酸化处理提高玉米秸秆厌氧消化性能及其优化研究

收稿日期:２０１８￣１０￣１１修回日期:２０１８￣１１￣２２项目来源:国家重点研发计划项目(２０１６ＹＦＤ０５０１４０２)作者简介:刘越(１９８８－)ꎬ女ꎬ博士ꎬ研究方向为固体废弃物处理与资源化利用ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｌｉｕｙｕｅ１００４＠１６３.ｃｏｍ通信作者:李秀金ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｘｊｌｉ＠ｍａｉｌ.ｂｕｃｔ.ｅｄｕ.ｃｎ酸化处理提高玉米秸秆厌氧消化性能及其优化研究刘越１ꎬ袁海荣１ꎬＡｋｉｂｅｒＣｈｕｆｏＷａｃｈｅｍｏ１ꎬ２ꎬ左晓宇１ꎬ李秀金１(１.北京化工大学环境科学与工程系ꎬ北京１０００２９ꎻ２.ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＷａｔｅｒＳｕｐｐｌｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＡｒｂａＭｉｎｃｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＡｒｂａＭｉｎｃｈＰＯＢｏｘ２１ꎬＥｔｈｉｏｐｉａ)摘要:为了提高木质纤维素的水解效率ꎬ酸化相的出料被用来提高玉米秸秆的厌氧产甲烷性能ꎬ文章利用单因素方法考察了原料负荷、酸化时间和接种量对挥发酸浓度(ＶＦＡｓ)的影响ꎬ采用响应面方法对玉米秸秆酸化相水解产酸构建二次回归模型进行优化ꎬ然后将酸化相出料接种厌氧污泥后进行产甲烷试验ꎬ比较酸化后玉米秸秆的甲烷产率ꎬ得出挥发性脂肪酸产率和甲烷产率关系的数学模型ꎮ结果表明ꎬ酸化时间为５ｄꎬ接种比为６ꎬ有机负荷为５０ｇＴＳ供产酸和产甲烷微生物各自生长所需的最佳条件ꎬ可避免产甲烷过程的挥发酸累积导致的抑制[４]ꎮ因此ꎬ对酸化相的影响因素和水平进行优化可以提高整个两相厌氧消化系统的产气性能ꎮ目前ꎬ不同物料的酸化相参数被优化用以提高甲烷产率ꎬ如:餐厨垃圾[５]ꎬ畜禽粪便[６]和废弃食用油脂[７]等ꎮ影响酸化相产酸效果的因素主要包括有机负荷、酸化时间和接种比等[８－９]ꎮ酸化时间对发酵液中ＶＦＡｓ含量有显著影响ꎬ随着酸化时间增加ꎬ产酸菌会将底物转化为ＶＦＡｓꎬＶＦＡｓ产率随着酸化时间增加而增加[１０]ꎮ由于ＶＦＡｓ的累积ꎬ发酵液ｐＨ值持续下降ꎬ抑制了产酸菌的代谢ꎬ同时部分ＶＦＡｓ被转化为甲烷ꎬ进而影响了ＶＦＡｓ产率的增加[１１]ꎮ当接种比低时ꎬ发酵体系中的微生物数量不足ꎬ酸化反应进行缓慢ꎻ接种比高ꎬ发酵体系中的产酸微生物数量较多ꎬ有利于酸化反应的进行ꎻ但如果接种比过高ꎬ产酸菌的代谢产物很快被消化体系中的产甲烷菌利用ꎬ则不利于酸的积累[１２]ꎮＬｉｍ[１３]等人研究有机负荷率(ＯＬＲ)对餐厨垃圾酸化反应的影响ꎬ当ＯＬＲ从５ｇ表２实验因素和水平编码影响因子水平和取值－１０１Ｘ１酸化时间/ｄ３４５Ｘ２接种比/(以ＴＳ计)４６８Ｘ３有机负荷/ｇＴＳ35000300002500020000150001000050000400300200100050�60�70�80�90有机负荷/�(gTS·L-1)VFAs浓度/�（mg·L-1）VFAs产率/�（mg·g-1TS）VFas�yield乙酸乙醇戊酸丁酸丙酸图３有机负荷对玉米秸秆产挥发酸浓度的影响２.１.２产气量及气体成分变化图４~图６分析了不同酸化条件下气体组分含量的变化ꎮ如图４所示ꎬ酸化第２天产气量最高ꎬ随着时间的增加ꎬ产气量逐渐降低ꎮ其中ꎬＣＯ２和Ｈ２占气体总量百分比较高ꎬ在４４.７３％~９５.０８％ꎮ在第２天Ｈ２产量最高ꎬ随后逐渐降低ꎮ同时ꎬＶＦＡｓ产量增长率也在第２天最高ꎬ为４５.９９％ꎻ在第３天和第４天分别降低到６.３０％和４.１０％ꎮ从图５中看出ꎬ接种比较小(接种量高)时ꎬ产气量和ＣＨ４产量较高ꎬ分别为３３３０.００ｍＬ和６５１.６９ｍＬꎬ产气量和ＣＨ４产量随着接种量的降低而降低ꎮ然而ꎬＨ２在接种比为６时产量最高ꎬ为４０５.４６ｍＬꎬ与ＶＦＡｓ浓度120010008006004002000产气量/�mL1�2�3�4�5酸化时间/�dN2CH4CO2H2图４不同酸化条件下气体组分产量的变化3500300025002000150010005000产气量/�mL2�4�6�8接种比N2CH4CO2H210图５不同接种比条件下气体组分产量的变化300025002000150010005000产气量/�mL50�60�70�80�90N2CH4CO2H2有机负荷/�(gTS·L-1)图６不同有机负荷条件下气体组分产量的变化趋势相同ꎮ此结果与王刚[１６]等以蔗糖废水为原料研究接种量对产酸率的影响的结果一致ꎬＨ２产量与ＶＦＡｓ产量在酸化过程中呈现正相关ꎮ图６为不同负荷条件下气体组分产量的变化ꎬＣＨ４ꎬＣＯ２和Ｈ２产量随着负荷的增加而增加ꎬ与ＶＦＡｓ浓度变化一致ꎮ以上试验结果表明酸化过程中总气体产量与接种量、负荷和时间有关ꎬ与ＶＦＡｓ产量无关ꎬ而氢气产量与ＶＦＡｓ浓度呈正相关ꎮ２.２酸化相ＶＦＡｓ模型优化按照设计方案共进行了２０组试验ꎬ测定样品的ＶＦＡｓ产量ꎬ试验设计和结果见表３ꎮ对表３的试验表３试验设计和结果序号酸化时间ｄ