產(chǎn)酸沼渣再利用稻秸兩級聯(lián)合產(chǎn)酸工藝研究

艾 平 田啟歡 席 江 梅自力 晏水平 樊啟洲

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 成都 610041； 3.杭州能源環(huán)境工程有限公司， 杭州 310020)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，近年來，糧食增產(chǎn)的同時秸稈量也同步增長，秸稈綜合利用成為社會關(guān)注的熱點問題[1]。農(nóng)作物秸稈是富含碳氫的生物質(zhì)資源，利用秸稈產(chǎn)沼氣是一種能源化利用途徑，秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣在我國已有廣泛應用[2]，但秸稈產(chǎn)沼氣工藝存在降解周期長、原料降解率低、工程投資高及效益低下等問題[3]。而秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)工藝，因其發(fā)酵周期短、經(jīng)濟效益高等顯著優(yōu)勢成為秸稈厭氧發(fā)酵利用的新方向。

厭氧發(fā)酵過程中會產(chǎn)生C1-C5的短鏈脂肪酸或醇類等有價值的中間產(chǎn)品，厭氧產(chǎn)VFAs即通過添加甲烷菌抑制劑，使得產(chǎn)甲烷菌停止作用，VFAs無法被轉(zhuǎn)換為甲烷，從而可獲得高濃度的乙醇、乙酸、丙酸、丁酸等混合型VFAs[4]。VFAs經(jīng)過進一步的化工煉制，可制取醇、醚、烯烴、芳烴等化工原料，替代不可再生的化石資源[5]。厭氧產(chǎn)VFAs是一種極具前景的秸稈厭氧發(fā)酵新型高值化利用方向。

秸稈厭氧發(fā)酵通常需要對秸稈進行預處理，秸稈復雜的木質(zhì)纖維素交聯(lián)結(jié)構(gòu)，導致其在發(fā)酵過程中難以被降解，秸稈產(chǎn)沼氣后的沼渣固體總降解率僅40%左右[6]，沼渣中還含有大量未被利用的木質(zhì)纖維素，若對沼渣進行二次發(fā)酵利用，可有效提高秸稈利用率。有關(guān)秸稈沼渣的二次發(fā)酵利用已有一些研究，其中沼渣二次發(fā)酵可采用厭氧發(fā)酵、好氧堆肥、乙醇發(fā)酵等不同的二次發(fā)酵類型。羅艷等[7]利用互花米草一次厭氧發(fā)酵后的沼渣進行二次厭氧發(fā)酵，結(jié)果顯示，二次發(fā)酵仍然具有良好的產(chǎn)沼氣特性，產(chǎn)氣量提高80%以上；連淑娟等[8]對玉米秸稈濕式發(fā)酵沼渣進行二次干式厭氧發(fā)酵，使秸稈降解率提高到70%以上；王殿龍等[9]通過利用稻秸沼渣進行二次乙醇發(fā)酵，沼渣的乙醇產(chǎn)率為41 g/kg。目前，尚未見對秸稈產(chǎn)酸沼渣進行二次產(chǎn)酸的相關(guān)研究，而秸稈產(chǎn)酸工藝由于發(fā)酵周期短、秸稈降解率低等特點，理論上產(chǎn)酸沼渣具有較大的二次產(chǎn)酸利用潛力。

厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣通常采用中溫35℃和高溫55℃的發(fā)酵溫度，但產(chǎn)酸菌具有更高的溫度耐受性，65～85℃的超高溫發(fā)酵也適用于厭氧產(chǎn)酸，但超高溫度對產(chǎn)酸的影響尚未有統(tǒng)一認識[10-13]。本文以提高稻秸厭氧VFAs產(chǎn)率和木質(zhì)纖維素降解率為目的，對稻秸經(jīng)過水熱、稀酸、稀堿等預處理，中溫35℃、高溫55℃、超高溫70℃等不同溫度厭氧產(chǎn)酸后的沼渣進行二次產(chǎn)酸，通過產(chǎn)酸率及過程參數(shù)分析，探尋最佳的二次發(fā)酵預處理和溫度等條件，為稻秸兩級聯(lián)合厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs工藝提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵試驗設(shè)計

厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵采用500 mL血清瓶，有效發(fā)酵體積為400 mL，總固體質(zhì)量分數(shù)為10%，干物質(zhì)接種率10%，發(fā)酵周期14 d，均設(shè)3組重復。為抑制甲烷的產(chǎn)生，發(fā)酵起始階段添加160 μL質(zhì)量濃度為20 g/L的碘仿乙醇溶液作為甲烷抑制劑。

首先進行一次產(chǎn)酸，水熱、2% HCl溶液、1% Ca(OH)2等3種預處理后的秸稈分別在3種發(fā)酵溫度，即中溫35℃、高溫55℃、超高溫70℃等條件下進行厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵，每組取40 g預處理后秸稈，接種污泥35 g，加入蒸餾水定容至400 mL。然后進行二次產(chǎn)酸，對一次產(chǎn)酸沼渣不再進行預處理，直接用于二次產(chǎn)酸。將產(chǎn)酸結(jié)束后的9組稻秸沼渣于105℃干燥箱干燥72 h后待用，根據(jù)一次產(chǎn)酸試驗結(jié)果分析，在二次產(chǎn)酸時均采用35℃的產(chǎn)酸溫度。每組取20 g稻秸產(chǎn)酸沼渣，加入接種污泥20 g，加入蒸餾水定容至200 mL。

表1 試驗原料特性Tab.1 Composition characteristics of experimental raw materials

1.3 分析方法

總固體質(zhì)量分數(shù)和揮發(fā)性固體質(zhì)量分數(shù)采用差重法測量。木質(zhì)素纖維素含量采用范式法測定(ANKOM A2000i型全自動纖維分析儀，美國)?；瘜W需氧量(Chemical oxygen demand，COD)采用CM-03型便攜式COD測定儀(北京雙暉京承公司)測定。揮發(fā)性脂肪酸檢測采用GC9790II型氣相色譜儀(浙江福立公司)檢測，條件為：FID(火焰離子化)檢測器，KB-WAX型毛細管柱，30 m×0.32 mm×0.25 μm，載氣為氬氣和氫氣，進樣口溫度250℃，柱箱溫度80℃，程序升溫，檢測器溫度250℃。碳氮比分析采用Multi N/C 2100型TOC/TN(總有機碳/總氮)分析儀(德國)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵過程參數(shù)影響

2.1.1兩級產(chǎn)酸的pH值和可溶性有機物含量

圖1 稻秸兩級產(chǎn)酸發(fā)酵液pH值Fig.1 pH values of two-stage fermentation broth with rice straw

產(chǎn)酸細菌的生存pH值范圍很寬，在pH值為3.5～8.0范圍內(nèi)均可生長，一般認為最適pH值為5.5～7.0。pH值直接影響產(chǎn)酸發(fā)酵的代謝速率、生長速率和發(fā)酵類型等。一次產(chǎn)酸時，1%Ca(OH)2預處理組受預處理試劑殘留影響，大大高于2% HCl和水熱組初始pH值(圖1)，但隨著VFAs逐步累積使得pH值持續(xù)下降，發(fā)酵末期pH值可自然下降至5.5～6.5較適宜產(chǎn)酸范圍。

將一次產(chǎn)酸過程和二次產(chǎn)酸過程pH值進行對比，其pH值變化趨勢有較大區(qū)別。一次產(chǎn)酸時pH值下降趨勢明顯，但產(chǎn)酸沼渣二次產(chǎn)酸時pH值相對保持穩(wěn)定，二次產(chǎn)酸的pH值始終在5.5～6.5適宜產(chǎn)酸范圍內(nèi)變化。一次產(chǎn)酸時水熱組和2%HCl組出現(xiàn)了明顯酸化，產(chǎn)酸末期的pH值降至5.5以下，但在利用一次產(chǎn)酸沼渣進行二次產(chǎn)酸時并沒有發(fā)生酸化現(xiàn)象，表明無論是易酸化的水熱和2% HCl預處理組，還是初始pH值較高的1%Ca(OH)2預處理組，在二次產(chǎn)酸都能獲得更為穩(wěn)定和適宜的發(fā)酵液pH值。

圖2 兩級產(chǎn)酸的前期和末期可溶性有機物質(zhì)量濃度Fig.2 sCOD mass concentrations of two-stage fermentation broth during earlier and later periods

圖3 兩級產(chǎn)酸的揮發(fā)性脂肪酸質(zhì)量濃度Fig.3 VFAs concentrations of two-stage anaerobic fermentation broth

圖2對比了一次產(chǎn)酸和二次產(chǎn)酸的可溶性有機物質(zhì)量濃度，一次產(chǎn)酸時采用中溫35℃和高溫55℃，則二次產(chǎn)酸時的可溶性有機物質(zhì)量濃度較一次產(chǎn)酸時明顯增加，如1%Ca(OH)2預處理組在一次產(chǎn)酸溫度分別為35℃和55℃時，二次產(chǎn)酸末期的可溶性有機物質(zhì)量濃度較一次產(chǎn)酸末期分別提高181.4%和253.4%；一次產(chǎn)酸時采用70℃超高溫發(fā)酵，則二次產(chǎn)酸的可溶性有機物質(zhì)量濃度有所降低，如1%Ca(OH)2預處理組一次產(chǎn)酸時采用70℃超高溫，則二次產(chǎn)酸末期可溶性有機物質(zhì)量濃度為5.16 g/L，較一次產(chǎn)酸降低28.3%，但依然保持在較高水平。整體上，產(chǎn)酸沼渣在二次產(chǎn)酸時可獲得較高的可溶性有機物質(zhì)量濃度，這是提高二次產(chǎn)酸量的基礎(chǔ)。

2.1.2兩級產(chǎn)酸的揮發(fā)性脂肪酸濃度

課外閱讀書目，可結(jié)合教材選篇推薦，可選擇與教材內(nèi)容緊密相關(guān)作品，可選擇與作者所處時代接近作品，可選擇與教材選篇主題相似不同時代作品。目的在于加深學生對教材選文所代表作品的理解，提升學生閱讀積淀，培養(yǎng)學生文學鑒賞能力。在教學某篇作品前后，推薦相應作品。學習《再別康橋》，推薦閱讀岳南反映民國文人心路歷程的《南渡北歸》；學習《故都的秋》，推薦閱讀《郁達夫散文選》《郁達夫小說選》；學習《采薇》前，推薦閱讀祝和軍《大秦帝國的野蠻成長》前二卷；學習《邊城》前，推薦閱讀體現(xiàn)沈從文愛情觀點的《三三》《媚金、豹子與那羊》等小說。從比較閱讀角度，再推薦閱讀同寫愛情的川端康成的《伊豆的舞女》、張承志的《黑駿馬》。

總體而言，二次產(chǎn)酸均較一次產(chǎn)酸有更佳產(chǎn)酸表現(xiàn)。水熱預處理組采用55℃和70℃的一次產(chǎn)酸溫度時，一次產(chǎn)酸所獲得的揮發(fā)性脂肪酸濃度較低，但產(chǎn)酸沼渣在二次產(chǎn)酸時揮發(fā)性脂肪酸濃度都有較大增長；2%HCl預處理組在一次產(chǎn)酸溫度為35、55、70℃時所得VFAs質(zhì)量濃度峰值分別為3.13、1.53、0.95 g/L，而其沼渣二次產(chǎn)酸時分別為4.94、4.72、4.94 g/L，二次產(chǎn)酸峰值大幅增長，且各組間差別較小(圖3)?？梢?，水熱和2%HCl預處理組一次產(chǎn)酸時，溫度較低的35℃產(chǎn)酸更好，但一次產(chǎn)酸率相對較低的55℃和70℃試驗組二次產(chǎn)酸時增長更快，因其一次產(chǎn)酸率低，從而二次產(chǎn)酸時具有更高的可溶性有機物質(zhì)量濃度和更好的產(chǎn)酸潛力。

1%Ca(OH)2預處理組產(chǎn)酸最佳，但一次產(chǎn)酸時不同溫度差別較大，35℃時VFAs質(zhì)量濃度峰值為13.63 g/L，遠高于55℃和70℃的4.79 g/L和5.26 g/L，但二次產(chǎn)酸時差別較小，VFAs質(zhì)量濃度峰值分別為11.58、11.04、11.75 g/L，且二次產(chǎn)酸時間縮短，在第12 天即可達到最大。稀堿預處理能夠引起木質(zhì)纖維潤脹，結(jié)晶度下降，木質(zhì)素溶解，纖維素和半纖維素分離，是較佳的秸稈產(chǎn)酸預處理方式[14-15]。采用1%Ca(OH)2預處理時，當一次產(chǎn)酸條件不佳使得產(chǎn)酸率較低時，通過二次產(chǎn)酸可使VFAs濃度得到顯著提高。各試驗組揮發(fā)性脂肪酸組分均是乙酸和丁酸占總酸質(zhì)量分數(shù)80%以上，呈現(xiàn)顯著的丁酸型發(fā)酵類型。

2.2 各預處理組厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程影響

采用產(chǎn)酸率、總固體降解率及木質(zhì)纖維素組分去除率等參數(shù)對一次產(chǎn)酸、二次產(chǎn)酸以及總的兩級聯(lián)合產(chǎn)酸進行評價(表2)。其中，一次產(chǎn)酸、二次產(chǎn)酸為單批次發(fā)酵，一次產(chǎn)酸以預處理后秸稈為產(chǎn)酸底物、二次產(chǎn)酸以一次產(chǎn)酸沼渣為產(chǎn)酸底物；兩級聯(lián)合產(chǎn)酸指將一次、二次產(chǎn)酸聯(lián)合起來的兩步總和。一次產(chǎn)酸率、二次產(chǎn)酸率和兩級聯(lián)合產(chǎn)酸率均以占原秸稈總固體質(zhì)量比表示，原秸稈總固體質(zhì)量以揮發(fā)分質(zhì)量計入。

表2 單級和兩級聯(lián)合的產(chǎn)酸率、總固體降解率及木質(zhì)纖維素組分去除率Tab.2 VFAs yield, VS and lignocellulose content degradation in single and combined fermentations

經(jīng)過水熱、2%HCl、1%Ca(OH)2等3種預處理后秸稈的木質(zhì)纖維素組分列于表1。因HCl主要對半纖維素去除有效[16]，則2%HCl預處理后以相對百分比表示的纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)有所升高，如表1所示；同理，因Ca(OH)2對木質(zhì)素、半纖維素有一定去除作用[17-18]，則1%Ca(OH)2預處理后木質(zhì)素、半纖維素質(zhì)量分數(shù)明顯降低。秸稈經(jīng)過預處理會損失一定質(zhì)量，3種預處理條件下對應的秸稈總固體損失率分別為13.76%、44.32%和21.60%，該數(shù)據(jù)已在前期研究論文給出[4]。一次產(chǎn)酸時，對3種預處理后秸稈均取相同質(zhì)量進行產(chǎn)酸發(fā)酵，受預處理影響，產(chǎn)酸后秸稈總固體降解率從大到小依次為堿預處理組、酸預處理組、水熱預處理組。

各試驗組中，70℃產(chǎn)酸時秸稈總固體降解率最高，因為提高溫度可促進秸稈水解和消化[19]，但雖然超高溫70℃發(fā)酵具有最高總固體降解率，但該溫度下產(chǎn)酸率并沒有凸顯溫度優(yōu)勢?？疾熳罴训腃a(OH)2預處理組，一次產(chǎn)酸在35℃時底物產(chǎn)酸率為0.20 g/g，70℃時僅為0.07 g/g；產(chǎn)酸沼渣的二次產(chǎn)酸卻呈現(xiàn)相反趨勢，55℃和70℃組二次產(chǎn)酸的底物產(chǎn)酸率分別為0.22、0.20 g/g，高于35℃的0.19 g/g；綜合考察兩級聯(lián)合產(chǎn)酸的總底物產(chǎn)酸率，中溫35℃時獲得最高值0.38 g/g，即Ca(OH)2預處理，兩級產(chǎn)酸均采用35℃時獲得最優(yōu)產(chǎn)酸率。

采用兩級聯(lián)合產(chǎn)酸，促進了秸稈降解，提高了產(chǎn)酸率，大多數(shù)水熱和HCl預處理組的總固體降解率均增加到20%以上，Ca(OH)2預處理組的總固體降解率提升到30%以上。兩級聯(lián)合產(chǎn)酸通過對產(chǎn)酸沼渣的二次利用使得產(chǎn)酸率大幅增加，水熱組兩級聯(lián)合產(chǎn)酸率從一次產(chǎn)酸的0.02～0.06 g/g提升到0.09～0.12 g/g，HCl預處理組從0.02～0.08 g/g增加到0.06～0.14 g/g，最佳的Ca(OH)2組產(chǎn)酸率則從0.07～0.20 g/g提高至0.27～0.38 g/g。

Ca(OH)2預處理組一次產(chǎn)酸時木質(zhì)素去除率最

高，為63.27%，而二次產(chǎn)酸時則主要是半纖維素的降解，降解率最高達37.15%；HCl預處理組一次產(chǎn)酸時主要為半纖維素大幅度降解，去除率最高為46.50%，二次產(chǎn)酸時木質(zhì)素降解率幅度相對較大，最高為38.74%；水熱預處理組各組分的降解率在二次產(chǎn)酸時都有明顯提高。Ca(OH)2預處理組較高的原料降解率與其較高的VFAs產(chǎn)率表現(xiàn)相一致。厭氧產(chǎn)VFAs相對于產(chǎn)甲烷來說，一般發(fā)酵周期較短，導致秸稈降解不完全，但通過一次發(fā)酵微生物降解，有利于加強沼渣在二次產(chǎn)酸時的水解[20-21]，因此采用兩級聯(lián)合產(chǎn)酸促進了秸稈降解和揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)率提高。

2.3 兩級聯(lián)合產(chǎn)酸總質(zhì)量平衡分析

以100 g原秸稈為基準，Ca(OH)2預處理組在不同溫度條件下的一次產(chǎn)酸、二次產(chǎn)酸之后的稻秸固體質(zhì)量及組分變化如圖4所示。在單級的一次產(chǎn)酸過程中，稻秸的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素降解并不均衡，通過二次產(chǎn)酸能使得纖維素、半纖維素質(zhì)量整體下降。

圖4 稻秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs過程質(zhì)量平衡Fig.4 Mass balance of rice straw from anaerobic fermentation to produce VFAs

在最優(yōu)條件，即Ca(OH)2預處理，35℃兩級產(chǎn)酸時，100 g原秸稈的一次產(chǎn)酸和二次產(chǎn)酸質(zhì)量較為接近，分別為12.24 g和11.69 g，兩級聯(lián)合的總產(chǎn)酸量為23.93 g；在55℃和70℃時，100 g原秸稈的總產(chǎn)酸量分別為19.78 g和16.90 g，其中二次產(chǎn)酸分別占到了總產(chǎn)酸量的70.3%和73.9%，是總產(chǎn)酸量的主要來源。Ca(OH)2預處理在35、55、70℃時采用兩級聯(lián)合產(chǎn)酸比一次產(chǎn)酸的產(chǎn)酸量分別提高了95.5%、236.4%、283.2%。

3 結(jié)論

(1)一次產(chǎn)酸時各組pH值均為下降趨勢，水熱組和2%HCl組出現(xiàn)了明顯酸化，產(chǎn)酸末期的pH值降至5.5以下，但利用一次產(chǎn)酸沼渣進行二次產(chǎn)酸時并未發(fā)生酸化現(xiàn)象，沼渣二次產(chǎn)酸時pH值始終在5.5～6.5適宜產(chǎn)酸范圍內(nèi)變化，水熱、2%HCl、1%Ca(OH)2等預處理組在二次產(chǎn)酸均能獲得更為穩(wěn)定和適宜的pH值。

(2)水熱組和2%HCl組在二次產(chǎn)酸時均有更佳產(chǎn)酸表現(xiàn)，二次產(chǎn)酸峰值大幅增長。一次產(chǎn)酸時，水熱組和2%HCl組在35℃產(chǎn)酸溫度較低時產(chǎn)酸更好，但一次產(chǎn)酸表現(xiàn)不佳的55℃和70℃產(chǎn)酸組在二次產(chǎn)酸時VFAs濃度大幅度提高，且二次產(chǎn)酸高峰期提前。1%Ca(OH)2組產(chǎn)酸優(yōu)于其他兩個預處理組，最高產(chǎn)酸量在35℃產(chǎn)酸溫度條件獲得。各產(chǎn)酸組的乙酸和丁酸占總酸質(zhì)量分數(shù)80%以上，呈現(xiàn)顯著的丁酸型發(fā)酵類型。

(3)采用兩級聯(lián)合產(chǎn)酸，促進了秸稈降解，提高了總產(chǎn)酸率，最佳的1%Ca(OH)2預處理組總固體降解率提升到30%以上，總產(chǎn)酸率則從一次產(chǎn)酸的0.07～0.20 g/g提高至0.27～0.38 g/g，通過二次產(chǎn)酸能使木質(zhì)纖維素各組分質(zhì)量整體下降。以100 g原秸稈計算，1%Ca(OH)2預處理、35℃兩級產(chǎn)酸時，一次產(chǎn)酸和二次產(chǎn)酸量分別為12.24 g和11.69 g，兩級聯(lián)合的總產(chǎn)酸量為23.93 g，采用兩級聯(lián)合產(chǎn)酸比一次產(chǎn)酸的產(chǎn)酸量提高了95.5%。