厭氧發(fā)酵起始階段通氧對(duì)玉米秸稈產(chǎn)甲烷特性的影響

付善飛，許曉暉，師曉爽，趙玉中，王傳水，郭榮波

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厭氧發(fā)酵起始階段通氧對(duì)玉米秸稈產(chǎn)甲烷特性的影響

付善飛1,2，許曉暉1，師曉爽1，趙玉中1,2，王傳水1，郭榮波1

（1中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所，山東省沼氣工業(yè)化生產(chǎn)與利用工程實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266101；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

基于厭氧發(fā)酵起始階段的氧供應(yīng)量控制，研究了厭氧發(fā)酵起始階段通氧對(duì)玉米秸稈產(chǎn)甲烷特性的影響。當(dāng)氧氣供應(yīng)量為10 ml·(g VS)-1時(shí)，甲烷產(chǎn)量達(dá)到最大為299.8 ml·(g VS)-1，相對(duì)于不做處理的樣品甲烷產(chǎn)量提高了8.4%。但是，氧氣供應(yīng)量的繼續(xù)提高并沒有帶來(lái)甲烷產(chǎn)量的升高，當(dāng)氧氣供應(yīng)量大于40 ml·(g VS)-1時(shí)，甲烷產(chǎn)量相對(duì)于不做處理的秸稈樣品輕微下降。modified first order equation 模型擬合分析表明起始階段微好氧處理可以加快底物的水解速度，但氧氣供應(yīng)量過大會(huì)延長(zhǎng)厭氧發(fā)酵的延滯時(shí)間。另外，經(jīng)過起始階段通氧處理，秸稈厭氧發(fā)酵的VS降解率也有所提高。

厭氧發(fā)酵；通氧；甲烷；modified first order equation 分析；VS降解率

引 言

玉米秸稈含有大量的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等成分，是一種主要的農(nóng)業(yè)廢棄物[1]。在中國(guó)，每年產(chǎn)生玉米秸稈21.6億噸，并且大約一半的玉米秸稈沒有充分利用[2]。厭氧發(fā)酵技術(shù)是處理玉米秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的理想手段，因?yàn)樗诮鉀Q農(nóng)業(yè)廢棄物的同時(shí)也產(chǎn)生有機(jī)肥、沼氣等附加品。但是玉米秸稈中纖維素、木質(zhì)素和半纖維素成分相互纏繞形成致密的結(jié)構(gòu)，阻礙了厭氧發(fā)酵過程中纖維素酶等對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)的水解[3]。因此，水解階段通常被認(rèn)為是厭氧發(fā)酵的限速步驟[4]。纖維素類底物進(jìn)行厭氧發(fā)酵前通常需要進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)驗(yàn)室常見的預(yù)處理方法主要有物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、生物預(yù)處理及多種預(yù)處理手段結(jié)合[5]。但是，這些傳統(tǒng)的預(yù)處理手段往往會(huì)需要額外的化學(xué)藥品或能量供應(yīng)[6]。

有研究表明，纖維素類物質(zhì)的水解速率在氧存在的情況下明顯加快，因此微好氧處理可作為一種處理手段加快纖維素類物質(zhì)的厭氧發(fā)酵進(jìn)程[7]。相對(duì)于其他的預(yù)處理手段，微好氧處理更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保，僅僅需要對(duì)反應(yīng)體系引入少量的氧或空氣。有研究表明，微好氧預(yù)處理可以顯著提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)量：在研究波羅麻漿厭氧發(fā)酵時(shí)，Mshandete等[8]發(fā)現(xiàn)，在波羅麻漿液厭氧發(fā)酵前進(jìn)行9 h的好氧預(yù)處理，其甲烷產(chǎn)量提高了26%；在研究微好氧預(yù)處理對(duì)淀粉厭氧發(fā)酵影響時(shí)，Botheju等[9]發(fā)現(xiàn)，微好氧預(yù)處理階段氧氣用量為0～16%（基于COD）時(shí)，甲烷產(chǎn)量提高了30%～55%；在處理餐廚垃圾時(shí)，Lim等[6]發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧氣用量為37.5 ml·L-1·d-1甲烷產(chǎn)量提高了10%～21%。有的研究表明微好氧預(yù)處理可以提高體系的水解效率，但對(duì)甲烷產(chǎn)量沒有明顯影響：在研究微好氧預(yù)處理對(duì)纖維素水解動(dòng)力學(xué)影響時(shí)，Diaz等[10]發(fā)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)體系每天通入10 ml O2，甲烷產(chǎn)量基本沒有影響，但是纖維素的水解速度明顯提高。

當(dāng)使用微好氧作為處理手段時(shí)，處理階段氧氣的供應(yīng)量尤為重要，因?yàn)檫^量的氧氣會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)，降低甲烷產(chǎn)量[11]。過量的氧氣會(huì)直接氧化一部分底物，降低甲烷產(chǎn)量。因此，需要進(jìn)行微好氧處理階段氧氣供應(yīng)量的優(yōu)化。

在已有研究中，微好氧處理主要應(yīng)用于污泥、餐廚垃圾、淀粉等易降解底物，對(duì)于玉米秸稈等纖維素類物質(zhì)研究較少。本研究討論了厭氧發(fā)酵起始階段通氧對(duì)玉米秸稈產(chǎn)甲烷特性的影響，并結(jié)合厭氧發(fā)酵過程中的pH、氨氮、SCOD及累計(jì)甲烷產(chǎn)量、VS降解率等參數(shù)變化研究了微好氧處理對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵的影響。以期為微好氧處理的應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中所用的接種物為活性污泥，取自青島市團(tuán)島污水處理廠。接種物的TS為6.64%，VS為70.62%（基于TS）。試驗(yàn)中底物為自然風(fēng)干的玉米秸稈，從青島平度市玉米地收集而得，并用粉碎機(jī)粉碎至粒徑0.5 cm左右，玉米秸稈的TS和VS分別為92.44%、93.44%；纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量分別為45.43%、22.73%、10.79%（基于TS）；碳氮比、碳?xì)浔确謩e為28.97、7.73（質(zhì)量比）。

1.2 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行方法

厭氧發(fā)酵起始階段通氧對(duì)玉米秸稈產(chǎn)甲烷特性的影響試驗(yàn)以300 ml點(diǎn)滴瓶為反應(yīng)器，工作體積200 ml，每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行測(cè)試。試驗(yàn)裝置如圖1所示。每組發(fā)酵瓶中加入秸稈5.77 g（濕重）、污泥40.2 g（濕重）。同時(shí)，為防止發(fā)酵過程中酸化，每個(gè)發(fā)酵瓶用營(yíng)養(yǎng)液[12]補(bǔ)至體積200 ml。營(yíng)養(yǎng)液組分為：每1 L體積中含有NH4Cl 1 g、NaCl 0.1 g、MgCl2·6H2O 0.1 g、CaCl2·2H2O 0.05 g、K2HPO4·3H2O 2 g、NaHCO32.6 g、L-半胱氨酸鹽酸鹽0.5 g。試驗(yàn)開始前用純N2曝氣5 min，以保證體系的厭氧條件，然后壓蓋密封。厭氧發(fā)酵起始階段通氧處理在厭氧發(fā)酵開始的前4 d進(jìn)行，每組反應(yīng)瓶每天用針管注入0、12.5、50、100、150 ml 氧氣（標(biāo)況下）以達(dá)到微好氧處理階段氧氣供應(yīng)量分別為0、10、40、80、120 ml·(g VS)-1。發(fā)酵瓶置于恒溫水浴搖床內(nèi)，發(fā)酵溫度為(37±1)℃，轉(zhuǎn)速為120 r·min-1。

1.3 試驗(yàn)測(cè)定參數(shù)及方法

沼氣產(chǎn)量測(cè)定采用排水法，甲烷濃度測(cè)定采用SP-6890 型氣相色譜儀（山東魯南瑞虹化工儀器有限公司），熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)，柱溫50℃，汽化室溫度100℃，檢測(cè)器溫度80℃，載氣為氬氣，進(jìn)樣量0.4 ml，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量采用范氏(Van Soest) 纖維素方法測(cè)定[13]，TS、VS 采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[14]，C、H、N 和S 含量由元素分析儀測(cè)定（vario EL cubo），SCOD、氨氮測(cè)定采用分光光度法（721可見光分光光度計(jì)，上海菁華科技儀器有限公司）。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)玉米秸稈累計(jì)甲烷產(chǎn)量的影響及數(shù)學(xué)模型分析

2.1.1 累計(jì)甲烷產(chǎn)量 累計(jì)甲烷產(chǎn)量是衡量秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果的最重要指標(biāo)，玉米秸稈厭氧發(fā)酵的累計(jì)甲烷產(chǎn)量如圖2所示。試驗(yàn)中累計(jì)甲烷產(chǎn)量在256.6～299.8 ml·(g VS)-1之間，當(dāng)氧氣供應(yīng)量為10 ml·(g VS)-1時(shí)，累計(jì)甲烷產(chǎn)量達(dá)到最大，為299.8 ml·(g VS)-1。相對(duì)于不做處理的對(duì)照組，其甲烷產(chǎn)量提高了8.4%。但是，甲烷產(chǎn)量并不隨著氧氣供應(yīng)量的增加而增大，當(dāng)氧氣供應(yīng)量超過40 ml·(g VS)-1時(shí)，厭氧發(fā)酵起始階段通氧反而會(huì)降低累計(jì)甲烷產(chǎn)量。本研究中，當(dāng)氧氣供應(yīng)量為120 ml·(g VS)-1時(shí)累計(jì)甲烷產(chǎn)量最低，為256.6 ml·(g VS)-1，相對(duì)于對(duì)照組其累計(jì)甲烷產(chǎn)量降低了7.2%。這與Botheju等[15]的發(fā)現(xiàn)一致：厭氧發(fā)酵起始階段通氧在一定的氧氣供應(yīng)量范圍之內(nèi)可以提高秸稈厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)量，當(dāng)氧氣供應(yīng)量超過一定范圍時(shí)，反而會(huì)降低甲烷產(chǎn)量，這是因?yàn)殡m然某些產(chǎn)甲烷菌對(duì)氧氣有一定的耐受性，但氧氣濃度超過一定范圍會(huì)影響產(chǎn)甲烷菌的活性[16]，并且當(dāng)氧氣供應(yīng)過剩時(shí)，會(huì)將一部分的底物直接氧化生成二氧化碳[6]。

2.1.2 累計(jì)甲烷產(chǎn)量的modified first order equation分析 本研究選取modified first order equation來(lái)分析厭氧發(fā)酵起始階段通氧對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵的累計(jì)甲烷產(chǎn)量、延滯期及水解常數(shù)的影響。modified first order equation經(jīng)常被用于厭氧發(fā)酵過程中的累計(jì)甲烷產(chǎn)量、厭氧發(fā)酵的延滯期及水解常數(shù)的分析[10]。

修正后的modified first order equation為

()=∞exp{1-exp[-H(-p)]} (1)

式中，()表示厭氧發(fā)酵過程中的累計(jì)甲烷產(chǎn)量，ml·(g VS)-1；∞表示最大產(chǎn)甲烷潛力，ml·(g VS)-1，H表示水解常數(shù)，d-1；p表示厭氧發(fā)酵的延滯時(shí)間，d；表示體系運(yùn)行時(shí)間，d。表1給出modified first order equation 模型擬合的各種參數(shù)值。從表1可以看出，modified first order equation模擬分析的相關(guān)系數(shù)2均大于0.99，這表示模擬的參數(shù)可以解釋厭氧發(fā)酵過程中99%以上的數(shù)據(jù)[17]。水解常數(shù)H表示厭氧發(fā)酵過程中底物的水解速率，從表1中可以看出，經(jīng)過厭氧發(fā)酵起始階段通氧處理組的水解常數(shù)H均小于不做預(yù)處理的對(duì)照組，這表明厭氧發(fā)酵起始階段通氧可以加快底物的水解速率。p表示厭氧發(fā)酵的延滯時(shí)間，從表中可以看出M3和M4有明顯的延滯期，這是因?yàn)樵谘鯕夤?yīng)過量的情況下，產(chǎn)甲烷菌的活性受到抑制從而阻礙了甲烷的產(chǎn)生。這與Diaz等[10]研究微好氧預(yù)處理對(duì)纖維素水解動(dòng)力學(xué)時(shí)所得到的結(jié)果一致，厭氧發(fā)酵起始階段通氧可以加快底物的水解速度，但是過剩的氧氣供應(yīng)會(huì)延長(zhǎng)厭氧發(fā)酵的延滯時(shí)間。

表1 Modified first order equation模型擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters of modified first order equation

2.2 玉米秸稈厭氧發(fā)酵過程中的pH、SCOD及氨氮變化

2.2.1 厭氧發(fā)酵過程中pH變化 pH是厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣過程中的重要控制參數(shù)，pH直接影響著厭氧微生物的物質(zhì)代謝和生命活動(dòng)。沼氣微生物的生長(zhǎng)、繁殖要求發(fā)酵原料的酸堿度保持中性，或者微偏堿性，酸和堿性條件都會(huì)影響產(chǎn)氣。一般情況下，pH為6～8，均能正常產(chǎn)氣，以pH為6.5～7.5 產(chǎn)氣量最高，pH低于6或高于9 時(shí)均不利于沼氣的產(chǎn)生[18]。圖3表示厭氧發(fā)酵過程中pH變化曲線，從圖中可以看出，試驗(yàn)中pH在6.9～8.3之間，始終處于一個(gè)合理的范圍。所有的pH在微好氧預(yù)處理結(jié)束時(shí)達(dá)到最低，pH的降低與預(yù)處理階段VFA的積累有關(guān)（圖4）。當(dāng)氧氣供應(yīng)量為120 ml·(g VS)-1時(shí)，其pH達(dá)到最低，這可能是因?yàn)檠鯕夤?yīng)量較大時(shí)，體系中好氧菌及兼性厭氧菌更加活躍產(chǎn)生更多的有機(jī)酸，氧氣抑制了甲烷生成菌等厭氧菌的活性造成了有機(jī)酸的積累。試驗(yàn)組M1和M2的pH都大于對(duì)照組，可能是由于在極微量氧情況下，有機(jī)酸被消耗生成甲烷及二氧化碳造成了pH的升高（圖4）。

2.2.2 SCOD變化曲線 SCOD是表示體系中物質(zhì)溶解程度的參數(shù)[8]。圖5表示厭氧發(fā)酵過程中SCOD的變化曲線。從圖中可以看出，微好氧處理結(jié)束后，AN、M1和M2的SCOD達(dá)到最大，然后快速下降。其中當(dāng)氧氣供應(yīng)量為10 ml·(g VS)-1時(shí)，SCOD達(dá)到最大，其相對(duì)于對(duì)照組提高了20%，這表明在微量氧存在的情況下，更多的底物被水解。試驗(yàn)組M3和M4的SCOD值小于對(duì)照組，其可能因?yàn)樵谘鯕夤?yīng)過量的情況下，一部分的SCOD在微好氧預(yù)處理過程中被好氧菌或兼性厭氧菌直接氧化[19]。

2.2.3 氨氮變化曲線 在厭氧發(fā)酵過程中，蛋白質(zhì)可被轉(zhuǎn)化成銨根離子或者環(huán)狀化合物（如吡啶類、吡咯類）[20]。溶解的銨根離子會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵過程形成兩方面的影響：一方面，適量的銨根離子是厭氧發(fā)酵中菌生長(zhǎng)的氮源并組成發(fā)酵體系的緩沖體系；另一方面，銨根離子是厭氧發(fā)酵過程的主要抑制因子[20-21]。圖6是厭氧發(fā)酵過程中氨氮濃度變化曲線。在微好氧預(yù)處理結(jié)束后，試驗(yàn)組的氨氮濃度均高于對(duì)照組，并且隨著氧氣供應(yīng)量提高氨氮濃度也相應(yīng)提高。這可能是因?yàn)樵谟醒醯那闆r下，更多的蛋白質(zhì)被轉(zhuǎn)化成銨根離子。隨后氨氮濃度輕微下降，這可能是因?yàn)轶w系中厭氧發(fā)酵菌的生長(zhǎng)消耗了一部分的銨根離子。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，更多的含氮有機(jī)物被分解轉(zhuǎn)化，銨根離子的濃度也隨之升高，但其始終維持在一個(gè)合適的范圍之內(nèi)。

2.3 底物VS降解率、沼氣中平均甲烷含量與氧氣供應(yīng)量的關(guān)系

圖7表示底物VS降解率、沼氣中平均甲烷含量與氧氣供應(yīng)量之間變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著氧氣供應(yīng)量的提高，底物的VS降解率隨之提高。當(dāng)氧氣供應(yīng)量最大達(dá)到120 ml·(g VS)-1時(shí)，底物的VS降解率也達(dá)到最大為61.3%，相對(duì)于對(duì)照組提高了8.3%。底物的VS降解率也是衡量厭氧發(fā)酵過程的一個(gè)重要參數(shù)，高的底物VS 降解率反映了更多的底物在厭氧發(fā)酵過程中被降解[1]。這將有利于厭氧發(fā)酵工程中，厭氧發(fā)酵殘留物的減量。當(dāng)氧氣供應(yīng)量為10 ml·(g VS)-1時(shí)，沼氣中平均甲烷含量達(dá)到最大為51.3%，隨著氧氣供應(yīng)量的增加沼氣中平均甲烷含量出現(xiàn)降低。當(dāng)氧氣供應(yīng)量超過40 ml·(g VS)-1時(shí)，厭氧發(fā)酵初始階段通氧會(huì)降低沼氣中的平均甲烷含量，這可能與好氧菌及兼性厭氧菌的增殖，生成更多二氧化碳有關(guān)。

3 結(jié) 論

厭氧發(fā)酵起始階段通氧可以提高玉米秸稈累計(jì)甲烷產(chǎn)量：當(dāng)玉米秸稈厭氧發(fā)酵的初始階段通氧的負(fù)荷量為10 ml·(g VS)-1時(shí)，其累計(jì)產(chǎn)甲烷量可達(dá)到299.8 ml·(g VS)-1，相對(duì)于不做處理的對(duì)照組，其甲烷產(chǎn)量提高了8.4%；但是當(dāng)氧氣供應(yīng)量超過40 ml·(g VS)-1時(shí)，厭氧發(fā)酵起始階段通氧會(huì)降低玉米秸稈厭氧發(fā)酵的累計(jì)甲烷產(chǎn)量。

厭氧發(fā)酵起始階段通氧可以加快玉米秸稈的水解速度，但過多的氧氣供應(yīng)會(huì)延長(zhǎng)厭氧發(fā)酵的延滯期。

厭氧發(fā)酵起始階段通氧可以提高玉米秸稈的VS降解率，在氧氣供應(yīng)量10～120 ml·(g VS)-1范圍內(nèi)，玉米秸稈VS降解率隨氧氣供應(yīng)量的提高而升高。

符 號(hào) 說 明

COD——化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand） SCOD——可溶性化學(xué)需氧量（soluble chemical oxygen demand） TS——總固體（total solids） VS——揮發(fā)性固體（volatile solids）

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大學(xué)生的體質(zhì)問題，已經(jīng)成為全國(guó)性的熱點(diǎn)問題。如何使用高科技輔助大學(xué)生將課余時(shí)間用在增強(qiáng)體質(zhì)鍛煉上面是一個(gè)非常有必要的問題。當(dāng)前，智慧校園在社會(huì)中已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)很正常的進(jìn)度，相信未來(lái)也會(huì)有一個(gè)更好的發(fā)展和前景。智慧校園這種新型的校園管理理念，讓高校的智慧校園成為可能。高校體育信息平臺(tái)的構(gòu)建作為智慧校園的先行者，證明智慧校園的可能性，不僅讓高校的教育教學(xué)有了針對(duì)性，也讓高科技為我國(guó)體育事業(yè)的發(fā)展有了進(jìn)一步的助力。

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Effect of oxygen supply at initial stage of anaerobic digestion on biogas production from corn straw

FU Shanfei1,2，XUXiaohui1，SHI Xiaoshuang1，ZHAO Yuzhong1,2，WANG Chuanshui1，GUO Rongbo1

（Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess TechnologyChinese Academy of SciencesQingdaoShandongChina；University of Chinese Academy of SciencesBeijingChina

In this study, the effect of oxygen supply at the initial stage of anaerobic digestion on biogas production from corn straw was investigated in batch-tests. Cumulative methane yields were between 256.6 and 299.8 ml·(g VS)-1. Maximum methane yield was obtained at oxygen load of 10 ml·(g VS)-1, which was 8.4% higher than that of the untreated sample. When oxygen loads exceeded 40 ml·(g VS)-1, slightly negative effect on methane yield was observed. The modified first order equation analysis indicated that oxygen supply treatment at the initial stage could accelerate hydrolysis of substrate. However, excessive oxygen supply during treatment might prolong the lag-phase time of anaerobic digestion.In addition, oxygen supply at the initial stage of anaerobic digestion could increase volatile solids degradation of corn straw.

anaerobic digestion; oxygen supply; methane; modified first order equationanalysis; volatile solids degradation

2014-09-24.

Prof.GUO Rongbo, guorb@qibebt.ac.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141447

X 705

A

0438—1157（2015）03—1111—06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31101918，21307143）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA052103）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2013BAD22B03）；中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（KGCX2-EW-317）；山東省沼氣工業(yè)化生產(chǎn)與利用工程實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目。

2014-09-24收到初稿，2014-11-13收到修改稿。

聯(lián)系人：郭榮波。第一作者：付善飛（1989—），男，碩士研究生。

supported by the National Natural Science Foundation of China (31101918,21307143), the National High Technology Research and Development Program of China（2012AA052103）, the National Science and Technology Support Program(2013BAD22B03), the Chinese Academy of Sciences Key Deployment Project (KGCX2-EW-317) and the Shandong Industrial Engineering Laboratory of Biogas Production and Utilization.