接种比对玉米秸秆水解产酸过程VFA浓度和产气量的影响

刘 越，袁海荣，左晓宇，李秀金

(北京化工大学 环境科学与工程系，北京 100029)

中国是农业大国，每年作物秸秆产生量约为10.4亿吨，其中玉米是主要的种植作物。据2017年中国统计年鉴统计，中国2016年玉米秸秆产量约为2.20亿吨[1]。目前，对玉米秸秆的主要处置方法是堆放、焚烧等方式，造成了严重的环境污染。利用厌氧消化技术处理玉米秸秆，不仅可以解决环境问题，还可得到清洁的沼气能源[2-3]。厌氧消化过程可以简单地划分为两个阶段：水解酸化和甲烷化。在水解酸化阶段，大分子物质被水解菌转化为中间代谢产物—挥发性脂肪酸，甲烷化阶段产甲烷菌将挥发性脂肪酸转化为甲烷、氢气和二氧化碳。挥发性脂肪酸(VFA)可作为微生物在厌氧消化过程中产生沼气的碳源，因此提高VFA产量在厌氧消化中是非常重要的，同时甲烷的产量取决于甲烷化过程中VFA的转化。然而，秸秆的主要成分纤维素、半纤维素和木质素相互缠绕结合形成“木质素-碳水化合物”联合体。由于纤维素和半纤维素被较难降解的木质素所包裹，纤维素的结晶结构对生物降解具有一定的抑制作用，水解酸化过程被认为是木质纤维类生物质的限速步骤[4]。一般来说，酸化菌的生长速率在0.05～1.79 h-1，明显高于产甲烷菌的速率(0.008～0.173 h-1)[5]。因此，在厌氧消化的启动阶段，合适的接种比有利于增加有机物的水解产酸效率，减少酸化反应时间[6]。

目前，关于接种比对水解酸化过程影响的研究主要集中在果蔬、餐厨垃圾、畜禽粪便和污泥等原料[7-8]，而对以秸秆为原料的接种比研究主要为单相厌氧产气稳定性方面[9-10]。F Raposo[11]等对玉米秸秆进行了中温厌氧消化发现，S/I分别为1/3，1/2，2/3和1时对甲烷产率影响不大，甲烷平均产率为211±6 mL·g-1。最适接种比因原料类型的不同而不同，以草、畜禽粪便和厨余废弃物为原料酸化发酵的最适接种比I/S(以VS计)分别为1.0[12]，0.02[13]和0.13[14]。卓英莲[15]等研究表明水解酸化污泥接种比最多(35%)时其产酸量最高，7 d后作用逐渐减弱，污泥浓度成为影响产酸的主要因素。

前期试验研究显示，采用两相厌氧消化技术，将玉米秸秆先进行水解酸化后产甲烷可以有效提高秸秆的产气效率，而秸秆中由于富含纤维素，在厌氧条件下不容易被降解，这导致秸秆的水解成为整个厌氧消化过程的限速步骤[16-18]，通过一定途径改善其水解速率具有重要的意义。本文目的是通过批式厌氧消化试验，确定秸秆水解酸化的最佳接种比，使VFA浓度达到最大，并采用一级动力学模型对酸化相的 VFA总量进行曲线拟合，进而对水解酸化过程中VFA浓度和产气量进行分析，以期为秸秆两相厌氧消化工艺提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验采用自制的水解酸化装置如图1所示，由容积为1 L的三角瓶，1 L的广口瓶和1 L烧杯用抗腐蚀胶管连接组成，广口瓶连接烧杯作为排水集气装置。通过三角瓶下部的取样口进行液体取样，广口瓶记录每日产气量，烧杯收集从广口瓶中排出的水。在培养期间采用人工方式每天摇动混匀两次。

1.2 试验材料

本试验所用玉米秸秆取自北京顺义郊区，自然风干后经粉碎机粉碎过20目筛。所用厌氧接种物取自北京顺义区某沼气站的剩余沼液，经自然沉降后存于4℃冰箱中备用，测定原料基本性质如表 1所示。

表1 玉米秸秆和厌氧污泥的基本性质 (%)

1.3 试验方法

试验采用批式厌氧消化工艺，消化装置为1 L锥形瓶，工作体积为800 mL，酸化时间为 10 d，酸化温度为45℃±1℃，秸秆的有机负荷为 50 gTS·L-1，底物与接种物比值分别为2，4，6，8，10和不接种。试验过程中每天测定产气量、甲烷含量和VFA，同时测定酸化后的体系的pH值，VS和TS。

1.4 分析方法

日产气量通过排水法测定；TS和VS采用重量法测定[19]；在分析秸秆酸化液的VFA前需要进行预处理，即在10000 r·min-1下离心10 min后通过0.45 μm的微孔滤膜过滤,滤后水样进行VFA的测定。VFA 和乙醇含量用气相色谱(GC-2014，日本岛津公司)测定，FID检测器，进样器、检测器和柱箱的温度分别为250℃，250℃，阶段升温100℃～180℃，升温速率 5℃·min-1，载气为高纯氮气；测定气体成分用气相色谱(SP-2100，北京中科慧杰分析科技有限公司)测定，TCD 检测器，进样器、检测器和柱箱的温度分别为 140℃，150℃，150℃，载气为高纯氩气；C，N，H和S由北京化工大学分析测试中心测定。纤维素、半纤维素和木质素用纤维素测定仪(ANKOM，美国安康公司)。

第n天VFA增长率计算如下所示：

(1)

1.5 动力学研究

本研究假定水解速率对于颗粒态有机物的降解为一级反应，则酸化产物变化的数学模型符合一级动力学方程,如公式(2)：

(2)

式中：Pt为t时刻产生的酸化产物的总量，g·L-1；k1为一级酸化产物生成的速率常数，d-1。

采用origin 2017 软件对玉米秸秆酸化阶段VFA 变化进行动力学分析。

2 结果与讨论

2.1 接种比对VFA浓度的影响

图1～图6为玉米秸秆以不同接种比进行水解酸化过程中各组VFA浓度随时间的变化趋势。结果表明，厌氧污泥显著提高秸秆酸化过程中的VFA浓度，出料VFA浓度随着S/I呈现先增加后下降的趋势。当S/I=4时，出料VFA浓度在第9天达到最大值，为10799.3 mg·L-1；在无接种条件下时，其VFA浓度最低，为1957.5-2996.3 mg·L-1。各处理组在1～8 d内VFA产生量最大，随着反应时间的延长，VFA的增加量均有所降低，第10天各组甚至出现负增长。分析其原因，可能由于反应的最初阶段加入了丰富的有机物，产酸细菌最先进行分解代谢，利用了环境中的有机物质，产生并积累大量的VFA。但随着甲烷菌等利用挥发酸的细菌慢慢适应新环境，开始进行合成代谢，不断消耗VFA。当环境中微生物的分解代谢与合成代谢速率相近时，就出现了VFA浓度基本稳定的现象，当合成代谢大于分解代谢时，就会出现VFA浓度降低的现象。通过计算VFA的变化速率可得出S/I为2，4，6处理组的酸化反应进行到第8天时VFA增长率分别为206.0%，284.3%和259.8%，VFA的增长速率明显高于其他组，其中乙醇、乙酸和丁酸的浓度最高。由此可见，低S/I比值(较高的污泥接种比)有利于提高 VFA产量和速率，增强产酸效果。

图1 S/I为2时VFA浓度变化

图2 S/I为4时VFA浓度变化

图3 S/I为6时VFA浓度变化

图4 S/I为8时VFA浓度变化

2.2 接种比对VFA组分的影响

酸化后出料pH值以及发酵液出料的VFA各组分浓度如表2所示。酸化后，VFA浓度随着S/I呈现先增加后下降的趋势，在S/I为4时总VFA浓度最大；pH值则呈现先降低后增加的趋势，符合VFA的变化规律。在无接种的条件下，虽然pH值最低，仅为4.7，但其出料VFA浓度并没有接种条件下高，为2777.9 mg·L-1，这主要是由于接种污泥自身的碱度对于整个系统的pH值具有一定的缓冲作用，而无接种的条件下系统缓冲作用较弱。同时，对不同S/I条件下VFA组分含量进行分析可得，在S/I=2，4，6，8和10时，乙酸和丁酸是主要产物，为丁酸型发酵。在无接种条件下，乙醇和乙酸为主要产物，占总产酸量的97.3%，酸化阶段主要为乙醇型发酵。同时随着S/I值的增加，丙酸的含量显著降低，由498.4 mg·L-1(S/I=2)降低到16.7 mg·L-1(无接种)，丙酸型发酵百分含量从84.0%降低到45.9%。以前的研究也表明，含氮量高的底物会增加丙酸的产量，可能与产酸过程中功能性酶和微生物群落有关。在适当的pH值条件下提高发酵基质的蛋白质含量，可以提高丙酸产量，主要的优势细菌包括拟杆菌、梭状芽孢杆菌和β-Proteo细菌[20]。

图5 S/I为10时VFA浓度变化

图6 无接种时VFA浓度变化

表2 酸化出料VFA组分含量表

注：①(乙醇+乙酸)浓度/酸化出料总VFA浓度×100%；②(丙酸+乙酸)浓度/酸化出料总VFA浓度×100%；③(丁酸+乙酸)浓度/酸化出料总VFA浓度×100%。

2.3 接种比对TS和VS去除率的影响

在厌氧消化过程中，底物会逐渐被消耗，可降解物质首先在产酸菌的作用下生成挥发性脂肪酸，最终被转化为CH4和CO2，造成处理组TS和VS下降，而可生物降解的成分大多以挥发性固体的形式存在，故VS 去除率可以更好地反映原料被消耗的程度。如图7所示，各处理组在酸化阶段的TS和VS去除率小于15%，这主要是由于在酸化阶段甲烷菌被抑制，无法将酸化阶段累积的VFA转化为沼气，因此可生物降解的成分主要在产甲烷阶段被消耗。TS和VS的去除率随S/I的增加而增加，在S/I=4时取得最大值，分别为 14.9%和15.1%。然后随着 S/I的增大，TS和VS去除率逐渐下降，然后趋于平稳，在S/I=2和无接种的条件下，TS和VS去除率最低，分别为8.1%，5.9%，1.6%和0.8%，这与VFA 变化趋势基本一致，说明体系内TS和VS减小主要是由于在产酸菌的作用下底物被转化生成挥发性脂肪酸所致。同时，S/I为4，6，8和10处理组的VS去除率高于TS去除率，结果表明微生物产酸过程主要利用秸秆中的可挥发性固体部分，与宋丽[21]等研究结论一致；而在S/I=2和无接种的条件下，TS去除率高于VS去除率，说明在此条件下微生物利用的挥发性固体较少，因此产VFA较少。

图7 不同S/I条件下TS和VS去除率的变化

2.4 接种比对与产气量的影响

酸化试验的日产气量和累积产气量随消化时间的变化情况如图8和图9所示。除了在无接种的条件下，其余S/I=2，4，6，8，10情况下的日产气量在消化开始后的第1天达到最大值，产量较为接近，分别为800，880，1100，980和900 mL，然后随着消化时间的延长而逐渐减少。无接种的情况下产气量很少，只在前3天产气。各处理组在酸化的第3～4天，日产气量会出现第2个高峰，其中在S/I=2和4时日产气量最大，分别为450和530 mL。各试验组的产气在第2～4天会出现明显的累积效应，S/I=2处理组第6天后仍持续产气，而其他处理组6天以后产气基本停止。随着S/I的升高，累积产气量逐渐减小，S/I=2时累积产气量最高，为2800 mL；当S/I=4时，累积产气量有所下降；S/I=6，8，10的试验组累积产气量几乎下降一半，维持在1500 mL左右，而接种比的减少使水解酸化过程中产生的有机酸不能够被转化为CH4和CO2，导致产气量下降。对于未接种的情况，在本试验中也发生了水解酸化反应，但其累积产气量很低，为470 mL。

图8 在不同S/I条件下日产气量变化

图9 在不同S/I条件下累积产气量变化

图10 在不同S/I条件下累积H2产量变化

图11 在不同S/I条件下累积CH4产量变化

图10和图11分别为H2和CH4累积产量随消化时间的变化。从图10可以看出，在无接种和S/I=2的条件下，H2产量较低，分别为48和61 mL。在S/I=4，6，8和10条件下时，沼气中H2的产量较高，为387～722 mL，在第4天达到最大值，并且随着时间的延长H2产量不再增加，这说明随着酸化时间的增加，一部分H2被产甲烷菌利用转化生成 CH4。同时，S/I=4处理组H2产量最高，为722 mL，说明了微生物在产酸过程中增加了H2的释放。在酸化过程中，由于pH值较低产甲烷菌处于抑制状态，产甲烷菌不占优势地位，所以酸化过程中的甲烷产量相对较低。由图11可知，其中在S/I=2和4的条件下累积产甲烷量最高，分别为847和298 mL。在S/I=2和4的条件下甲烷菌多于其他处理组，H2被嗜氢产甲烷菌有效转化为CH4，因此，这两组的累积CH4产量明显高于其他处理组。

2.5 动力学评估不同接种比对酸化产量和速率的影响

表3 一级动力学方程对VFA模拟参数

一级动力学方程曲线拟合求得的底物降解动力学常数见表3。拟合结果表明，采用一级动力学方程对水解产物进行曲线拟合，拟合效果较好，相关系数均大于 0.90。由一级动力学模型可知，当时间 t趋近于无穷时，Pt趋近于w，因此w 反映了不同接种比处理组的产酸能力，与实际产酸含量比较较为接近。其中，S/I=4条件下w值为11719.20 mg·L-1，与VFA浓度接近。同时，S/I分别在2，4，6，8，10和无接种的条件下酸化产物的一级速率常数k1分别为0.34，0.27，0.29，0.34，0.39和0.52 d-1，一级速率常数值-k1的大小可以直观判断出酸化产物的生成速度的顺序为:S/I=4﹥S/I=6﹥S/I=8,2﹥S/I=10﹥无接种。由此可见，在接种比为4的条件下可以提高酸的产量和速率。

3 结论

以厌氧污泥为接种物研究底物与接种物比值(S/I)分别为2，4，6，8，10和无接种的情况下对玉米秸秆水解酸化的VFA和产气量的影响，结果表明厌氧污泥可以加速秸秆的水解酸化速率。因此，在厌氧消化的启动阶段，合适的接种比有利于增加有机物的水解产酸效率，减少酸化反应时间，为酸化相的快速启动提供了支撑，为玉米秸秆两相厌氧消化工艺提高甲烷产量进一步奠定基础。

(1)随着S/I的增加，反应体系的VFA浓度先上升后逐渐降低，确定玉米秸秆酸化的最佳S/I为4，最佳酸化时间为8 d。

(2)VFA组分中乙醇含量随着S/I的增加逐渐增加，丙酸含量明显降低。在无接种条件下，乙醇和乙酸为主要产物，为乙醇型发酵。说明接种比主要影响产酸过程中乙酸和丙酸的产量。

(3)酸化过程中，S/I=2和4时累积产气量最高，分别为2800和1940 mL。S/I=4时，H2产量较高，第4天后产量稳定，而CH4产量逐渐增加。说明随着酸化时间的增加，一部分H2被产甲烷菌利用转化生成CH4。

(4)一级动力学模型可以较好地对厌氧发酵产酸阶段 VFA产量进行拟合，酸化产物生成速率的顺序为:S/I=4﹥S/I=6﹥S/I=8,2﹥S/I=10﹥无接种。说明S/I为4时酸的产量和速率都明显高于其他处理组。