基于青貯玉米秸稈的固態(tài)厭氧發(fā)酵機理分析

李 濤，王虹雅

（山西省科技資源與大型儀器開放共享中心，山西 太原 030006）

1 研究背景

我國是工農(nóng)業(yè)大國，也是人口大國，各類農(nóng)作物生產(chǎn)量和消耗量巨大，由此產(chǎn)生較多的秸稈等廢棄物量，秸稈焚燒不僅污染環(huán)境而且浪費資源。同時，傳統(tǒng)化石能源引發(fā)的環(huán)境污染問題層出不窮，而資源短缺等問題也一定程度上削弱了我國在國際中的競爭力。當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展進(jìn)入新時代，守牢糧食安全、能源安全紅線底線任務(wù)依然艱巨，完善產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)，降低對傳統(tǒng)能源的依賴，防止出現(xiàn)新的環(huán)境問題。多維度發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為我國能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的一個重要方向。因此，為助力碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)，減少垃圾填埋的容量、進(jìn)行資源循環(huán)利用，都對以發(fā)酵為核心的廢棄物處理技術(shù)提出了新的要求。

厭氧發(fā)酵是一種生物轉(zhuǎn)化過程，主要利用微生物在缺氧或無氧環(huán)境中的代謝來分解有機質(zhì)，進(jìn)而產(chǎn)出沼氣（體積分?jǐn)?shù)為40%～70%的甲烷和30%～60%的二氧化碳及少量氫氣、硫化氫、氨氣等）[1]，其中甲烷經(jīng)過后續(xù)提純、凈化，可直接并入管網(wǎng)實現(xiàn)家庭、工農(nóng)業(yè)能源消費[2]，二氧化碳也能用于制氫和合成淀粉等過程[3-4]，實現(xiàn)資源的最大化利用。

固態(tài)厭氧發(fā)酵相較傳統(tǒng)液態(tài)發(fā)酵，存在設(shè)計精巧、有機負(fù)荷較高、處理量大、沼渣性能優(yōu)良便于后續(xù)處理等優(yōu)勢，對于玉米秸稈這類木質(zhì)纖維素類廢棄物來說，固態(tài)厭氧發(fā)酵可解決液態(tài)發(fā)酵體系中原料上浮、分層、需水量大等問題[5-6]。但固態(tài)厭氧發(fā)酵也有其局限性，如體系內(nèi)可能存在發(fā)酵死區(qū)、局部過度酸化、原料與發(fā)酵液接觸不均勻等問題，進(jìn)而導(dǎo)致整個厭氧發(fā)酵周期過長、期間產(chǎn)氣不穩(wěn)定、運行效率降低等問題，同時，由于體系本身存在多變性和非均相性，原料的地域性質(zhì)差異、固液相間的傳質(zhì)性能及發(fā)酵工藝的選擇等均會對發(fā)酵過程產(chǎn)生較大影響[7-8]。

本文選擇青貯玉米秸稈為原料，結(jié)論適用于大部分木質(zhì)纖維素類固體廢棄物，以批式固態(tài)厭氧發(fā)酵作為研究方法，通過對比分析一定工藝條件下的發(fā)酵性能，結(jié)合數(shù)學(xué)模型和分子生物學(xué)手段，揭示此類廢棄物降解機制和微生物作用機理，為固態(tài)厭氧發(fā)酵體系提供從宏觀到微觀的認(rèn)識，從而為工藝優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

2 實驗設(shè)計與儀器設(shè)備

具體實驗過程為：采用傳統(tǒng)車庫式固態(tài)厭氧發(fā)酵工藝，選取單相箱式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)系統(tǒng)，原料經(jīng)預(yù)處理后置于反應(yīng)器（容積約45 L）進(jìn)行中溫（37 ℃）發(fā)酵，水力停留時間28 d，滲濾液經(jīng)底部流出后從頂部進(jìn)行回流噴淋，回流流量約為4 L/min，噴淋方式設(shè)為3 組。①組前2 周每次噴淋6 min，間隔6 h，第3周每次噴淋3 min，間隔也為6 h，最后1 周無噴淋，記為（6，3，0）；②組采取（4，2，0）；③組采?。?，1，0）。原料為青貯玉米秸稈，經(jīng)機械粉碎后粒徑2～3 mm、長度5 cm，總固含率（TS）30.14±0.45%，總揮發(fā)固含率（VS）為27.43±0.37%。接種液取自污水處理廠，并在37 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中充分馴化，TS 的取值為1.70±0.10%，VS 為0.60±0.08%，在實驗開始前先用接種液浸泡原料2 h，加速發(fā)酵的啟動。表1 為所用實驗儀器設(shè)備與軟件。

表1 所用實驗儀器設(shè)備與軟件

3 結(jié)果分析

3.1 甲烷產(chǎn)量

圖1 為甲烷產(chǎn)量。由圖1 可知，①組甲烷產(chǎn)量達(dá)到80.85 L（196.5 mL/g VS），②組和③組甲烷產(chǎn)量分別達(dá)到76.42 L（186.5 mL/g VS）和53.04 L（128.9 mL/g VS），且主要集中于前2 周，后2 周合計占總產(chǎn)氣量約10%。

圖1 甲烷產(chǎn)量

①組和②組甲烷產(chǎn)量遠(yuǎn)大于③組，說明③組的噴淋量不足，固液兩相未能充分接觸，產(chǎn)氣潛力未能充分釋放，沼渣中還未回收利用的資源較多。①組和②組甲烷產(chǎn)量接近，①組比②組高約5%，但能耗高了約50%，考慮到能效比，因此，在工業(yè)實踐中顯然②組更符合生產(chǎn)要求。

3.2 液相組成及性質(zhì)分析

分析各組液相數(shù)據(jù)可知，3 組在反應(yīng)前期均有較大的VFA 積累，圖2 為液相組成分析。

圖2 液相組成分析

由圖2 可知，在第2 天和第7 天VFA 質(zhì)量濃度有逆勢上漲，說明此時水解產(chǎn)酸速率大于產(chǎn)甲烷速率，體系中可能存在過度酸化或酸抑制現(xiàn)象。第2 周中后期直至反應(yīng)末，VFA 質(zhì)量濃度降至1000 mg/L 以下，此時水解產(chǎn)酸速率約等于產(chǎn)甲烷速率，且速率都有所降低，推測體系內(nèi)可供產(chǎn)甲烷菌利用的有機物質(zhì)較少，產(chǎn)甲烷動力不足或滋生其他雜菌，產(chǎn)生多種副反應(yīng)。液相組成及質(zhì)量濃度差別不大，3 組液相主要質(zhì)量濃度均大致如圖2（b）所示，主要為乙酸（50%左右）、丙酸（20%左右）、正丁酸（15%左右）、異丁酸、戊酸等，在整個反應(yīng)過程中，以其為營養(yǎng)物質(zhì)的產(chǎn)甲烷菌代謝旺盛，消耗大量VFA 使其質(zhì)量濃度持續(xù)下降。

3.3 動力學(xué)參數(shù)分析

在諸多厭氧發(fā)酵數(shù)學(xué)模型中，理論模型、統(tǒng)計模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ腿箢惐谎芯咳藛T廣泛認(rèn)可[9]。本文選取與實驗條件最為接近的擴(kuò)散分布模型（理論模型的1 種），選擇kh（水解速率）、ks（產(chǎn)乙酸速率）、ρmax（乙酸最大利用率）、kd（微生物細(xì)胞團(tuán)衰敗系數(shù)）為4 個關(guān)鍵參數(shù)，χ2為擬合精度，擬合結(jié)果見表2。

表2 擬合結(jié)果

由表2 可知，kh和ks擬合偏差相對較大，說明反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境復(fù)雜多變，隨著反應(yīng)過程的進(jìn)行，水解速率和產(chǎn)乙酸速率變化較大，體系內(nèi)不同菌種競爭激烈，各種代謝產(chǎn)物不斷積累，對厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生不同的影響。

ρmax和kd擬合度相對較好，表明體系內(nèi)利用乙酸生產(chǎn)甲烷的過程較為穩(wěn)定，微生物細(xì)胞團(tuán)衰敗系數(shù)與噴淋量呈負(fù)相關(guān)，隨著噴淋量和可利用有機物質(zhì)的減少微生物細(xì)胞團(tuán)衰敗速度加快，乙酸利用率整體小于產(chǎn)乙酸速率，說明工藝條件還有優(yōu)化空間。

3.4 微生物代謝分析

厭氧發(fā)酵過程由各類微生物共同代謝調(diào)控，微生物種群結(jié)構(gòu)變化是影響發(fā)酵性能的關(guān)鍵[10-11]，對體系內(nèi)不同時間節(jié)點的微生物組成情況進(jìn)行全面分析，可以深化發(fā)酵過程中微生物作用的認(rèn)識，為優(yōu)化各種工藝參數(shù)提供參考和支持。

3 組反應(yīng)器中每隔1 周取1 次樣，進(jìn)行微生物DNA測序，分析樣品中各類菌種演變情況。

分析樣品OTU 表可以得出，在整個反應(yīng)過程中，甲烷桿菌和甲烷八疊球菌含量最多，不同之處在于甲烷八疊球菌隨著反應(yīng)的進(jìn)行呈減少態(tài)勢，而甲烷桿菌隨著反應(yīng)的進(jìn)行先增加后減少。據(jù)此可推測，甲烷八疊球菌主要為酸營養(yǎng)型，利用液相中的有機物質(zhì)代謝合成甲烷，隨著時間的推移，液相有機物質(zhì)含量不斷減少、各種代謝產(chǎn)物不斷積累，其菌落規(guī)模不斷萎縮，但依然是產(chǎn)甲烷的主力菌種；甲烷桿菌主要為H2/CO2營養(yǎng)型，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，體系內(nèi)CO2含量不斷增加，甲烷桿菌得以大量增殖，成為另一產(chǎn)甲烷主力菌種，但在第4 周不噴淋后，產(chǎn)氣量大大減少、固液相物質(zhì)交換幾乎停止，其菌落規(guī)模驟減，說明其對環(huán)境變化的敏感性更強。其余菌種推測主要為H2/CO2營養(yǎng)型，與甲烷桿菌變化趨勢類似，其中深古菌在環(huán)境惡化后其菌落規(guī)模仍保持穩(wěn)定，沒有大幅衰敗，說明其抵抗外界環(huán)境變化的能力更強。

通過樣品OTU 表還可以得到各自sobs 指數(shù)、simpson 指數(shù)以及shannon 指數(shù)，分別用來反映群落豐富度、群落均勻度和群落多樣性。各組sobs 指數(shù)均為第2 周最大、第4 周最小，與前述結(jié)論一致；simpson 指數(shù)均在0.20～0.25 之間，表明在多次噴淋回流下，液相性質(zhì)較為穩(wěn)定，菌落均勻度變化較??；shannon 指數(shù)前3 周相近，第4 周上升幅度明顯，表明此時群落多樣性明顯增大，有可能滋生多種與產(chǎn)甲烷無關(guān)的雜菌，對反應(yīng)產(chǎn)生一定程度負(fù)面影響。

4 結(jié)束語

對玉米秸稈類原料進(jìn)行固態(tài)厭氧發(fā)酵過程中，不同種類的產(chǎn)甲烷細(xì)菌共同作用能使固液兩相性質(zhì)穩(wěn)定在適宜發(fā)酵進(jìn)行范圍內(nèi)，但是，如果一些條件（如反應(yīng)溫度、進(jìn)料負(fù)荷、原料C/N、滲濾液培養(yǎng)、回流噴淋量等）控制不好，可能出現(xiàn)體系酸化、產(chǎn)甲烷動力不足、副反應(yīng)增多等問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)甲烷菌的正常代謝，甚至使發(fā)酵中斷。因此，要合理把握原料固含率、噴淋量、噴淋間隔等工藝條件，在得到較高產(chǎn)能的同時盡量降低能耗、縮減反應(yīng)時間，同時對體系內(nèi)性質(zhì)進(jìn)行實時監(jiān)測、及時修正，保證各類產(chǎn)甲烷菌活性，抑制雜菌生長和副產(chǎn)物產(chǎn)生，最大限度提高生產(chǎn)效能，助力循環(huán)經(jīng)濟(jì)和綠色低碳發(fā)展。

本文以青貯玉米秸稈為原料，在實驗室環(huán)境下對部分工藝條件及分析方法進(jìn)行研究論述，存在一定局限性。在后續(xù)研究及工業(yè)放大中，還需對不同類型固廢原料和多條件耦合效應(yīng)進(jìn)行深入探討，同時綜合其他分子生物學(xué)分析方法，如物種組成分析、群落差異分析、預(yù)測分析等，更詳細(xì)深入地認(rèn)識不同反應(yīng)階段不同菌種的變化情況，為各階段反應(yīng)機理和體系變化提供更為精準(zhǔn)全面的宏觀、微觀解釋。此外，對反應(yīng)后沼渣的性質(zhì)分析和處理也是一大研究課題，需要在反應(yīng)設(shè)計與研究過程中統(tǒng)籌謀劃。