杂交狼尾草厌氧发酵的物质与能量转化率分析

甄 峰，孙永明，孔晓英，牛红志



杂交狼尾草厌氧发酵的物质与能量转化率分析

甄 峰，孙永明，孔晓英※，牛红志

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640）

为了解厌氧发酵过程中的C、N元素流动状况以及物质和能量的转化利用效率，以杂交狼尾草为原料，采用中温（35±1）℃批式厌氧发酵工艺，研究了杂交狼尾草厌氧发酵制备沼气的产气性能，在此基础上结合物质流分析方法分析了发酵过程中C、N元素的分布情况以及物质与能量的转化率。研究结果表明：C/N 167和25下，杂交狼尾草鲜料的VS（挥发性固体）产气量分别为280.02和242.33 mL/g，其中CH4体积分数分别为59.96%和61.46%；C/N 137和25下，青贮料的VS产气量分别为327.02和295.43 mL/g，其中CH4体积分数分别为58.49%和61.05%；C元素的流向分布：沼气33.1%，发酵液8.0%，发酵渣58.9%；N元素主要流入剩余物中：发酵液69.4%，发酵渣30.7%。杂交狼尾草厌氧发酵制备沼气的物质转化率和能量转化率分别为42.1%和33.1%。该研究为能源草本植物的资源管理和厌氧能源化利用提供了理论依据。

甲烷；发酵；沼气；杂交狼尾草；物质流分析；物质与能量转化率

0 引 言

随着世界经济的快速发展，能源危机不断加剧，化石能源造成的环境污染日益加重，寻找可再生能源植物替代能源的需求将越来越迫切[1-2]。能源草作为第二代能源作物，因其具有光合作用强、生物量产出高、耐酸碱环境、有效能源组分含量高等特点而成为最有应用前景的替代能源原料之一[3-4]，在世界各国的能源发展计划中占据重要部分。中国生物质资源储存量非常丰富，未来10 a内可开发的各类生物质资源总量相当于1.34×108t标准煤[5]。利用边际土地资源种植能源草本植物，不仅有利于改善生态环境，而且对维护粮食安全也具有重要意义。

21世纪以来，中国政府对沼气产业的扶持力度显著增强，在《可再生能源中长期发展规划》中提出了2020年全国沼气年利用量达到4.4×1010m3的发展目标[6]。能源草青贮后通过厌氧发酵制备的沼气，其CH4体积分数可达到70%～80%[7]，微量金属元素的添加对新鲜草和青贮草的厌氧发酵产气性能也有显著影响[8]。能源草单独发酵、混合发酵以及预处理后发酵的产气效果均有报道研究[9-15]。目前能源草厌氧发酵研究主要在厌氧发酵工艺及产气潜力方面，对于沼气制备过程物质和能量的流向分布研究报道偏少，而且缺乏统一的研究方法。生物燃料生产过程必须考虑能源投入产出比，以使原料转化效益最大化，物质利用和能源转化率是影响生物质能源工业化的关键。

杂交狼尾草（hybrid）在目前已研究的能源草本植物中具有最高的生物质量，在生长周期比林木短的情况下，可以提供木本植物2倍以上的生物产量，成本亦没林木的高[16]。北京地区的干物质产量能够达到40.14～48.54 t/hm2，明显高于相同生长环境条件下的柳枝稷、荻和芦竹[17]。以杂交狼尾草为原料，采用批式中温（35±1）℃厌氧发酵工艺（mesophilic anaerobic digestion，MAD），研究不同C/N比例的鲜料和青贮料厌氧发酵的产气性能，应用物质流分析方法建立杂交狼尾草MAD制备沼气过程的物质流分析模型，评价原料的总物质量、C和N元素以及能量的流向分布。

本文采用中温厌氧发酵工艺，研究杂交狼尾草制备沼气过程中的产气特性，并结合物质流分析方法研究厌氧发酵过程中的C、N元素流动状况以及物质和能量的转化利用效率，为能源植物的厌氧转化利用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验原料

试验用杂交狼尾草取自广州市增城区能源草种植基地，刈割后制成鲜料和青贮料2种发酵原料：鲜料切碎至2 cm左右，保存于–20 ℃备用；鲜料切碎至2 cm左右，于室温下青贮60 d，然后保存于–20 ℃作为青贮料备用，试验过程中按需取出，粉碎过筛（20目）作为发酵原料。

鲜料和青贮料的理化性质见表1，工业、元素及物料分析显示原料青贮前后理化性质变化不显著，青贮后N元素和半纤维素的相对含量略有上升。

表1 发酵原料的理化性质

发酵接种物为本实验室长期驯化的中温（35±1）℃厌氧发酵产甲烷菌种(沼液)，pH值7.51、氨氮285 mg/L、TS（总固体）质量分数1.18%、VS/TS为54.39%。C/N调节剂为尿素CO(NH2)2（纯度≥99%）和碳酸氢铵NH4HCO3（纯度≥99%）；NH4HCO3（纯度≥99%）同时作为缓冲剂使用。

1.2 试验装置及操作

试验装置见图1，2 500 mL厌氧反应器，置于(35±1)℃的水浴锅中，侧壁上有2个出口，上出口为取气样口，下出口为取液样口，上部连接集气瓶，集气瓶后连通集液瓶，通过排饱和盐水法测定沼气产量。添加2.5%的NH4HCO3（杂交狼尾草原料总质量计）作为pH值调节剂，调节发酵液初始pH值在7.2以上。充入高纯N2排出反应器顶部的空气。试验期间每天手动搅拌2次。以VS日产气量持续5 d低于1 mL/(g∙d)为结束试验的指标依据，共运行50 d。发酵剩余物称量后过滤，滤渣60 ℃烘干用于沼渣（biogas residue）分析，滤液–20 ℃保存用于沼液（biogas slurry）分析。

图1 厌氧发酵试验装置图

1.3 数据测试与分析方法

TS、VS采用电热鼓风干燥箱、箱式电阻炉，并根据标准方法测定[18]。固体中的C、H、N和S元素含量采用Vario EL cube元素分析仪测定[19]；液体中的总碳（total carbon，TC）、总无机碳（total inorganic carbon，TIC）和总氮（total nitrogen，TN）采用Vario TOC分析仪测定；纤维素（cellulose，CL）、半纤维素（hemicellulose，HCL）和木质素（lignin，LG）测定参考美国可再生能源实验室标准测定方法（NREL，LAP）[20-21]。热值（calorific value，CV）由量热仪C2000（德国IKA@公司）测定。

沼气中CH4、CO2和N2等气体含量由岛津GC2014型高效气相色谱测定，TCD检测器，Porapak Q色谱柱，载气为Ar，柱箱50 ℃，检测器120 ℃，保留时间5 min。标准气体N25%、CH460%、CO235%。

分析原料中总物质量和C、N元素以及能量在整个系统中的流向分布。物质流分析方法参见《Practical Handbook of Material Flow Analysis》[22]，物质流分析系统模型应用Stan2.5软件建立，数据应用IAL-IMPL2013算法优化[23]，物质流分析结果应用e!Sankey软件绘图呈现。

1.4 试验设计

发酵原料分为鲜料和青贮料2类，C/N分未调节和人为调节2种，反应器容积2 500 mL，共包括4组试验：鲜料未调节C/N（鲜料C/N=167），鲜料调节C/N（鲜料C/N=25），青贮料未调节C/N（青贮C/N=137）和青贮料调节C/N（青贮C/N=25）。每组试验设置2个平行。VSadded负荷为3.0%（包括原料、CO(NH2)2和NH4HCO3的VS），接种物的体积为1 900 mL，其他参数具体试验设计见表2。

表2 试验反应物配比表

注：CO(NH2)2调节C/N；NH4HCO3调节发酵液的pH值。

Note: CO(NH2)2regulates C/N; NH4HCO3regulates pH value of fermentation broth.

2 结果与分析

2.1 厌氧发酵系统的性能分析

厌氧发酵前后TS、VS、纤维素、半纤维素、木质素、C和N元素的去除率情况见表3。厌氧发酵过程中，纤维素和半纤维素的降解是厌氧消化的限速步骤，而降解速率是影响厌氧消化过程生物质转化效率的重要因素[24-25]。发酵系统中VS去除率在51.68%～57.56%之间，C元素的去除率在16.90%～34.11%之间，纤维素的去除率在36.51%～56.78%之间，半纤维素的去除率在34.12%～47.69%之间。

沼气和CH4的制备状况分别见图2和表4。鲜料（C/N=167）和青贮料（C/N=137）厌氧发酵的VS累积产气量分别为280.02和327.02 mL/g，VS日产气量最大值分别为19.59和42.12 mL/(g∙d)，沼气中CH4体积分数分别为59.96%和58.49%，相比鲜料，青贮料的沼气及CH4的VS累积产气量分别提高了16.78%和13.92%。鲜料（C/N=25）和青贮料（C/N=25）厌氧发酵的VS累积产气量分别为242.33和295.43 mL/g，最大VS日产气量分别为24.33和37.18 mL/(g∙d)，沼气中CH4体积分数分别为61.46%和61.05%，相比鲜料，青贮料的沼气及CH4的VS累积产量分别提高了21.91%和21.10%。青贮过程能够预降解VS，原料厌氧发酵的产气效果得到明显提升。

表3 发酵前后不同物质的去除率

图2 LAB-2 500 mL反应器厌氧发酵产气情况

表4 杂交狼尾草制备沼气的产气结果

注：BP，沼气产量；MDBP，沼气的最大日产气量；MP，甲烷产量；MDMP，最大日产甲烷量；MP/BP，沼气中甲烷体积分数。

Note: BP, biogas production; MDBP, max daily biogas production; MP, methane production; MDMP, max daily methane production; MP/BP, methane content in biogas.

在C/N调节对厌氧系统的影响效果方面，对比以上数据，鲜料（C/N=167）的沼气及CH4的VS累积产量较鲜料（C/N=25）分别高出15.55%和12.74%；青贮（C/N=137）的沼气及CH4的VS累积产量较青贮（C/N=25）分别高出10.69%和6.05%。本试验过程C/N调节不但没有提高杂交狼尾草的产气率，反而有所降低，原因可能是木质纤维素等不易被厌氧微生物代谢利用的碳源物质中的C元素，参与到C/N计算中，导致评估物料厌氧发酵特性的C/N结果出现偏差，而以此为依据进行人为调节，就会加入过量N源，甚至使NH4-N浓度进入抑制厌氧系统的范围[26-28]。

2.2 物质流分析

2.2.1 沼气制备过程的物质流分析模型

以杂交狼尾草青贮料（C/N=137）在LAB-2 500 mL反应器中的发酵过程作为模型，建立开放型的物质流分析系统（MFA System），如图3所示，系统空间边界（system space boundary）包含粉碎混合和厌氧发酵2个过程（process），系统时间边界（system time boundary）选定为一个发酵试验周期（cycle，cy），系统涉及8条物质流（flow）。系统输入有4条物质流（goods flow）：原料、C/N调节剂、pH值调节剂和发酵接种物作为输入流（import flow）；系统输出有3条物质流：沼气、发酵液和发酵渣作为输出流（export flow）；系统内部有一条物质流：混合原料即作为粉碎混合过程的流出流（output flow），又作为厌氧发酵过程的流入流（input flow）。根据建立的物质流分析模型，对能源草厌氧发酵制备沼气过程的物质和能量流动分布进行分析[29]。

2.2.2 沼气制备过程的物质流动分析

能源草厌氧发酵过程的物质流动分析对象包括系统内的总物质及C、N元素流。青贮原料（C/N=137）的物质流动分析数据表见表5。数据输入建立的物质流分析模型（见图3）中，经过95%置信优化[30]计算得到物质流分析结果见图4。接种物和发酵剩余物的密度（liquid）近似为1.05 g/mL，沼气的密度（biogas）按气体成分CH461.1%和CO238.9%推算为1.21 g/L。

注：Import: ∑ Import为总输入流；Export: ∑ Export为总输出流；dStock:DStock为存量流：总输入流与总输出流之差；I，输入；E，输出；F1-F8，物质流1-8。

Note: Import: ∑ Import is total import flow; Export: ∑ Export is total export flow; dStock:DStock is stock flow: the difference between the total import flow and the total export flow: I, Import; E, Export; F1-F8, Flow 1-8.

图3 杂交狼尾草批式中温厌氧发酵制备沼气物质流分析模型

Fig.3 MFA model of energy grass producing biogas by mesophilic anaerobic digestion

表5 能源草厌氧发酵过程的物质流动分析数据表

注：cy，发酵试验周期；C(N)含量= TC(TN)/liquid；biogas= TVbiogas×biogas, C含量=c/m/biogas，m=22.4 L·mol-1，C=12 g·mol-1，沼气的N元素含量忽略；元素流量=总物质流量×元素含量。

Note: cy, cycle; C(N) content= TC(TN)/liquid;biogas= TVbiogas×biogas, C content=c/(m·biogas),m=22.4 L·mol-1,C= 12 g·mol-1, Biogas N element content ignored; Element flow = total material flow × element content.

能源草厌氧发酵制备沼气过程的物质流动分析结果：1）原料约42.1%物质降解转化为沼气。2）原料中C元素有33.1%以CH4和CO2的形式流入沼气，其余流入发酵剩余物中：发酵液8.0%，发酵渣58.9%。3）原料中N元素主要流入剩余物中：发酵液69.4%，发酵渣30.7%。能源草原料厌氧发酵制备沼气的物质转化率较低，原料中超过60%的C和80%的N仍停留在发酵剩余物中，如何合理利用这部分资源是进一步提高能源草沼气工程资源利用效率和经济效益的重要手段。

2.3 沼气制备过程的能量流动分析

本研究的物质流分析是基于试验数据得出，考虑到电能和热能统计存在较大误差，因此系统的能量流动分析仅以各物质蕴含的化学能为依据，单位物质能量以物质干基热值计算。能源草厌氧发酵制备沼气的能量流动分析数据见表6，接种物和发酵液中的液体部分能量不计，并假设固体部分热值相同且等于沼渣的热值，数据输入物质流分析模型，经95%优化计算得能量流分析结果见图5。

图4 能源草批式中温厌氧发酵过程的物质流动分析结果

表6 能源草厌氧发酵过程的能量流动分析

注：假设接种物和发酵液的总固体热值与沼渣相同；能量含量为TS的热值；能量流量=总物质流量×TS×能量含量。

Note: Assume that the total solid calorific value of the inoculum and the fermentation broth is the same as that of the biogas residue; The energy content is the calorific value of TS; Energy flow = Total material flow × TS × Energy content.

能量流动分析结果显示：能源草原料中的能量有33.1%进入沼气中，原料61.3%能量保留在发酵渣中。可见，杂交狼尾草中温厌氧发酵制备沼气过程中，需要注意发酵渣中能量的二次转化利用，提高资源的能量转化率。

图5 能源草批式中温厌氧发酵过程的能量流动分析结果

3 结 论

本研究基于杂交狼尾草的厌氧发酵试验，通过对转化过程的物质流和能量流分析，得到以下结论：

1）厌氧发酵前后有机物（VS）的去除率在51.68%～57.56%之间，去除的成分主要是纤维素和半纤维素。因此，规模化发展能源草生物燃气工程时，应选择能源草中纤维素和半纤维素含量相对较高的生长阶段进行刈割；同时，对沼渣中难降解有机物如木质素进行高值化利用，以提升能源草生物燃气工程的综合效益；

2）杂交狼尾草鲜料（C/N=167）和青贮料（C/N=137）厌氧发酵的VS累积产气量分别为280.02和327.02 mL/g，青贮过程可预降解VS，从而提高原料的累积产气量，但对沼气中CH4的含量影响不大。厌氧发酵体系的C/N调至25，VS累积产气量有所下降，原因可能是木质纤维素等不易被厌氧微生物代谢利用的碳源物质中的C元素，参与到C/N计算中，导致评估物料厌氧发酵特性的C/N结果出现偏差，而以此为依据进行人为调节，就会加入过量N源，甚至使NH4-N浓度进入抑制厌氧系统的范围；

3）对转化过程的物质流分析结果为：原料约42.1%物质降解转化为沼气；C元素的流向分布：沼气33.1%，发酵液8.0%，发酵渣58.9%；N元素主要流入剩余物中：发酵液69.4%，发酵渣30.7%；能量有33.1%进入沼气中，61.3%保留在发酵渣中。能源草厌氧发酵制备沼气的物质转化率偏低，原料中超过60%C、80% N的资源以及60%的能源仍留在剩余物中，进一步合理开发利用发酵液中的N和发酵渣中的C，是进一步提高能源草沼气工程资源利用效率和经济效益的重要手段。

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Material and energy conversion efficiency of anaerobic fermentation process ofhybrid for biogas

Zhen Feng, Sun Yongming, Kong Xiaoying※, Niu Hongzhi

(1.510640,;2.510640,;3.510640,)

Energy grass, as the second generation of new energy crop, has a bright development prospect. Hybridpenisetum was selected as the raw material. Silage is a well-developed technology, which can preserve the nutrient component to a large extent. Ensiling is a process in which water-solution carbohydrates (WSC) are converted into lactic acid by lactic acid bacteria (LAB) in anaerobic condition. We investigated the physicochemical characteristics of silage grass raw material, and explored the biogas production performances by laboratory batch anaerobic digestion at mesophilic temperature (35±1)℃. The results showed that the biogas production of silage grass with the C/N ratios of 137 and 25 (adjusted by urea and ammonium bicarbonate) was 327.02 and 295.43 mL/g respectively, and the corresponding methane content (volume fraction) was 58.49% and 61.05%, while the biogas production of untreated energy grass was 280.02 and 242.33 mL/g, and the methane was 59.96% and 61.46%, respectively. The volatile solid (VS) removal rate of substrate was in the range of 51.68%-57.56%, and it mainly attributed to the degradation of cellulose and hemicellulose. Therefore, the energy grass with high cellulose and hemicellulose content should be selected as the feedstock in the development of energy grass biogas project. In addition, lignin, and organic matter difficult to degrade should be used to enhance the comprehensive benefits of energy grass biogas project. We also established an open material flow analysis system by the anaerobic digestion of silage grass in the LAB-2 500 mL reactor and analyzed the distribution of carbon and nitrogen elements in different material throughout all the digestion process. According to the material flow analysis of silage grass in the anaerobic digestion process, 33.1% and 8% carbon in the raw material entered into the biogas and fermentation broth, respectively, and the other was still in the raw material. The distribution of nitrogen was that 69.4% was in the fermentation broth, and 30.7% was still in the raw material. Moreover, according to the energy flow analysis of silage grass in the anaerobic digestion process, the energy yield of 33.1% entered into the biogas, while the energy yield of 61.3% was still unused in the raw material. The mass conversion rate of energy biomass was low, 60% carbon, 80% nitrogen and 60% energy were still in the digestion residue. Therefore, the use of carbon and nitrogen elements in the energy grass biomass was greatly important in the anaerobic digestion process, and it can be beneficial to improve the efficiency of energy grass biogas project in the future. This study provides a reference for the development and utilization of different energy grasses.

methane; fermentation; biogas;; material flow analysis; material and energy conversion efficiency

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.031

TK6

A

1002-6819(2017)-19-0236-06

2017-05-03

2017-09-04

国家科技支撑计划（2015BAD21B03）；中国科学院技术服务网络计划（KFJ-Ew-STS-138）；广东省科技计划项目（2015B020215011）；广州市科技计划项目（201508020098）；中国科学院可再生能源重点实验室项目（Y707j21001）

甄 峰，男，山东德州人，工程师，主要从事生物质生化转化研究。Email：zhenfeng@ms.giec.ac.cn

※通信作者：孔晓英，女，四川人，研究员，博士，博士生导师，主要从事生物质能源化利用研究。Email：kongxy@ms.giec.ac.cn