表征玉米秸秆厌氧发酵过程稳定性的关键指标探究

刘振英， 江亚斌， 冯　炘， 王　雯

(天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384)

近年来，我国北方地区的雾霾天气明显增加，给人们健康造成极大威胁，秸秆焚烧作为造成雾霾天气的主要原因之一，受到了政府部门的严格控制[1]。我国是传统的农业大国，每年产生的农作物秸秆超过7亿t，其中玉米秸秆高达2.16亿t，所以对秸秆的资源化利用成为当前亟须解决的关键问题[2]。目前国内对于玉米秸秆的利用途径主要包括秸秆还田、畜牧饲料和工业原料等，但是利用率不高，大部分都被直接焚烧或废弃[3]。由于秸秆的有机质含量很高，通过厌氧发酵可以产生一种清洁的可再生能源——沼气，而且秸秆沼气化能量利用效率是直接燃烧的1.2～1.9倍，还可以避免直接焚烧造成的大气环境污染，减少雾霾的发生，因此可以将其作为理想的沼气工程原料[4]。

影响玉米秸秆厌氧发酵产沼气过程稳定性的因素很多，如温度、pH值、挥发性脂肪酸及碱度等。其中，pH值是厌氧发酵过程中一个重要控制指标，能够影响微生物的生长代谢[5]。挥发性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)是厌氧发酵产过程中重要的中间产物，VFA的累积可能会引发体系的酸化，导致反应器失稳或者运行失败[6]。总无机碳酸盐(total inorganic carbonate，TIC)可以对反应体系内的酸性物质起缓冲作用，维持体系内部环境的稳定，是衡量体系缓冲能力的重要指标[7]。Jie等研究不同pH值对污泥厌氧发酵过程中VFA质量分数的影响时发现，pH值在10左右最有利于VFA的积累[8]；郑福生等分析了TIC对厌氧发酵体系的影响，认为TIC是厌氧反应器稳定运行的重要参数[9]；张彤等探究了鸡粪与秸秆混合厌氧发酵过程中pH值、VFA及产气效果的关系，结果表明，pH值与日产气量成正比，VFA与日产气量成反比[10]；李雪等研究了不同秸秆厌氧发酵产沼气的效果，获得了不同秸秆的产气潜力[11]。但是目前鲜有对不同指标进行综合分析的研究报道，且单个指标分析不能表征各指标间的联系，易受原料、工艺及外部环境因素的影响，进而影响其指导实际工程的能力，削弱其代表性。因此，本研究以玉米秸秆为原料，模拟实际工程连续进料的方式进行厌氧发酵试验，通过对pH值、VFA、TIC、甲烷含量及日产气量等指标的测定及分析，研究指标间的相互关系及对过程稳定性的影响，以期获得发酵过程的关键性指标，从而为发酵工程提供一定的技术参考。

1　材料与方法

1.1　试验材料

试验所用原料为玉米秸秆，取自山东省某地，经粉碎后长度1～10 mm，接种液取自山东某大型沼气站运行稳定的发酵罐，进料以玉米秸秆、沼液或自来水按一定比例混合配制，其中原料、接种液及进料的总固体物质(TS)质量分数、挥发性固体(VS)占TS的质量分数如表1所示。

表1　厌氧发酵原料的特性参数

1.2　试验方案设计

试验采用自制双层壁全混式厌氧反应器，容积12 L，有效容积10 L。采用连续搅拌，搅拌速率为60 r/min，试验温度(通过双层壁间的甲基硅油、电热线及温控开关)控制在(38±0.5)℃。运行期间有机负荷(以VS计)为 4 g/(L·d)，水力停留时间(HRT)设定为30 d，定时进料、出料各333 mL/d。

测定出料样品的pH值、VFA和TIC的质量分数，其中VFA、TIC在反应器启动前期每天取样测定，反应器稳定运行后期改为每周一、三、五采样测定。pH值、甲烷含量等指标每天定时测定，试验持续48 d。

1.3　测定方法

pH值采用BPH-303型pH计测定；VFA、TIC质量分数采用德国的Nordmann联合滴定法测定[12]；甲烷含量：采用Biogas 5000型沼气成分分析仪测定；日产气量采用LML-2型湿式气体流量计测定。

2　结果与分析

2.1　pH值、VFA质量分数等指标变化情况

在试验过程中，为掌握反应器的运行状况，选取pH值、VFA质量分数、TIC质量分数、甲烷含量及日产气量等为日常监测指标，通过观察以上监测指标的变化规律，进而了解反应器的运行稳定性。试验期间指标的变化情况如图1所示。

由图1可知，在反应器启动初期，TIC质量分数较高，VFA质量分数较低，VFA/TIC值在0.2左右。随着反应器的运行，进料的TIC质量分数低于出料的TIC质量分数，使得TIC质量分数逐渐下降，此时水解产酸菌逐渐适应新环境产酸量增加，VFA质量分数逐渐上升，VFA/TIC也逐渐上升到0.41。试验中后期，反应器运行稳定，TIC质量分数变化不大，VFA质量分数也比较稳定，VFA/TIC在0.3～0.4间波动。Raposo等在研究向日葵油饼厌氧发酵与接种率的关系时发现，VFA/TIC值小于0.4时，系统稳定性良好，系统具足够的缓冲能力；当VFA/TIC在0.4(含)～0.7(含)时，系统具有一定的缓冲能力；当VFA/TIC0.7～0.8，系统接近酸化[13]。此次试验反应器整个运行过程中VFA/TIC的范围为0.19～0.41，与Annamaria等研究报道的最适范围[14-15]也基本相符。

为了利于反应器的快速启动，试验开始阶段以沼液为接种液，沼液本身具有一定的产气潜能，使得前期日产气量较高。反应器运行一段时间后，原接种液中的产气潜能基本消耗完，日产气量有所下降。产甲烷菌经过一段时间的调整，逐渐适应新环境，同时体系内可以被产甲烷菌利用的VFA质量分数逐渐上升，产甲烷效率提高，使得CH4含量逐渐上升。反应器运行中期CH4含量波动较大，这可能是因为反应体系内VFA质量分数较高，出现局部酸累积使产甲烷菌生长代谢受到抑制，导致CH4含量发生波动[16]。试验中后期，反应器运行稳定，CH4含量维持在58%左右，日产气量为6.0～8.0 L/d。pH值在整个发酵过程中比较稳定，除了反应器启动前几天偏高大致在7.8左右，基本维持在7.30～7.50之间，处于厌氧发酵微生物适宜的pH(6.80～7.80)范围[17]。

2.2　pH值、VFA质量分数等指标相关性分析

为了研究发酵过程中各指标间可能存在的联系，利用SPSS 19.0软件对指标进行相关性分析，分析结果如表2所示。

由表2可知，VFA质量分数与TIC质量分数及pH值在0.01显著水平下显著负相关，相关系数分别为-0.595、 -0.660。在体系中VFA质量分数和TIC质量分数存在一定的反应平衡，VFA质量分数上升，消耗的TIC质量分数增加，TIC质量分数下降；反之，VFA质量分数下降，消耗的TIC质量分数减少，TIC质量分数上升[18]。所以VFA质量分数和TIC质量分数存在负相关关系。pH值与厌氧发酵液中VFA质量分数有显著关系，当反应体系中VFA质量分数上升时，体系内的酸度上升，使得pH值下降；当VFA质量分数下降时，体系内酸度下降，使得pH值上升[19～21]。邢杰等研究羊粪与麦秆不同配比中温厌氧发酵特性时，对VFA质量分数和pH值进行相关性分析，也得出pH值与VFA质量分数显著性负相关的结论[22]。

TIC质量分数与pH值及日产气量在0.01水平下显著正相关，相关系数分别为0.833与0.671。TIC可以对VFA和其他酸性物质起缓冲作用[23]，在运行稳定的反应器中TIC质量分数远大于VFA和其他酸性物质的质量分数，所以pH值受TIC影响显著，与其有较强的正相关性。此外，较高浓度的TIC可以为反应体系提供足够的缓冲能力，维持体系内部偏碱性的环境，促进产甲烷菌对VFA的利用[24]，使得TIC质量分数和日产气量正相关。

TIC质量分数与CH4含量显著负相关，相关系数为 -0.537。高浓度的TIC会使反应体系内pH值偏高，从而影响产甲烷菌的活性，由于非产甲烷菌对pH值适应范围较大，受到的影响较小，可以继续进行产酸代谢生成CO2和有机酸等物质[25]，CO2增加了日产气量，同时对产甲烷菌产生的CH4进行稀释，使CH4含量下降，这可能是造成TIC质量分数和CH4含量呈负相关的原因。结合TIC与CH4含量的负相关性及与日产气量的正相关性可以推测，CH4含量和日产气量可能存在一定的负相关性，这与表2里CH4含量和日产气量的负相关性相符。

VFA/TIC与VFA质量分数在0.01水平下显著正相关、与TIC质量分数及pH值显著负相关，相关系数分别为0.944、-0.818、-0.786。在反应体系内TIC(约为 8 000 mg/L)的质量分数远大于VFA(约2 500 mg/L)的质量分数，主要在7 500～9 000 mg/L之间波动，变化范围一般小于10%，VFA质量分数主要在2 000～3 000 mg/L之间波动，变化范围在20%左右，使得VFA/TIC的变化趋势受VFA质量分数的影响更显著，所以VFA/TIC与VFA质量分数的相关系数较大。pH值是VFA、TIC、CO2、H2S、NH3等质量分数在体系中酸碱平衡和溶解平衡等综合作用的结果，在厌氧发酵过程中受VFA和TIC的影响较大[25]。当VFA/TIC值上升时，体系中的酸度相对增加，使pH值下降[26]；当VFA/TIC值下降时，体系中的酸度相对下降，pH值上升[27]，且VFA/TIC与VFA质量分数的正相关性强于TIC质量分数的负相关性，所以VFA/TIC与pH值有较强的负相关性。

表2　指标间Pearson相关性分析

注：**、*表示在0.01、0.05水平(双侧)上显著相关。

通过对以上指标的相关性分析可知，VFA/TIC与VFA质量分数、TIC质量分数及pH值相关性显著，是具有代表性的监测指标。其中，VFA/TIC的值不仅可以反映厌氧发酵过程中VFA质量分数及TIC质量分数的变化情况，而且可以间接地判断pH值的变化规律，能够有效地表征体系内的酸碱平衡，进而表征系统运行的稳定状况，更能有效地评价发酵过程的稳定性。

2.3　主成分分析

为了探究发酵过程中的主要影响因子，利用SPSS 19.0软件，将已经进行完标准化处理的6个因子进行主成分分析，分析结果如表3所示。

由表3可知，前2个主成分所包含的信息量分别为 64.403%、22.929%，累积占总信息量的87.332%>85.00%，基本保留了原来变量的信息，因此取前2个成分作为本研究的主成分。

由表4可知，主成分1的主要影响因子是VFA/TIC和VFA质量分数，其中VFA/TIC的相关系数(0.960)最大，为最主要的影响因子。第1个成分主要反映了与酸碱平衡相关的因子，其中VFA/TIC及VFA的载荷系数较大为正值，TIC质量分数及pH值的载荷系数为负值，说明厌氧发酵体系的酸碱平衡受VFA/TIC和VFA质量分数影响较大，随着 VFA/TIC 及VFA质量分数的上升，TIC质量分数及pH值会逐渐下降，这与实际情况相符。第2个成分主要反映了与沼气相关的因子，其中CH4含量和日产气量的载荷系数较大，CH4含量为负值，日产气量为正值，说明日产气量和CH4含量存在负相关关系。由于主成分1主要表征的是与发酵体系酸碱平衡有关的监测因子，这些因子可以反映体系运行的稳定性，而VFA/TIC与主成分1的相关性最大，所以可以判断 VFA/TIC 是表征系统运行稳定性的最主要因子。

表3　相关矩阵的特征值和方差贡献率

表4　变量与主成分的相关性

3　结论

在玉米秸秆连续厌氧发酵试验过程中，VFA/TIC的值为0.2～0.4，属于厌氧发酵适宜的范围。监测指标的相关性分析表明，VFA/TIC与VFA质量分数、TIC质量分数及pH值显著相关，可以有效地反映发酵体系的酸碱平衡，是发酵过程中最主要的监测指标。而主成分分析结果进一步表明，VFA/TIC 是反映厌氧发酵体系运行稳定性的最主要因子。结合相关性分析和主成分分析的结果可知，VFA/TIC是表征厌氧发酵过程稳定性的关键指标。根据VFA/TIC的变化情况可以判断反应器运行的状况，避免发酵体系出现酸化，进而为沼气工程提供了一个重要的参考依据。

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