典型农业废弃物干式厌氧发酵产氢影响因素的研究*

贾 璇 吴雅楠 赵强强 郝 艳 李鸣晓#

(1.北京工商大学中国轻工业清洁生产和资源综合利用重点实验室，北京 100048；2.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012)

据原农业部2016年统计，我国农业废弃物年产量近40亿t，解决农业废弃物带来的农业面源污染问题迫在眉睫[1]。氢气是清洁绿色能源，其能量密度高，是汽油能量密度的3倍，热效率比常规化石燃料高30%～60%，且氢气可和天然气输送系统共用，降低输送成本[2]。传统的化石燃料制氢、电解水制氢工艺能耗高、不可持续，厌氧发酵制氢因其反应条件温和、不受光照限制、可利用范围广、运行成本低等特点成为国内外研究热点。

厌氧发酵依据总固体(TS)含量可分为湿式和干式厌氧发酵，干式厌氧发酵是指TS高于20%(质量分数)的厌氧发酵工艺。与湿式厌氧发酵相比，干式厌氧发酵具有节水、低耗、易管理、二次污染小等优点[3]。截至2010年底，欧盟17个国家拥有超过200家生物质产甲烷工厂，总处理能力600万t，其中干式厌氧发酵工艺处理能力占60%[4]。国外干式厌氧发酵工艺多用于农业废弃物的能源化处理，比较典型的有干式多级厌氧消化工艺、德国的车库型干发酵工艺等[5]。但高固体浓度条件下，微生物和底物之间传质不利、有机酸积累导致的反馈抑制作用是造成干式厌氧发酵底物利用效率低、工艺稳定运行难的关键[6]。pH和温度是影响干式厌氧发酵产氢的重要指标。pH影响发酵微生物的正常生理活动，对中间代谢产物产生重要的影响[7]。温度通过影响微生物酶活性调节微生物的生长速率和微生物对基质的代谢速率，从而影响厌氧发酵产气量、有机物去除率、反应器处理负荷等[8]。目前，厌氧发酵制氢主要以湿式厌氧发酵为主，以农业废弃物为研究对象，采用干式厌氧发酵制氢，研究环境因子对产氢潜力、产氢发酵类型和代谢产物的影响还鲜有报道。本研究选取秸秆、畜禽粪便、生活垃圾等典型农业废弃物，开展干式厌氧发酵制氢的研究，通过产氢动力学、代谢产物变化规律的研究，解析温度、初始pH等环境因素对产氢潜力和产氢代谢途径的影响，以期获得最佳干式厌氧发酵产氢运行参数，为农业废弃物的高效能源化利用、缓解农村面源污染提供技术支撑。

1 实验部分

1.1 实验材料

农业废弃物(猪粪、鸡粪、秸秆、餐饮垃圾和厨余垃圾)取自北京顺义，手工分拣去除大块杂物，破碎至小于5 mm。接种污泥取自某猪粪厌氧发酵罐排出的沼渣，去除大块杂质，置于4 ℃冰箱保存备用。猪粪、鸡粪、餐饮垃圾、厨余垃圾和接种污泥以6 000 r/min的速度离心10 min，去除上清液后农业废弃物和接种污泥的基本理化指标见表1。

1.2 实验设计

实验采用500 mL的发酵瓶，取接种污泥50 g(按湿质量计)，农业废弃物和接种污泥按照VS比为1∶1混合进行干式厌氧发酵。采用2 mol/L的HCl和2 mol/L的NaOH进行初始pH的调节，分别调节到5.0、6.0和7.0。向发酵瓶中充入高纯度氮气10 min排出空气，分别在中温((35±1) ℃)和高温((55±1) ℃)下进行干式厌氧发酵，每组运行周期为7 d，同时做平行实验。

1.3 分析方法

C、N、H采用TruSpec CN型元素分析仪分析；TS和VS根据《饲料中水分和其他挥发性物质含量的测定》(GB/T 6435—2006)测定；pH采用Mettler Toledo型固体pH计测量；氨氮根据《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)测定；溶解性化学需氧量(SCOD)采用5B-3(C)型COD快速分析仪测定；累积产气量通过排水集气法测量;气体成分和代谢产物分析采用GC-7900型气相色谱仪测定。

气体成分分析的色谱条件：采用填充柱，热导检测器(TCD)，分析柱1为2 m hayesep Q，分析柱2为3 m 5A分子筛。柱温80 ℃，进样口温度150 ℃，检测器温度150 ℃，电流50 mV，载气为高纯氮气，进样量1 mL。以峰面积定量，校正归一法计算气体体积分数。

乙醇和挥发性脂肪酸(VFA)分析的色谱条件：采用毛细管柱，氢火焰检测器(FID)，进样口温度150 ℃，检测器温度150 ℃，采用程序升温(色谱柱初始温度85 ℃，保持7 min后以20 ℃/min升至150 ℃)，进样量1 μL。

1.4 计算方法

利用Gompertz模型(见式(1))[9]模拟累积产氢量(H，mL)，通过统计学方差分析检验参数显著性。

(1)

式中：P为最大产氢潜力，mL；R为最大产氢速率，mL/h；λ为启动时间，h；t为厌氧发酵总时间，h。

2 结果与讨论

2.1 温度和初始pH对干式厌氧发酵产氢的影响

所有实验组在前48 h累积产气量增加量明显，其后随日产气量的降低，累积产气量趋于平缓，氢气浓度呈现先增大后减小的趋势。

当初始pH为5.0时，除秸秆干式厌氧发酵进行12 h时氢气浓度达到最大外，其余中温组和高温组的氢气浓度均在24 h时达到最大值，其中餐饮垃圾最高，中温组和高温组氢气体积分数最大值分别为46.91%和68.62%。中温组和高温组餐饮垃圾干式厌氧发酵的累积产气量较低，分别为250、180 mL，可能是由于pH较低，抑制产氢菌活性造成[10]。秸秆累积产气量最高，但氢气体积分数仅为14.18%。

表1 农业废弃物和接种污泥的基本理化指标

注：1)以质量分数计。

当初始pH为6.0时，中温组和高温组餐饮垃圾的累积产气量均最高，分别为890、830 mL，其次是秸秆，分别为480、580 mL。中温组和高温组秸秆的氢气体积分数均在12 h达到最大，分别为65.54%、50.05%，其次是餐饮垃圾，分别为39.54%、42.02%。

当初始pH为7.0时，中温组和高温组餐饮垃圾的累积产气量和氢气体积分数均最大。其中，中温组餐饮垃圾的累积产气量和氢气体积分数最大值分别为510 mL和64.61%，高温组餐饮垃圾的累积产气量和氢气体积分数最大值分别为720 mL和69.46%。

餐饮垃圾富含淀粉、脂肪、纤维素及蛋白质等易腐有机物，通过微生物吸附降解为可溶于水的小分子有机化合物，成为厌氧发酵的理想发酵底物[11]。相同温度和初始pH条件下，餐饮垃圾均有较高的累积产气量和氢气体积分数最大值，中温、pH为6.0时累积产气量最高为890 mL，中温、pH为7.0时氢气体积分数最大值为64.61%。秸秆在中温、pH为6.0时干式厌氧发酵产气效果优于餐饮垃圾，氢气体积分数最大值为65.54%。

2.2 干式厌氧发酵产氢动力学分析

Gompertz模拟累积产氢量如图1和图2所示。当初始pH为5.0时，中温组的餐饮垃圾产氢效果最佳，最大累积产氢量为31.46 mL，最大产氢速率为0.71 mL/h；高温组的鸡粪产氢效果最佳，最大累积产氢量为83.86 mL，最大产氢速率为7.12 mL/h。当初始pH为6.0时，中温组的秸秆产氢效果最佳，最大累积产氢量为254.41 mL，最大产氢速率为24.50 mL/h，其次为餐饮垃圾，最大累积产氢量为229.02 mL，最大产氢速率为3.04 mL/h；高温组的秸秆产氢效果最佳，最大累积产氢量为197.06 mL，最大产氢速率为18.39 mL/h。当初始pH为7.0时，中温组的餐饮垃圾产氢效果最佳，最大累积产氢量为261.96 mL，最大产氢速率为15.18 mL/h；高温组的餐饮垃圾产氢效果最佳，最大累积产氢量为253.08 mL，最大产氢速率为12.39 mL/h。

图1 中温组Gompertz模拟累积产氢量Fig.1 The Gompertz modelling for accumulative hydrogen production in mesophilic temperature group

图2 高温组Gompertz模拟累积产氢量Fig.2 The Gompertz modelling for accumulative hydrogen production in thermophilic temperature group

2.3 温度和初始pH对干式厌氧发酵过程pH和氨氮的影响

氨氮积累是影响厌氧发酵过程稳定性的重要因素之一。当初始pH为5.0时，中温组和高温组除鸡粪外发酵过程的pH均呈现先升后降、然后趋于平缓的趋势。由于接种污泥pH较高，产甲烷菌活性高[12]，所以干式厌氧发酵初期pH先略微上升。随反应的进行，小分子有机物进一步转化为VFA、氢气和CO2等，VFA和溶于水的CO2使体系的pH下降并趋于平缓[13]。

中温组和高温组鸡粪的pH整体呈波动式上升趋势，在发酵结束后，鸡粪pH整体上升2左右。厌氧发酵最适宜的C/N为20～30。由表1可看出，鸡粪C/N为8.48，远低于厌氧发酵最适宜的C/N，属于高有机氮废弃物[14]。由于鸡粪有机氮浓度高，易降解为氨氮，所以氨氮累积量一直最大，不适合单独作为产氢原料[15]。秸秆的pH整体呈现下降的趋势，当初始pH为5.0、6.0和7.0时，随反应的进行，中温组最低pH分别降至4.2、4.7和5.1，高温组分别降至4.4、5.0和5.1。湿式厌氧发酵，秸秆易漂浮在发酵液上层，形成结壳，影响产气效果[16]。干式厌氧发酵，秸秆与微生物可充分接触，但由于秸秆含固率高，体系传质、传热不均，导致VFA局部积累，降低体系pH[17]。

反应过程中氨氮浓度先上升后趋于平缓，这与以往研究结果类似[18]。氨氮浓度的上升是起初厌氧微生物活性高，代谢产生的氨氮物质不断增加，随反应进行，可供微生物利用的有机物不断减少，微生物增殖达到稳定[19]，氨氮浓度趋于稳定。

2.4 温度和初始pH对干式厌氧发酵产氢途径的影响

发酵底物中大分子有机物主要有糖、脂肪、蛋白质，它们通过水解酸化过程转化为VFA和乙醇等物质。厌氧发酵产氢途径根据末端产物组成分为乙醇型、丙酸型和丁酸型发酵。不同材料末端VFA质量浓度如图3和图4所示。5种农业废弃物干式厌氧发酵的产氢代谢途径均是丁酸型发酵为主的混合型发酵，其中餐饮垃圾和秸秆发酵末端VFA浓度显著高于其他材料。当初始pH为5.0时，中温组和高温组餐饮垃圾末端VFA质量浓度分别为276.30、322.20 mg/L，其中乙酸和丁酸之和分别占VFA的80.38%和86.06%。除乙酸外，丁酸在剩余酸中占主体地位，决定了餐饮垃圾在初始pH为5.0的条件下，干式厌氧发酵的产氢途径以丁酸型发酵为主。当初始pH为6.0时，中温组和高温组餐饮垃圾末端VFA质量浓度分别为421.20、511.00 mg/L，其中中温组的乙酸和丁酸之和占VFA的64.27%，餐饮垃圾仍然以丁酸型发酵为主；高温组末端VFA的异丁酸和异戊酸浓度远高于其他组，分别为151.20、108.10 mg/L，异丁酸浓度的增加可能是一部分丁酸异体构在微生物的作用下转化所致[20]，而异戊酸浓度较高可能是由于体系中pH迅速下降，抑制了微生物活性，影响了异戊酸向乙酸的转化[21]。当初始pH为7.0时，中温组餐饮垃圾和高温组秸秆也存在异戊酸浓度升高的情况。

图3 中温组不同材料末端VFA质量浓度Fig.3 The VFA concentrations of different materials in mesophilic temperature group

图4 高温组不同材料末端VFA质量浓度Fig.4 The VFA concentrations of different materials in thermophilic temperature group

3 结 论

(1) 以餐饮垃圾、秸秆为材料进行干式厌氧发酵产氢效果显著优于畜禽粪便，其中鸡粪由于氨氮积累，产氢效果不佳。当中温、初始pH为7.0时，餐饮垃圾产氢效果最佳，最大累积产氢量为261.96 mL，最大产氢速率为15.18 mL/h，氢气体积分数最大值为64.61%；当中温、初始pH为6.0时，秸秆产氢效果最好，最大累积产氢量为254.41 mL，最大产氢速率为24.50 mL/h，氢气体积分数最大值为65.54%。

(2) 5种农业废弃物干式厌氧发酵的产氢代谢途径均是丁酸型发酵为主的混合型发酵。