外源H2全程連續(xù)導(dǎo)入沼氣原位純化的實(shí)驗(yàn)研究

陳文佳，程玉娥，樓畢覺，林春綿

(浙江工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州，310014)

根據(jù)《全國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》測(cè)算，中國(guó)每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈10.4億t，可收集資源量約9億t，約有1.8億t的秸稈未得到有效利用，導(dǎo)致了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[1]。因此將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量農(nóng)作物秸稈進(jìn)行資源化利用產(chǎn)甲烷，是近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究生物質(zhì)固廢處理的熱點(diǎn)之一，也是中國(guó)目前大力倡導(dǎo)發(fā)展的技術(shù)之一[2-4]。秸稈發(fā)酵可生產(chǎn)沼氣作為能源，又可處理有機(jī)廢物以保護(hù)環(huán)境，經(jīng)沼氣發(fā)酵后的沼渣、沼氣液是優(yōu)化的有機(jī)肥料[5]。沼氣作為一種混合氣體，主要由60%～70%的CH4、30%～40%的CO2組成，CO2作為一種惰性氣體存在于沼氣中，降低了沼氣的熱值和能量密度，嚴(yán)重限制了沼氣的用途。

本課題組先前已建立了一套能夠?qū)⑼庠碒2連續(xù)導(dǎo)入沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的裝置，初步探索了將不同量的外源H2在發(fā)酵穩(wěn)定期連續(xù)地通入?yún)捬醢l(fā)酵系統(tǒng)對(duì)厭氧發(fā)酵的影響，初步得到合適的外源H2通入量。本文在之前的基礎(chǔ)上，嘗試在發(fā)酵初始階段連續(xù)通入不同量的外源H2，并在發(fā)酵穩(wěn)定階段接著通入適量的外源H2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究在發(fā)酵全程不同時(shí)間點(diǎn)通入不同量的外源H2對(duì)發(fā)酵體系中各參數(shù)的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

使用目前農(nóng)作物秸稈中占比較大的玉米秸稈，取自河南省開封市杞縣高陽鎮(zhèn)青龍石口村，秸稈的總固體(total solid, TS)為(88.7±0.2)%，揮發(fā)性固體(volatile solid, VS)為(82.1±0.4)%，使用前用粉碎機(jī)將其粉碎。沼液,取自杭州正興牧業(yè)有限公司浙江大學(xué)奶業(yè)科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)?zāi)翀?chǎng)，TS為(4.0±0.1)%，VS為(2.4±0.2)%。實(shí)驗(yàn)中所用的藥品均為色譜純?cè)噭?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及說明

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，發(fā)酵瓶容積為1 L，工作容積為600 mL。首先向發(fā)酵瓶中裝入40.4 g的玉米秸稈和300 mL的新鮮沼液，然后加水稀釋，將工作體積控制為600 mL，總TS控制在(8±0.1)%。用帶有取樣針的橡膠塞蓋子密封發(fā)酵瓶，為了將發(fā)酵瓶維持在厭氧狀態(tài)，需用Ar氣吹掃瓶?jī)?nèi)殘留的空氣。將發(fā)酵瓶放在恒溫水浴鍋中，在高溫(55±1)℃下進(jìn)行沼氣厭氧發(fā)酵。外源H2由鋼瓶提供，經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計(jì)初步計(jì)量和穩(wěn)定流量后，然后通過蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)，最后利用分氣頭(三通)將H2分別均等的輸送到條件相同的發(fā)酵瓶里，構(gòu)成平行實(shí)驗(yàn)。厭氧發(fā)酵過程中用無菌注射器吸取發(fā)酵液，取樣結(jié)束后，向發(fā)酵瓶中注入等量的新鮮沼液以補(bǔ)充接種物。另外，提前用皂膜流量計(jì)來檢驗(yàn)蠕動(dòng)泵的流量。

1-轉(zhuǎn)子流量計(jì)；2-蠕動(dòng)泵；3-分氣頭；4-注射器；5-取樣針；6-水浴鍋；7-發(fā)酵瓶；8-沼氣收集裝置圖1 連續(xù)厭氧發(fā)酵裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of continuous anaerobic fermentation setup

根據(jù)厭氧發(fā)酵體系中食氫產(chǎn)甲烷路徑H2與CO2之間的化學(xué)計(jì)量關(guān)系(即1 mol CO2被轉(zhuǎn)化成CH4需要4 mol H2)，結(jié)合預(yù)實(shí)驗(yàn)中沼氣和CO2產(chǎn)量的變化，確定發(fā)酵初始階段以及發(fā)酵穩(wěn)定階段外源H2的通入量，具體見表1。

為了后續(xù)書寫便捷，采用“0/0”表示對(duì)照組；用“0/4”、“0/5”表示僅在發(fā)酵穩(wěn)定期通入CO2產(chǎn)生量4、5倍的外源H2量的實(shí)驗(yàn)組；“3/4”、“4/4”表示發(fā)酵初始階段通入CO2產(chǎn)生量3、4倍的外源H2量，并在發(fā)酵穩(wěn)定期接著通入CO2產(chǎn)生量4倍H2量的實(shí)驗(yàn)組；“3/5”、“4/5”同理。

表1 不同發(fā)酵階段外源H2通入量Table 1 Amount of exogenous H2 introduction at different fermentation stages

注：表中初始階段不通外源H2的實(shí)驗(yàn)組，穩(wěn)定期從第10天開始計(jì)；全程通外源H2的實(shí)驗(yàn)組，穩(wěn)定期從第11天開始計(jì)。“-”表示無。

1.3 分析方法

TS和VS的測(cè)定采用干重法；發(fā)酵液的pH通過型號(hào)為雷磁PHB-4的pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定；沼氣中CH4、CO2和H2的含量用氣相色譜法(GC-6890N，Agilent Technologies)來測(cè)定，采用熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)、TDX-01分析柱和5A分子篩填充柱；用氣相色譜法(GC-6890N，Agilent Technologies)檢測(cè)發(fā)酵液的VFAs，采用火焰離子化檢測(cè)器(FID)、毛細(xì)管柱(AT-FFAP)分析柱。

沼氣日產(chǎn)量可以通過每天集氣柜被沼氣頂起的高度與其底面積的乘積獲得。對(duì)照組的沼氣可以直接利用該方法計(jì)算，實(shí)驗(yàn)組的沼氣中可能會(huì)殘留部分外源H2，利用公式(1)對(duì)沼氣日產(chǎn)量進(jìn)行修正[17]。

V′=(1-y)V

(1)

式中：V′—修正后的沼氣產(chǎn)量，mL/L；y—沼氣中殘留的H2體積分?jǐn)?shù)，%；V—修正前的沼氣產(chǎn)量，mL/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源H2通入時(shí)間及通入量對(duì)產(chǎn)氣的影響

將不同量的外源H2在不同的時(shí)間點(diǎn)連續(xù)通入?yún)捬醢l(fā)酵系統(tǒng)中后沼氣總產(chǎn)量和CH4產(chǎn)量變化如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)發(fā)酵穩(wěn)定階段通入的外源H2量一定時(shí)，隨著發(fā)酵初始階段外源H2通入量由0增加到3倍時(shí)，沼氣總產(chǎn)量和CH4產(chǎn)量均逐漸增加，而當(dāng)初始階段外源H2通入量繼續(xù)增加到4倍時(shí)，沼氣總產(chǎn)量和CH4產(chǎn)量均出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其中當(dāng)外源H2通入量增加到4/5倍時(shí)，沼氣總產(chǎn)量降低到29 018.7 mL/L-1，較對(duì)照組降低3.5%，而CH4總產(chǎn)量仍略高出對(duì)照組10.7%。發(fā)酵初始階段通入外源H2對(duì)CH4產(chǎn)量的影響比沼氣產(chǎn)氣的影響更大。當(dāng)發(fā)酵初始階段通入外源H2一定，在發(fā)酵穩(wěn)定階段適當(dāng)增加外源H2通入量，可以達(dá)到沼氣和CH4增產(chǎn)的目的。外源H2通入量為3/5倍時(shí)取得較好的產(chǎn)氣效果，此時(shí)沼氣總產(chǎn)量和CH4總產(chǎn)量分別達(dá)36 414.1、18 331.9 mL/L-1，分別高出對(duì)照組21.1%、47.4%。

分析原因，發(fā)酵初始階段適量的外源H2可以強(qiáng)化同型產(chǎn)乙酸菌自養(yǎng)生長(zhǎng)利用H2和CO2合成乙酸，為產(chǎn)甲烷階段提供了直接利用的底物，提高有機(jī)物的轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)了沼氣產(chǎn)氣，提高了CH4含量[15]。發(fā)酵穩(wěn)定期通入的外源H2主要被氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌利用，將H2與CO2轉(zhuǎn)化合成CH4。而過量的外源H2通入會(huì)使沼液pH升高呈堿性環(huán)境，不利于厭氧發(fā)酵，也可能因?yàn)檫^量的H2無法被全部消耗，發(fā)酵罐內(nèi)氫分壓過高導(dǎo)致發(fā)酵不穩(wěn)定[19]。因此，發(fā)酵全過程通入適量的外源H2較只在發(fā)酵穩(wěn)定期通入外源H2的實(shí)驗(yàn)組沼氣和CH4產(chǎn)量有所提高。而過量的外源H2通入可能會(huì)形成不利于發(fā)酵的環(huán)境，從而導(dǎo)致沼氣產(chǎn)氣和甲烷產(chǎn)量下降。

表2 不同外源H2通入量及通入時(shí)間下沼氣總產(chǎn)量和CH4總產(chǎn)量 單位：mL/L

2.2 外源H2通入時(shí)間及通入量對(duì)沼氣各組分的影響

圖2和圖3分別為該條件下沼氣中CH4、CO2的相對(duì)含量隨發(fā)酵時(shí)間的變化。由圖2和圖3可知，隨著發(fā)酵時(shí)間的進(jìn)行，CH4的含量逐漸升高，CO2含量逐漸降低，最后分別趨于穩(wěn)定。在發(fā)酵穩(wěn)定期通入適量H2能明顯提高CH4相對(duì)含量，降低CO2相對(duì)含量，與喬瑋等[20]最新研究結(jié)果一致。在發(fā)酵初始階段也通入外源H2對(duì)初始階段的CO2和CH4相對(duì)含量無明顯影響，當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定階段后，全程通入外源H2的實(shí)驗(yàn)組的CH4和CO2相對(duì)含量比初期不通外源H2的實(shí)驗(yàn)組都有一定的上升和下降，且隨通入H2倍數(shù)的增加，效果更明顯。當(dāng)H2通入量為3/5倍時(shí)，平均CO2相對(duì)含量較對(duì)照組顯著降低，平均CH4相對(duì)含量(83.5%)比對(duì)照組(63.2%)提高了約32.1%。

a-后期通4倍H2；b-后期通5倍H2圖2 不同外源H2通入量及通入時(shí)間下含量的變化Fig.2 The relative content of CH4 at different quantity and time of exogenous H2 supply

a-后期通4倍H2；b-后期通5倍H2圖3 不同外源H2通入量及通入時(shí)間下含量的變化Fig.3 The relative content of at different quantity and time of exogenous H2supply

分析原因，這可能是因?yàn)橄騾捬醢l(fā)酵系統(tǒng)中注入外源H2時(shí)，同型產(chǎn)乙酸菌并不能立即起作用，當(dāng)發(fā)酵液中H2水平較高時(shí)，同型產(chǎn)乙酸菌以H2和CO2為基質(zhì)合成乙酸為產(chǎn)甲烷階段做準(zhǔn)備[15]。且隨著發(fā)酵初始階段外源H2通入量的增加，同型產(chǎn)乙酸菌的作用得到了加強(qiáng)，從而大量消耗H2和CO2合成乙酸為產(chǎn)甲烷提供底物。而同型產(chǎn)乙酸菌發(fā)揮作用時(shí)并不會(huì)抑制食氫產(chǎn)甲烷菌消耗外源H2原位還原CO2。因此發(fā)酵全程通入外源H2較僅在發(fā)酵穩(wěn)定期通外源H2可以取得更高的沼氣提純效果。

2.3 外源H2通入時(shí)間及通入量對(duì)發(fā)酵液VFAs和pH的影響

不同外源H2通入量及通入時(shí)間下發(fā)酵液中VFAs的濃度隨發(fā)酵時(shí)間的變化以及發(fā)酵結(jié)束時(shí)該條件下發(fā)酵液中總VFAs的濃度分別如表3、表4和圖4所示。隨著發(fā)酵的進(jìn)行，發(fā)酵底物消耗，VFAs濃度逐漸降低，最后保持在較低水平。相比僅在發(fā)酵穩(wěn)定期通入外源H2，在發(fā)酵初始階段也通入適量外源H2使發(fā)酵液中的VFAs降解更明顯。而過量的外源H2通入會(huì)使VFAs降解出現(xiàn)輕微抑制，導(dǎo)致發(fā)酵后期發(fā)酵液中乙酸、丙酸和丁酸出現(xiàn)暫時(shí)累積，MULAT等[16]也曾報(bào)道過相同的結(jié)果。

表3 后期通4倍H2發(fā)酵液中VFAs濃度隨發(fā)酵時(shí)間的變化 單位：mg/L

表4 后期通5倍H2發(fā)酵液中VFAs濃度隨發(fā)酵時(shí)間的變化 單位：mg/L

a-后期通4倍H2；b-后期通5倍H2圖4 發(fā)酵結(jié)束時(shí)發(fā)酵液中總VFAs濃度Fig.4 The total VFAs concentration in biogas slurry at the end of fermentation

分析原因，可能是適當(dāng)增加外源H2通入可以刺激同型產(chǎn)乙酸菌利用H2產(chǎn)生乙酸，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成CH4，從而將VFAs維持在較低水平。而外源H2通入過量時(shí)，生成的乙酸來不及被利用而存在于發(fā)酵液中，從而被累積。而較高的乙酸水平還可能導(dǎo)致丙酸、丁酸降解受到抑制。

另外通過圖5可知，向厭氧系統(tǒng)中連續(xù)通入適量外源H2后，發(fā)酵液的pH變化趨勢(shì)和對(duì)照組一致。在發(fā)酵初始階段通入外源H2較不通外源H2的實(shí)驗(yàn)組，在初始階段pH下降更明顯，而隨著發(fā)酵的進(jìn)行，pH上升也更顯著。這可能是因?yàn)槌跏茧A段外源H2通入可以刺激同型產(chǎn)乙酸菌利用H2產(chǎn)生乙酸，導(dǎo)致丙酸、丁酸降解受到抑制，從而pH降低。而pH升高是因?yàn)橥庠碒2的通入，使食氫產(chǎn)甲烷菌處于優(yōu)勢(shì)地位，發(fā)酵液中碳酸氫鹽被食氫產(chǎn)甲烷菌大量消耗，以及發(fā)酵底物降解過快而得不到及時(shí)補(bǔ)充，從而導(dǎo)致pH明顯上升[21]。LUO等也曾報(bào)道外源H2的通入導(dǎo)致pH上升至8.3甚至更高，對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制[22]。對(duì)此，ANGELIDAKI實(shí)驗(yàn)組曾采用牛糞與乳清共發(fā)酵的方法，控制pH低于8[23]。在發(fā)酵結(jié)束時(shí)外源H2通入量為4/5倍的實(shí)驗(yàn)組pH出現(xiàn)低于其他實(shí)驗(yàn)組的現(xiàn)象，可能與該條件下發(fā)酵液中VFAs降解緩慢并出現(xiàn)輕微累積有關(guān)。

a-后期通4倍H2；b-后期通5倍H2圖5 發(fā)酵液的pH隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig.5 Variation of pH in biogas slurry during fermentation

3 結(jié)論

發(fā)酵全過程通入適量的外源H2可以提高沼氣產(chǎn)量，提純效果更優(yōu)，而過量的外源H2會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降且提純效果提高不明顯。發(fā)酵初始階段通入外源H2對(duì)CH4產(chǎn)量的影響比沼氣產(chǎn)氣的影響更大。其中外源H2通入量為3/5倍較適宜，沼氣總產(chǎn)量和CH4總產(chǎn)量較高，高出對(duì)照組約21.1%、47.1%。同時(shí)提純效果也較好，其平均CH4相對(duì)含量為83.5%，比對(duì)照組提高約32.1%。

厭氧發(fā)酵的初始階段通入適量的外源H2，可以加強(qiáng)有機(jī)物轉(zhuǎn)化，促進(jìn)VFAs降解，過量的外源H2會(huì)導(dǎo)致VFAs降解抑制。外源H2通入量為3/5倍時(shí)，發(fā)酵結(jié)束的VFAs低于對(duì)照組最明顯；外源H2通入量為4/5倍時(shí)，VFAs降解出現(xiàn)輕微抑制。另外，發(fā)現(xiàn)通入外源H2會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵液的pH升高。