pH值对苦荞渣厌氧发酵性能的影响

曾 静， 杨 红， 刘士清， 尹 芳， 张无敌

(云南师范大学 能源与环境科学学院 太阳能研究所，云南 昆明 650500)

苦荞(Fagopyrumtataricum(L.) Gaertn)，蓼科荞麦属植物，主要集中栽培在中国西南的四川、云南、贵州等省区。苦荞营养丰富，富含蛋白质、膳食纤维、维生素等营养成分[1]。黑苦荞即珍珠黑苦荞，营养价值极高，富含18种氨基酸、9种脂肪酸、矿物质及微量元素等，属纯天然珍贵营养食品，对糖尿病、高血压等有一定预防和治疗作用，且其效果比普通苦荞更好[2]。研究表明，人体要从苦荞中获得这些微量元素，最好的途径就是通过饮用苦荞浸泡液[3]。随着苦荞残渣累积越来越多，直接将这些苦荞渣扔掉不仅会造成资源浪费，还会对环境造成破坏。因此，对苦荞渣进行资源化利用显得极为重要。

苦荞渣中丰富的营养成分为厌氧消化提供了充足的条件，使其成为了一种很好的厌氧消化原料。厌氧消化作为资源化、无害化处理固体废弃物的最佳技术途径之一，具有运行过程能耗低、有机负荷高、污水产生量少的特点，已经被广泛应用[4-5]，其主要包括水解阶段、发酵产酸阶段、产乙酸阶段和产甲烷阶段[6]。但实际运行中超负荷运行、温度骤变等因素的影响会造成发酵系统内挥发性脂肪酸(VFAs)过量积累[7]，不仅会使系统pH值骤降，还可能对产甲烷菌产生抑制，影响产甲烷效率及系统稳定性，最后造成系统崩溃[8]。目前，针对性解决酸化问题主要从添加添加剂、利用缓冲溶液调节pH值等方向进行研究。Capson-Tojo等[9]以餐厨垃圾为原料进行厌氧消化时，发现添加活性炭能提高挥发性脂肪酸的消耗，缓解发酵体系酸化；宇文超岁等[10]发现生物炭可以有效促进过量积累的VFAs快速降解，加快发酵系统恢复；邹惠等[11]发现添加钢渣可以恢复厌氧消化酸化体系进行产甲烷。但添加添加剂恢复酸化可能会出现所需恢复时间相对较长、产气不稳定等情况。然而，王立军等[12]发现添加碱性缓冲溶液调节pH值可使酸化系统快速恢复；蒋金和等[13]指出，与单相厌氧消化相比，联合产氢产甲烷具有较高的有机负荷率、能源产率及较好的反应稳定性等优势。当前，以苦荞渣为原料进行厌氧发酵的相关研究还未见报道。因此，本研究以苦荞渣为原料，通过设置发酵液中不同的总固体(TS)质量分数进行厌氧消化，优选苦荞渣酸化体系并添加pH值缓冲溶液进行联合产氢产甲烷，以期为苦荞渣的资源化利用、实际沼气系统中控制酸化并提高能源回收提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

接种物污泥取自实验室长期驯化得到的厌氧发酵活性污泥，经过测定，其总固体(TS)质量分数为8.36%, 挥发性固体(VS)质量分数为66.84%, pH值为7.0。发酵原料为产自四川省凉山州西昌市的黑苦荞浸泡过后废弃的茶渣，经测定，其TS质量分数为27.58%，VS质量分数为98.73%。原料性质如表1所示。

表1 原料的基本性质

1.2 实验方法

实验采用批量式发酵，原理为向上排空气法。装置由500 mL厌氧发酵瓶、 500 mL集气瓶和500 mL 计量瓶以及温控系统组成，在厌氧状态下进行实验，产生气体时，气压将集气瓶中的水排进计量瓶中进行读数和气体组分分析。本酸化实验设定温度为(35±1) ℃，其中设置了5个实验组(1#～5#)和2个对照组(6#和7#)，每组均重复设置3个平行实验，具体发酵料液的工艺配方见表2。由于配方2#和3#中的原料添加量过大，受挥发性脂肪酸积累的影响，出现“酸化”现象。因此，将彻底酸化的实验组按照同样配料比配好之后，添加缓冲溶液调节其体系pH值进行联合产氢产甲烷发酵实验，探究其不同浓度和不同处理下的产气情况和能源转换效率。其中，在产氢产甲烷联合发酵实验组中，先用缓冲溶液(6 mol/L的盐酸溶液)将发酵料液的pH值调至5.0～5.5进行苦荞渣厌氧发酵产氢实验，记录产气量并进行气体成分含量测定。待发酵产氢结束后，再用缓冲溶液(质量分数为30%的氢氧化钠溶液)将发酵产氢余液pH值调至7.0～7.5进行厌氧发酵产甲烷实验，在产甲烷阶段每天按时记录产气量并进行甲烷含量的测定。其中，整个实验过程中所有实验组的产气量均已扣除对照组产气量(配方1#、2#、3#的对照组为配方6#，配方4#、5#的对照组为配方7#)。TS质量分数通过在(105±1) ℃的烘箱中烘干至质量恒定后的样品质量除以烘干前的样品质量得出，VS质量分数通过将烘箱中烘干后的样品放至(550±5) ℃的马弗炉中灼烧至质量恒定时挥发部分的样品质量除以灼烧前的样品质量得出。

表2 发酵料液的配方表

1.3 分析方法

通过每天测量排水量记录各个配方的沼气产量[14]。采用福立GC 9790II型气相色谱仪测定各处理的氢气浓度、甲烷浓度和挥发性脂肪酸含量[15]。采用本课题组的方法测定pH值、TS、VS含量、水分和灰分[16]。粗纤维含量采用国家标准GB 6434—1986进行测定。粗脂肪采用索氏提取法[7]。粗蛋白采用凯式定氮法[17]进行测定。无氮浸出物使用GB 10648—2013计算得出。热值采用氧弹卡(式)量热计进行测定。

2 结果与讨论

2.1 缓冲溶液对苦荞渣发酵的影响

2.1.1产气量 各实验组的日产气量如图1(a)所示。由图可知，各实验组的日产气量均在第1天出现了峰值，配方1#、 2#、 3#、 4#、 5#分别为730、 1 470、 2 103、 2 660、 3 920 mL。特别的是，两个添加缓冲溶液进行联合产氢产甲烷的实验组(4#和5#)分别在第9天和第13天出现了第二个产气高峰，分别为535和838 mL，其他实验组则没有。这是因为适宜的pH值提高水解酸化效率，有助于厌氧消化前期的快速启动[18]，因此第1天添加缓冲溶液实验组的日产气量均高于未添加的实验组。在产氢阶段结束后，4#和5#添加NaOH缓冲溶液，NaOH预处理有助于提高厌氧发酵产气效率[19]，因此这两个实验组的日产气量出现第二个峰值。在厌氧消化中，适宜的TS质量分数有利于产氢产甲烷微生物菌群的生长，可以大大提高产气效率，并且可以减少挥发性脂肪酸(VFAs)的积累，防止酸化出现[20]。闫香霖等[21]指出较高的负荷冲击可能达到其可承受的极限值，微生物无法及时将VFAs转化为甲烷, 从而导致VFAs累积过多出现酸化现象。1#由于投料量适宜，产气情况良好，发酵效率较好；2#和3#由于原料添加量过高，高于其最大承受负荷的范围，导致VFAs积累，产生酸化现象，研究结果与文献[21]一致。

由图1(b)和(c)看出，1#虽然在第1天产生部分氢气，但随着系统逐渐稳定，甲烷体积分数开始上升，在第5天出现峰值，此时甲烷体积分数为55%。2#和3#由于产氢产乙酸菌的活跃，当发酵到第18小时时出现氢气体积分数峰值，2#峰值为35%，3#峰值为43%。回收氢气之后由于系统内VFAs积累过多，难以恢复，因此产甲烷阶段无法进行，甲烷无法收集。4#在产氢阶段的第12小时出现了氢气体积分数峰值，为52%；在产甲烷阶段的第10天出现了甲烷体积分数峰值，为59%。5#也在产氢阶段的第12小时出现了氢气体积分数峰值，为56%；在产甲烷阶段的第11天出现了甲烷体积分数峰值，为61%。邓玉营等[22]研究发现，pH值调控体系通过强化水解和产甲烷菌活性提高了稻秸厌氧消化的效率，这和本研究结果一致。通过调节pH值进行联合产氢产甲烷实验，不仅提高了氢气含量和产量，还能促进甲烷的生成，提高了能源回收率。

a.日产气量daily gas production; b.CH4; c.H2

2.1.2酸化恢复性能 将本实验结果与不同恢复酸化方法的研究结果进行对比分析，结果如表3所示。由表可知，添加缓冲溶液不仅可以快速恢复产气，其恢复产气率也较高。原因可能是在实验启动时添加盐酸缓冲溶液，可以调节发酵液pH值快速处于产氢产乙酸菌的活跃pH值范围内，提高了氢气产量和VFAs产量；然后产氢结束再添加NaOH缓冲溶液调节pH值处于产甲烷菌活跃范围值内，能更好地促进产甲烷菌利用更多的乙酸转化成甲烷，从而提高产气效率。但是利用缓冲溶液恢复酸化所需成本相对偏高，且如果缓冲溶液中Na+、K+添加过多，可能会对厌氧消化系统产生抑制作用。因此，在添加缓冲溶液过程中需控制其用量，避免对发酵体系产生反作用。 从表3中可以看出，添加生物炭、零价铁、缓冲溶液等不同的物质进行酸化恢复时，添加缓冲溶液的恢复方式所需时间更短，恢复后的产气率更高。

表3 不同恢复酸化方式对比

2.1.3能源转换效率 对所有实验组的能源转换效率进行分析，能源转换效率的计算公式[24]如式(1)所示。

(1)

式中:η—能源转换效率，%；V—实验测定的气体体积，mL；Q—热值，氢气的热值为12.86 J/mL，甲烷的热值为35.822 J/mL[16]，黑苦荞茶渣的热值为17 782 J/g；m0—原料干物质质量,g。

通过计算得出，未添加缓冲溶液的1#、2#和3#的能源转换效率分别为24.16%，2.59%，2.37%；因为酸化而进行添加缓冲溶液调节pH值处理的4#和5#的能源转换效率分别为28.02%、 30.34%。相同TS质量分数条件下，处理后的联合产氢产甲烷实验组(4#和5#)的能源转化效率分别是相应未处理过的酸化实验组(2#和3#)的10.8倍和12.8倍，并且产氢产甲烷实验组的能源转换效率均高于1#。可以发现，实验酸化会严重影响其能源转换效率，导致原料不能被充分利用，此时通过添加缓冲溶液进行联合产氢产甲烷实验不仅有效地解决了因为酸化而导致的能源转换效率低的问题，还能提高原料的利用率。

2.2 发酵前后挥发性脂肪酸含量对比分析

挥发性脂肪酸浓度变化是影响厌氧消化过程产气情况的因素之一，主要是因为其在维系酸化菌群、产乙酸菌群和产甲烷菌群的代谢平衡过程中起着决定作用[25]。表4记录了整个实验过程中挥发性脂肪酸的变化情况。从表4可以发现，2#和3#发酵后总酸量分别高达13 908和20 473 mg/L，此时，系统内有机酸量积累过多，难以自我调节，导致系统崩溃停止产气，即发生“酸化”。在本研究中，4#和5#发酵后较发酵前脂肪酸总量减少，说明通过添加缓冲溶液进行联合产氢产甲烷实验能充分利用脂肪酸，提高发酵体系的缓冲性和稳定性，提高产气率。

表4 发酵前后挥发性脂肪酸含量变化1)

由表4可知，所有实验组在开始发酵前系统内挥发性脂肪酸主要以乙酸为主，体积分数均高达80%以上，并含有少量其他脂肪酸。随着发酵的进行，各实验组的挥发性脂肪酸含量均发生了变化。其中，所有实验组结束后系统内挥发性脂肪酸以乙酸和丁酸居多，二者之和高达96%以上，以苦荞渣为原料的厌氧发酵产酸类型为丁酸型发酵。1#和4#发酵结束后的乙酸浓度都较开始前相应的有所减少，但减少幅度不是很大；丁酸含量也有增加，丙酸变化不是很明显，并且戊酸被全部利用，结束后系统里未检测到戊酸。产氢产甲烷联合实验组(4#和5#)的产氢阶段结束后的乙酸(59.58%和67.46%)较开始前减少幅度很大，丁酸(36.89%和31.25%)增加幅度很大，且直至产氢结束系统内仍含有微量戊酸(0.52%和0.34%)，酸化实验组(2#和3#)也有着相同的变化趋势。在酸化阶段理论中间产物丁酸、丙酸等短链挥发性脂肪酸只占整个系统中的20%[26]，然而在该实验过程中2#和3#中丁酸体积分数均在40%左右，此时，丁酸无法全部被产乙酸菌利用，剩余部分留在了系统里，造成了丁酸积累，导致实验“酸化”停止产气。而联合实验组(4#和5#)在产氢阶段虽然丁酸体积分数(36.89%和31.25%)也在30%左右，但由于停止产气之后加入了NaOH缓冲溶液调节了此时系统内的厌氧环境，激活了产甲烷菌，从而促进产乙酸菌对丁酸的利用，体系开始恢复正常进入产甲烷阶段。

2.3 动力学分析

使用改进的Gompertz模型模拟比产氢量和产甲烷量。Gompertz模型是三参数方程，对应曲线特点是增长率>0，其函数表态与参数密切相关[27]。方程见式(2)：

y(t)=a·exp[-exp(b-ct) ]

(2)

式中：y(t)—时间t时的累积产气量，mL；a—最大累积产气量， mL；b—发酵过程中气体产率达最大的时间与最大斜率的乘积；c—最大斜率。

Gompertz模型变换，并赋予Modified Gompertz模型参数特殊的生物学意义。获得Modified Gompertz模型如方程(3)：

(3)

式中：Hm—最大累积产气量，mL，当t→∞时，y(t)→a，Hm=a；Rm—最大产气速率，mL/d，Rm=a·c/e；λ—发酵滞留时间，d，λ=(b-1)/c； e—常数，2.718 28。

实际数据处理过程中，利用origin软件对实际累积产气量的图进行Gompertz曲线拟合，在origin软件的拟合表中得出参数a、b、c，然后转换为Hm、Rm、λ的值，即得出拟合后的累积产气量、最大产气速率、发酵滞留时间、相关系数等数据，见表5。通过对几个实验组产气时的累积产气量使用动力学方程进行拟合发现，相关系数R均在0.99以上，拟合结果较好，说明实验数据能较好地反应实验结果。

表5 不同条件下苦荞渣产气数据拟合分析

3 结 论

3.1以苦荞渣为原料进行厌氧发酵时，当发酵液总固体(TS)质量分数为4%时，产气情况良好；但当发酵液总固体(TS)质量分数超过4%时，VFAs积累发生酸化，此时通过添加NaOH缓冲溶液调节pH值进行联合产氢产甲烷实验能恢复酸化，提高能源回收率。相同TS质量分数下，处理后的联合产氢产甲烷实验组(4#和5#)的能源转化效率分别是相应未处理过的酸化实验组(2#和3#)的10.8倍和12.8倍。并且，酸化后使用缓冲溶液调节pH值不仅可以快速恢复产气，恢复后的产气率也相比文献报道中其他恢复方式的更高，产气率达1 267 mL/g。

3.2使用改进的Modified Gompertz方程进行拟合发现，相关系数(R)均在0.99以上，拟合结果较好，实验数据能较好地反应实验结果。