玉米秸稈厭氧消化水解動力學(xué)*

王清靜，王加雷，何 偉，李 東，馮鴻燕，閆志英，廖銀章，劉曉風(fēng)?

（1. 中國科學(xué)院成都生物研究所，成都 610041；2. 成都中科能源環(huán)保有限公司，成都 610041； 3. 都市高科（北京）環(huán)境科技有限公司成都分公司，成都 610041；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

玉米秸稈厭氧消化水解動力學(xué)*

王清靜1,4，王加雷2，何 偉3，李 東1，馮鴻燕1,4，閆志英1，廖銀章1，劉曉風(fēng)1?

（1. 中國科學(xué)院成都生物研究所，成都 610041；2. 成都中科能源環(huán)保有限公司，成都 610041； 3. 都市高科（北京）環(huán)境科技有限公司成都分公司，成都 610041；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

為解決原料預(yù)處理存在的不足，探究新的強化水解工藝，以新鮮和風(fēng)干的玉米秸稈為原料，采用批式中溫（35℃）厭氧發(fā)酵實驗和有機物水解三種動力學(xué)模型研究秸稈厭氧消化水解規(guī)律。結(jié)果表明，水解動力學(xué)模型不能完全反映秸稈整個厭氧消化過程水解規(guī)律，秸稈水解速率存在明顯的分段差異，新鮮和風(fēng)干的玉米秸稈水解速率分別在2.75 d和4 d出現(xiàn)“拐點”。通過擬合效果最好的球形顆粒模型求得鮮秸稈的分段水解速率常數(shù)分別為0.1004 d?1和0.0188 d?1，干秸稈的分段水解速率常數(shù)為0.05658 d?1和0.02124 d?1。研究結(jié)果為玉米秸稈的強化水解工藝提供了參考依據(jù)。

玉米秸稈；厭氧消化；水解；動力學(xué)模型

0 引 言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大、分布廣、種類多，長期以來一直是農(nóng)民生活和農(nóng)業(yè)發(fā)展的寶貴資源。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，2010年全國秸稈理論資源量為8.4億t，可收集資源量約為7億t。其中，玉米秸桿約2.73億t，稻草約2.11億t，麥秸約1.54億t[1]。農(nóng)作物秸稈作為一種重要的富含有機質(zhì)的生物質(zhì)原料，可以通過厭氧消化產(chǎn)沼氣技術(shù)來實現(xiàn)資源化利用[2]。但是，由于秸稈本身比重小、碳氮比高、木質(zhì)纖維素含量高且存在蠟質(zhì)層，導(dǎo)致其難于降解[3]。此外，厭氧消化過程中多種微生物的協(xié)同作用形成了復(fù)雜的微生物菌群結(jié)構(gòu)，僅通過實驗很難準(zhǔn)確探知整個秸稈厭氧消化反應(yīng)過程[4]。因此，數(shù)學(xué)模型在農(nóng)作物秸稈厭氧消化過程研究中的引入對明確整個厭氧反應(yīng)過程有重要的意義。

目前應(yīng)用于有機物水解的動力學(xué)模型有很多，其中一級模型是應(yīng)用于復(fù)雜有機物水解的最簡單模型，它假設(shè)可利用基質(zhì)是限制因素，水解速率與未水解的有機物濃度成正比，該模型用于模擬顆粒性有機物的水解效果較好[5]。劉國濤等[6]通過在傳統(tǒng)一級動力學(xué)模型中引入有機顆粒表面積，推倒并建立了修正的一級模型，證實了球形顆粒模型更能反映有機垃圾的厭氧消化過程。Valentini等[7]通過米氏方程建立了一種用于不同底物濃度下纖維素顆粒降解動力學(xué)的通用模型，為研究顆粒有機質(zhì)的厭氧消化動力學(xué)提供了一種新的方法。吳云等[8]對餐廚垃圾水解機理建立了分段動力學(xué)模型，并引入擴(kuò)散阻力系數(shù)將分段模型合并為統(tǒng)一經(jīng)驗動力學(xué)模型，能夠?qū)Σ蛷N垃圾水解趨勢進(jìn)行預(yù)測。Rotter等[9]通過建立纖維素降解動力學(xué)模型，闡釋了纖維素粒徑大小和生物量的多寡對纖維素降解速率的影響。Zhou等[10]通過修正的ADM1模型作為工具來模擬不同有機負(fù)荷下牛糞和青貯秸稈等原料的厭氧消化效率，通過預(yù)測其產(chǎn)氣量和氣體成分來證實該模型的適用性，對農(nóng)業(yè)沼氣工程的操作運行有一定的指導(dǎo)作用。Biernacki等[11]應(yīng)用ADM1模型描述了以牧草、玉米、青貯野草和工業(yè)甘油為基質(zhì)的厭氧消化過程，擬合其厭氧消化過程中的累積產(chǎn)氣量，并通過Nelder-Mead法[12]對其分解和水解過程中的四種動力學(xué)常數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，證實了該模型在確定了基質(zhì)參數(shù)和改變動力學(xué)常數(shù)后可以用于以農(nóng)業(yè)和工業(yè)原料為基質(zhì)的沼氣工程。

在秸稈厭氧發(fā)酵前通常需進(jìn)行預(yù)處理，其目的是除去或破壞纖維素、半纖維素與木質(zhì)素之間復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu)，例如降低聚合度、增加孔隙度、減小結(jié)晶度和表面積等，從而使水解速率和得糖效率得到改善，進(jìn)而提高產(chǎn)氣速率，縮短反應(yīng)時間[13]。但是，在化學(xué)預(yù)處理過程中添加的化學(xué)試劑容易造成二次污染，導(dǎo)致在發(fā)酵過程中產(chǎn)生酸化或抑制等不利因素；生物預(yù)處理時間長，碳損失嚴(yán)重[14]。此外，在秸稈預(yù)處理過程中，勢必造成部分易水解和降解的糖類及半纖維素的損失，并可能產(chǎn)生糠醛、脂肪酸和芳香族化合物等發(fā)酵抑制物，從而造成秸稈原料在厭氧消化過程中利用效率的降低。本文針對厭氧消化過程中秸稈預(yù)處理存在的不足，為避免和減少糖類和部分半纖維素的損失及抑制性作用物的產(chǎn)生，通過引入修正的厭氧消化一級水解動力學(xué)模型，分析了新鮮和風(fēng)干的玉米秸稈厭氧消化過程中底物降解規(guī)律，通過考察底物中揮發(fā)性固體有機物濃度的變化規(guī)律，尋找秸稈強化水解時間點，探究秸稈新的強化水解工藝，為秸稈厭氧消化預(yù)處理提供新思路。

1 材料和方法

1.1 原料和接種物特性

試驗所用新鮮和風(fēng)干的玉米秸桿均取自四川省成都市雙流縣，經(jīng)粗粉碎后（粒徑10 mm左右）置于4℃冰箱中保存?zhèn)溆谩＝臃N物來自實驗室正常厭氧發(fā)酵的污泥，采用秸稈和豬糞進(jìn)行逐步馴化，待馴化至產(chǎn)氣高峰時用孔徑1 mm的濾網(wǎng)過濾，取濾液作為接種物。原料和接種物特性見表1。

表1 原料和接種物特性Table 1 Characteristics of materials and inoculum

1.2 試驗裝置與操作條件

秸稈批式厭氧消化試驗裝置如圖1。發(fā)酵裝置為250 mL錐形瓶，反應(yīng)溫度為35℃，設(shè)計原料TS濃度為30.0 g/L。用新鮮秸稈作為發(fā)酵原料時，加入鮮秸稈30.0 g和接種物170.0 g；用干玉米秸稈作為發(fā)酵原料時，加入干秸稈6.5 g和接種物193.5 g。各試驗均設(shè)置22個平行，反應(yīng)開始前充入高純氮氣排出反應(yīng)器頂部空氣。試驗期間每天手動攪拌2次，分別于發(fā)酵的第0、1、2、3、4、5、7、10、12、15、18和20 d時各取2個產(chǎn)氣情況相似的反應(yīng)瓶，將瓶內(nèi)所有發(fā)酵原料全部取出，測定其總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）濃度，并測定其pH值的變化。

圖1 批式厭氧消化試驗裝置Fig. 1 Laboratory set-up for batch anaerobic digestion

1.3 分析方法

pH值采用雷磁pHS-3C型pH計測定；TS和VS的測定分別采用標(biāo)準(zhǔn)的烘干法和煅燒法測定[15]。

1.4 水解動力學(xué)模型 用于研究玉米秸稈厭氧消化過程的水解動力學(xué)模型是在傳統(tǒng)一級水解動力學(xué)模型中引入水解有機顆粒表面積，參照已建立起來的片狀顆粒、圓柱形顆粒和球形顆粒水解模型[6]。

1.4.1 片狀顆粒模型

其中，s為t時刻未溶解顆粒的揮發(fā)性有機物濃度，g/L；t為時間，d；k為單位面積有機顆?？偟乃獬?shù)，d?1；

1.4.2 圓柱形顆粒模型

其中，s0為初始顆粒的揮發(fā)性有機物濃度，g/L。

1.4.3 球形顆粒模型

1.5 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)模型擬合采用Curve Expert 1.4；數(shù)據(jù)作圖采用Origin 8.0。

2 結(jié)果與分析

新鮮和風(fēng)干的玉米秸稈底物水解結(jié)果分別見表2和表3。經(jīng)過20 d的厭氧消化試驗，底物中總固體濃度和揮發(fā)性固體有機物濃度均有很大程度降低，鮮秸稈的TS和VS降解率分別達(dá)到68.76%和42.34%，干秸稈TS和VS降解率分別為67.67%和40.12%。

發(fā)酵水解液pH值變化如圖2所示，在水解初期兩種底物都出現(xiàn)了輕微的酸化，但是隨著水解的進(jìn)行，產(chǎn)酸過程得到緩解，水解液的pH值又出現(xiàn)了回升，最終達(dá)到穩(wěn)定。其中，干玉米秸稈水解液的pH維持在7.0～7.6，鮮玉米秸稈水解液的pH維持在6.8～7.6之間，均在厭氧消化反應(yīng)正常pH值范圍以內(nèi)。

表2 新鮮玉米秸稈底物水解結(jié)果Table 2 Results of fresh corn stalk hydrolysis process

表3 干玉米秸稈底物水解結(jié)果Table 3 Results of dry corn stalk hydrolysis process

圖2 秸稈水解液pH值變化Fig. 2 The pH value of hydrolysate of corn stalk

2.1 新鮮玉米秸稈水解常數(shù)求解

根據(jù)鮮玉米桿底物VS濃度隨時間的變化，分別應(yīng)用片狀、圓柱形和球形顆粒有機物水解動力學(xué)模型對鮮秸稈的水解過程進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果如圖3。通過三種模型求得鮮秸稈的水解速率常數(shù)分別為0.024 4 d?1（R2=0.837 2）、0.027 9 d?1（R2=0.854 1）和0.029 25 d?1（R2=0.859 6），其中，球形顆粒模型擬合效果相對較好。

鮮玉米秸稈中不同類型物質(zhì)的水解難易程度與速率差異較大，可溶性單糖和低聚糖以及部分易水解的半纖維素水解速率較快，纖維素和部分較難水解半纖維素水解速率慢，而木質(zhì)素幾乎不水解。從圖3可以看出，在厭氧消化水解前期，鮮玉米秸稈中的大量可溶性糖和部分纖維素快速水解，底物的VS濃度迅速降低，水解速率快；此后再進(jìn)行纖維素等較難水解有機物的水解，以及難降解有機質(zhì)的累積，底物VS濃度降低速率變慢，底物的水解速率也相應(yīng)降低。其整個過程的水解速率存在初期快、后期慢的分段差異，導(dǎo)致三種動力學(xué)模型均不能完全反映鮮玉米秸稈底物的全段水解規(guī)律。

圖3 鮮秸稈中有機物模型預(yù)測值與實測值Fig. 3 Measured and predicted organic concentrations in fresh corn stalk

根據(jù)鮮玉米秸稈VS濃度降低的速率前期快、后期慢的規(guī)律，其整個厭氧消化過程的水解速率存在差異，可根據(jù)其水解速率的快慢，將整個水解過程視為分段水解（分別稱作一段和二段水解）過程，再分別應(yīng)用三種水解動力學(xué)模型對各分段水解情況進(jìn)行模型的分段擬合，擬合結(jié)果見圖4和圖5，從圖中可以看出，三種動力學(xué)模型均能有效擬合鮮秸稈的分段水解情況，其中球形顆粒水解動力學(xué)模型擬合效果最佳。通過三種水解動力學(xué)的擬合結(jié)果求得各段水解速率常數(shù)見表4，可以看出，在球形顆粒模型擬合下，第一段水解速率常數(shù)為0.100 4 d?1（R2=0.979 9），明顯比第二段的0.018 8 d?1（R2=0.988 7）高，即第一段水解速率明顯比第二段快。

圖4 鮮秸稈第一段水解圖Fig. 4 The first period of fresh corn stalk hydrolysis

圖5 鮮玉米秸稈第二段水解圖Fig. 5 The second period of fresh corn stalk hydrolysis

表4 鮮秸稈分段水解速率常數(shù)Table 4 Graded hydrolysis constant of fresh corn stalk

將兩段水解速率擬合曲線進(jìn)行整合，如圖6，通過分段擬合，三種動力學(xué)模型對鮮秸稈的整個水解過程均能很好擬合，且兩段水解曲線在厭氧消化的第2.75 d出現(xiàn)了明顯的“拐點”。在前2.75 d，底物VS濃度降低速率快，水解速率快，有機物水解速率常數(shù)大。2.75 d后VS濃度降低趨勢減緩，水解速率變慢，水解速率常數(shù)小。由表2可以得出，在前2.75 d，底物中揮發(fā)性有機物降解率為23.99%，達(dá)到整個水解過程揮發(fā)性有機物降解率的56.67%。在2.75 d后，原料中的大量易水解有機質(zhì)已完全水解，逐級開始較難水解的部分半纖維素和纖維素類物質(zhì)的水解，而木質(zhì)素等難降解有機質(zhì)則不斷累積，導(dǎo)致了水解速率變慢。因此，可將此“拐點”對應(yīng)的時間點作為鮮秸稈的強化水解時間點，以此為依據(jù)進(jìn)一步對發(fā)酵固形物進(jìn)行強化水解，促進(jìn)難水解和難降解有機質(zhì)的進(jìn)一步水解，提高秸稈的利用效率。

圖6 強化水解時間求解Fig. 6 Estimation the time of intensified hydrolysis

2.2 干玉米秸稈水解常數(shù)求解

根據(jù)干玉米桿VS濃度隨時間的變化，分別應(yīng)用三種水解動力學(xué)模型對干玉米秸稈的水解過程進(jìn)行擬合，見圖7，求得三種水解動力學(xué)模型的水解速率常數(shù)分別為0.024 2 d?1（R2=0.906 6）、0.027 6 d?1（R2=0.922 5）和0.028 8 d?1（R2=0.927 6），其中球形顆粒模型的擬合效果較好。從圖7可以看出，干秸稈的底物水解過程與鮮秸稈出現(xiàn)相似規(guī)律。在水解前期由于部分可水解糖類和部分半纖維素的快速水解，秸稈底物VS濃度迅速降低，此后較難降解的半纖維素和纖維素開始降解，底物VS濃度降低的速率變慢，其水解速率降低。其整個厭氧消化水解過程也存在著分段差異，因而，三種水解動力學(xué)模型不能很好地反映干秸稈底物全段水解規(guī)律。根據(jù)干秸稈底物VS濃度出現(xiàn)的厭氧消化前期速率快而后期速率慢的規(guī)律，可將其整個水解過程進(jìn)行分段研究。通過三種水解動力學(xué)模型對干秸稈水解過程進(jìn)行分段擬合，擬合結(jié)果見圖8和圖9，求得干秸稈各段水解速率常數(shù)見表5?？梢钥闯?，三種動力學(xué)模型均能較好擬合分段水解情況，其中，球形顆粒模型的擬合效果最佳。在球形顆粒模型擬合下，第一段水解速率快，常數(shù)達(dá)0.056 58 d?1（R2=0.966 1）；第二段水解速率變慢，常數(shù)維持在0.021 24 d?1（R2=0.994 6）。

圖7 干秸稈中有機物模型預(yù)測值與實測值Fig. 7 Measured and predicted organic concentrations in dry corn stalk

圖8 干秸稈第一段水解圖Fig. 8 The first period of dry corn stalk hydrolysis

圖9 干玉米秸稈第二段水解圖Fig. 9 The second period of dry corn stalk hydrolysis

表5 干秸稈分段水解速率常數(shù)Table 5 Graded hydrolysis constant of dry corn stalk

將兩段水解曲線進(jìn)行整合，結(jié)果見圖10，可以看出，通過分段擬合，三種動力學(xué)模型對干秸稈的整個水解過程也能很好地擬合，兩段擬合水解速率曲線在第4 d時出現(xiàn)了“拐點”。在厭氧消化前4 d，底物VS濃度降低速率快，水解速率常數(shù)大；4 d以后，底物VS濃度降低速率變緩，水解速率變慢。而通過表3可以求出，在前4 d底物中揮發(fā)性有機物降解率為19.71%，達(dá)到整個水解過程揮發(fā)性有機物降解率的49.13%。因此，也可將此“拐點”對應(yīng)的時間點作為干秸稈的強化水解時間點，以此為依據(jù)進(jìn)一步對發(fā)酵固形物進(jìn)行強化水解，促進(jìn)難水解和難降解有機質(zhì)的進(jìn)一步水解，提高秸稈的利用效率。

圖10 強化水解時間求解Fig. 10 Estimation the time of intensified hydrolysis

3 結(jié) 論

有機物水解的三種動力學(xué)模型均不能很好地反映兩種玉米秸稈全段水解規(guī)律，但對其分段水解情況可以很好地擬合，其中球狀顆粒模型的擬合效果最佳。通過三種模型求得的秸稈水解速率常數(shù)可以看出，鮮秸稈的水解速率較干秸稈快，而出現(xiàn)“拐點”的時間明顯縮短，說明鮮玉米秸稈較干秸稈更容易降解。新鮮和風(fēng)干的玉米秸稈的水解速率分別在發(fā)酵的第2.75 d和4 d出現(xiàn)了“拐點”。

為避免秸稈中易水解有機物在生物預(yù)處理過程中的損失或易水解有機物（如糖類）在化學(xué)預(yù)處理過程中轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬跸种莆铮ㄈ缈啡?，同時促進(jìn)較難水解有機物的降解，提高秸稈的產(chǎn)氣效率，可嘗試對水解“拐點”后的發(fā)酵固形物進(jìn)行強化水解。目前，該研究工作正在進(jìn)行中。

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Kinetics of Substrate Hydrolysis for Anaerobic Digestion of Corn Stalk

WANG Qing-jing1,4,WANG Jia-lei2,HE Wei3,LI Dong1,FENG Hong-yan1,2, YAN Zhi-ying1,LIAO Yin-zhang1,LIU Xiao-feng1
(1. Chengdu Institute of Biology,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610041,China； 2. Chengdu Zhongke Energy & Environmental Protection CO. LTD,Chengdu 610041,China；3. Dushigaoke (Beijing) environment& science and technology CO.,LTD,Chengdu 610041,China；4. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100041,China)

In order to explore a new process of intensified hydrolysis to solve the shortage of pretreatment. Fresh and dry corn stalk were used for batch anaerobic fermentation to study their hydrolysis characteristics with hydrolysis kinetic models under mesophilic conditions (35oC). The results demonstrated that hydrolysis kinetic models can’t effectively reveal the whole process of corn stalk,because of the disparity of hydrolysis rates in the process. There were two obvious inflection point on 2.75 d and 4 d of fresh and dry corn stalk in the hydrolysis process,respectively. The hydrolysis rate constant of fresh corn stalk was fast as much as 0.1004 d?1before 2.75 d,and reduced to 0.0188 d?1after that；the hydrolysis rate constant of dry corn stalk was 0.05658 d?1and 0.02124 d?1,respectively. It would be a theory basis for theoretical reference intensified hydrolysis technology of corn stalk.

corn stalk；anaerobic digestion；hydrolysis；kinetic model

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.01.001

2095-560X（2015）01-0001-06

王清靜（1989-），男，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)能和環(huán)境工程研究。

2014-12-12

2015-01-06

國家自然科學(xué)基金?青年科學(xué)基金項目（21106145）；中國科學(xué)院重點部署項目（KGZD-EW-304-1）

? 通信作者：劉曉風(fēng)，E-mail：liuxf@cib.ac.cn

劉曉風(fēng)（1964-），男，研究員，主要從事生物燃?xì)?、城市有機垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物生物處理等方面的理論與應(yīng)用研究。