玉米秸稈兩級(jí)CSTR厭氧消化工藝動(dòng)力學(xué)性能研究

李玉倩，馬俊偉，袁海榮，李秀金

（1.北京化工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100029；2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875）

0 引言

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2019年我國(guó)糧食作物秸稈產(chǎn)量約為8.01億t，其中玉米秸稈占比最高，約為42.3%[1]。農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量仍在持續(xù)增長(zhǎng)，因此對(duì)其進(jìn)行資源化利用刻不容緩[2]。厭氧消化是有機(jī)物質(zhì)被厭氧菌在厭氧條件下分解產(chǎn)生甲烷和二氧化碳的過程，利用厭氧消化技術(shù)可對(duì)農(nóng)作物秸稈進(jìn)行資源化利用。相比于堆肥、焚燒等固體廢物處理技術(shù)，厭氧消化技術(shù)具有能耗較低、反應(yīng)過程較為平穩(wěn)溫和、剩余消化物可作為有機(jī)肥料、能夠產(chǎn)生清潔能源沼氣等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益[3]，[4]。

全混合式反應(yīng)器（Completely Stirred Tank Reactors，CSTR）常被用于有機(jī)固體廢物（如秸稈和林業(yè)加工廢棄物等）的厭氧消化[5]。單獨(dú)的CSTR操作簡(jiǎn)便，但由于“物料短流”，即部分原料在反應(yīng)器中的實(shí)際固體停留時(shí)間短于預(yù)設(shè)的水力停留時(shí)間（Hydraulic Retention Time，HRT），會(huì)導(dǎo)致部分厭氧消化原料未完全消化就被排出[6]。為了解決這一問題，有學(xué)者提出了兩級(jí)厭氧消化（Two-stage Anaerobic Digestion），即將兩個(gè)產(chǎn)甲烷反應(yīng)器串聯(lián)，第一級(jí)反應(yīng)器的出料進(jìn)入第二級(jí)反應(yīng)器再次進(jìn)行厭氧消化[7]。Athanasoulia E[8]采用單級(jí)和兩級(jí)厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)行了活性污泥厭氧消化，結(jié)果表明，串聯(lián)工藝可將沼氣產(chǎn)量提高9.5%～40.1%，同時(shí)提高底物的轉(zhuǎn)化率。Li Y[7]以玉米秸稈為原料，研究了不同HRT分配[HRT（30+10）d和HRT（20+20）d]的兩級(jí)厭氧消化工藝。研究結(jié)果表明，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷率（Organic Loading Rate，OLR）（以單位質(zhì)量的VS計(jì)）分別為1.16，1.63，2.09 g/（L·d）時(shí)，與單級(jí)厭氧消化系統(tǒng)（HRT40 d）相比，兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)率提高了8.3%～14.6%，且有機(jī)負(fù)荷率越高，產(chǎn)氣效率提高得越明顯。

厭氧消化過程是由多種微生物共同參與的生物酶解過程。厭氧消化動(dòng)力學(xué)將厭氧消化過程中微生物的增長(zhǎng)速率以及基質(zhì)降解速率用數(shù)學(xué)模型來表達(dá)，且通過模型中參數(shù)代表的意義評(píng)價(jià)厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行性能。厭氧消化動(dòng)力學(xué)主要包括厭氧微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)，所采用的模型主要有一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、Monod動(dòng)力學(xué)模型、Contois動(dòng)力學(xué)模型等[9]。物料衡算模型也常用來評(píng)估厭氧消化系統(tǒng)的效率。目前，針對(duì)兩級(jí)厭氧消化反應(yīng)器的厭氧消化運(yùn)行性能的動(dòng)力學(xué)分析鮮見報(bào)道。本研究采用物料衡算模型、微生物衡算模型和一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)兩級(jí)CSTR厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行了評(píng)估，從動(dòng)力學(xué)模型角度探討了兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的可行性，以期為改善和提高農(nóng)作物秸稈的厭氧消化性能提供新方法和新視角。

1 材料與方法

1.1 原料處理

玉米秸稈取自北京延慶地區(qū)，收獲后在田地自然風(fēng)干，用裁紙刀將玉米秸稈截成3～4 cm的小段，再用粉碎機(jī)粉碎，過20目篩后放置通風(fēng)處備用。厭氧消化接種物取自北京順義地區(qū)某沼氣站，該沼氣站屬于正常運(yùn)行的以豬糞為原料的中溫厭氧消化沼氣工程。接種物取回后靜置數(shù)日去除上層清液，然后密封置于4℃冰箱中冷藏備用。玉米秸稈和接種物的基本性質(zhì)見表1。

表1 厭氧消化原料和接種物的基本性質(zhì)Table 1 Characteristics of material and inoculum of anaerobic digestion

為了提高玉米秸稈的可降解性，厭氧消化前采用NaOH溶液對(duì)玉米秸稈進(jìn)行常溫預(yù)處理，玉米秸稈（以TS計(jì)），NaOH和H2O的質(zhì)量比為10:0.2:60，預(yù)處理時(shí)間為3 d。

1.2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用CSTR反應(yīng)器探究單級(jí)和兩級(jí)CSTR厭氧消化工藝對(duì)玉米秸稈厭氧消化的影響。每個(gè)反應(yīng)器的體積為10 L，工作體積為8 L，配有循環(huán)水箱和濕式氣體流量計(jì)。反應(yīng)器采用雙層設(shè)計(jì)，循環(huán)水箱循環(huán)熱水（35±2℃）進(jìn)入反應(yīng)器夾層對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行保溫，反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置上、中、下3層斜葉式攪拌槳，設(shè)定自動(dòng)定時(shí)程序，每隔2 h攪拌10 min。產(chǎn)生的沼氣通過排氣管導(dǎo)入濕式氣體流量計(jì)，每天記錄產(chǎn)氣量。圖1為厭氧消化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。單級(jí)和兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的總水力停留時(shí)間均為40 d:單級(jí)系統(tǒng)使用一個(gè)CSTR反應(yīng)器；第一個(gè)兩級(jí)系統(tǒng)的第一級(jí)和第二級(jí)HRT均為20 d，共有3個(gè)CSTR反應(yīng)器；第二個(gè)兩級(jí)系統(tǒng)的第一級(jí)和第二級(jí)HRT分別為30 d和10 d，使用4個(gè)CSTR反應(yīng)器。

圖1 單級(jí)和兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of single and two-stage anaerobic digestion systems

啟動(dòng)期結(jié)束后，3組厭氧消化系統(tǒng)首先在1.16 g/（L·d）的OLR下采用半連續(xù)進(jìn)料的方式穩(wěn)定運(yùn)行60 d；OLR提升至1.63 g/（L·d），再次穩(wěn)定運(yùn)行60 d；最后，OLR提升至2.09 g/（L·d），再穩(wěn)定運(yùn)行60 d。其中，兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)第一級(jí)的出料作為第二級(jí)的進(jìn)料，再次進(jìn)行厭氧消化。試驗(yàn)期間，每天記錄沼氣產(chǎn)量和沼氣中的甲烷含量；每隔10 d測(cè)定反應(yīng)器內(nèi)的pH值、堿度、揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）濃度、消化物的TS和VS含量、纖維素和半纖維素含量。

1.3 理化指標(biāo)測(cè)定方法

TS和VS含量采用重量法進(jìn)行測(cè)量；C，N，S等元素含量使用Vario EL Cube型元素分析儀（德國(guó)Elementar）進(jìn)行測(cè)定。通過濕式氣體流量計(jì)測(cè)定日產(chǎn)沼氣量；沼氣成分（CO2，CH4，H2和N2）采用SP-2100型氣相色譜分析儀（北京北分瑞利儀器公司）進(jìn)行測(cè)定，該氣相色譜儀的檢測(cè)器為TCD熱導(dǎo)檢測(cè)器，柱溫為140℃，進(jìn)樣口溫度為150℃，檢測(cè)器溫度為150℃，載氣為高純氬氣。使用Thermo Orion 868型pH計(jì)測(cè)定（奧立龍）測(cè)定pH值；堿度使用滴定法進(jìn)行測(cè)定；纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量使用FT350型纖維素分析儀（FOSS）進(jìn)行測(cè)定；VFAs濃度采用GC-2014型氣相色譜分析儀（島津）進(jìn)行分析，檢測(cè)器為FID檢測(cè)器，進(jìn)樣口溫度為250℃，檢測(cè)器溫度為250℃，柱溫以5℃/min的升溫速率從100℃程序升溫至180℃，載氣為高純氮?dú)狻?/p>

1.4 厭氧消化動(dòng)力學(xué)模型

1.4.1 物料衡算模型

物料衡算模型是所有模型的基礎(chǔ)，用于描述系統(tǒng)中進(jìn)入的反應(yīng)物料以及積累的反應(yīng)物料的量，其表達(dá)式為

1.4.2 一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型

秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物組成，這些大分子有機(jī)物需要水解菌分泌的胞外酶分解為溶解性物質(zhì)才可以被微生物利用。目前，描述水解速率最普遍的模型是一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。由于該模型忽略了微生物生長(zhǎng)的影響，所以其不僅能夠描述底物水解過程，當(dāng)?shù)孜锏乃馑峄^程和產(chǎn)甲烷過程達(dá)到平衡時(shí)，該模型還可以描述整個(gè)厭氧消化過程。

一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型是描述有機(jī)物水解的最簡(jiǎn)單模型，以可利用基質(zhì)為水解限制因素，認(rèn)為水解速率與還未水解的有機(jī)物濃度成正比。一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)顆粒性有機(jī)物的水解模擬效果較好。一級(jí)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)方程為

1.4.3 微生物衡算模型

Monod模型是應(yīng)用最普遍的微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程，底物的去除速率受到微生物濃度和底物濃度的影響，而最大比基質(zhì)去除速率常數(shù)與基質(zhì)濃度無關(guān)，只與微生物和底物性質(zhì)有關(guān)。生物量衡算以Monod方程為基礎(chǔ)，根據(jù)物料平衡原理對(duì)厭氧消化微生物進(jìn)行濃度衡算，計(jì)算式為

式中:μmax為最大比增長(zhǎng)速率，d-1；KS為半速率常數(shù)，g/L；kd為微生物內(nèi)源衰減速率，d-1；Y為微生物產(chǎn)率，即去除單位質(zhì)量基質(zhì)的微生物量，mg/mg；m為最大比基質(zhì)去除率，d-1；Se為可降解限制性基質(zhì)濃度，即出料的固體濃度g/L。

假設(shè)進(jìn)料的微生物濃度很低，可忽略不計(jì)，即X0=0。在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期，d X/d t=0，則式（5）可簡(jiǎn)化為

在全混合式厭氧消化中，微生物停留時(shí)間和固體停留時(shí)間與水力停留時(shí)間HRT相等。對(duì)于一個(gè)無回流的完全混合式厭氧消化反應(yīng)器，V/Q即為反應(yīng)器的HRT。因此，由式（6），（7）可得:

結(jié)合式（8），（9）可得反應(yīng)器中的微生物濃度X為

2 結(jié)果與討論

在前期的研究中，我們已經(jīng)進(jìn)行討論分析了在不同的OLR下，單級(jí)和兩級(jí)CSTR玉米秸稈厭氧消化的產(chǎn)氣性能和物質(zhì)轉(zhuǎn)化率（表2）[7]，本文主要對(duì)單級(jí)和兩級(jí)CSTR系統(tǒng)的厭氧消化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。

表2 單級(jí)和兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能和物質(zhì)轉(zhuǎn)化率Table 2 Biogas production and biomass conversion rates of single and two-stage anaerobic digestion systems

2.1 物料衡算模型

本研究以TS為指標(biāo)進(jìn)行物料衡算，通過物料衡算模型評(píng)價(jià)兩級(jí)厭氧消化過程中的產(chǎn)沼氣系數(shù)和產(chǎn)甲烷系數(shù)。

單級(jí)和兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)沼氣系數(shù)和產(chǎn)甲烷系數(shù)如圖2所示。從圖2（a）～（c）中可以看出，HRT（20+20）d和HRT（30+10）d兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)和HRT40d單級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的線性回歸相關(guān)系數(shù)R2均大于0.94，可見物料守恒模型可以很好地評(píng)價(jià)反應(yīng)器性能。圖中直線的斜率即為YS/G，即每生產(chǎn)1 L的沼氣所消耗的TS的量，對(duì)于HRT40d單級(jí)厭氧消化，每生產(chǎn)1 L的沼氣需要1.418 6 g的TS；對(duì)于HRT（20+20）d兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)，第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)器每生產(chǎn)1 L的沼氣分別需要1.596 2，0.903 7 g的TS，就HRT（20+20）d兩級(jí)整體來看，每生產(chǎn)1 L的沼氣需消耗1.424 8 g的TS；對(duì)于HRT（30+10）d兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)，第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)器每生產(chǎn)1 L的沼氣分別需要1.395 5，1.347 8 g的TS，就HRT（30+10）d兩級(jí)整體來看，每生產(chǎn)1 L的沼氣需消耗1.391 9 g的TS。類似地，從圖2（d）～（f）中可以看出，HRT40 d，HRT（20+20）d和HRT（30+10）d每生產(chǎn)1 L的甲烷所消耗的TS的量分比為2.746 9，2.607 2，2.592 3 g。

圖2 單級(jí)和兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)沼氣系數(shù)和產(chǎn)甲烷系數(shù)Fig.2 Conversion coefficient for substrate into biogas or methane of single and two-stage anaerobic digestion systems

產(chǎn)沼氣系數(shù)和產(chǎn)甲烷系數(shù)均為圖2中直線斜率的倒數(shù)，即每去除1 g的干物質(zhì)所產(chǎn)生的沼氣/甲烷的量。因此，求得HRT40 d，HRT（20+20）d和HRT（30+10）d 3個(gè)厭氧消化體系的產(chǎn)沼氣系數(shù)分別為0.704 9，0.701 9，0.718 4 L/g。同樣地，3個(gè)體系的產(chǎn)甲烷系數(shù)分別為0.364 0，0.383 6，0.385 8 L/g。HRT（20+20）d和HRT（30+10）d的產(chǎn)甲烷系數(shù)分別比HRT40 d增加了5.38%和5.99%。這說明兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)在一定程度上提高了玉米秸稈的厭氧消化產(chǎn)甲烷性能，這可能是兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌的豐度和多樣性有所變化造成的。

2.2 一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型

圖3描述了單級(jí)和兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。由圖3可知:HRT40d的基質(zhì)去除一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)k為0.008 77 d-1；HRT（20+20）d的第一級(jí)和第二級(jí)基質(zhì)去除一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)k分別為0.025 18 d-1和0.007 65 d-1；HRT（30+10）d的第一級(jí)和第二級(jí)基質(zhì)去除一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)k分別為0.023 99 d-1和0.006 45 d-1。兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)第一級(jí)反應(yīng)器的一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)高于第二級(jí)反應(yīng)器，原因可能是玉米秸稈中的有機(jī)質(zhì)主要在第一級(jí)反應(yīng)器中被水解，進(jìn)入第二級(jí)的剩余有機(jī)質(zhì)多為難降解物質(zhì)，水解較為緩慢。

圖3 單級(jí)和兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的基質(zhì)去除一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 First order dynamics model for substrate removal rate of single and two-stage anaerobic digestion systems

2.3 微生物衡算模型

2.3.1 微生物產(chǎn)率系數(shù)估算

由甲烷的完全氧化方程可知，每完全氧化1 mol的甲烷需要消耗2 mol氧氣，即64 g COD生成1 mol甲烷，即1 g COD可生成0.35 L標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的甲烷[10]。由前文可知，單級(jí)和兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的COD和TS去除率的相關(guān)關(guān)系:對(duì)于HRT40d，去除的TS相當(dāng)于1.040 g COD；對(duì)于HRT（20+20）d，去除的TS相當(dāng)于1.094 g COD；對(duì)于HRT（30+10）d，去除的TS相當(dāng)于1.102 g COD。

考慮到COD的主要轉(zhuǎn)化途徑，即被降解的COD部分用于生成甲烷，剩余的COD用于微生物合成自身有機(jī)物[11]。那么以甲烷產(chǎn)率（以COD計(jì)）為縱坐標(biāo)，以TS去除率（以COD計(jì)）為橫坐標(biāo)，可以建立甲烷產(chǎn)率和TS去除率之間的函數(shù)關(guān)系（圖4）。

圖4 甲烷產(chǎn)率與TS去除率的關(guān)系函數(shù)Fig.4 Volumetric methane production as a function of TS removal rate

由圖4中的直線斜率可以反映出HRT40 d，HRT（20+20）d和HRT（30+10）d厭氧消化系統(tǒng)分別有99.47%，97.66%和97.12%的COD轉(zhuǎn)化為甲烷，且分別有0.53%，2.34%和2.88%的COD轉(zhuǎn)化為微生物的細(xì)胞物質(zhì)。已知細(xì)胞的COD當(dāng)量為每克揮發(fā)性懸浮固體相當(dāng)于1.41 g的COD[12]，由此可以計(jì)算出HRT40 d，HRT（20+20）d和HRT（30+10）d厭氧消化系統(tǒng)的微生物產(chǎn)率系數(shù)分別為0.003 8，0.016 6和0.020 4。兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的微生物產(chǎn)率系數(shù)高于單級(jí)厭氧消化系統(tǒng)，原因可能是兩級(jí)厭氧消化反應(yīng)器相對(duì)于單級(jí)反應(yīng)器進(jìn)出料量較大，促進(jìn)了微生物的合成代謝。文獻(xiàn)[11]～[13]中計(jì)算出的微生物產(chǎn)率系數(shù)為0.016～0.051，由此可以看出，本研究得出的微生物產(chǎn)率系數(shù)處于正常范圍。

2.3.2 微生物濃度估算

根據(jù)計(jì)算所得微生物產(chǎn)率和式（10）計(jì)算（kd取為0.03 d-1）各個(gè)系統(tǒng)的平均微生物濃度，結(jié)果如表3所示。利用表3中的數(shù)據(jù)，建立各個(gè)系統(tǒng)的平均微生物濃度與OLR的函數(shù)關(guān)系[9]，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合雙曲線方程（圖5）。

表3 單級(jí)和兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的平均微生物濃度Table 3 Average microorganism concentration of single and two-stage anaerobic digestion systems g/L

圖5 平均微生物濃度與有機(jī)負(fù)荷率的函數(shù)關(guān)系Fig.5 Variation of average microorganism concentration as a function of OLR

從表3可以看出，各個(gè)系統(tǒng)的平均微生物濃度均隨OLR的升高而升高，且兩級(jí)厭氧消化反應(yīng)器的平均微生物濃度明顯高于單級(jí)厭氧消化反應(yīng)器。

從圖5可以看出，HRT（20+20）d和HRT（30+10）d兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)和HRT40 d單級(jí)厭氧消化系統(tǒng)的R2均大于0.99，表明各個(gè)系統(tǒng)的平均微生物濃度與OLR有很好的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)玉米秸稈單級(jí)和兩級(jí)CSTR厭氧消化系統(tǒng)，運(yùn)用物料衡算模型、微生物衡算模型和一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)分析，得出以下結(jié)論。

①HRT40d，HRT（20+20）d和HRT（30+10）d厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷系數(shù)分別為0.364 0，0.383 6，0.385 8 L/g，HRT（20+20）d和HRT（30+10）d的產(chǎn)甲烷系數(shù)分別比HRT40 d增加了5.38%和5.99%。這說明兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)在一定程度上提高了玉米秸稈的厭氧消化產(chǎn)甲烷性能。

②HRT（20+20）d和HRT（30+10）d兩級(jí)厭氧消化系統(tǒng)第一級(jí)反應(yīng)器的一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)高于HRT40 d單級(jí)厭氧消化系統(tǒng)以及HRT（20+20）d和HRT（30+10）d第二級(jí)反應(yīng)器的一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，原因可能是玉米秸稈中的有機(jī)質(zhì)主要在第一級(jí)反應(yīng)器中被水解，進(jìn)入第二級(jí)反應(yīng)器的剩余有機(jī)質(zhì)多為難降解物質(zhì)，水解較為緩慢。

③HRT40d，HRT（20+20）d和HRT（30+10）d厭氧消化系統(tǒng)的微生物產(chǎn)率系數(shù)分別為0.003 8，0.016 6和0.020 4。各個(gè)系統(tǒng)的平均微生物濃度均隨著有機(jī)負(fù)荷率的升高而升高，且兩級(jí)厭氧消化反應(yīng)器的平均微生物濃度明顯高于單級(jí)厭氧消化反應(yīng)器。