厌氧发酵起始阶段通氧对玉米秸秆产甲烷特性的影响

付善飞，许晓晖，师晓爽，赵玉中，王传水，郭荣波



厌氧发酵起始阶段通氧对玉米秸秆产甲烷特性的影响

付善飞1,2，许晓晖1，师晓爽1，赵玉中1,2，王传水1，郭荣波1

（1中国科学院青岛生物能源与过程研究所，山东省沼气工业化生产与利用工程实验室，山东青岛 266101；2中国科学院大学，北京100049）

基于厌氧发酵起始阶段的氧供应量控制，研究了厌氧发酵起始阶段通氧对玉米秸秆产甲烷特性的影响。当氧气供应量为10 ml·(g VS)-1时，甲烷产量达到最大为299.8 ml·(g VS)-1，相对于不做处理的样品甲烷产量提高了8.4%。但是，氧气供应量的继续提高并没有带来甲烷产量的升高，当氧气供应量大于40 ml·(g VS)-1时，甲烷产量相对于不做处理的秸秆样品轻微下降。modified first order equation 模型拟合分析表明起始阶段微好氧处理可以加快底物的水解速度，但氧气供应量过大会延长厌氧发酵的延滞时间。另外，经过起始阶段通氧处理，秸秆厌氧发酵的VS降解率也有所提高。

厌氧发酵；通氧；甲烷；modified first order equation 分析；VS降解率

引 言

玉米秸秆含有大量的纤维素、半纤维素、木质素等成分，是一种主要的农业废弃物[1]。在中国，每年产生玉米秸秆21.6亿吨，并且大约一半的玉米秸秆没有充分利用[2]。厌氧发酵技术是处理玉米秸秆等农业废弃物的理想手段，因为它在解决农业废弃物的同时也产生有机肥、沼气等附加品。但是玉米秸秆中纤维素、木质素和半纤维素成分相互缠绕形成致密的结构，阻碍了厌氧发酵过程中纤维素酶等对纤维素结构的水解[3]。因此，水解阶段通常被认为是厌氧发酵的限速步骤[4]。纤维素类底物进行厌氧发酵前通常需要进行预处理，实验室常见的预处理方法主要有物理预处理、化学预处理、生物预处理及多种预处理手段结合[5]。但是，这些传统的预处理手段往往会需要额外的化学药品或能量供应[6]。

有研究表明，纤维素类物质的水解速率在氧存在的情况下明显加快，因此微好氧处理可作为一种处理手段加快纤维素类物质的厌氧发酵进程[7]。相对于其他的预处理手段，微好氧处理更加经济环保，仅仅需要对反应体系引入少量的氧或空气。有研究表明，微好氧预处理可以显著提高厌氧发酵系统的甲烷产量：在研究波罗麻浆厌氧发酵时，Mshandete等[8]发现，在波罗麻浆液厌氧发酵前进行9 h的好氧预处理，其甲烷产量提高了26%；在研究微好氧预处理对淀粉厌氧发酵影响时，Botheju等[9]发现，微好氧预处理阶段氧气用量为0～16%（基于COD）时，甲烷产量提高了30%～55%；在处理餐厨垃圾时，Lim等[6]发现当氧气用量为37.5 ml·L-1·d-1甲烷产量提高了10%～21%。有的研究表明微好氧预处理可以提高体系的水解效率，但对甲烷产量没有明显影响：在研究微好氧预处理对纤维素水解动力学影响时，Diaz等[10]发现对反应体系每天通入10 ml O2，甲烷产量基本没有影响，但是纤维素的水解速度明显提高。

当使用微好氧作为处理手段时，处理阶段氧气的供应量尤为重要，因为过量的氧气会抑制产甲烷菌的活动，降低甲烷产量[11]。过量的氧气会直接氧化一部分底物，降低甲烷产量。因此，需要进行微好氧处理阶段氧气供应量的优化。

在已有研究中，微好氧处理主要应用于污泥、餐厨垃圾、淀粉等易降解底物，对于玉米秸秆等纤维素类物质研究较少。本研究讨论了厌氧发酵起始阶段通氧对玉米秸秆产甲烷特性的影响，并结合厌氧发酵过程中的pH、氨氮、SCOD及累计甲烷产量、VS降解率等参数变化研究了微好氧处理对玉米秸秆厌氧发酵的影响。以期为微好氧处理的应用提供研究基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验中所用的接种物为活性污泥，取自青岛市团岛污水处理厂。接种物的TS为6.64%，VS为70.62%（基于TS）。试验中底物为自然风干的玉米秸秆，从青岛平度市玉米地收集而得，并用粉碎机粉碎至粒径0.5 cm左右，玉米秸秆的TS和VS分别为92.44%、93.44%；纤维素、半纤维素、木质素含量分别为45.43%、22.73%、10.79%（基于TS）；碳氮比、碳氢比分别为28.97、7.73（质量比）。

1.2 试验装置及运行方法

厌氧发酵起始阶段通氧对玉米秸秆产甲烷特性的影响试验以300 ml点滴瓶为反应器，工作体积200 ml，每组试验设置3个平行测试。试验装置如图1所示。每组发酵瓶中加入秸秆5.77 g（湿重）、污泥40.2 g（湿重）。同时，为防止发酵过程中酸化，每个发酵瓶用营养液[12]补至体积200 ml。营养液组分为：每1 L体积中含有NH4Cl 1 g、NaCl 0.1 g、MgCl2·6H2O 0.1 g、CaCl2·2H2O 0.05 g、K2HPO4·3H2O 2 g、NaHCO32.6 g、L-半胱氨酸盐酸盐0.5 g。试验开始前用纯N2曝气5 min，以保证体系的厌氧条件，然后压盖密封。厌氧发酵起始阶段通氧处理在厌氧发酵开始的前4 d进行，每组反应瓶每天用针管注入0、12.5、50、100、150 ml 氧气（标况下）以达到微好氧处理阶段氧气供应量分别为0、10、40、80、120 ml·(g VS)-1。发酵瓶置于恒温水浴摇床内，发酵温度为(37±1)℃，转速为120 r·min-1。

1.3 试验测定参数及方法

沼气产量测定采用排水法，甲烷浓度测定采用SP-6890 型气相色谱仪（山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司），热导检测器(TCD)，柱温50℃，汽化室温度100℃，检测器温度80℃，载气为氩气，进样量0.4 ml，纤维素、半纤维素、木质素含量采用范氏(Van Soest) 纤维素方法测定[13]，TS、VS 采用标准方法测定[14]，C、H、N 和S 含量由元素分析仪测定（vario EL cubo），SCOD、氨氮测定采用分光光度法（721可见光分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司）。

2 结果与讨论

2.1 对玉米秸秆累计甲烷产量的影响及数学模型分析

2.1.1 累计甲烷产量 累计甲烷产量是衡量秸秆厌氧发酵产沼气效果的最重要指标，玉米秸秆厌氧发酵的累计甲烷产量如图2所示。试验中累计甲烷产量在256.6～299.8 ml·(g VS)-1之间，当氧气供应量为10 ml·(g VS)-1时，累计甲烷产量达到最大，为299.8 ml·(g VS)-1。相对于不做处理的对照组，其甲烷产量提高了8.4%。但是，甲烷产量并不随着氧气供应量的增加而增大，当氧气供应量超过40 ml·(g VS)-1时，厌氧发酵起始阶段通氧反而会降低累计甲烷产量。本研究中，当氧气供应量为120 ml·(g VS)-1时累计甲烷产量最低，为256.6 ml·(g VS)-1，相对于对照组其累计甲烷产量降低了7.2%。这与Botheju等[15]的发现一致：厌氧发酵起始阶段通氧在一定的氧气供应量范围之内可以提高秸秆厌氧发酵的甲烷产量，当氧气供应量超过一定范围时，反而会降低甲烷产量，这是因为虽然某些产甲烷菌对氧气有一定的耐受性，但氧气浓度超过一定范围会影响产甲烷菌的活性[16]，并且当氧气供应过剩时，会将一部分的底物直接氧化生成二氧化碳[6]。

2.1.2 累计甲烷产量的modified first order equation分析 本研究选取modified first order equation来分析厌氧发酵起始阶段通氧对玉米秸秆厌氧发酵的累计甲烷产量、延滞期及水解常数的影响。modified first order equation经常被用于厌氧发酵过程中的累计甲烷产量、厌氧发酵的延滞期及水解常数的分析[10]。

修正后的modified first order equation为

()=∞exp{1-exp[-H(-p)]} (1)

式中，()表示厌氧发酵过程中的累计甲烷产量，ml·(g VS)-1；∞表示最大产甲烷潜力，ml·(g VS)-1，H表示水解常数，d-1；p表示厌氧发酵的延滞时间，d；表示体系运行时间，d。表1给出modified first order equation 模型拟合的各种参数值。从表1可以看出，modified first order equation模拟分析的相关系数2均大于0.99，这表示模拟的参数可以解释厌氧发酵过程中99%以上的数据[17]。水解常数H表示厌氧发酵过程中底物的水解速率，从表1中可以看出，经过厌氧发酵起始阶段通氧处理组的水解常数H均小于不做预处理的对照组，这表明厌氧发酵起始阶段通氧可以加快底物的水解速率。p表示厌氧发酵的延滞时间，从表中可以看出M3和M4有明显的延滞期，这是因为在氧气供应过量的情况下，产甲烷菌的活性受到抑制从而阻碍了甲烷的产生。这与Diaz等[10]研究微好氧预处理对纤维素水解动力学时所得到的结果一致，厌氧发酵起始阶段通氧可以加快底物的水解速度，但是过剩的氧气供应会延长厌氧发酵的延滞时间。

表1 Modified first order equation模型拟合参数Table 1 Fitting parameters of modified first order equation

2.2 玉米秸秆厌氧发酵过程中的pH、SCOD及氨氮变化

2.2.1 厌氧发酵过程中pH变化 pH是厌氧发酵产沼气过程中的重要控制参数，pH直接影响着厌氧微生物的物质代谢和生命活动。沼气微生物的生长、繁殖要求发酵原料的酸碱度保持中性，或者微偏碱性，酸和碱性条件都会影响产气。一般情况下，pH为6～8，均能正常产气，以pH为6.5～7.5 产气量最高，pH低于6或高于9 时均不利于沼气的产生[18]。图3表示厌氧发酵过程中pH变化曲线，从图中可以看出，试验中pH在6.9～8.3之间，始终处于一个合理的范围。所有的pH在微好氧预处理结束时达到最低，pH的降低与预处理阶段VFA的积累有关（图4）。当氧气供应量为120 ml·(g VS)-1时，其pH达到最低，这可能是因为氧气供应量较大时，体系中好氧菌及兼性厌氧菌更加活跃产生更多的有机酸，氧气抑制了甲烷生成菌等厌氧菌的活性造成了有机酸的积累。试验组M1和M2的pH都大于对照组，可能是由于在极微量氧情况下，有机酸被消耗生成甲烷及二氧化碳造成了pH的升高（图4）。

2.2.2 SCOD变化曲线 SCOD是表示体系中物质溶解程度的参数[8]。图5表示厌氧发酵过程中SCOD的变化曲线。从图中可以看出，微好氧处理结束后，AN、M1和M2的SCOD达到最大，然后快速下降。其中当氧气供应量为10 ml·(g VS)-1时，SCOD达到最大，其相对于对照组提高了20%，这表明在微量氧存在的情况下，更多的底物被水解。试验组M3和M4的SCOD值小于对照组，其可能因为在氧气供应过量的情况下，一部分的SCOD在微好氧预处理过程中被好氧菌或兼性厌氧菌直接氧化[19]。

2.2.3 氨氮变化曲线 在厌氧发酵过程中，蛋白质可被转化成铵根离子或者环状化合物（如吡啶类、吡咯类）[20]。溶解的铵根离子会对厌氧发酵过程形成两方面的影响：一方面，适量的铵根离子是厌氧发酵中菌生长的氮源并组成发酵体系的缓冲体系；另一方面，铵根离子是厌氧发酵过程的主要抑制因子[20-21]。图6是厌氧发酵过程中氨氮浓度变化曲线。在微好氧预处理结束后，试验组的氨氮浓度均高于对照组，并且随着氧气供应量提高氨氮浓度也相应提高。这可能是因为在有氧的情况下，更多的蛋白质被转化成铵根离子。随后氨氮浓度轻微下降，这可能是因为体系中厌氧发酵菌的生长消耗了一部分的铵根离子。随着试验的进行，更多的含氮有机物被分解转化，铵根离子的浓度也随之升高，但其始终维持在一个合适的范围之内。

2.3 底物VS降解率、沼气中平均甲烷含量与氧气供应量的关系

图7表示底物VS降解率、沼气中平均甲烷含量与氧气供应量之间变化关系。从图中可以看出，随着氧气供应量的提高，底物的VS降解率随之提高。当氧气供应量最大达到120 ml·(g VS)-1时，底物的VS降解率也达到最大为61.3%，相对于对照组提高了8.3%。底物的VS降解率也是衡量厌氧发酵过程的一个重要参数，高的底物VS 降解率反映了更多的底物在厌氧发酵过程中被降解[1]。这将有利于厌氧发酵工程中，厌氧发酵残留物的减量。当氧气供应量为10 ml·(g VS)-1时，沼气中平均甲烷含量达到最大为51.3%，随着氧气供应量的增加沼气中平均甲烷含量出现降低。当氧气供应量超过40 ml·(g VS)-1时，厌氧发酵初始阶段通氧会降低沼气中的平均甲烷含量，这可能与好氧菌及兼性厌氧菌的增殖，生成更多二氧化碳有关。

3 结 论

厌氧发酵起始阶段通氧可以提高玉米秸秆累计甲烷产量：当玉米秸秆厌氧发酵的初始阶段通氧的负荷量为10 ml·(g VS)-1时，其累计产甲烷量可达到299.8 ml·(g VS)-1，相对于不做处理的对照组，其甲烷产量提高了8.4%；但是当氧气供应量超过40 ml·(g VS)-1时，厌氧发酵起始阶段通氧会降低玉米秸秆厌氧发酵的累计甲烷产量。

厌氧发酵起始阶段通氧可以加快玉米秸秆的水解速度，但过多的氧气供应会延长厌氧发酵的延滞期。

厌氧发酵起始阶段通氧可以提高玉米秸秆的VS降解率，在氧气供应量10～120 ml·(g VS)-1范围内，玉米秸秆VS降解率随氧气供应量的提高而升高。

符 号 说 明

COD——化学需氧量（chemical oxygen demand） SCOD——可溶性化学需氧量（soluble chemical oxygen demand） TS——总固体（total solids） VS——挥发性固体（volatile solids）

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Effect of oxygen supply at initial stage of anaerobic digestion on biogas production from corn straw

FU Shanfei1,2，XUXiaohui1，SHI Xiaoshuang1，ZHAO Yuzhong1,2，WANG Chuanshui1，GUO Rongbo1

（Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess TechnologyChinese Academy of SciencesQingdaoShandongChina；University of Chinese Academy of SciencesBeijingChina

In this study, the effect of oxygen supply at the initial stage of anaerobic digestion on biogas production from corn straw was investigated in batch-tests. Cumulative methane yields were between 256.6 and 299.8 ml·(g VS)-1. Maximum methane yield was obtained at oxygen load of 10 ml·(g VS)-1, which was 8.4% higher than that of the untreated sample. When oxygen loads exceeded 40 ml·(g VS)-1, slightly negative effect on methane yield was observed. The modified first order equation analysis indicated that oxygen supply treatment at the initial stage could accelerate hydrolysis of substrate. However, excessive oxygen supply during treatment might prolong the lag-phase time of anaerobic digestion.In addition, oxygen supply at the initial stage of anaerobic digestion could increase volatile solids degradation of corn straw.

anaerobic digestion; oxygen supply; methane; modified first order equationanalysis; volatile solids degradation

2014-09-24.

Prof.GUO Rongbo, guorb@qibebt.ac.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141447

X 705

A

0438—1157（2015）03—1111—06

国家自然科学基金项目（31101918，21307143）；国家高技术研究发展计划项目（2012AA052103）；国家科技支撑计划课题（2013BAD22B03）；中国科学院重点部署项目（KGCX2-EW-317）；山东省沼气工业化生产与利用工程实验室项目。

2014-09-24收到初稿，2014-11-13收到修改稿。

联系人：郭荣波。第一作者：付善飞（1989—），男，硕士研究生。

supported by the National Natural Science Foundation of China (31101918,21307143), the National High Technology Research and Development Program of China（2012AA052103）, the National Science and Technology Support Program(2013BAD22B03), the Chinese Academy of Sciences Key Deployment Project (KGCX2-EW-317) and the Shandong Industrial Engineering Laboratory of Biogas Production and Utilization.