玉米秸秆厌氧消化水解动力学*

王清静，王加雷，何 伟，李 东，冯鸿燕，闫志英，廖银章，刘晓风†

（1. 中国科学院成都生物研究所，成都 610041；2. 成都中科能源环保有限公司，成都 610041； 3. 都市高科（北京）环境科技有限公司成都分公司，成都 610041；4. 中国科学院大学，北京 100049）

玉米秸秆厌氧消化水解动力学*

王清静1,4，王加雷2，何 伟3，李 东1，冯鸿燕1,4，闫志英1，廖银章1，刘晓风1†

（1. 中国科学院成都生物研究所，成都 610041；2. 成都中科能源环保有限公司，成都 610041； 3. 都市高科（北京）环境科技有限公司成都分公司，成都 610041；4. 中国科学院大学，北京 100049）

为解决原料预处理存在的不足，探究新的强化水解工艺，以新鲜和风干的玉米秸秆为原料，采用批式中温（35℃）厌氧发酵实验和有机物水解三种动力学模型研究秸秆厌氧消化水解规律。结果表明，水解动力学模型不能完全反映秸秆整个厌氧消化过程水解规律，秸秆水解速率存在明显的分段差异，新鲜和风干的玉米秸秆水解速率分别在2.75 d和4 d出现“拐点”。通过拟合效果最好的球形颗粒模型求得鲜秸秆的分段水解速率常数分别为0.1004 d−1和0.0188 d−1，干秸秆的分段水解速率常数为0.05658 d−1和0.02124 d−1。研究结果为玉米秸秆的强化水解工艺提供了参考依据。

玉米秸秆；厌氧消化；水解；动力学模型

0 引 言

我国是农业大国，农作物秸秆产量大、分布广、种类多，长期以来一直是农民生活和农业发展的宝贵资源。据调查统计，2010年全国秸秆理论资源量为8.4亿t，可收集资源量约为7亿t。其中，玉米秸杆约2.73亿t，稻草约2.11亿t，麦秸约1.54亿t[1]。农作物秸秆作为一种重要的富含有机质的生物质原料，可以通过厌氧消化产沼气技术来实现资源化利用[2]。但是，由于秸秆本身比重小、碳氮比高、木质纤维素含量高且存在蜡质层，导致其难于降解[3]。此外，厌氧消化过程中多种微生物的协同作用形成了复杂的微生物菌群结构，仅通过实验很难准确探知整个秸秆厌氧消化反应过程[4]。因此，数学模型在农作物秸秆厌氧消化过程研究中的引入对明确整个厌氧反应过程有重要的意义。

目前应用于有机物水解的动力学模型有很多，其中一级模型是应用于复杂有机物水解的最简单模型，它假设可利用基质是限制因素，水解速率与未水解的有机物浓度成正比，该模型用于模拟颗粒性有机物的水解效果较好[5]。刘国涛等[6]通过在传统一级动力学模型中引入有机颗粒表面积，推倒并建立了修正的一级模型，证实了球形颗粒模型更能反映有机垃圾的厌氧消化过程。Valentini等[7]通过米氏方程建立了一种用于不同底物浓度下纤维素颗粒降解动力学的通用模型，为研究颗粒有机质的厌氧消化动力学提供了一种新的方法。吴云等[8]对餐厨垃圾水解机理建立了分段动力学模型，并引入扩散阻力系数将分段模型合并为统一经验动力学模型，能够对餐厨垃圾水解趋势进行预测。Rotter等[9]通过建立纤维素降解动力学模型，阐释了纤维素粒径大小和生物量的多寡对纤维素降解速率的影响。Zhou等[10]通过修正的ADM1模型作为工具来模拟不同有机负荷下牛粪和青贮秸秆等原料的厌氧消化效率，通过预测其产气量和气体成分来证实该模型的适用性，对农业沼气工程的操作运行有一定的指导作用。Biernacki等[11]应用ADM1模型描述了以牧草、玉米、青贮野草和工业甘油为基质的厌氧消化过程，拟合其厌氧消化过程中的累积产气量，并通过Nelder-Mead法[12]对其分解和水解过程中的四种动力学常数进行优化，证实了该模型在确定了基质参数和改变动力学常数后可以用于以农业和工业原料为基质的沼气工程。

在秸秆厌氧发酵前通常需进行预处理，其目的是除去或破坏纤维素、半纤维素与木质素之间复杂的组成结构，例如降低聚合度、增加孔隙度、减小结晶度和表面积等，从而使水解速率和得糖效率得到改善，进而提高产气速率，缩短反应时间[13]。但是，在化学预处理过程中添加的化学试剂容易造成二次污染，导致在发酵过程中产生酸化或抑制等不利因素；生物预处理时间长，碳损失严重[14]。此外，在秸秆预处理过程中，势必造成部分易水解和降解的糖类及半纤维素的损失，并可能产生糠醛、脂肪酸和芳香族化合物等发酵抑制物，从而造成秸秆原料在厌氧消化过程中利用效率的降低。本文针对厌氧消化过程中秸秆预处理存在的不足，为避免和减少糖类和部分半纤维素的损失及抑制性作用物的产生，通过引入修正的厌氧消化一级水解动力学模型，分析了新鲜和风干的玉米秸秆厌氧消化过程中底物降解规律，通过考察底物中挥发性固体有机物浓度的变化规律，寻找秸秆强化水解时间点，探究秸秆新的强化水解工艺，为秸秆厌氧消化预处理提供新思路。

1 材料和方法

1.1 原料和接种物特性

试验所用新鲜和风干的玉米秸杆均取自四川省成都市双流县，经粗粉碎后（粒径10 mm左右）置于4℃冰箱中保存备用。接种物来自实验室正常厌氧发酵的污泥，采用秸秆和猪粪进行逐步驯化，待驯化至产气高峰时用孔径1 mm的滤网过滤，取滤液作为接种物。原料和接种物特性见表1。

表1 原料和接种物特性Table 1 Characteristics of materials and inoculum

1.2 试验装置与操作条件

秸秆批式厌氧消化试验装置如图1。发酵装置为250 mL锥形瓶，反应温度为35℃，设计原料TS浓度为30.0 g/L。用新鲜秸秆作为发酵原料时，加入鲜秸秆30.0 g和接种物170.0 g；用干玉米秸秆作为发酵原料时，加入干秸秆6.5 g和接种物193.5 g。各试验均设置22个平行，反应开始前充入高纯氮气排出反应器顶部空气。试验期间每天手动搅拌2次，分别于发酵的第0、1、2、3、4、5、7、10、12、15、18和20 d时各取2个产气情况相似的反应瓶，将瓶内所有发酵原料全部取出，测定其总固体（TS）、挥发性固体（VS）浓度，并测定其pH值的变化。

图1 批式厌氧消化试验装置Fig. 1 Laboratory set-up for batch anaerobic digestion

1.3 分析方法

pH值采用雷磁pHS-3C型pH计测定；TS和VS的测定分别采用标准的烘干法和煅烧法测定[15]。

1.4 水解动力学模型 用于研究玉米秸秆厌氧消化过程的水解动力学模型是在传统一级水解动力学模型中引入水解有机颗粒表面积，参照已建立起来的片状颗粒、圆柱形颗粒和球形颗粒水解模型[6]。

1.4.1 片状颗粒模型

其中，s为t时刻未溶解颗粒的挥发性有机物浓度，g/L；t为时间，d；k为单位面积有机颗粒总的水解常数，d−1；

1.4.2 圆柱形颗粒模型

其中，s0为初始颗粒的挥发性有机物浓度，g/L。

1.4.3 球形颗粒模型

1.5 数据处理

实验数据模型拟合采用Curve Expert 1.4；数据作图采用Origin 8.0。

2 结果与分析

新鲜和风干的玉米秸秆底物水解结果分别见表2和表3。经过20 d的厌氧消化试验，底物中总固体浓度和挥发性固体有机物浓度均有很大程度降低，鲜秸秆的TS和VS降解率分别达到68.76%和42.34%，干秸秆TS和VS降解率分别为67.67%和40.12%。

发酵水解液pH值变化如图2所示，在水解初期两种底物都出现了轻微的酸化，但是随着水解的进行，产酸过程得到缓解，水解液的pH值又出现了回升，最终达到稳定。其中，干玉米秸秆水解液的pH维持在7.0～7.6，鲜玉米秸秆水解液的pH维持在6.8～7.6之间，均在厌氧消化反应正常pH值范围以内。

表2 新鲜玉米秸秆底物水解结果Table 2 Results of fresh corn stalk hydrolysis process

表3 干玉米秸秆底物水解结果Table 3 Results of dry corn stalk hydrolysis process

图2 秸秆水解液pH值变化Fig. 2 The pH value of hydrolysate of corn stalk

2.1 新鲜玉米秸秆水解常数求解

根据鲜玉米杆底物VS浓度随时间的变化，分别应用片状、圆柱形和球形颗粒有机物水解动力学模型对鲜秸秆的水解过程进行了拟合，拟合结果如图3。通过三种模型求得鲜秸秆的水解速率常数分别为0.024 4 d−1（R2=0.837 2）、0.027 9 d−1（R2=0.854 1）和0.029 25 d−1（R2=0.859 6），其中，球形颗粒模型拟合效果相对较好。

鲜玉米秸秆中不同类型物质的水解难易程度与速率差异较大，可溶性单糖和低聚糖以及部分易水解的半纤维素水解速率较快，纤维素和部分较难水解半纤维素水解速率慢，而木质素几乎不水解。从图3可以看出，在厌氧消化水解前期，鲜玉米秸秆中的大量可溶性糖和部分纤维素快速水解，底物的VS浓度迅速降低，水解速率快；此后再进行纤维素等较难水解有机物的水解，以及难降解有机质的累积，底物VS浓度降低速率变慢，底物的水解速率也相应降低。其整个过程的水解速率存在初期快、后期慢的分段差异，导致三种动力学模型均不能完全反映鲜玉米秸秆底物的全段水解规律。

图3 鲜秸秆中有机物模型预测值与实测值Fig. 3 Measured and predicted organic concentrations in fresh corn stalk

根据鲜玉米秸秆VS浓度降低的速率前期快、后期慢的规律，其整个厌氧消化过程的水解速率存在差异，可根据其水解速率的快慢，将整个水解过程视为分段水解（分别称作一段和二段水解）过程，再分别应用三种水解动力学模型对各分段水解情况进行模型的分段拟合，拟合结果见图4和图5，从图中可以看出，三种动力学模型均能有效拟合鲜秸秆的分段水解情况，其中球形颗粒水解动力学模型拟合效果最佳。通过三种水解动力学的拟合结果求得各段水解速率常数见表4，可以看出，在球形颗粒模型拟合下，第一段水解速率常数为0.100 4 d−1（R2=0.979 9），明显比第二段的0.018 8 d−1（R2=0.988 7）高，即第一段水解速率明显比第二段快。

图4 鲜秸秆第一段水解图Fig. 4 The first period of fresh corn stalk hydrolysis

图5 鲜玉米秸秆第二段水解图Fig. 5 The second period of fresh corn stalk hydrolysis

表4 鲜秸秆分段水解速率常数Table 4 Graded hydrolysis constant of fresh corn stalk

将两段水解速率拟合曲线进行整合，如图6，通过分段拟合，三种动力学模型对鲜秸秆的整个水解过程均能很好拟合，且两段水解曲线在厌氧消化的第2.75 d出现了明显的“拐点”。在前2.75 d，底物VS浓度降低速率快，水解速率快，有机物水解速率常数大。2.75 d后VS浓度降低趋势减缓，水解速率变慢，水解速率常数小。由表2可以得出，在前2.75 d，底物中挥发性有机物降解率为23.99%，达到整个水解过程挥发性有机物降解率的56.67%。在2.75 d后，原料中的大量易水解有机质已完全水解，逐级开始较难水解的部分半纤维素和纤维素类物质的水解，而木质素等难降解有机质则不断累积，导致了水解速率变慢。因此，可将此“拐点”对应的时间点作为鲜秸秆的强化水解时间点，以此为依据进一步对发酵固形物进行强化水解，促进难水解和难降解有机质的进一步水解，提高秸秆的利用效率。

图6 强化水解时间求解Fig. 6 Estimation the time of intensified hydrolysis

2.2 干玉米秸秆水解常数求解

根据干玉米杆VS浓度随时间的变化，分别应用三种水解动力学模型对干玉米秸秆的水解过程进行拟合，见图7，求得三种水解动力学模型的水解速率常数分别为0.024 2 d−1（R2=0.906 6）、0.027 6 d−1（R2=0.922 5）和0.028 8 d−1（R2=0.927 6），其中球形颗粒模型的拟合效果较好。从图7可以看出，干秸秆的底物水解过程与鲜秸秆出现相似规律。在水解前期由于部分可水解糖类和部分半纤维素的快速水解，秸秆底物VS浓度迅速降低，此后较难降解的半纤维素和纤维素开始降解，底物VS浓度降低的速率变慢，其水解速率降低。其整个厌氧消化水解过程也存在着分段差异，因而，三种水解动力学模型不能很好地反映干秸秆底物全段水解规律。根据干秸秆底物VS浓度出现的厌氧消化前期速率快而后期速率慢的规律，可将其整个水解过程进行分段研究。通过三种水解动力学模型对干秸秆水解过程进行分段拟合，拟合结果见图8和图9，求得干秸秆各段水解速率常数见表5。可以看出，三种动力学模型均能较好拟合分段水解情况，其中，球形颗粒模型的拟合效果最佳。在球形颗粒模型拟合下，第一段水解速率快，常数达0.056 58 d−1（R2=0.966 1）；第二段水解速率变慢，常数维持在0.021 24 d−1（R2=0.994 6）。

图7 干秸秆中有机物模型预测值与实测值Fig. 7 Measured and predicted organic concentrations in dry corn stalk

图8 干秸秆第一段水解图Fig. 8 The first period of dry corn stalk hydrolysis

图9 干玉米秸秆第二段水解图Fig. 9 The second period of dry corn stalk hydrolysis

表5 干秸秆分段水解速率常数Table 5 Graded hydrolysis constant of dry corn stalk

将两段水解曲线进行整合，结果见图10，可以看出，通过分段拟合，三种动力学模型对干秸秆的整个水解过程也能很好地拟合，两段拟合水解速率曲线在第4 d时出现了“拐点”。在厌氧消化前4 d，底物VS浓度降低速率快，水解速率常数大；4 d以后，底物VS浓度降低速率变缓，水解速率变慢。而通过表3可以求出，在前4 d底物中挥发性有机物降解率为19.71%，达到整个水解过程挥发性有机物降解率的49.13%。因此，也可将此“拐点”对应的时间点作为干秸秆的强化水解时间点，以此为依据进一步对发酵固形物进行强化水解，促进难水解和难降解有机质的进一步水解，提高秸秆的利用效率。

图10 强化水解时间求解Fig. 10 Estimation the time of intensified hydrolysis

3 结 论

有机物水解的三种动力学模型均不能很好地反映两种玉米秸秆全段水解规律，但对其分段水解情况可以很好地拟合，其中球状颗粒模型的拟合效果最佳。通过三种模型求得的秸秆水解速率常数可以看出，鲜秸秆的水解速率较干秸秆快，而出现“拐点”的时间明显缩短，说明鲜玉米秸秆较干秸秆更容易降解。新鲜和风干的玉米秸秆的水解速率分别在发酵的第2.75 d和4 d出现了“拐点”。

为避免秸秆中易水解有机物在生物预处理过程中的损失或易水解有机物（如糖类）在化学预处理过程中转变为厌氧消化抑制物（如糠醛），同时促进较难水解有机物的降解，提高秸秆的产气效率，可尝试对水解“拐点”后的发酵固形物进行强化水解。目前，该研究工作正在进行中。

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Kinetics of Substrate Hydrolysis for Anaerobic Digestion of Corn Stalk

WANG Qing-jing1,4,WANG Jia-lei2,HE Wei3,LI Dong1,FENG Hong-yan1,2, YAN Zhi-ying1,LIAO Yin-zhang1,LIU Xiao-feng1
(1. Chengdu Institute of Biology,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610041,China； 2. Chengdu Zhongke Energy & Environmental Protection CO. LTD,Chengdu 610041,China；3. Dushigaoke (Beijing) environment& science and technology CO.,LTD,Chengdu 610041,China；4. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100041,China)

In order to explore a new process of intensified hydrolysis to solve the shortage of pretreatment. Fresh and dry corn stalk were used for batch anaerobic fermentation to study their hydrolysis characteristics with hydrolysis kinetic models under mesophilic conditions (35oC). The results demonstrated that hydrolysis kinetic models can’t effectively reveal the whole process of corn stalk,because of the disparity of hydrolysis rates in the process. There were two obvious inflection point on 2.75 d and 4 d of fresh and dry corn stalk in the hydrolysis process,respectively. The hydrolysis rate constant of fresh corn stalk was fast as much as 0.1004 d−1before 2.75 d,and reduced to 0.0188 d−1after that；the hydrolysis rate constant of dry corn stalk was 0.05658 d−1and 0.02124 d−1,respectively. It would be a theory basis for theoretical reference intensified hydrolysis technology of corn stalk.

corn stalk；anaerobic digestion；hydrolysis；kinetic model

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.01.001

2095-560X（2015）01-0001-06

王清静（1989-），男，硕士研究生，主要从事生物质能和环境工程研究。

2014-12-12

2015-01-06

国家自然科学基金−青年科学基金项目（21106145）；中国科学院重点部署项目（KGZD-EW-304-1）

† 通信作者：刘晓风，E-mail：liuxf@cib.ac.cn

刘晓风（1964-），男，研究员，主要从事生物燃气、城市有机垃圾和农业废弃物生物处理等方面的理论与应用研究。