“两相分区一体”对玉米秸秆沼气发酵过程中产气效率的影响

李 楠， 王 鑫， 刘忻壑， 杨梦雅， 朴仁哲， 赵洪颜

(延边大学农学院，吉林 延吉 133002)

农作物秸秆在我国数量庞大，是一种容易获取的农业废弃物，我国每年都会产生大量的作物秸秆，虽然其中一部分被用于秸秆还田[1]、制作饲料、作为工业原料等，但是大部分的秸秆资源都被丢弃或者焚烧[2]，得不到有效的利用并且还会污染环境[3]。农作物秸秆的产沼气潜力巨大，沼气可以做燃料发电，利用厌氧发酵技术将农业废弃物转化为沼气，不仅可以变废为宝，实现资源的再利用，还有利于保护环境[4]。

秸秆中含有大量的木质纤维素，是一种结构复杂的复合体，主要由纤维素、半纤维素、木质素和一些可溶于极性或弱极性的物质组成[5]。木质纤维素可以被微生物分解，但其降解效率低，因此,将两相消化设计在一体的反应器中。两相厌氧消化技术将产酸和产甲烷的微生物分离，使反应器上部为酸化相，下部为产甲烷相，这样可以为产酸菌和产甲烷菌分别提供最佳的生理生态环境，比单相厌氧发酵工艺更稳定，处理效率更高。

基于两相厌氧消化技术，张莉平等[6]对中温两相与中温单相厌氧消化工艺处理剩余污泥进行比较，在污泥投配率为8%，系统有机荷>2.0 kg/(m3·d)时，两相消化工艺的VS和COD去除率及系统产甲烷速率均优于单相厌氧消化工艺。朱瑾等[7]比较单相与两相法2种工艺下产气量的结果表明，相比单相的厌氧发酵，采用两相工艺能将沼气中的甲烷含量平均由50%提高到66%。裴占江等[8]对餐厨垃圾的序批式厌氧消化(BT)、半连续厌氧消化(SCT)和固液两相厌氧消化(SLT)进行比选研究的结果表明，SLT单位沼气产量与甲烷含量也都显著提高，SLT的产酸效率及有机酸利用率均显著提高，有机负荷率较SCT提高50%，进一步体现了两相工艺的优势。除此之外，刘广青等[9]对餐厨垃圾和杂草废弃混合的物料进行两相研究表明，两相厌氧消化系统产气稳定、周期短，是处理有机固态废弃物的有效方法。两相厌氧消化存在诸多优点，在两相体系中搅拌这一因素也会对反应器的产气效率产生一定的影响。赵野等[10]采用两相分区一体工艺进行以新鲜和青贮玉米秸秆为底物的甲烷发酵结果表明，微搅拌的产气效率优于强搅拌，反应器上下层pH值、VFA浓度及细菌古菌数量差异明显，形成鲜明的两相体系。

但现有的关于两相分区一体反应器( Integrated Two-Phase Vertical Reactor，ITPVR)产甲烷的研究缺乏对上部酸化相、下部产甲烷相木质纤维素的分解机制的研究，搅拌对反应器平衡的影响也需深入研究。

本研究利用“两相分区一体”的反应器，以干黄玉米秸秆为原料，反应器上部为分解区，中部为缓冲区，下部为产甲烷区，通过测定日产气量、气体成分、分解区和产甲烷区的pH值、挥发性脂肪酸含量、木质纤维素分解效率等研究搅拌对产甲烷效率的影响，为秸秆的沼气发酵提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验采用干黄玉米秸秆，秸秆取自延边大学试验基地，晒干后粉碎备用，接种污泥取自污水处理厂，其总固体(Total solid，TS)为6%。氮源为新鲜的牛粪液，牛粪采自延吉市朝阳川养牛场。

1.2 试验运行

发酵装置采用2个相同的发酵反应器，分别命名为反应器A和反应器B，有效体积6 L，有机负荷3 g/(L·d)，设定温度30 ℃。A和B两台两相分区一体发酵罐内安装上、中、下3层桨叶，转速100～150 r/min，TS=6%。图1为两相分区一体装置示意图，反应器上层为酸化相，下层为产甲烷相。反应器启动成功后，A反应器维持1 d搅拌2次,每次5 min的微搅拌强度，B反应器为不搅拌。

1.电机;2.沼气排气口;3.进料口/上部取样口;4.上盖;5.搅拌轴;

反应器每天出水500 mL，且每天测定上层、下层和出水pH值，气体成分和产气量等，并取10 mL上清液于-20 ℃冰箱保存,待测。在反应器稳定后，在反应器A和B中加入相同的纤维素袋，装有2 g玉米秸秆，分别置于反应罐的上层和下层，于第3天、第7天、第14天和第21天取样，保存待测木质纤维素含量。

1.3 测定方法

1.3.1 产气量、甲烷含量及气体成分的测定

产气量采用排水法测定；甲烷含量采用英国Geotech公司的气体分析仪(Biogas-5000)进行气体成分的测量。

1.3.2 pH值的测定

每天定时从发酵罐中取出发酵液用pH计(上海雷磁PHS-3C)测定每天进出水、上层和下层液体的pH值。

1.3.3 挥发性有机酸(VFA)的测定

1) 样品处理：1.5 mL待测样品在12 000 r/min的条件下离心10 min。取上清液0.75 mL与0.75 mL的乙腈混合震荡10 min(用Vortex振荡器)使其混合均匀，在12 000 r/min的条件下离心10 min，有机系滤膜(直径13 mm，孔0.22 μm)过滤，装瓶。

2) 样品测量：使用高效液相色谱仪(HPLC)进行测量，其中，色谱柱采用HITACHI LaChrom C18-AQ(5 um)，柱温25 ℃，波长210 nm，流动相由1 mmol/L H2SO4和8 mmol/L Na2SO4混合配制，流速0.6 mL/min，进样量10 μL/次，采集时间45 min。按照出峰物的定性分析结果，配制对应的标准稀释样品做为标准物，进行该种物质的定量分析。而各有机酸含量主要是根据出峰面积计算。本试验的标准样品采用混酸(甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸)，分别取混酸浓度为0.05、0.1、0.2、0.4、0.8和1 g/L。

1.3.4 木质纤维素含量的测定

木质纤维素采用酸、碱液洗涤法测量，中性洗涤液和酸性洗涤液的配置方法参考马旭光[11]的测定方法。测定的仪器为纤维素分析仪(ANKOM 200i)。详细操作步骤为：1) 待测秸秆烘干磨碎，称取±0.5 g的秸秆粉末m1，放入已经称重过的专用纤维素滤袋中C1，用封口机对其封口，每组样品做3组重复。称取1个空白滤袋作为空白对照C0，放入纤维素分析仪中加入中性洗涤液，在100 ℃洗涤75 min，90～100 ℃热蒸馏水洗涤3～4次，每次5 min，取出放于1 L烧杯，经丙酮液充分浸泡5 min移至通风橱中风干直至丙酮味完全散尽，转至±102 ℃烘干箱中5 h至恒重，放到干燥器中降温称取重量m2，空白袋C2;2) 样品放进纤维素分析仪中，加入酸性洗涤液，在100 ℃洗涤45 min，再通过热蒸馏水洗涤、丙酮浸泡、风干、烘干和冷却后称重m3，空白袋C3;3) 样品放进1 L烧杯中，缓慢倒入浓H2SO4浸没全部样品，上下搅拌样品30 min后浸泡3 h，经热蒸馏水洗涤、丙酮浸泡、风干和烘干后冷却称重m4，空白袋C4;4) 样品放进干燥且干净的坩祸内称重m5，空白袋C5，放入马弗炉中以600 ℃灼烧2 h，干燥器中降温称重m6，C6。则样品中各含量为：

半纤维素含量/%=[(m1+C1-m2)-(C0-C2)]/mL×100%

纤维素含量/%=[(m2-m3)-(C0-C3)]/mL×100%

木质素含量/%=[(m4+m5-m6)-(C0+C5-C6)]/mL×100%

1.3.5 数据分析

采用Orgin 8.0作图软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 日产气量和累积产气量的变化

随着反应器的运行，微生物对环境慢慢适应，产气量逐渐增加，日产气量变化如图2所示。可以看出,日产气量前25 d差距不大，从第25天开始反应器A的日产气量超过反应器B，且日产气量整体处于波动上升的趋势。整个运行阶段日产气量的最大值出现在第77天，反应器A日产气量为3 190 mL，反应器B日产气量为2 540 mL，搅拌比未搅拌的日产气量高出了650 mL，说明利用搅拌可以加强反应器中不同高度原料层间的物质扩散，有助于产甲烷微生物与有机酸的结合，使产甲烷微生物均匀分布在反应器中，促进产甲烷微生物对有机物的分解，提高秸秆的降解速率，从而提高产气。

累积产气量如图3所示。在整个反应阶段，反应器A的累积产气量比反应器B高，直至试验结束，反应器A的累积产气量达到160.89 L；反应器B的累积产气量为140.10 L，相比之下反应器A比反应器B的累积产气量高出了20.79 L。

2.2 pH值的变化

pH值是衡量厌氧消化过程的一个重要参数，厌氧发酵反应过程中最适pH值在6.0～8.0之间[12]。搅拌和未搅拌的反应器上层产酸相、下层产甲烷相和出液的pH值如图4。

图4 不同搅拌强度的pH值变化

本试验过程中pH值6.2～7.5之间波动，在厌氧发酵运行的适宜pH值范围内。上层pH值和下层pH值都是在第33天开始反应器A比反应器B稍高，反应器A 的pH平均值为上层6.88，下层6.78，反应器B的 pH平均值为上层6.74，下层6.65，上层pH值略高于下层，这表明搅拌增大了上层酸化相和下层产甲烷相之间的物质交流，使酸化相的部分有机酸运输到产甲烷相，所以反应器A的上层酸化相pH值稍高，而反应器B酸化相只靠自然扩散作用，物质交流速率慢，导致其酸化相的pH值稍低。出液pH值差距不大，一直在6.2～6.6之间浮动，处在厌氧发酵的最适合pH值范围内，说明反应器在发酵期间运行正常且处于较好的状态，厌氧发酵正常进行，且不会影响气体的产生。

2.3 甲烷含量变化

甲烷是通过反应器中产甲烷微生物的代谢作用而产生，产甲烷微生物的活跃程度决定甲烷含量的多少，甲烷含量可以指示厌氧消化系统运行效率的高低，决定着沼气的纯度。

图5 不同搅拌强度的甲烷含量变化

如图5所示，试验前期反应器A和反应器B的产甲烷量差距较小，维持在40%～50%左右，从第25天开始，反应器A的产甲烷量高于反应器B，并且甲烷含量超过50%，反应器运行和产气稳定，说明两相分区一体发酵体系通过搅拌进行甲烷化代谢的效率优于不搅拌的甲烷化代谢效率。

2.4 挥发性有机酸(VFA)含量的变化

挥发性有机酸作为厌氧发酵的重要中间产物，其含量的多少影响着pH值、甲烷含量以及产气量。挥发性有机酸的产量及种类有助于衡量厌氧水解酸化阶段运行情况的好坏。单位时间单位有机物产生挥发性有机酸的多少，即代表了该有机物可降解能力的强弱[13]。

VFA变化如表1所示，在水稻秸秆降解的过程中，甲酸含量较少，上层酸化相的甲酸浓度高于下层产甲烷相，产甲烷相浓度较低是因为甲酸被产甲烷菌利用，消耗量相对增加。反应罐A经过搅拌在第7天后上层和下层的甲酸含量均高于未搅拌的反应罐B，由于搅拌使底物在反应罐中均匀分布，增加产酸微生物与底物的接触，从而升高酸化产物浓度，3 d时还未充分搅拌，7 d后变化明显。乙酸的变化趋势与甲酸类似但又存在差别，反应罐A经过搅拌同样在第7天后上层和下层的乙酸含量高于未搅拌的反应罐B，但上层酸化相的乙酸浓度却低于下层产甲烷相，这是因为乙酸含量较高，产甲烷菌来不及利用大量的乙酸，因此，下层产甲烷相乙酸积累量较高。

2.5 纤维素含量变化

木质纤维素含量变化见图6。

1.上层酸化相，2.下层产甲烷相

木质纤维素的含量随着反应时间的延长有降低的趋势，反应器A和反应器B上层酸化相在第3天时的纤维素含量分别为46.29%和44.53%，到第21天时含量分别下降至30.95%和31.81%，即纤维素含量分别降解了15.34%、12.72%。2个反应器的半纤维素含量均在3天时最大，反应器A和反应器B上层酸化相的半纤维素含量分别达到29.94%和28.41%，到21天时含量分别下降至23.62%和25.83%，即半纤维素含量分别降解了6.32%、2.58%。搅拌对纤维素含量和半纤维含量的降解率比未搅拌分别高出2.62%和3.74%，说明搅拌有助于木质纤维素的降解，搅拌提高了反应器的纤维素和半纤维素的分解效率。

3 讨论与结论

秸秆厌氧发酵过程中，搅拌对提高反应器的甲烷产量至关重要。搅拌可以提高发酵物料和微生物的接触，避免发酵物料表面结渣层的形成，缩小发酵物料的粒度，促进物料扩散。但也有研究表明,不同搅拌强度对反应器产气性能的影响不同，指出过度搅拌不利于产甲烷微生物对有机酸的分解利用[14]。前人研究结果表明，不同搅拌强度对玉米秸秆日产气量和产气速率、累积产气量和VFA等都有一定的影响[15]，适度的搅拌能提高产气效率，发酵浓度增加，效果更明显[16]。本研究表明,搅拌与未搅拌对两相一体反应器的日产气量、累积产气量都有一定的影响，搅拌的日产气量与累积产气量的值分别高出650 mL和20.79 L，说明搅拌对反应器内物质的扩散有一定的促进作用。经过搅拌7 d后上层酸化相和下层产甲烷相的甲酸、乙酸含量均高于未搅拌的反应器，说明搅拌后反应器中底物分布更均匀，使酸化过程更顺利，代谢的甲酸和乙酸增多，代谢产物在搅拌的间隔期进入下层产甲烷相，被产甲烷菌所利用。搅拌对纤维素含量和半纤维含量的降解率比未搅拌分别高出2.62%和3.74%，说明搅拌对木质纤维素的降解有一定贡献。前人研究表明，两相分区发酵能够达到提高纤维素物质转化效率的目的，主要原因是酸化相的作用[17]，酸化过程中在微生物的作用下将复杂的大分子物质如纤维素、半纤维素、蛋白质、可溶性糖等水解酸化为VFA，更有利于产沼气。

厌氧消化时酸化与产甲烷2个阶段的环境差距较大，不同的环境会对产气效率产生抑制，两相分区一体体系将酸化和产甲烷2个阶段分开在各自独立的反应单元中进行[18]，并根据菌的生理生化条件的不同单独为产酸细菌和产甲烷细菌提供适宜的生长环境，其中产酸细菌的反应产物提供给产甲烷菌，成为产甲烷菌可利用的基质，使物料从酸化相进入产甲烷相时能快速进行产气，为产甲烷阶段高效运行提供基础，使反应器稳定且高效的降解物料。因此，两相与单相厌氧发酵相比有更好的产气能力。