基于青贮玉米秸秆的固态厌氧发酵机理分析

李 涛，王虹雅

（山西省科技资源与大型仪器开放共享中心，山西 太原 030006）

1 研究背景

我国是工农业大国，也是人口大国，各类农作物生产量和消耗量巨大，由此产生较多的秸秆等废弃物量，秸秆焚烧不仅污染环境而且浪费资源。同时，传统化石能源引发的环境污染问题层出不穷，而资源短缺等问题也一定程度上削弱了我国在国际中的竞争力。当前我国经济社会发展进入新时代，守牢粮食安全、能源安全红线底线任务依然艰巨，完善产业体系建设，降低对传统能源的依赖，防止出现新的环境问题。多维度发展可再生能源已经成为我国能源经济转型的一个重要方向。因此，为助力碳达峰碳中和目标的实现，减少垃圾填埋的容量、进行资源循环利用，都对以发酵为核心的废弃物处理技术提出了新的要求。

厌氧发酵是一种生物转化过程，主要利用微生物在缺氧或无氧环境中的代谢来分解有机质，进而产出沼气（体积分数为40%～70%的甲烷和30%～60%的二氧化碳及少量氢气、硫化氢、氨气等）[1]，其中甲烷经过后续提纯、净化，可直接并入管网实现家庭、工农业能源消费[2]，二氧化碳也能用于制氢和合成淀粉等过程[3-4]，实现资源的最大化利用。

固态厌氧发酵相较传统液态发酵，存在设计精巧、有机负荷较高、处理量大、沼渣性能优良便于后续处理等优势，对于玉米秸秆这类木质纤维素类废弃物来说，固态厌氧发酵可解决液态发酵体系中原料上浮、分层、需水量大等问题[5-6]。但固态厌氧发酵也有其局限性，如体系内可能存在发酵死区、局部过度酸化、原料与发酵液接触不均匀等问题，进而导致整个厌氧发酵周期过长、期间产气不稳定、运行效率降低等问题，同时，由于体系本身存在多变性和非均相性，原料的地域性质差异、固液相间的传质性能及发酵工艺的选择等均会对发酵过程产生较大影响[7-8]。

本文选择青贮玉米秸秆为原料，结论适用于大部分木质纤维素类固体废弃物，以批式固态厌氧发酵作为研究方法，通过对比分析一定工艺条件下的发酵性能，结合数学模型和分子生物学手段，揭示此类废弃物降解机制和微生物作用机理，为固态厌氧发酵体系提供从宏观到微观的认识，从而为工艺优化提供理论基础和技术支持。

2 实验设计与仪器设备

具体实验过程为：采用传统车库式固态厌氧发酵工艺，选取单相箱式固态发酵反应系统，原料经预处理后置于反应器（容积约45 L）进行中温（37 ℃）发酵，水力停留时间28 d，渗滤液经底部流出后从顶部进行回流喷淋，回流流量约为4 L/min，喷淋方式设为3 组。①组前2 周每次喷淋6 min，间隔6 h，第3周每次喷淋3 min，间隔也为6 h，最后1 周无喷淋，记为（6，3，0）；②组采取（4，2，0）；③组采取（2，1，0）。原料为青贮玉米秸秆，经机械粉碎后粒径2～3 mm、长度5 cm，总固含率（TS）30.14±0.45%，总挥发固含率（VS）为27.43±0.37%。接种液取自污水处理厂，并在37 ℃的恒温培养箱中充分驯化，TS 的取值为1.70±0.10%，VS 为0.60±0.08%，在实验开始前先用接种液浸泡原料2 h，加速发酵的启动。表1 为所用实验仪器设备与软件。

表1 所用实验仪器设备与软件

3 结果分析

3.1 甲烷产量

图1 为甲烷产量。由图1 可知，①组甲烷产量达到80.85 L（196.5 mL/g VS），②组和③组甲烷产量分别达到76.42 L（186.5 mL/g VS）和53.04 L（128.9 mL/g VS），且主要集中于前2 周，后2 周合计占总产气量约10%。

图1 甲烷产量

①组和②组甲烷产量远大于③组，说明③组的喷淋量不足，固液两相未能充分接触，产气潜力未能充分释放，沼渣中还未回收利用的资源较多。①组和②组甲烷产量接近，①组比②组高约5%，但能耗高了约50%，考虑到能效比，因此，在工业实践中显然②组更符合生产要求。

3.2 液相组成及性质分析

分析各组液相数据可知，3 组在反应前期均有较大的VFA 积累，图2 为液相组成分析。

图2 液相组成分析

由图2 可知，在第2 天和第7 天VFA 质量浓度有逆势上涨，说明此时水解产酸速率大于产甲烷速率，体系中可能存在过度酸化或酸抑制现象。第2 周中后期直至反应末，VFA 质量浓度降至1000 mg/L 以下，此时水解产酸速率约等于产甲烷速率，且速率都有所降低，推测体系内可供产甲烷菌利用的有机物质较少，产甲烷动力不足或滋生其他杂菌，产生多种副反应。液相组成及质量浓度差别不大，3 组液相主要质量浓度均大致如图2（b）所示，主要为乙酸（50%左右）、丙酸（20%左右）、正丁酸（15%左右）、异丁酸、戊酸等，在整个反应过程中，以其为营养物质的产甲烷菌代谢旺盛，消耗大量VFA 使其质量浓度持续下降。

3.3 动力学参数分析

在诸多厌氧发酵数学模型中，理论模型、统计模型、经验模型三大类被研究人员广泛认可[9]。本文选取与实验条件最为接近的扩散分布模型（理论模型的1 种），选择kh（水解速率）、ks（产乙酸速率）、ρmax（乙酸最大利用率）、kd（微生物细胞团衰败系数）为4 个关键参数，χ2为拟合精度，拟合结果见表2。

表2 拟合结果

由表2 可知，kh和ks拟合偏差相对较大，说明反应器内的环境复杂多变，随着反应过程的进行，水解速率和产乙酸速率变化较大，体系内不同菌种竞争激烈，各种代谢产物不断积累，对厌氧发酵过程产生不同的影响。

ρmax和kd拟合度相对较好，表明体系内利用乙酸生产甲烷的过程较为稳定，微生物细胞团衰败系数与喷淋量呈负相关，随着喷淋量和可利用有机物质的减少微生物细胞团衰败速度加快，乙酸利用率整体小于产乙酸速率，说明工艺条件还有优化空间。

3.4 微生物代谢分析

厌氧发酵过程由各类微生物共同代谢调控，微生物种群结构变化是影响发酵性能的关键[10-11]，对体系内不同时间节点的微生物组成情况进行全面分析，可以深化发酵过程中微生物作用的认识，为优化各种工艺参数提供参考和支持。

3 组反应器中每隔1 周取1 次样，进行微生物DNA测序，分析样品中各类菌种演变情况。

分析样品OTU 表可以得出，在整个反应过程中，甲烷杆菌和甲烷八叠球菌含量最多，不同之处在于甲烷八叠球菌随着反应的进行呈减少态势，而甲烷杆菌随着反应的进行先增加后减少。据此可推测，甲烷八叠球菌主要为酸营养型，利用液相中的有机物质代谢合成甲烷，随着时间的推移，液相有机物质含量不断减少、各种代谢产物不断积累，其菌落规模不断萎缩，但依然是产甲烷的主力菌种；甲烷杆菌主要为H2/CO2营养型，随着反应的进行，体系内CO2含量不断增加，甲烷杆菌得以大量增殖，成为另一产甲烷主力菌种，但在第4 周不喷淋后，产气量大大减少、固液相物质交换几乎停止，其菌落规模骤减，说明其对环境变化的敏感性更强。其余菌种推测主要为H2/CO2营养型，与甲烷杆菌变化趋势类似，其中深古菌在环境恶化后其菌落规模仍保持稳定，没有大幅衰败，说明其抵抗外界环境变化的能力更强。

通过样品OTU 表还可以得到各自sobs 指数、simpson 指数以及shannon 指数，分别用来反映群落丰富度、群落均匀度和群落多样性。各组sobs 指数均为第2 周最大、第4 周最小，与前述结论一致；simpson 指数均在0.20～0.25 之间，表明在多次喷淋回流下，液相性质较为稳定，菌落均匀度变化较小；shannon 指数前3 周相近，第4 周上升幅度明显，表明此时群落多样性明显增大，有可能滋生多种与产甲烷无关的杂菌，对反应产生一定程度负面影响。

4 结束语

对玉米秸秆类原料进行固态厌氧发酵过程中，不同种类的产甲烷细菌共同作用能使固液两相性质稳定在适宜发酵进行范围内，但是，如果一些条件（如反应温度、进料负荷、原料C/N、渗滤液培养、回流喷淋量等）控制不好，可能出现体系酸化、产甲烷动力不足、副反应增多等问题，严重影响产甲烷菌的正常代谢，甚至使发酵中断。因此，要合理把握原料固含率、喷淋量、喷淋间隔等工艺条件，在得到较高产能的同时尽量降低能耗、缩减反应时间，同时对体系内性质进行实时监测、及时修正，保证各类产甲烷菌活性，抑制杂菌生长和副产物产生，最大限度提高生产效能，助力循环经济和绿色低碳发展。

本文以青贮玉米秸秆为原料，在实验室环境下对部分工艺条件及分析方法进行研究论述，存在一定局限性。在后续研究及工业放大中，还需对不同类型固废原料和多条件耦合效应进行深入探讨，同时综合其他分子生物学分析方法，如物种组成分析、群落差异分析、预测分析等，更详细深入地认识不同反应阶段不同菌种的变化情况，为各阶段反应机理和体系变化提供更为精准全面的宏观、微观解释。此外，对反应后沼渣的性质分析和处理也是一大研究课题，需要在反应设计与研究过程中统筹谋划。