影响牛粪高浓度水解酸化过程中乙酸含量的因素研究

第24卷第4期2042008年4月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．24No．4Apr．2008影响牛粪高浓度水解酸化过程中乙酸含量的因素研究李文哲，王忠江，王丽丽，夏吉庆，关正军(东北农业大学工程学院，哈尔滨150030)摘要：在室温为20。C的实验室条件下，对牛粪进行了批量式高浓度厌氧发酵，采用二次正交旋转组合设计试验方法，探讨牛粪水解酸化过程中，温度、料液浓度和停留时间对乙酸含量的影响规律。温度、料液浓度和停留时间的取值范围分别为25～35C、6％～10％和2～12d，利用单因素分析法确定各因素在二次非线性模型中的主次顺序。利用频数分析找出各因素的最佳试验范围。结果表明，停留时间对乙酸含量的影响最大，温度次之，料液浓度的影响最小。通过频数分析，得出了在温度为26～30C、料液浓度为7％～9％、停留时间为2～5d时挥发酸中的乙酸含量均高于66％。当温度为26～30C、料液浓度为10％、停留时间为10～12d时挥发酸中的乙酸含量均低于60％。关键词：牛粪；水解酸化；乙酸含量；厌氧发酵中图分类号：X213文献标识码：A文章编号：1002—6819(2008)一4-0204—05李文哲，王忠江，王丽丽，等．影响牛粪高浓度水解酸化过程中乙酸含量的因素研究[J]．农业工程学报，2008，24(4)：204—208．LiWenzhe，WangZhongjiang，WangLili，eta1．Factorsaffectingaceticacidcontentintheprocessofhigh-concentrationhydrolysisandacidogenesisofCOWmanure[J1．TransactionsoftheCSAE，2008，24(4)：204--208．(inChinesewithEnglishabstract)0引言系统性研究未见报道，所以本文将对这一问题进行探讨。两相厌氧发酵工艺以其稳定高效的特点【l‘5】，近年来得到了广泛的应用。两相厌氧发酵产酸相的主要功能是改变基质的可生化性，为产甲烷相提供适宜的基质【6，7】，因此水解酸化相产生的挥发性脂肪酸种类和含量对后续反应的稳定高效运行至关重要。常规的产酸相反应器中的微生物均为混合菌种，这些种群间存在生态位的相互补充和重叠，导致它们之间存在种群间的协作与竞争，从而产生不同的酸化产物【8，91。这些酸化产物主要由乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和少量乙醇组成，很多研究者[10-13】认为丙酸对于产甲烷不利，乙酸、甲酸和氢可以被甲烷菌直接利用。在一般的厌氧反应器中，约70％的甲烷是由乙酸分解而来【14】，因此厌氧水解酸化产物中乙酸占总挥发性脂肪酸的百分含量多少对后续的产甲烷相能否稳定运行及产甲烷量的多少至关重要。由于牛粪中纤维素含量较高，水解酸化速度较慢，因此厌氧水解酸化阶段成为整个牛粪厌氧发酵过程的限速步骤。但是迄今为止，关于牛粪高浓度水解酸化过程中乙酸含量的影响因素的收稿日期：2007-03-05修订日期：2007-09．30基金项目：国家自然科学基金(50376009)；国家十一五科技支撑项目(2006BAD07A10)：黑龙江省科技攻关(GB068502)：黑龙江省留学归国人员科学技术专项资金(LC06(203)作者简介：李文哲(1955一)，男，黑龙江人，院长．教授．博士生导师，研究方向为生物质转化与利用．哈尔滨东北农业大学工程学院，150030。Email：liwenzheg@163，com1材料与方法1．1材料本试验所用的牛粪取自哈尔滨市完达山奶牛养殖基地，牛饲料的主要成分为青储饲料(玉米秸秆)。新取来的牛粪除去大的纤维后经小型搅碎机粉碎，粉碎时添加一定量的水以提高粉碎的质量和速度，粉碎后测定物料的总固体TS(Totalsolid)和挥发性固体VS(Volatilesolid)的含量，之后将物料放入4C冰箱内储存待用。1．2试验装置与方法本试验所采用的试验装置为自制的小型水解酸化反应系统，水浴加热，液体循环搅拌，水解酸化罐是容积为5L的带下口的玻璃瓶，内装4L物料，料液中不添加接种物。系统简图见文献[15】。本试验以温度、发酵物料的总固体浓度(以下简称为料液浓度)和停留时间为参数，以乙酸占总挥发性脂肪酸的百分含量(以下简称乙酸含量)为指标进行试验研究。因素水平编码表见表11161。试验各组的温度均在设定温度的±2．5C内波动，各反应器温度先随室温缓慢下降，当温度低于下限时开始对反应器加热，直至温度升至上限。室温为20C，每组样品做3个重复，每天取1次样检测pH值，每次取样前摇动发酵罐对其进行搅拌，通过对pH值的监测可知在整个发酵过程中pH值始终介于5．5～6．4之间，并且在整个发酵过程中挥发性脂肪酸的量始终万方数据第4期李文哲等：