CaO预处理青稞秆厌氧暗发酵实验设计与暗发酵性能分析

＊袁海荣 李秀金 左晓宇

（北京化工大学 化学化工学院 北京 100029）

随着我国经济地快速发展和生活水平的不断提高，我国有机固体废物的产生量也呈逐年上升趋势。2021年，我国城市生活垃圾的产生量为2.49亿吨，农作物秸秆超过8亿吨[1]。如何使这些有机固体废物得到资源化和能源化利用，对改善我国生态环境和调整能源结构都具有非常重要的指导意义。厌氧消化技术是《固体废物处理与资源化》课程中处理有机废物最有效的处理技术之一，也是我国实现“双碳目标”的重要技术途径[2]。

厌氧消化是一个复杂的生物化学过程，涉及的理论和影响因素有很多[3]，导致学生理解起来非常困难。为了巩固基础理论知识，在理论教学之后针对本科生安排了相关的科学小实验—厌氧消化实验。以往的厌氧消化实验是将有机固体废物转化成沼气，这一过程持续时间30～40d，对于课业比较繁重的大三学生来说，这个实验周期过长，不利于学生快速巩固所学专业知识。

因此，将传统的厌氧消化产沼气实验设计成厌氧暗发酵产氢产酸性能实验，将30～40d的厌氧消化周期缩短至7～10d，这可大大缩短实验周期，学生可在两周内完成实验，具体实验设计及数据分析如下。

1.实验设计

实验前，先提前准备好实验原料和接种物，以及所用实验耗材等。

(1)实验原料

实验采用青稞秆作为原料，取自西藏拉萨达孜县，风干后用闸刀剪切至3～5cm的片段，再使用粉碎机粉碎至20目干燥保存备用。接种物为牛粪，取自北京金银岛牧场。青稞秆和接种物的基本性质如表1所示。

表1 原料基本性质

(2)实验装置

暗发酵试验装置主要由恒温水箱、100mL的封口瓶、500mL和1000mL的蓝盖瓶、橡胶塞和水槽组成。首先指导学生按照图1所示的样子连接好实验装置，各部分之间由玻璃泡和乳胶管连接。其中100mL的封口瓶和500mL蓝盖瓶作为暗发酵实验的反应器，1000mL蓝盖瓶和水槽连接作为500mL蓝盖瓶排水集气装置。实验前进行气密性检验，将厌氧消化反应器置于35℃±1℃的恒温水浴反应器中进行中温厌氧消化。

图1 暗发酵实验装置示意图

(3)实验操作过程

首先对青稞秆进行预处理，根据前期研究结果[4]，对青稞秆进行沼液和CaO联合预处理48h。并让学生明确预处理秸秆的目的、意义及操作方法。CaO的添加量为青稞秆总固体含量（TS）的0%（空白对照组）、2%、4%、6%和8%（表2），然后加入牛粪的液体部分调节预处理系统的含固率至30%，放入35℃恒温箱预处理48h。将20g TS预处理后的青稞秆放入500mL的蓝盖瓶中，然后按照物料:接种物5:1（挥发性固体含量，VS）的接种比加入接种物（牛粪的固体部分），最后再添加相应质量的去离子水将系统含固率调至10%，同时设置只添加沼液和接种物组用来去除背景值，每组设置三平行。对青稞秆暗发酵过程中每日气体含量和产气量、pH和总挥发性脂肪酸（TVFA）浓度进行测定，实验结束后测定出料氨氮和碱度等性质。通过这些指标来评价青稞秆暗发酵过程中的产气性能、产酸性能和系统稳定性。暗发酵实验时间定为7d。

表2 CaO添加量实验设计表

(4)分析方法

用排水集气法记录每天所产气体的量，并用气相色谱仪（岛津GC-2014）测量气体含量。样品的TS和VS采用国标法进行测定。碱度和氨氮含量分别采用溴甲酚绿-甲基红指示剂滴定和HI83206高精度试验室多参数测定仪进行测定。pH值、TVFA和分别采用pH计、气相色谱仪（岛津GC-2014）进行测定。采用Excel 2019软件进行统计分析和图表绘制。

2.暗发酵性能分析

评价暗发酵性能的指标包括产酸性能、产气性能和系统稳定性等方面。对暗发酵性能分析目的是让学生掌握实验数据处理方法及数据分析方法，学会画图表的同时，学会对图表数据进行描述和对实验现象进行分析。

(1)产酸性能

青稞秆暗发酵过程中TVFA浓度变化如图2所示。在暗发酵过程中，不同实验组TVFA浓度呈现先上升后下降的趋势，所有实验组中的最大TVFA浓度均出现在第6～7d见图2（a）。添加CaO后TVFA浓度比对照组均有所提高。6% CaO预处理组在暗发酵第6d获得最高的TVFA浓度，其值为18241mg/L，比对照组提高了56.1%。由挥发性脂肪酸（VFA）中各组分占TVFA的百分比可以判断出青稞秆的暗发酵类型[5]。由图2（b）可以看出，所有实验组都是乙酸占比最高，可达41.2%～95.4%。6% CaO预处理组在整个暗发酵过程中丁酸和乙酸占TVFA的75.6%～86.9%，因此，丁酸型发酵占据主导地位，而对照组和2% CaO预处理组中丙酸占比较高。可见添加适量的CaO可以促使青稞秆发酵类型向丁酸型发酵转变。研究发现乙酸和丁酸更容易被产甲烷菌利用[6]，所以这一发酵类型的转变对后续产甲烷阶段提高甲烷产量具有促进作用。

图2 TVFA浓度变化

(2)产气性能

为了使学生掌握暗发酵产气性能的分析方法，先对产气性能图进行总体趋势的描述，然后再进行产气性能对比。如图3所示，在青稞秆暗发酵过程中，不同实验组日产气高峰主要集中在前2d见图3（a），其中2% CaO和4% CaO预处理组日产气高峰出现在第1d，出峰时间比其它实验组提前了1d。2% CaO、4% CaO和6% CaO预处理组最高日产气峰值相近，分别为18.5 mL/gVS、19.9mL/gVS和18.1mL/gVS，比对照组日产气峰值高出72%～89.5%。在整个暗发酵阶段，不同实验组的累积产气量主要集中在前3d见图3（b），从第4d开始累积产气量增加不明显。6% CaO预处理组累积产气量最高，为35.9mL/gVS，分别比其它实验组高出了18.9%～54.1%。从H2含量来看，最大H2含量出现在第1～3d见图3（c），为5.4%～11.2%。和累积产气量变化趋势相似，累积产氢量主要集中在前2d见图3（d）。最大累积产氢量出现在4% CaO预处理组，分别比2% CaO、6% CaO、8% CaO和对照组累积产氢量提高了23.8%、116.7%、188.9%和225.0%。

图3 预处理后青稞秆产气性能

(3)系统稳定性

pH值、氨氮和碱度是评价厌氧发酵系统稳定性的主要参数。由图4的pH变化趋势可知，添加不同剂量的CaO对青稞秆预处理后，不同实验组的pH值在前2d变化非常明显，从8.76～11.2快速降到6.18～6.90，从第3d开始，pH值维持在5.72～6.03。由于产氢最佳的pH范围是5.5～5.7[7]，而本实验中暗发酵系统的pH均不在最佳产氢pH范围，所以，虽然添加CaO预处理后累积产氢量比对照组有明显提高，但总体来说累积产氢量还有较大提高空间。暗发酵结束后不同实验组的氨氮和碱度如表3所示，不同实验组的氨氮浓度为309～437mg/L，远低于氨氮的抑制范围4000mg/L[8]，这说明暗发酵系统没有受到氨氮的抑制。同时，不同实验组的碱度为5750～9417mg/L，经不同添加量CaO预处理后的暗发酵系统的碱度均高于对照组，这说明CaO预处理青稞秆有利于提高暗发酵系统的缓冲能力，从而提高系统的稳定性。

图4 不同实验组暗发酵过程中pH变化

表3 不同实验组出料的氨氮和碱度

3.结论

从青稞秆暗发酵实验结果来看，用不同剂量的CaO预处理青稞秆均可以明显提高暗发酵性能。整个暗发酵过程中，6% CaO预处理实验组TVFA和累积产气量均为最佳，而最高累积产氢量出现在4% CaO预处理组。虽然整个过程中实际获得的累积产氢量与理论产氢量还有较大差距，但学生们在此过程中学会了实验操作、数据作图及实验数据分析等技能，使学生巩固了所学专业知识的同时，还广泛培养了本科生对科学研究的浓厚兴趣。