關于稀酸水解玉米秸稈兩步發(fā)酵聯(lián)產氫氣和甲烷的研究
作者：鄭曉敏
目前發(fā)酵法生物制氫的生產成本仍然相當高，主要原因是農業(yè)廢棄物轉化為氫氣的能量轉換率低。為了提高底物的利用效率，一方面要提高氫氣產量，另一方面要實現(xiàn)末端產物的多樣化，進行綜合開發(fā)利用。例如，Xie等將葡萄糖進行產氫一甲烷兩步厭氧發(fā)酵，能量回收率由產氫時的23%提高至82%；Wang等以廚房垃圾為底物進行產氫氣一甲烷兩步發(fā)酵，COD的去除率由單一產氫時的5.78%提高至87.96%；潘春梅等以稀酸酸解玉米秸稈為底物，兩步發(fā)酵聯(lián)產纖維素乙醇和氫氣，將秸稈的綜合能量回收率提高到33.2%。在玉米秸稈類纖維素物質偶聯(lián)發(fā)酵生產氫氣和甲烷方面，鮮見文獻報道。
本研究嘗試以酸解的玉米秸稈為底物，以牛糞堆肥為天然產氫菌源，探索了菌源處理方式對發(fā)酵產氫的影響，并構建了厭氧發(fā)酵生產氫氣一甲烷系統(tǒng)，取得了有意義的研究結果。
1實驗材料和方法
l.l材料
玉米秸稈：取自鄭州郊區(qū)，采收成熟期玉米秸稈，自然風干后，粉碎至80目，其主要成分如總固體(TS)為92.4%，灰分3.3%。利用稀酸對玉米秸稈進行預處理，酸解條件為1 .0%硫酸(V/V)、固液比1:10、121℃保溫60 min，冷卻至室溫，以稀氫氧化鈉調節(jié)pH至6.0。
牛糞堆肥，取自鄭州郊區(qū)養(yǎng)牛場，按表l方法預處理，采用40目篩網過濾，濾液作為發(fā)酵產氫菌源。
1.2試驗方法
發(fā)酵產氫：將經過處理的牛糞堆肥與蔗糖或者酸解秸稈、營養(yǎng)液和水按一定配比加入140 mL批式反應器中，底物濃度10 g/L，初始pH 7.0，N。吹掃剩余空間的氧氣，醫(yī)用橡膠塞密封，(36±1)℃恒溫震蕩。定時檢測。
發(fā)酵產甲烷：在10 L半連續(xù)反應器中，以稀酸水解玉米秸稈產氫發(fā)酵液為原料，按體積比l5%接種沼氣液，采用間歇式進料，進料量1.0 11次，以1.0mol/L的鹽酸和1.0 mol/L氫氧化鈉調節(jié)反應體系pH(7.5±0.5)值，定時取樣測定甲烷氣濃度及體系液相中乙酸，丁酸、乙醇等含量。
1.3分析方法
采用排飽和食鹽水的方法測定氫氣體積，濕式氣體流量計記錄甲烷氣體積，生物氣中氫氣及甲烷氣含量及液相中乙酸，丁酸、乙醇等含量采用氣相色譜法測定，測試條件下氫氣、甲烷氣體的保留時間分別為0.48和0.56，使用修正Gompertz方程式描述產氫過程。pH值用pH計測定，COD用微波消解儀測定，并用標準方法校正。
2結果與討論
2.1 菌源牛糞堆肥處理方法對產氫性能的影響
菌源是影響發(fā)酵產氫的重要因素之一，不同底物適應的堆肥處理方式存在顯著差異[12-15]。本文分別以沸煮15 min曝氣2h處理(HSFA)、沸煮30 min處理(HS)、121℃保溫30 min處理(HHS)、室溫浸泡10 h處理(WI)的牛糞堆肥為產氫菌源，以蔗糖或稀酸水解玉米秸稈為產氫底物，在底物濃度10 g/L，初始pH 7.0條件下研究牛糞堆肥處理方式對發(fā)酵產氫性能的影響，結果如圖1所示，產氫動力學參數(shù)如表2所示。
由圖l(a)可知，當以蔗糖為底物時，4種方式處理牛糞堆肥的產氫效果均較好，HSFA處理的牛糞堆肥產氫量最高，達到290.8 mL/g；HS、HHS及WI處理的堆肥產氫量分別為273.5、247.6和256.6 mL/g。蔗糖是產氫微生物最易利用的底物之一，4種方式處理的牛糞堆肥產氫量不存在顯著差別，但是對產氫延遲時間及產氫速率存在顯著影響。由表2知，HSFA和HS的產氫延遲時間較長，分別為38.9 h和54.5 h；HHS的產氫延遲時間最短，僅11.8 h。HS的產氫速率最大13.0 mL/h．HSFA的產氫速率次之7.9 mL/h，HHS和WI的產氫速率相近，分別為4.7 mL/h和3.1mL/h。這是因為牛糞堆肥的處理方式不同，產氫微生物的富集和活化程度不同，導致產氫延遲時間、最大產氫速率等動力學參數(shù)存在顯著差異。
在稀硫酸作用下玉米秸稈中的大部分半纖維素被分解，生成可溶性糖(293.0 mg/gTS)以及呋喃、糠醛、酚類等副產物，秸稈的結晶結構被破壞。由圖1(b)和表2可知，當以稀酸水解玉米秸稈為底物時，4種牛糞堆肥處理方式中，WI的累積產氫量和最大產氫速率最大，分別為213.8 mL/g TS和5.9 mL/h，顯著高于HHS的52.6 mL/g TS和1.7 mL/h、HSFA的62.6 mL/g TS和0.95 mL/h以及HS的85.7 mL/g TS和2.4 mL/h。WI的產氫延遲時間為7.5 h，顯著小于HHS 41.1 h、HSFA 37.1 h和HS 40.3 h。按照本研究中以蔗糖為底物實驗中最高產氫量290.8 mL/g計算，稀酸水解玉米秸稈為底物時HHS、HSFA、HS和WI的可溶性糖利用效率分別為61.73%、73.47%、l00.6%和250.g%，WI的產氫優(yōu)勢非常顯著，說明用WI處理時混合微生物對酸解秸稈的適應能力非常強，能直接降解玉米秸稈中的纖維素類物質產氫。4種堆肥處理方式中HHS和HSFA條件苛刻，導致堆肥對酸解秸稈的適應性差，底物利用效率較蔗糖時低；HS的條件較HHS和HSFA溫和，對酸解秸稈的適應性增強，底物利用效率顯著提高；WI僅是對堆肥進行了活化，堆肥中的微生物被完全激活，其中含能夠降解纖維素的微生物，通過菌種間協(xié)同作用，纖維素降解產物被產氫微生物利用，也有報道稱在牛糞堆肥產氫體系中能夠分離出直接利用纖維素產氫的菌種。
酸解玉米秸稈為底物時WI的產氫延遲時間為7.5 h，較蔗糖為底物時的16.1 h顯著減小，最大產氫速率5.9 mL/h，較蔗糖為底物時的3.1 mL/h顯著增大，其原因是酸解玉米秸稈中可溶性糖主要成分是木糖、葡萄糖等單糖，蔗糖為二糖，當菌源對底物適應性較強時，對單糖的利用速率較二糖高。
牛糞堆肥的處理方式不同，導致菌源微生物菌群的組成及含量存在較大差異，從而導致其對各種底物的適應性存在顯著差異。當發(fā)酵底物為酸解秸稈等成分復雜的物質時，菌源微生物菌群成分多樣化，能夠更為有效地提高發(fā)酵產氫效率。
2.2 稀酸水解玉米秸稈產氫發(fā)酵液的甲烷發(fā)酵
在以秸稈為底物進行發(fā)酵產氫時，發(fā)酵產氫的液相末端產物乙酸、丙酸、正丁酸等揮發(fā)性脂肪酸(VFAS)是產甲烷的良好底物，可以解決產氫的二次污染問題，提高底物的利用效率，降低生產成本。取稀酸水解玉米秸稈產氫發(fā)酵液于lO L半連續(xù)反應器中進行產甲烷試驗。進樣量1.0 11次，在反應體系溫度(36+1)℃，轉速75 r/min，進樣COD為1 7213.7 mg/L條件下，分析甲烷產量、甲烷濃度、產甲烷速率、揮發(fā)性脂肪酸的影響隨發(fā)酵時間的變化曲線，結果如圖2所示。
由圖2(a)甲烷發(fā)酵過程曲線可知，進料完成至24 h時間內，甲烷的累積產量呈現(xiàn)指數(shù)增加，至24 h，甲烷的累積產量達0.87 L;24 h-48 h時間內甲烷產量持續(xù)增加，增加速度較第一階段顯著減小，至48 h甲烷累積產量達最大值1.37 L，48 h之后產甲烷過程停止。
由圖2(c)可知，進料完成至7h，產甲烷速率迅速增加，7h達到最大值0.6 L/h;7-24 h時間內產甲烷速率迅速減小，至24 h減小至0.2 L/h，24-48 h時間內產甲烷速率維持0.2 L/h水平，48 h之后產甲烷過程停止，產甲烷率迅速降低至零。由圖2(b)可知，甲烷濃度隨發(fā)酵時間呈現(xiàn)先減小后增加最后回復至初始水平。進料時甲烷濃度63.6%，0-7 h時間內隨著產甲烷速率的快速增大，甲烷濃度逐漸降低，至7h甲烷濃度降低至最小值49.4%，7-4,8 h時間內隨著產甲烷速率逐漸降低，甲烷濃度逐漸升高，至48 h達到最大值8l.l%。48 h之后隨著產甲烷過程停止，甲烷濃度再次降低，72 h降至63.6%。由圖2(d)可知，產氫末端液相產物中乙酸和正丁酸含量較高，乙醇和丙酸含量較低，在產甲烷過程中，正丁酸在0-7 h含量迅速由1 914.8 mg/L降至575.1 mg/L，7h之后正丁酸含量趨于穩(wěn)定；乙酸在0-7 h時間內含量由l 870.6 mg/L迅速降低至l 437.2 mg/L，7-12 h時間含量變化不顯著，12 h后第二次快速降低，至24 h降低至220.2mg/L，24 h后含量基本穩(wěn)定；丙酸含量在0-12 h迅速由1 032.8 mg/L增加2 895.1 mg/L，12-24 h時間內丙酸含量降低，至24 h降低至l 906.6 mg/L，24 h后各揮發(fā)性脂肪酸含量基本穩(wěn)定。產甲烷過程結束，出料中COD含量4 653.7 mg/L．COD去除率達到73.O%。
發(fā)酵過程中丙酸始終維持在較高濃度( >1 032.79 mg/L)，高濃度丙酸對發(fā)酵產甲烷體系的影響目前觀點尚不一致，有觀點認為，丙酸濃度的增加對產甲烷菌有抑制作用，當濃度達到900 mg/L時，厭氧反應嚴重失衡，產甲烷菌量顯著減少。實驗中當丙酸濃度達到2 895.7 mg/L時，產甲烷過程仍然進行，高濃度丙酸對本實驗體系產甲烷菌的抑制作用不顯著。在乙醇、乙酸、正丁酸和丙酸中，丙酸降解的吉布斯自由能最高，最難降解。丙酸不能被產甲烷菌直接利用，而是在產乙酸菌作用下分解成乙酸和氫氣，因此乙酸濃度過高會抑制丙酸的降解，F(xiàn)ukuzaki等研究表明當乙酸濃度大于1 200.0 mg/L時，抑制了丙酸的降解。丙酸含量增加可能是進料中殘?zhí)撬庠斐�，是導致出料COD高的主要原因。丙酸是產甲烷的重要底物之一，因此在后續(xù)的產甲烷體系中通過調節(jié)發(fā)酵參數(shù)，改變體系中菌群分布，富集能夠降解丙酸的產乙酸菌，提高丙酸利用率，可降低出料COD。
2.3能量分析
在底物濃度10 g/L，初始pH 7.0條件下，稀酸水解玉米秸稈發(fā)酵產氫最大產氫量213.8 mL/g TS，發(fā)酵產氫末端液相產物進行聯(lián)產甲烷試驗，進樣量1.0 11次條件下，甲烷產量1.37 L，折合成137.0 mL/gTS。氫氣和甲烷氣的燃燒值分別為242 kJ/mol和801 kj/mol，在室溫條件氫氣和甲烷的燃燒值折合為10.8 J/mL和35.8 J/mL，玉米秸稈的燃燒值為17 521.8J/g。經過計算發(fā)酵產氫的能量回收率為l3.2%，發(fā)酵產甲烷的能量回收率為28.0%，玉米秸稈發(fā)酵聯(lián)產氫氣和甲烷的綜合能量回收率為41.2%。
3結論
(l)以蔗糖為底物時，牛糞堆肥處理方式對產氫量的影響不顯著，最高氫氣產氫達到290.8 mL/g;以稀酸水解玉米秸稈為底物時，堆肥處理方式對產氫量存在顯著影響，室溫浸泡10 h處理的堆肥的產氫優(yōu)勢顯著，最大產氫量達到213.8 mL/g TS，混合微生物能直接降解秸稈中的纖維素類物質產氫。
(2)稀酸水解玉米秸稈發(fā)酵產氫聯(lián)產甲烷實驗，使秸稈的能量回收率由l3.2%提高至41.2%，兩步發(fā)酵在很大程度上提高了秸稈的能量轉化率，實現(xiàn)了玉米秸稈的綜合利用。
4摘要：在批式試驗巾以牛糞堆肥為天然產氫菌源，分別以蔗糖和稀酸水解玉米秸稈為底物，通過厭氧發(fā)酵考察不同牛糞堆肥處理方式對發(fā)酵產氫性能的影響，并在此基礎上構建r稀酸水解玉米秸稈兩步發(fā)酵聯(lián)產氫氣一甲烷體系？當以蔗糖為底物時，牛糞堆肥處理方式對產氫影響不顯著，產氫量均較高；當以稀酸水解玉米秸稈為底物時，室溫浸泡處理的牛糞堆肥產氫效果最好，氫氣最大產量達到213.8 mL/gTS-以稀酸水解玉米秸稈產氡發(fā)酵液為底物進行甲烷發(fā)酵，使秸稈的綜合能量回收率達到41.2%，較單一發(fā)酵產氫時的能量回收率13.2%顯著提高
