biogas contents with straw as substrateand H2 as exogenous gas at 55 ℃

图4　不同外源气体在55 ℃时沼气累计产气量Fig.4　Biogas production with straw under different exogenous gas ratio at 55 ℃

表2是以秸秆为底物外源氢气间歇厌氧发酵稳定期沼气中各组分体积分数及产气总量.在中温(35 ℃)条件下，改变外源气体组分对沼气各组分和产量影响不大，沼气中CH4相对体积分数保持在55%左右，产量也几乎不变，与以营养液为底物的情况相似.当温度上升至45 ℃时，CH4相对体积分数已经有比较明显的提高，随着H2比例的升高，CH4体积分数也不断升高.在通入纯H2作为外源气体时，沼气中CH4相对体积分数能达到63.3%，超过了H2与CO2体积比为5∶1时CH4的相对体积分数.

在55 ℃时，随着外源气体中H2与CO2体积比的升高，沼气中CH4体积分数也随之升高.以秸秆为底物发酵代谢产生的CO2较多，不需要额外补充碳源，纯H2作为外源气体沼气中CH4的相对体积分数增加到了75.5%，沼气产气量为6 436 mL/L.以提纯沼气为目的，外源气体选用纯H2比较合适；而H2与CO2体积比为5∶1条件下，CH4的相对体积分数为73.6%，沼气产量为6 880 mL/L，产沼气能力较强.当温度继续上升，由于食乙酸产甲烷菌活性受到抑制，沼气产量和CH4相对体积分数均随之降低.可见：以秸秆为底物发酵微生物利用外源H2原位合成CH4的适宜温度为55 ℃.

表2　秸秆为底物外源氢气间歇厌氧发酵稳定期沼气中各组分体积分数及产气总量

注：1)对照组实验无外源气体参与，以下同.

3结论

以营养液为底物，发酵微生物利用外源H2原位合成甲烷的反应随着温度的升高而加强，由于食酸产甲烷菌受到过高温度的抑制，适宜的温度在55～65 ℃之间.外源氢气的引入能明显提高厌氧发酵沼气产量和CH4的体积分数，沼气中CH4相对体积分数随外源气体中H2与CO2的体积比升高而升高，合适的H2与CO2体积比为5∶1，CH4相对体积分数为76.5%；在H2与CO2体积比为4∶1条件下，沼气产量达到1 063 mL/L.

以秸秆为底物发酵微生物利用外源H2原位合CH4的适宜温度为55 ℃；以纯H2作为外源气体时，沼气中CH4的相对体积分数可达75.5%，此时沼气产气量为6 436 mL/L，对沼气的提纯有利；而H2与CO2体积比为5∶1条件下，沼气产量可达6 880 mL/L，产沼气能力较强，此时CH4的相对体积分数为73.6%.

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(责任编辑：陈石平)

文章编号：1006-4303(2015)06-0595-05

中图分类号：TQ920.6

文献标志码：A

作者简介：林春绵(1962—)，男，浙江温州人，教授，博士生导师，研究方向为工业污染控制和超临界流体技术应用，E-mail：lcm@zjut.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金青年项目(51108416)；浙江省科技厅重大专项国际合作项目(2011C14023)

收稿日期：2015-04-28