酸化处理提高玉米秸秆厌氧消化性能及其优化研究

刘 越， 袁海荣， Akiber Chufo Wachemo,2， 左晓宇， 李秀金

(1.北京化工大学 环境科学与工程系， 北京 100029； 2.Department of Water Supply and Environmental Engineering, Arba Minch University, Arba Minch P O Box 21, Ethiopia)

全球面临日益越来越严重的能源危机和环境污染，而将木质纤维素通过厌氧消化技术转化为生物甲烷，可以有效地改善生态环境，缓解中国的能源危机[1]。玉米秸秆是一种主要的农业废弃物，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[2]。水解酸化是秸秆厌氧消化过程中的限速步骤[3]，采用“水解产酸-产甲烷”两相厌氧消化工艺可以将产酸过程和产甲烷过程分离开，提供产酸和产甲烷微生物各自生长所需的最佳条件，可避免产甲烷过程的挥发酸累积导致的抑制[4]。因此，对酸化相的影响因素和水平进行优化可以提高整个两相厌氧消化系统的产气性能。

目前，不同物料的酸化相参数被优化用以提高甲烷产率，如：餐厨垃圾[5]，畜禽粪便[6]和废弃食用油脂[7]等。影响酸化相产酸效果的因素主要包括有机负荷、酸化时间和接种比等[8-9]。酸化时间对发酵液中VFAs含量有显著影响，随着酸化时间增加，产酸菌会将底物转化为VFAs，VFAs产率随着酸化时间增加而增加[10]。由于VFAs的累积，发酵液pH值持续下降，抑制了产酸菌的代谢，同时部分VFAs被转化为甲烷，进而影响了VFAs产率的增加[11]。当接种比低时，发酵体系中的微生物数量不足，酸化反应进行缓慢；接种比高，发酵体系中的产酸微生物数量较多，有利于酸化反应的进行；但如果接种比过高，产酸菌的代谢产物很快被消化体系中的产甲烷菌利用，则不利于酸的积累[12]。Lim[13]等人研究有机负荷率(OLR)对餐厨垃圾酸化反应的影响，当OLR从5 g·L-1d-1增加到13 g·L-1d-1时，厨房垃圾中VFAs产量增加；而在高OLR时，基质变得非常粘稠，导致厌氧系统不稳定。木质纤维素细胞壁中的半纤维素和木素通过共价键连接、纤维素镶嵌其中，形成复杂的网状结构[14]。现有工艺主要针对的是易降解的有机废弃物进行处理，而针对玉米秸秆等木质纤维素类原料的处理和以提高甲烷产率为目标的酸化相水解工艺优化研究鲜有报道。

因此，本文通过响应面法对秸秆水解产挥发酸工艺条件做出优化，建立了以VFAs浓度为响应值的二次多项式，并且对试验结果进行了预测，并检验了不同酸化程度的秸秆产甲烷效果。通过对两相厌氧消化的产酸相VFAs产率和产甲烷相的甲烷产率进行曲线模拟，可以为研究产酸及产甲烷关系提供有效的数据参考和较准确的结果预测，以期为秸秆的“水解产酸-产甲烷”两相工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

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。玉米秸秆在厌氧消化前，先用2%的NaOH溶液(NaOH与玉米秸秆干物质比为2%，水的添加量为玉米秸秆干物质的量的6倍)预处理，室温浸泡3 d[10]。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，玉米秸秆和接种物的性质如表1所示。

表1 玉米秸秆及接种物性质 (%)

1.2 实验方法

1.2.1 酸化相单因素实验

设定秸秆负荷70 gTS·L-1，接种比(基质与接种物干物质量的比值)6∶1条件下，酸化时间分别为1,2，3，4和5 d；秸秆负荷70 gTS·L-1，酸化时间为 5 d 条件下，接种比(秸秆和接种物单位TS比)分别为 4∶1，6∶1，8∶1，10∶1和12∶1；接种比为6∶1，酸化时间为5 d条件下，秸秆负荷分别为50，60，70，80和90 gTS·L-1。各反应器放置在35℃±1℃下的恒温培养箱，将秸秆、接种物和水按照试验设计混合，向容积为1000 mL的酸化装置加入总体积为800 mL的混合液进行酸化实验。每天对产气和气体组分变化规律进行检测，卸料后测定各反应器出料中的VFAs浓度。

1.2.2 酸化相响应面实验

在单因素试验的基础上，以酸化时间(X1)、接种比(X2)和有机负荷(X3)为试验因素，按照中心复合方法(CCD)设计试验，考察了3个因素和 5个水平(见表2)，其中9和14处理组的酸化时间分别为2天8小时(2.32 d)和5天16小时(5.68)。

对3种重要因素通过响应面分析模块进行优化，建立酸化条件对挥发酸浓度的二次回归模型，其模型为公式(1)：

(1)

式中:y为响应值；β0为是常系数；βi是线性系数;βii为二次项系数；βij为交互项系数;xi和xj为试验因素;ε为随机误差。

表2 实验因素和水平编码

1.2.3 甲烷相厌氧消化实验

向采用响应面优化实验后所得的酸化出料中加入厌氧接种物，进行批式甲烷化实验。加入筛选出的最优酸化条件，与未处理的实验组进行对照分析。在1 L甲烷化装置中加入800 mL 酸化料液，按照15 gTS·L-1的厌氧污泥进行接种，35℃±1℃发酵60 d，测定沼气总产量和甲烷含量。发酵后分别取 30 mL 样品测pH值，氨氮，碱度和VFAs含量。

1.3 分析方法

日产气量通过排水法测定；氨氮、碱度、TS和VS采用水质分析方法测定[15]；在分析秸秆酸化液的VFAs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VFAs的测定。VFAs 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)。

1.4 数据统计分析方法

使用 Design Expert 8.0.1 软件，试验设计采用 CCD方法，对3种重要因素通过响应面分析模块进行优化，并建立酸化条件对挥发酸浓度的二次回归模型。

2 结果与讨论

2.1 酸化相VFAs及产气

2.1.1 VFAs组分及产量变化

图1～图3分析了酸化时间、接种量和有机负荷对VFAs产率的影响。由图1所知，挥发酸产量随酸化时间的增加显示出先升高再下降的趋势，当酸化达到4 d时，负荷产酸率达到最高值232.3 mg·g-1TS。在酸化发酵过程中，乙酸和丁酸的含量占总酸含量的80%，为丁酸发酵型。接种比也是影响酸化发酵的重要参数。从图2中可以看出接种比为2，4，6，8和10时，负荷产酸率先上升后下降，当接种比为6时，秸秆的负荷产酸率最高，达到288 mg·g-1TS。在接种比为2和4时，乙酸含量高于丁酸，而在接种比为6，8和10时，丁酸含量高于乙酸。在接种比为2时，丙酸含量大于1000 mg·L-1,随着接种比的增加丙酸含量逐渐减小，这可能与酸化发酵过程中的微生物群落和功能酶有关，Min[16]等人的研究结果也证明了总氮含量的增加会提高基质底物中丙酸含量。由图3可知，VFAs浓度会随着有机负荷的增加逐渐增加。在适当的pH值条件下，在碳水化合物的基质中提高补充高蛋白物质可以通过丙酸类发酵改善丙酸酯的生产，主要菌群以细菌类、梭状芽和蛋白质细菌为主[17]。在50，60，70，80和90 gTS·L-1时，VFAs浓度分别为14619.63，17997.62，20159.32，21718.44和24799.65 mg·L-1。当有机负荷为60 gTS·L-1时，VFAs产量增加至300 mg·g-1TS，随后逐渐降低。结果表明，高负荷时VFAs浓度较高，而在低负荷时VFAs产率较高。同时，增加有机负荷对VFAs中各组分含量影响较小。

图1 酸化时间对玉米秸秆产挥发酸浓度的影响

图2 接种比对玉米秸秆产挥发酸浓度的影响

图3 有机负荷对玉米秸秆产挥发酸浓度的影响

2.1.2 产气量及气体成分变化

图4～图6分析了不同酸化条件下气体组分含量的变化。如图4所示，酸化第2天产气量最高，随着时间的增加，产气量逐渐降低。其中，CO2和H2占气体总量百分比较高，在44.73%～95.08%。在第2天H2产量最高，随后逐渐降低。同时，VFAs产量增长率也在第2天最高，为45.99%；在第3天和第4天分别降低到6.30%和4.10%。从图5中看出，接种比较小(接种量高)时，产气量和CH4产量较高，分别为3330.00 mL和651.69 mL，产气量和CH4产量随着接种量的降低而降低。然而，H2在接种比为6时产量最高，为405.46 mL，与VFAs浓度趋势相同。此结果与王刚[16]等以蔗糖废水为原料研究接种量对产酸率的影响的结果一致，H2产量与VFAs产量在酸化过程中呈现正相关。图6为不同负荷条件下气体组分产量的变化，CH4，CO2和H2产量随着负荷的增加而增加，与VFAs浓度变化一致。以上试验结果表明酸化过程中总气体产量与接种量、负荷和时间有关，与VFAs产量无关，而氢气产量与VFAs浓度呈正相关。

图4 不同酸化条件下气体组分产量的变化

图5 不同接种比条件下气体组分产量的变化

图6 不同有机负荷条件下气体组分产量的变化

2.2 酸化相VFAs模型优化

按照设计方案共进行了20组试验，测定样品的VFAs产量，试验设计和结果见表3。对表3的试验数据进行了多元回归拟合，并得出有机负荷、酸化时间和接种比与负荷产酸率之间的二次多项式回归方程，如公式(2)所示：

Y=248.03+2.88X1-7.59X2-2.69X3-2.34X1X2+3.50X1X3+21.38X2X3-13.69X12-10.12X22-9.98X32

(2)

表3 试验设计和结果

式中：Y为预测的VFAs产率；X1，X2，X3分别为酸化时间、接种比和有机负荷。

表4 方差分析结果

工艺条件优化是为了寻找使响应值最大化的反应条件，采用Design Expert软件，根据二次多项式回归方程，求解得到玉米秸秆水解产生VFAs浓度的最大值，得到的优化条件为接种比4，反应时间4 d，原料负荷50 gTS·L-1。为了检验响应面法所得结果，采用优化方案进行了3次重复性验证试验，实际秸秆水解产生VFAs产率平均值270.50 mg·g-1TS与预测值263.03 mg·g-1TS相近，比单因素最优水平(酸化时间为4天、接种比为6和有机负荷60 gTS·L-1)提高了9.06%。

2.3 甲烷相产甲烷性能

在甲烷发酵过程中，代谢产物VFAs可以被产甲烷菌转化为甲烷，采用上述酸化条件进行产甲烷试验，并以未预处理为对照。如表5所示，最优条件下的甲烷产率最高，为285.97 mL·g-1TS，比未处理组提高了81.52%。最优组的碱度为9453.43 mg·L-1，比未预处理组提高了45.52%；氨氮和VFAs分别为519.00和52.30 mg·L-1，低于未预处理组，说明了酸化处理提高了系统的缓冲能力。结果表明酸化处理可以明显提高玉米秸秆的产甲烷性能和系统稳定性，处理效果优于沼液预处理[18]和沼液CaO联合预处理[19]，两种预处理方法可以将甲烷产率分别提高37.43%和57.56%。

经过60 d的厌氧消化，所有处理组的VFAs浓度较低，在53.6～82.8 mg·L-1范围内，说明VFAs被完全转化。pH值，氨氮和碱度分别为7.13～7.40，539.00～868.00 mg·L-1和5125.00～8475.00 mg·L-1，均在合理区间内。酸化处理后各处理组的甲烷产率在191.29～248.12 mL·g-1TS范围内。将表5中甲烷产率和表3中VFAs产率进行相关性分析。如图7所示，甲烷产率与VFAs产率有较高的相关性，相关性系数Mutiple R为0.88，p值<0.05，置信度为95%。并对其进行线性拟合，R2为0.77，拟合效果较好。因此，酸化相的VFAs产率有益于提高甲烷产率，回归线性方程为公式(3)：

ηVFAs=0.62ηMethane+73.25

(3)

图7 VFAs产率与甲烷产率的相关性

3 结论

本文对酸化相的酸化条件进行优化，为秸秆的“水解产酸-产甲烷”两相工艺提供一套完整酸化工艺参数，同时通过对VFAs产量和甲烷产量进行回归性分析，揭示了VFAs与甲烷产量的关系，有助于秸秆两相厌氧消化工艺中甲烷相的预测分析。

表5 甲烷相甲烷产率和出料性质

(1)采用单因素方法对玉米秸秆酸化过程中VFAs产率进行优化，在酸化时间为4天、接种比为6，有机负荷为60 gTS·L-1时VFAs产率最高，VFAs产率分别为299.96，287.99和232.31 mg·g-1TS。各因素对VFAs组分影响较小，发酵类型为丁酸发酵型，其中接种比可以影响丙酸在总VFAs的占比。酸化过程中总气体产量与接种量、负荷和时间有关，而与VFAs产量无关；其中氢气产量与VFAs浓度呈正相关。

(2)采用响应面方法对反应工艺进行优化，得到生物法水解秸秆产挥发酸的最优条件为接种比4∶1，反应时间4 d，原料负荷50 gTS·L-1。在最优条件下，VFAs产率可达到270.50 mg·g-1TS，响应面模型中的影响因素显著性顺序为：接种比>负荷>酸化时间。

(3)将响应面酸化处理后的料液进行甲烷批式实验，最优条件下的甲烷产率最高，为285.97 mL·g-1TS，比未处理组提高了81.52%。对VFAs产量和甲烷产量进行回归性分析，结果表明甲烷产率与VFAs产率有较高的相关性，相关性系数Mutiple R为0.88，并对其进行线性拟合，R2为0.77，拟合效果较好。