单相与两相厌氧发酵处理马铃薯渣性能研究

杨丽英， 刘伟东， 王红梅， 边喜龙， 刘 芳， 孙彩玉

(1.黑龙江建筑职业技术学院， 哈尔滨 150025； 2.黑龙江科技大学环境与化工学院， 哈尔滨 150022)

2014年，我国马铃薯种植面积达到5570千公顷，马铃薯产量9500多万吨，种植面积和产量均占世界的四分之一左右。马铃薯应用于淀粉加工后的主要副产物为马铃薯渣，统计显示，平均每生产1 t淀粉，需消耗约6.5 t马铃薯，并排放约20 t废水和5 t的薯渣[1]。随着淀粉年加工能力的不断提高，由马铃薯渣引起的环境污染越来越严重。目前，马铃薯渣主要用于功能成分提取和发酵产品生产，如生产高蛋白饲料、制备膳食纤维及提取果胶等，但在综合利用过程中可能存在毒素富集、工业二次污染等问题[2]。马铃薯渣主要成分包含淀粉、氨基酸、多肽、半纤维素等，易于被厌氧微生物利用产生生物能源气体(如甲烷)[3]。有研究已证明废弃物马铃薯渣作为厌氧发酵系统底物进行甲烷回收的可行性。Parawira[4]等曾以马铃薯渣作为厌氧发酵底物，并在TS 40%的条件下获得甲烷最大产量为320 mL·g-1。杨安逸[5]等发现在TS 3%，pH值7.0和接种量10%的优化培养条件下，对马铃薯渣进行厌氧发酵可获得最大甲烷产量为382.2 mL·g-1。付博锐[6]曾以马铃薯渣为原料建立沼气发酵体系，在TS 3%的条件下获得最高甲烷产量为213.1 mL·g-1。

但以上研究均在单相厌氧发酵系统中完成。众所周知，厌氧发酵过程包括水解阶段、产氢产酸阶段、同型产乙酸阶段和产甲烷阶段4个过程。在传统的单相厌氧发酵中，上述4个过程涉及的不同菌群均在同一系统中完成代谢过程，其生长环境的差异性会导致不同菌群之间的相互抑制[7-9]。两相厌氧发酵是指通过控制动力学参数实现产酸相和产甲烷相的有效分离，在产酸相发生水解和产氢产酸过程，在产甲烷相发生同型产乙酸和产甲烷过程，并优化各自的运行参数使不同的菌群处于最佳的代谢状态[10]。两相厌氧发酵可实现氢气和甲烷的同步回收并提高能源回收效率。该概念被提出后备受研究者关注，目前两相厌氧发酵在固体废弃物中的应用主要集中在厨余垃圾[11]、农作物秸秆[12]、酒糟[13]及市政污泥[14]等，而有关马铃薯渣作为两相厌氧发酵系统底物的相关研究却甚少。据我们所知，仅xie[3]等曾以活性污泥作为接种物，证明马铃薯渣作为两相厌氧产氢产甲烷系统底物的可行性。

本研究旨在通过建立两相厌氧系统对马铃薯渣进行发酵处理，考察F/M比对系统产氢产甲烷性能的影响，并与单相厌氧系统运行性能进行对比。

1 材料和方法

1.1 接种物

厌氧发酵接种物取自当地制糖厂废水处理站UASB反应器污泥。污泥经筛分去除粒径>0.5 mm的悬浮物并用清水冲洗两次。对于产氢相，筛分后的污泥在90℃下高温蒸煮30 min以抑制产甲烷菌群，处理后的污泥接种至发酵装置。对于产甲烷相，筛分后的污泥直接接种至发酵装置。接种污泥的性质参数可见表1。

1.2 发酵底物

厌氧发酵底物采用马铃薯渣，取自黑龙江省某薯业集团。马铃薯渣均粒除杂后贮藏于4℃储物柜，以防止发霉变质。马铃薯使用前用清水稀释至所需的质量浓度(以VS计)。马铃薯渣的理化性质如表1所示。

1.3 实验设计

两相厌氧发酵装置采用螺旋盖玻璃瓶，单瓶总容积为800 mL，有效容积为500 mL(发酵底物为375 mL，接种物为125 mL)。每个玻璃瓶接种物接种量(按VS计)为4.5 g。发酵底物按VS浓度在18 gVS·L-1～90 gVS·L-1之间调节，以保持系统F/M比为2，4，6，8和10。产氢相系统起始pH值用NaOH溶液调节至6.5，当产氢相发酵终止后，发酵残留物pH值调节至7.0后转移至产甲烷相。所有玻璃瓶充氮气10 min排出空气密封后，置于恒温培养箱中在35℃下以150 rpm振荡培养。为进行对比，在同样的F/M系列下设置单相厌氧发酵装置在同样的条件下进行培养。每个处理3次重复。产气量、气体组分、pH值、挥发性有机酸等参数每4～6 h取样检测一次。

1.4 分析方法

TS，VS，COD，TN，碱度及pH值指标通过国家标准方法[15]进行测定。产气量采用LML-1型湿式气体流量计进行测定。氢气、甲烷和二氧化碳含量采用SC-II型气相色谱进行测定，配置热电导检测器，并采用氮气作为载体(40 mL·min-1)。柱温和检测室的温度分别为150℃和90℃。

挥发性有机酸采用HT-SP502型气相色谱进行测定，配置氢火焰离子检测器，并采用氮气作为载体(30 mL·min-1)。柱温和检测室的温度分别为190℃和220℃。

1.5 动力学方程

本研究采用修正的Compertz方程对产氢产甲烷过程进行拟合：

式中：H(t)为t时刻的累积氢气/甲烷产量，mL；P为产气潜能，mL；Rm为最大气体产率，mL·h-1；λ为延滞期，d。

比产氢/甲烷速率采用如下公式计算：

式中：Y为比产氢/甲烷速率，mL·g-1VSremoved；VSremoved为去除的VS总量，g。

2 结果与讨论

2.1 两相厌氧发酵系统运行性能

图1为产氢相累积氢气产量随时间的变化情况。在整个运行过程，在生物气中未检测到甲烷存在，这表明系统无产甲烷代谢活动。从图1可以看出，在不同的F/M下，产氢相产氢延滞期大约为8 h，并在45 h达到氢气产量峰值。当F/M由2提高到8时，系统最大累积氢气产量逐步增加，同时产氢潜能、氢气产率和比产氢速率具有类似的变化趋势(见表2)。这表明F/M对系统产氢性能有明显的影响。当F/M为8时，最大产氢潜能、氢气产率和比产氢速率分别为384.2±11.6 mL，18.9±2.2 mL·h-1和56.7±2.2 mL·g-1VSremoved，氢气含量在48%～51%之间。当F/M进一步提高到10时，由于过高的底物负荷和挥发性有机酸的积累(系统pH值下降到3.8)严重抑制产氢微生物的代谢活性，从而导致系统氢潜能、氢气产率和比产氢速率分别大幅度下降至162.9±7.4 mL，8.1±0.4 mL·h-1和40.7±6.5 mL·g-1VSremoved，系统应避免在高F/M条件下运行。本研究最佳F/M与其他研究结果接近，Nathao[16]等曾以厨余垃圾作为两相厌氧系统发酵底物进行同步产氢产甲烷实验研究，得到最优的F/M为7.5。

图1 产氢相累积氢气产量随时间的变化

图2 产氢相各挥发性有机酸浓度随时间的变化

图2为产氢相各挥发性有机酸浓度随时间的变化情况。从图中可以看出，挥发性有机酸组分主要包括乙酸、乙醇、丁酸和丙酸等。在F/M为2～8的范围内，乙醇和乙酸是主要的代谢产物(含量约占总挥发性有机酸的81.6%～86.9%)，这表明系统主要代谢发酵类型为乙醇型发酵(2C6H12O6+ 3H2O→3CH3CH2OH + 6CO2+ 6H2)。任南琪[17]等曾证明除丁酸型发酵外，乙醇型发酵亦为厌氧产氢发酵过程中重要的代谢途径。当F/M为10时，挥发性有机酸中丙酸浓度大幅度增加到16.4±1.1 mmol·L-1，这表明系统主要发酵类型由乙醇型发酵转变为丙酸型发酵。以前的研究证明[18]，在丙酸的生成过程中会消耗氢气，厌氧生物产氢系统应减少丙酸的生成。

图3 产甲烷相累积甲烷产量随时间的变化

图4 产甲烷相出水各挥发性有机酸浓度随时间的变化

图3为产甲烷相累积甲烷产量随时间的变化情况。从图中可以看出，在不同的F/M下，产甲烷相产甲烷延滞期大约为12 h，并在97 h达到甲烷产量峰值。F/M对产甲烷潜能、甲烷产率和产甲烷比率的影响与产氢相相似。当F/M为8时，系统产甲烷潜能、甲烷产率和产甲烷比率均达到最大值，分别为391.2±12.8 mL，7.8±1.2 mL·h-1和102.1±12.6 mL·g-1VSremoved，甲烷含量在57%～63%之间。此时，两相厌氧系统最大能量回收效率为5.5×10-3kW·h，此结果高于Nathao et al的研究结果。从表2可以看出，实验数据与Compertz方程模拟得到的数据基本相同，这表明Compertz方程能较好的反映厌氧发酵实际情况，拟合程度R2>0.99，也说明该模型在于本研究的可行性。在F/M为10时，系统产甲烷潜能、甲烷产率和产甲烷比率分别下降至142.5±7.8 mL，5.4±0.6 mL·h-1和38.9±4.3 mL·g-1VSremoved，产甲烷活动最弱，主要原因为： 1)大量的挥发性有机酸积累影响产甲烷菌群胞外多聚物的含量与组成，并抑制产甲烷活性； 2)在各挥发酸中，丙酸作为产甲烷菌的发酵底物最难被转化降解，其浓度的大幅度增加会影响菌群的代谢活动。这表明产氢相出水中的挥发性有机酸的浓度及组分会影响产甲烷菌群的代谢活性。图4为产甲烷相出水各挥发性有机酸浓度随时间的变化情况。可以看出，经产甲烷菌群发代谢后，挥发性有机酸大部分被降解，最终出水挥发性有机酸浓度低于7.9 mmol·L-1。在F/M=8运行条件下，乙酸、乙醇、丁酸和丙酸的降解率分别为94.6%，92.4%，78.9%和15%。

表3为不同底物进行两相厌氧发酵产氢产甲烷性能对比。从表中可以看出，本研究以马铃薯渣作为两相厌氧发酵底物得到的最大能量回收效率为5.5×10-3kW·h，分别高于以厨余垃圾、玉米秸秆、市政污泥为底物获得的能量回收效率，但低于以酒糟为底物得到的能量回收效率。Chen[13]等曾以酒糟为两相厌氧发酵底物进行产氢产甲烷性能研究，可获得最大产氢比率和产甲烷比率分别为126.0 mL·g-1VSremoved和101.6 mL·g-1VSremoved，同时得到的最大能量回收效率为7.6×10-3kW·h。但其实验使用的酒糟预先经N-甲基氧化吗啉酶促水解处理，可生物降解性被大大提高，而本研究使用的马铃薯渣未经任何物理化学预处理，仍呈现出较高的能量回收潜能。因此，以马铃薯渣为底物进行两相厌氧发酵同步产氢产甲烷具有一定的可行性及竞争力。

表2 不同F/M两相厌氧系统与单相厌氧系运行性能

表3 不同两相厌氧发酵系统产氢产甲烷性能比较

2.2 单相厌氧发酵系统运行性能

图5为单相厌氧系统累积甲烷产量随时间的变化情况。从图中可以看出，在不同的F/M下，系统产甲烷延滞期大约为12 h，并在97 h达到最大峰值。产甲烷潜能、甲烷产率和比产甲烷速率变化趋势与两相厌氧系统的相似，并在F/M为8的运行条件下达到最大值，分别为302.3±12.8 mL，7.4±1.2 mL·h-1和91.7±9.0 mL·g-1VSremoved，上述各指标均低于两相厌氧系统产甲烷相获得的相应指标的运行数据，这表明产氢相系统出水中的挥发性有机酸更易于被产甲烷菌群利用并进行产甲代谢活动。当F/M为10时，由于系统内部过度酸化而导致启动失败。在F/M为2～8的范围内，经厌氧发酵后，系统出水中各挥发性有机酸浓度较低(见图6)，但稍高于两相厌氧系统产甲烷相出水有机酸浓度。经计算，单相厌氧系统最大能量回收效率为3.8×10-3kW·h，低于两相厌氧系统能量回收效率约44.7%，这表明产氢相在提高整个系统底物降解及能源回收方面起着至关重要的作用，产酸相和产甲烷相的有效分离更利于系统调控，从而为不同微生物提供更为适宜的生存环境以防止微生物之间相互干扰及因代谢产物不均衡而造成的抑制作用。对于高浓度、难降解等有机底物，产氢相可起到水解预处理作用并为后续产甲烷菌群提供更适宜的生存条件。本实验通过对比两相厌氧系统与单相厌氧系统运行性能可以发现，两相厌氧系统在同步回收氢气和甲烷的同时，具有更高的能量回收效率。

图5 单相厌氧系统累积甲烷产量随时间的变化

图6 单相厌氧系统出水各挥发性有机酸浓度随时间的变化

3 结论

(1)以马铃薯渣作为底物，通过建立两相厌氧发酵系统可实现“氢-甲烷”同步回收。F/M对厌氧发酵系统运行性能具有明显的影响，在F/M为8时，可得到最大能量回收效率为5.5×10-3kW·h。与单相厌氧发酵系统相比，两相厌氧发酵系统可有效提高能量回收。

(2)在F/M为8下，两相厌氧系统产氢相最大产氢潜能、氢产率及比产氢效率分别为384.2±11.6 mL，18.9±2.2 mL·h-1和56.7±2.2 mL·g-1VSremoved。同时，产甲烷获得最大产甲烷潜能、甲烷产率、比产甲烷效率，分别为391.2±12.8 mL，7.8±1.2 mL·h-1和102.1±12.6 mL·g-1VSremoved。