2种原料中温发酵产气特性和有机质的变化研究

魏丹丹，王昌梅,3，刘健峰,3，赵兴玲,3，吴 凯,3，梁承月，杨 斌，尹 芳,3，张无敌,3*

(1.云南师范大学 能源与环境科学学院，云南 昆明 650500；2.云南省沼气工程技术研究中心，云南 昆明 650500；3.吉林东晟生物质能工程研究院，吉林 通化 134118)

玉米作为全球重要的粮食作物，在2019—2020年度，全球玉米的产量达到了11.08亿吨，我国是农业大省，其玉米产量为2.61亿吨，占比23.5%，产量位居世界第二[1]，玉米芯是其主要的副产品，是由玉米棒脱粒加工而得，玉米芯的产量与玉米的产量比值约为0.21[2]，并且玉米芯含热量为15 934 kJ·g-1，相当于燃煤的60%[3]，这种来源广泛、价格低廉、具有资源价值的原料一直被廉价地作为燃料而烧掉，直接燃烧不仅会造成环境问题，也是一种资源浪费.糠醛渣是利用玉米芯、玉米秆、麦秸秆、稻草、稻壳、花生壳和甘蔗渣等农副产品下脚料来制备糠醛时产生的废渣[4]，在获得糠醛的同时，会排放较多的糠醛渣，堆积的糠醛渣会对土壤、河流产生污染，掺煤燃烧则会污染大气[5].糠醛渣作为生物质废弃物中的一种，有机质成分丰富，其中含有较多的木质素、纤维素和少量的半纤维素，而且木质素和纤维素的含量要高于其他植物资源[6]，若能对糠醛渣进行综合开发和利用，可以实现其资源化利用，是一笔巨大的经济及环境财富.

近些年来，随着全球性能源危机和环境危机的日益突出，玉米芯和糠醛渣的处理方式被高度重视，对其进行资源化利用成为学者们研究的热点之一.田丽萍等[7]将糠醛渣作为土壤的改良剂来改善土壤的品质；荣春光[8]以玉米芯为原料，同步萃取了糠醛；李昌文等[9]以玉米芯为原料生产还原糖、木糖、木聚糖等，改性玉米芯的生产工艺和研究进展，为玉米芯的综合利用提供参考.张雅麟[10]用糠醛渣替代玉米秸秆，通过同牛粪、炉渣、菇渣的体积比来配制新的培养番茄的有机基质.将玉米芯和糠醛渣进行资源化利用的方向较广，但是将玉米芯和糠醛渣作为厌氧消化原料的研究较少，由于玉米芯和糠醛渣中含有大量的有机物质，有利于进行沼气发酵，不仅不会污染环境，而且可以产生新能源.因此，笔者对玉米芯和糠醛渣的厌氧消化进行对比分析，旨在为玉米芯和糠醛渣资源的研究、开发和进一步利用提供理论依据和技术参考，对缓和人与资源在环境方面的矛盾具有重要意义.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验中所用的发酵原料玉米芯和糠醛渣取自吉林省通化市，将取回的玉米芯和糠醛渣自然晾干后用实验室的粉碎机粉碎备用；试验所用接种物为云南省农村能源工程重点实验室的以猪粪为原料的连续搅拌釜式厌氧消化反应器(continuous stirred tank reactor，简称CSTR)稳定运行2年以上驯化的不产气活性污泥，试验所用沼液为CSTR反应器运行过程中的出水，试验材料的各项基本参数如表1所示.

表1 原料及接种物的基本理化指标

1.2 试验装置

试验装置为实验室自制的容积为500 mL的批量式发酵装置.主要由恒温装置、发酵瓶、集气瓶和计量瓶组成.发酵温度由恒温水浴锅控制，发酵瓶中产生的沼气通过导气管进入集气瓶中，随后集气瓶内的水通过导水管排放到计量瓶内，产生的沼气量就是排放到计量瓶中的水量，图1为厌氧消化装置示意图.

1.电热恒温水浴锅；2.广口发酵瓶；3.橡胶塞；4.玻璃管；5.导气管；6.取气口；7.气柜(3，4，8为U形头；9为底座；10为底盖；11为集气瓶；12为通气管).图1 批量式厌氧消化装置

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

根据两种发酵原料设计2个试验组进行对比研究，分别为玉米芯试验组和糠醛渣试验组，同时设置1个对照组，每组设3个平行，在发酵温度为(35±1) ℃下进行沼气发酵试验.同时试验采用总发酵体积为400 mL的批量式发酵装置，接种物浓度为30%，将配好的发酵料液放入发酵装置中进行厌氧消化，直至试验结束，发酵液的配比如表2所示.

表2 试验设计

1.3.2 测定项目及方法

(1) 产气量：排水集气法收集沼气，每天固定时间记录计量瓶中的水量.

其中：W0为样品重量，g；W1为样品烘干至恒重后的重量，g.

(4) 发酵物料的酸碱度(pH)：用5.7～8.5精密pH试纸测定.

(5) 甲烷含量：使用气相色谱仪(GC9700II)测定.

(6) 木质纤维素含量：木质纤维素的测定主要包括3个部分：中性洗涤剂纤维(NDF)、酸性洗涤剂纤维(ADF)和酸性洗涤剂木质素(ADL).使用F800粗纤维测试仪进行测量和计算[12].

(7) 粗脂肪含量：采用索氏提取法进行测定.

(8) 粗蛋白含量：先用全自动凯氏定氮仪对样品中的总氮进行测定，得到总氮的含量后乘以6.25.

(9) 总糖：碘显色法测定.

(10) 还原糖、低聚糖：采用3, 5-二硝基水杨酸(DNS)比色法进行测定.

(11) 淀粉：淀粉含量=总糖含量—低聚糖含量—还原糖含量，单位均为mg·g-1[13].

1.3.3 数据分析

2 结果与分析

2.1 日产气量的对比分析

保持发酵温度为(35±1) ℃，采用排水集气法，将36 d发酵时间内收集到的沼气量绘制成日产气量曲线图，如图2所示.

图2 日产气量曲线

图2显示，玉米芯和糠醛渣的产气曲线符合沼气发酵的一般规律，试验过程处于正常厌氧消化.试验启动初期，2组的日产气量迅速上升，达到产气高峰，随后产气量出现上下波动的现象，最后趋于平稳，直到产气结束.玉米芯组和糠醛渣组在整个发酵周期中的日产气量曲线均呈现大幅度波动的现象，且2组的产气高峰均出现在厌氧消化前期.其中玉米芯组在发酵9 d内出现了3个产气高峰，在发酵3 d时达到了整个发酵周期的最高峰，最高日产气量为250 mL，随后2 d产气量略有下降，在发酵6 d时回升到了241 mL，出现了第2个产气峰.糠醛渣组相比玉米芯组日产气量上下起伏较大，在第2天就已经达到整个沼气发酵过程的最高峰，为185 mL，说明该试验启动较快，这种情况的出现，可能是因为糠醛渣中含有大量的纤维素和木质素，在微生物作用下糠醛渣中的纤维素和半纤维素被降解而产生了沼气，但是在试验进行6 d时产气量急剧下降到33 mL，几乎停止产气，第7天时产气量又迅速回升到142 mL，这是沼气发酵体系的自我调节过程.在厌氧消化中期，玉米芯的日产气量始终在糠醛渣之上，且二者的产气量上下波动较小，没有呈现明显的峰值，但是在发酵后期，玉米芯组出现了产气峰，为94 mL，表明以玉米芯作为发酵原料的试验周期长，此时发酵系统中仍有较多的有机物，容易被分解利用.

2.2 累积产气量的对比分析

从发酵开始，计算厌氧消化周期内日产气量的总和，得到玉米芯和糠醛渣的累积产气量，作曲线图如图3所示.

图3 累积产气量和产气速率

根据日产气量数据，得到玉米芯组和糠醛渣组的累积产气量分别为3 676，2 470 mL，通过计算得出玉米芯组的累积产气量高出糠醛渣组33%，即1 206 mL.随着发酵天数的增加，玉米芯的累积产气量呈现先上升后逐渐平缓的趋势.糠醛渣组在整个过程中产气曲线的斜率变化不明显，即产气过程中无急剧上升和急剧下降的过程.在发酵前期，2组的产气速率均较高，可能是因为玉米芯和糠醛渣原料中大量的木质纤维素被分解利用，导致发酵前期沼气的累积产气量快速增加.两种原料的厌氧消化试验一共进行了36 d，玉米芯组和糠醛渣组分别在发酵26，24 d时产气速率达到80%，说明发酵体系主要有机质已经被微生物分解利用，其中糠醛渣组较玉米芯组达到产气速率为80%的时间较短，因为有机质在发酵体系中分解的速率更快，所以相应地缩短了产气周期.为了提高试验效率，后续二者的厌氧消化试验时间可以根据其滞留时间定为26 d和24 d.

2.3 甲烷含量的对比分析

发酵原料玉米芯和糠醛渣在厌氧消化过程中所产沼气中甲烷含量的变化情况，在发酵2 d时对2组的甲烷含量进行测定，以后每隔4 d测定1次.2组甲烷含量随着发酵时间的变化曲线如图4所示.

图4 甲烷含量的变化曲线

由图4可以看出，自试验启动后，发酵前期2组的甲烷含量上下相差不大，均在发酵6 d时达到50%以上.在厌氧发酵中期的第14天，2组的甲烷含量相同，之后二者的甲烷含量相差较大，并且甲烷含量均达到了60%以上.玉米芯组在发酵34 d时达到产甲烷峰值，甲烷含量为63%；糠醛渣组在发酵30 d时达到产甲烷峰值，甲烷含量为68%.二者均在厌氧消化后期达到产甲烷高峰，说明其前中期产生了大量的乙酸、甲酸、乙醇和CO2等产甲烷基质，发酵后期产甲烷菌能够得以利用这些基质，使得产气量增大，从而出现甲烷含量峰值.玉米芯和糠醛渣在整个发酵周期中的平均甲烷含量分别为57.88%和61.19%，说明在该试验条件下玉米芯和糠醛渣所产沼气的品质较佳，并且糠醛渣的平均甲烷含量高于玉米芯3.31%，2组间的平均甲烷含量差异较小.

2.4 产气效率对比分析

利用公式进行计算，得到玉米芯组和糠醛组的产气效率，其对比列于表3.

表3 产气效率对比

由表3中的参数知，2组在进行厌氧消化时，累积产气量、原料产气率、TS产气率、VS产气率和平均甲烷含量均存在差异.其中玉米芯组的累积产气量、原料产气率、TS产气率、VS产气率均高于糠醛渣组，且由表3中的平均甲烷含量和累积产气量可得，玉米芯组和糠醛渣组的甲烷产量分别为2 128 mL和1 511 mL，由此可得，以玉米芯为发酵原料的试验组产气效率较高，产气效果最好，更适合用于厌氧发酵产沼气的试验研究.但是糠醛渣组的平均甲烷含量却高于玉米芯组，分析认为出现这种情况的原因是：利用玉米芯制备糠醛时产生了糠醛渣，经过工艺水解处理后，糠醛渣相比玉米芯的C含量增加，O含量减少，发生一定程度的碳化[15]，C含量的增加使厌氧消化稳定高效地运行[16]，更易促进厌氧发酵产甲烷菌的生长繁殖，提升产甲烷菌的活性.

2.5 原料去除率对比分析

对玉米芯、糠醛渣发酵料液发酵前后的相关指标进行测定统计，可得：(1)发酵料液发酵前，玉米芯、糠醛渣组的TS分别为6.41%，6.80%；VS分别为61.66%，64.27%；pH分别为7.6，7.6.(2)发酵料液发酵后，玉米芯、糠醛渣组的TS分别为1.06%，1.38%；VS分别为59.96%，61.39%；pH分别为7.9，7.6.(3)米芯、糠醛渣组发酵料液发酵的TS去除率分别为80.19%，79.71%；VS去除率分别为2.76%，4.48%.

在厌氧消化过程中，底物会逐渐被消耗，可降解物质在水解后生成挥发性脂肪酸，最终产甲烷菌将简单的有机物转化为CH4和CO2，从而造成实验组TS，VS的下降，而生物降解的成分大多以挥发性固体的形式存在，故VS的去除率可以更好地反应原料被消耗的程度[17].从上述试验结果可以看出，与发酵前相比，各组发酵后的TS，VS含量均有所降低，这是因为发酵料液在厌氧消化的过程中有机物质发生分解产生了沼气.该试验中玉米芯和糠醛渣的TS去除率均高于VS去除率，即非挥发性固体被微生物利用的较多，说明在此厌氧消化条件下，玉米芯和糠醛渣中的大量木质纤维素和有机物质被降解.2组发酵料液前后的pH均在正常范围内，没有明显的变化，说明在整个周期中，二者均处于正常产气的发酵体系.

2.6 发酵料液前后有机质含量的变化

根据各发酵原料厌氧消化前后有机质的含量计算得到有机质的变化率，主要包括纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白和粗脂肪，结果如图5所示.

图5 有机质变化率

图5显示，玉米芯组和糠醛渣组发酵后的纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白和粗脂肪含量相比发酵前均有减少.其中玉米芯组降解率最高的是纤维素，为93.79%，木质素的降解率最低，为38.20%；而糠醛渣却与其相反，木质素降解最高，为87.19%，纤维素降解最低，为79.47%.主要原因可能是以玉米芯为发酵原料时，发酵细菌产生的胞外水解菌降解了玉米芯表面的纤维素，使玉米芯结构变疏松，从而出现较多孔洞，增加了玉米芯与纤维素分解菌的接触面积，使得纤维素得到充分降解[18]；以糠醛渣为发酵原料时，由于糠醛渣是玉米芯在高温高压下提取糠醛后的残留固体，在提取糠醛时，玉米芯中的半纤维素大部分被转化为糠醛[19].半纤维素被利用的过程中，破坏了木质纤维素的结构，使得半纤维素从结构中脱离，更易被微生物分解.玉米芯和糠醛渣的半纤维素和粗脂肪去除率相差不大，都在80%左右，且粗脂肪的利用率高于粗蛋白，粗蛋白的有机质去除率最低.

2.7 厌氧消化中木质纤维素的脱除率与其他研究结果的对比分析

对于不同材料，通过不同处理方式，其纤维素、半纤维素和木质素的脱除率不同，不同学者的研究结果对比如表4所列.

由表4可知，不同材料，其处理方式不同，得到的木质纤维素脱除率也不同.对玉米芯中木质素的去除，深度共熔溶剂分离法要优于厌氧消化法，但是半纤维的去除却相反.碱性过氧化氢处理法脱除木质素要低于厌氧消化法.利用碱蒸煮法对甘蔗渣中的半纤维素进行去除，脱除率达到了94.44%.在富含木质纤维素的原料中，厌氧消化法对纤维素的去除率效果最好，对木质素的脱除率最低.

2.8 发酵料液前后含糖量变化

为了考察厌氧消化过程中水解酶水解不同糖类的效果，对发酵前后料液中的总糖、低聚糖、还原糖和淀粉含量的变化进行对比分析，结果如图6所示.

图6 有机质降解的对比

图6显示，发酵后的料液中，总糖、还原糖和淀粉的含量均高于发酵前，主要是因为发酵前料液中的大分子有机化合物，即纤维素、半纤维、脂类以及蛋白质等，经水解酶水解后产生的糖类还没有被微生物完全利用，与发酵前料液中的糖类混合，就出现了糖类在沼气发酵周期中不仅没有因为被分解利用而减少，反而出现增多的现象.但是玉米芯和糠醛渣组中的低聚糖没有出现上述现象，且玉米芯发酵后的低聚糖含量接近零，低聚糖被利用产生了沼气.

2.9 能源回收率分析

对整个厌氧消化过程中玉米芯和糠醛渣的热值进行测定，利用平均甲烷含量和累积产气量对其能源回收率进行计算，结果见表5.

表5 能源回收率对比分析

通过计算得出，当甲烷燃烧热为35 822.6 kJ·m-3[23]时，玉米芯的能源回收率为88.21%，糠醛渣的能源回收率为76.94%，二者和一些发酵底物相比，均具有较高的能源回收率，原因可能是玉米芯和糠醛渣在沼气发酵过程中，其较高的有机质降解率有利于能源的转化.

2.10 动力学评估不同原料对消化降解过程的影响

在厌氧消化的周期中，生物质原料的消化降解过程遵循一级动力学相关原理.将玉米芯和糠醛渣沼气发酵试验得到的累积产气量利用Modified Gompertz模型进行拟合处理.将文中得到的实验数据代入方程中，方程的拟合参数如表6所示，得到的拟合曲线见图7.拟合结果表明，采用一级动力学方程对玉米芯和糠醛渣组进行曲线拟合，拟和结果较好，R2均大于0.9.由一级动力学模型可知，玉米芯组的实际试验的累积产气量比拟合累积产气量略低，而糠醛渣组相反，拟合累积产气量比实际试验的累积产气量高.

表6 不同原料厌氧消化累积产气量Modified Gompertz方程拟合参数

图7 玉米芯、糠醛渣厌氧消化累积产气量拟合曲线

3 讨 论

从玉米芯和糠醛渣组厌氧消化前后有机质变化的情况得出，纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白、粗脂肪均被分解利用，较发酵前含量降低，其中降解率最高的分别为玉米芯组的纤维素和糠醛渣组的木质素，降解率分别达到93.79%和87.19%；两种发酵原料组的粗脂肪降解率均较高，为80%左右，但是糠醛渣的粗蛋白只有2%.从纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白、粗脂肪在整个发酵周期中的降解情况可知，有机质含量的变化对厌氧消化产气性能的影响较大，提高有机质去除率可以改善原料的厌氧消化产气性能.

该试验对总糖、低聚糖、还原糖和淀粉含量的变化进行对比分析，得出发酵后料液中总糖、还原糖和淀粉的含量均高于发酵前，但低聚糖与其相反，这种现象的出现，需要进一步探索研究.利用Origin软件做拟合，得出玉米芯和糠醛渣与Modified Gomepertz方程的相关系数均达到了0.9以上，拟合效果较好，表明拟合方程与试验所得数据具有较好的相关性.