关于稀酸水解玉米秸秆两步发酵联产氢气和甲烷的研究

作者：郑晓敏

    目前发酵法生物制氢的生产成本仍然相当高，主要原因是农业废弃物转化为氢气的能量转换率低。为了提高底物的利用效率，一方面要提高氢气产量，另一方面要实现末端产物的多样化，进行综合开发利用。例如，Xie等将葡萄糖进行产氢一甲烷两步厌氧发酵，能量回收率由产氢时的23%提高至82%；Wang等以厨房垃圾为底物进行产氢气一甲烷两步发酵，COD的去除率由单一产氢时的5.78%提高至87.96%；潘春梅等以稀酸酸解玉米秸秆为底物，两步发酵联产纤维素乙醇和氢气，将秸秆的综合能量回收率提高到33.2%。在玉米秸秆类纤维素物质偶联发酵生产氢气和甲烷方面，鲜见文献报道。

  本研究尝试以酸解的玉米秸秆为底物，以牛粪堆肥为天然产氢菌源，探索了菌源处理方式对发酵产氢的影响，并构建了厌氧发酵生产氢气一甲烷系统，取得了有意义的研究结果。

1实验材料和方法

l.l材料

  玉米秸秆：取自郑州郊区，采收成熟期玉米秸秆，自然风干后，粉碎至80目，其主要成分如总固体(TS)为92.4%，灰分3.3%。利用稀酸对玉米秸秆进行预处理，酸解条件为1 .0%硫酸(V/V)、固液比1:10、121℃保温60 min，冷却至室温，以稀氢氧化钠调节pH至6.0。

  牛粪堆肥，取自郑州郊区养牛场，按表l方法预处理，采用40目筛网过滤，滤液作为发酵产氢菌源。

1.2试验方法

  发酵产氢：将经过处理的牛粪堆肥与蔗糖或者酸解秸秆、营养液和水按一定配比加入140 mL批式反应器中，底物浓度10 g/L，初始pH 7.0，N。吹扫剩余空间的氧气，医用橡胶塞密封，(36±1)℃恒温震荡。定时检测。

  发酵产甲烷：在10 L半连续反应器中，以稀酸水解玉米秸秆产氢发酵液为原料，按体积比l5%接种沼气液，采用间歇式进料，进料量1.0 11次，以1.0mol/L的盐酸和1.0 mol/L氢氧化钠调节反应体系pH(7.5±0.5)值，定时取样测定甲烷气浓度及体系液相中乙酸，丁酸、乙醇等含量。

1.3分析方法

  采用排饱和食盐水的方法测定氢气体积，湿式气体流量计记录甲烷气体积，生物气中氢气及甲烷气含量及液相中乙酸，丁酸、乙醇等含量采用气相色谱法测定，测试条件下氢气、甲烷气体的保留时间分别为0.48和0.56，使用修正Gompertz方程式描述产氢过程。pH值用pH计测定，COD用微波消解仪测定，并用标准方法校正。

2结果与讨论

2.1  菌源牛粪堆肥处理方法对产氢性能的影响

  菌源是影响发酵产氢的重要因素之一，不同底物适应的堆肥处理方式存在显著差异[12-15]。本文分别以沸煮15 min曝气2h处理(HSFA)、沸煮30 min处理(HS)、121℃保温30 min处理(HHS)、室温浸泡10 h处理(WI)的牛粪堆肥为产氢菌源，以蔗糖或稀酸水解玉米秸秆为产氢底物，在底物浓度10 g/L，初始pH 7.0条件下研究牛粪堆肥处理方式对发酵产氢性能的影响，结果如图1所示，产氢动力学参数如表2所示。

  由图l(a)可知，当以蔗糖为底物时，4种方式处理牛粪堆肥的产氢效果均较好，HSFA处理的牛粪堆肥产氢量最高，达到290.8  mL/g；HS、HHS及WI处理的堆肥产氢量分别为273.5、247.6和256.6 mL/g。蔗糖是产氢微生物最易利用的底物之一，4种方式处理的牛粪堆肥产氢量不存在显著差别，但是对产氢延迟时间及产氢速率存在显著影响。由表2知，HSFA和HS的产氢延迟时间较长，分别为38.9 h和54.5 h；HHS的产氢延迟时间最短，仅11.8 h。HS的产氢速率最大13.0 mL/h．HSFA的产氢速率次之7.9 mL/h，HHS和WI的产氢速率相近，分别为4.7 mL/h和3.1mL/h。这是因为牛粪堆肥的处理方式不同，产氢微生物的富集和活化程度不同，导致产氢延迟时间、最大产氢速率等动力学参数存在显著差异。

  在稀硫酸作用下玉米秸秆中的大部分半纤维素被分解，生成可溶性糖(293.0 mg/gTS)以及呋喃、糠醛、酚类等副产物，秸秆的结晶结构被破坏。由图1(b)和表2可知，当以稀酸水解玉米秸秆为底物时，4种牛粪堆肥处理方式中，WI的累积产氢量和最大产氢速率最大，分别为213.8 mL/g TS和5.9 mL/h，显著高于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的产氢延迟时间为7.5 h，显著小于HHS 41.1 h、HSFA 37.1 h和HS 40.3 h。按照本研究中以蔗糖为底物实验中最高产氢量290.8 mL/g计算，稀酸水解玉米秸秆为底物时HHS、HSFA、HS和WI的可溶性糖利用效率分别为61.73%、73.47%、l00.6%和250.g%，WI的产氢优势非常显著，说明用WI处理时混合微生物对酸解秸秆的适应能力非常强，能直接降解玉米秸秆中的纤维素类物质产氢。4种堆肥处理方式中HHS和HSFA条件苛刻，导致堆肥对酸解秸秆的适应性差，底物利用效率较蔗糖时低；HS的条件较HHS和HSFA温和，对酸解秸秆的适应性增强，底物利用效率显著提高；WI仅是对堆肥进行了活化，堆肥中的微生物被完全激活，其中含能够降解纤维素的微生物，通过菌种间协同作用，纤维素降解产物被产氢微生物利用，也有报道称在牛粪堆肥产氢体系中能够分离出直接利用纤维素产氢的菌种。

  酸解玉米秸秆为底物时WI的产氢延迟时间为7.5 h，较蔗糖为底物时的16.1 h显著减小，最大产氢速率5.9 mL/h，较蔗糖为底物时的3.1 mL/h显著增大，其原因是酸解玉米秸秆中可溶性糖主要成分是木糖、葡萄糖等单糖，蔗糖为二糖，当菌源对底物适应性较强时，对单糖的利用速率较二糖高。

  牛粪堆肥的处理方式不同，导致菌源微生物菌群的组成及含量存在较大差异，从而导致其对各种底物的适应性存在显著差异。当发酵底物为酸解秸秆等成分复杂的物质时，菌源微生物菌群成分多样化，能够更为有效地提高发酵产氢效率。

2.2  稀酸水解玉米秸秆产氢发酵液的甲烷发酵

  在以秸秆为底物进行发酵产氢时，发酵产氢的液相末端产物乙酸、丙酸、正丁酸等挥发性脂肪酸(VFAS)是产甲烷的良好底物，可以解决产氢的二次污染问题，提高底物的利用效率，降低生产成本。取稀酸水解玉米秸秆产氢发酵液于lO L半连续反应器中进行产甲烷试验。进样量1.0 11次，在反应体系温度(36+1)℃，转速75 r/min，进样COD为1 7213.7 mg/L条件下，分析甲烷产量、甲烷浓度、产甲烷速率、挥发性脂肪酸的影响随发酵时间的变化曲线，结果如图2所示。

  由图2(a)甲烷发酵过程曲线可知，进料完成至24 h时间内，甲烷的累积产量呈现指数增加，至24 h，甲烷的累积产量达0.87 L;24 h-48 h时间内甲烷产量持续增加，增加速度较第一阶段显著减小，至48 h甲烷累积产量达最大值1.37 L，48 h之后产甲烷过程停止。

  由图2(c)可知，进料完成至7h，产甲烷速率迅速增加，7h达到最大值0.6 L/h;7-24 h时间内产甲烷速率迅速减小，至24 h减小至0.2 L/h，24-48 h时间内产甲烷速率维持0.2 L/h水平，48 h之后产甲烷过程停止，产甲烷率迅速降低至零。由图2(b)可知，甲烷浓度随发酵时间呈现先减小后增加最后回复至初始水平。进料时甲烷浓度63.6%，0-7 h时间内随着产甲烷速率的快速增大，甲烷浓度逐渐降低，至7h甲烷浓度降低至最小值49.4%，7-4,8 h时间内随着产甲烷速率逐渐降低，甲烷浓度逐渐升高，至48 h达到最大值8l.l%。48 h之后随着产甲烷过程停止，甲烷浓度再次降低，72 h降至63.6%。由图2(d)可知，产氢末端液相产物中乙酸和正丁酸含量较高，乙醇和丙酸含量较低，在产甲烷过程中，正丁酸在0-7 h含量迅速由1 914.8 mg/L降至575.1 mg/L，7h之后正丁酸含量趋于稳定；乙酸在0-7 h时间内含量由l 870.6 mg/L迅速降低至l 437.2 mg/L，7-12 h时间含量变化不显著，12 h后第二次快速降低，至24 h降低至220.2mg/L，24 h后含量基本稳定；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时间内丙酸含量降低，至24 h降低至l 906.6 mg/L，24 h后各挥发性脂肪酸含量基本稳定。产甲烷过程结束，出料中COD含量4 653.7 mg/L．COD去除率达到73.O%。

  发酵过程中丙酸始终维持在较高浓度( >1 032.79 mg/L)，高浓度丙酸对发酵产甲烷体系的影响目前观点尚不一致，有观点认为，丙酸浓度的增加对产甲烷菌有抑制作用，当浓度达到900 mg/L时，厌氧反应严重失衡，产甲烷菌量显著减少。实验中当丙酸浓度达到2 895.7 mg/L时，产甲烷过程仍然进行，高浓度丙酸对本实验体系产甲烷菌的抑制作用不显著。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，最难降解。丙酸不能被产甲烷菌直接利用，而是在产乙酸菌作用下分解成乙酸和氢气，因此乙酸浓度过高会抑制丙酸的降解，Fukuzaki等研究表明当乙酸浓度大于1 200.0 mg/L时，抑制了丙酸的降解。丙酸含量增加可能是进料中残糖水解造成，是导致出料COD高的主要原因。丙酸是产甲烷的重要底物之一，因此在后续的产甲烷体系中通过调节发酵参数，改变体系中菌群分布，富集能够降解丙酸的产乙酸菌，提高丙酸利用率，可降低出料COD。

2.3能量分析

  在底物浓度10 g/L，初始pH 7.0条件下，稀酸水解玉米秸秆发酵产氢最大产氢量213.8 mL/g TS，发酵产氢末端液相产物进行联产甲烷试验，进样量1.0 11次条件下，甲烷产量1.37 L，折合成137.0 mL/gTS。氢气和甲烷气的燃烧值分别为242 kJ/mol和801 kj/mol，在室温条件氢气和甲烷的燃烧值折合为10.8 J/mL和35.8 J/mL，玉米秸秆的燃烧值为17 521.8J/g。经过计算发酵产氢的能量回收率为l3.2%，发酵产甲烷的能量回收率为28.0%，玉米秸秆发酵联产氢气和甲烷的综合能量回收率为41.2%。

3结论

  (l)以蔗糖为底物时，牛粪堆肥处理方式对产氢量的影响不显著，最高氢气产氢达到290.8 mL/g;以稀酸水解玉米秸秆为底物时，堆肥处理方式对产氢量存在显著影响，室温浸泡10 h处理的堆肥的产氢优势显著，最大产氢量达到213.8 mL/g TS，混合微生物能直接降解秸秆中的纤维素类物质产氢。

(2)稀酸水解玉米秸秆发酵产氢联产甲烷实验，使秸秆的能量回收率由l3.2%提高至41.2%，两步发酵在很大程度上提高了秸秆的能量转化率，实现了玉米秸秆的综合利用。

4摘要：在批式试验巾以牛粪堆肥为天然产氢菌源，分别以蔗糖和稀酸水解玉米秸秆为底物，通过厌氧发酵考察不同牛粪堆肥处理方式对发酵产氢性能的影响，并在此基础上构建r稀酸水解玉米秸秆两步发酵联产氢气一甲烷体系？当以蔗糖为底物时，牛粪堆肥处理方式对产氢影响不显著，产氢量均较高；当以稀酸水解玉米秸秆为底物时，室温浸泡处理的牛粪堆肥产氢效果最好，氢气最大产量达到213.8 mL/gTS-以稀酸水解玉米秸秆产氡发酵液为底物进行甲烷发酵，使秸秆的综合能量回收率达到41.2%，较单一发酵产氢时的能量回收率13.2%显著提高