投配率對連續(xù)兩相厭氧發(fā)酵酸化效果的影響

羅立娜，李文哲，王忠江，肖佳月

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

在兩相厭氧發(fā)酵工藝中，產(chǎn)酸相能否為后續(xù)產(chǎn)甲烷相提供適宜的底物，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]，因此，對產(chǎn)酸相的研究至關(guān)重要。目前，產(chǎn)酸發(fā)酵主要分為丁酸型發(fā)酵、丙酸型發(fā)酵和乙醇型發(fā)酵三種發(fā)酵類型。水力停留時(shí)間（Hydraulic resident time,HRT）、溫度、有機(jī)物濃度、pH等生態(tài)因子對產(chǎn)酸相的末端產(chǎn)物都有影響，能形成不同的發(fā)酵類型[2]。HRT是指一個(gè)消化器內(nèi)的發(fā)酵液按體積計(jì)算被全部置換所需的時(shí)間，是影響產(chǎn)酸發(fā)酵的一個(gè)重要因素，HRT過短產(chǎn)酸微生物隨出水流出，影響酸化效果，HRT過長降低設(shè)備利用率。連續(xù)運(yùn)行的消化器，可根據(jù)HRT求出每天投料量，而生產(chǎn)上習(xí)慣用投配率表示，投配率指每天進(jìn)料體積占消化器有效容積的百分?jǐn)?shù)，與HRT互為倒數(shù)關(guān)系[3]。本試驗(yàn)根據(jù)不同的HRT確定了不同的投配率，探討不同投配率對產(chǎn)酸發(fā)酵類型的影響，為產(chǎn)酸相進(jìn)一步達(dá)到定向酸化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所采用的發(fā)酵原料為新鮮牛糞，牛糞取自哈爾濱香坊奶牛場，牛糞總固體含量為17%左右，取回后與水以適當(dāng)比例混合，攪拌均勻，去除較大纖維后測定總固體含量（Total solid,TS）和揮發(fā)性固體含量（Volatile solid,VS），進(jìn)入酸化罐酸化，發(fā)酵初始料液的有機(jī)物含量及酸堿度為TS 8.63%，VS 7.21%，VS/TS 83.5%，pH 7.2，揮發(fā)酸：4 199.31 mg·L-1。

1.2 試驗(yàn)裝置和方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。主要包括酸化罐、產(chǎn)氣罐、集氣罐、水槽、熱水器、總控制柜、增壓泵、電磁閥等，其中酸化罐、產(chǎn)氣罐、集氣罐分別有三個(gè)，三套裝置同時(shí)運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)通過總控制箱進(jìn)行自動控制，溫度通過溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，總控制柜控制增壓泵從水槽向熱水器內(nèi)泵水，同時(shí)電磁閥開啟，熱水器內(nèi)熱水進(jìn)入罐體夾套內(nèi)對罐體進(jìn)行加熱，出水流回水槽，溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，增壓泵停止工作，電磁閥關(guān)閉，處于保溫狀態(tài)。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Scheme of experimental device

1.2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用35℃中溫酸化，溫度變化為±1℃，不使用接種物，酸化罐的有效容積為18 L，研究HRT分別為2、3、5和7 d，即投配率分別為50%、33%、20%和14%時(shí)對產(chǎn)酸發(fā)酵末端產(chǎn)物組成及含量的影響。

1.3 指標(biāo)測定方法

測定的主要指標(biāo)有pH和揮發(fā)性脂肪酸，pH采用HI9224便攜式酸度計(jì)測定。揮發(fā)性脂肪酸采用下述方法測定。

通過這兩個(gè)指標(biāo)判斷酸化效果，并由此分析對后續(xù)產(chǎn)物的影響。

1.3.1 樣品預(yù)處理

取一定量樣品與蒸餾水1∶1稀釋，加一滴6 mol·L-1硫酸，在 12 000 r·min-1的條件下離心10 min，用0.45 mm微孔濾膜進(jìn)行壓濾，濾液加甲酸調(diào)到合適pH后，用氣相色譜測定揮發(fā)酸的含量及成分。

1.3.2 儀器及測試條件

GC-6890色譜儀，HP-INNOWAX（19091N-133）毛細(xì)管柱，氫火焰檢測器，載氣為氮?dú)猓至魇竭M(jìn)樣，進(jìn)樣量1 μL，分流比為20∶1，進(jìn)樣壓力100 kPa，進(jìn)樣口溫度220℃，檢測器溫度為250℃，程序升溫，60℃保持2 min，然后以15℃·min-1升至110℃，再以10℃·min-1升至170℃。試驗(yàn)每天取1次樣，每個(gè)樣品做3個(gè)平行樣，取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 投配率對揮發(fā)性脂肪酸的影響

2.1.1 投配率對揮發(fā)性脂肪酸總量的影響

厭氧發(fā)酵過程中，揮發(fā)酸是重要的中間產(chǎn)物，產(chǎn)甲烷菌主要利用揮發(fā)酸形成甲烷，所以揮發(fā)酸總量多少直接關(guān)系到產(chǎn)甲烷菌能夠利用底物的多少，能夠反映整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷的潛力，是厭氧發(fā)酵過程中的重要指標(biāo)[4-5]。本試驗(yàn)探討投配率對揮發(fā)酸總量的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 投配率對揮發(fā)酸總量的影響Fig.2 Influence of dosing rate on volatile acids content

從圖2我們可以看出，33%、20%和14%三組的揮發(fā)酸總量變化趨勢基本相同，都是先上升至最高點(diǎn)后開始下降，而50%組的揮發(fā)酸總量一直呈現(xiàn)上升的趨勢。投配率在14%～33%的范圍內(nèi)變化時(shí)，揮發(fā)酸總量隨著投配率的增加而增加，投配率由14%升高到20%時(shí)揮發(fā)酸總量上升較快，20%組明顯高于14%組，而20%與33%組的含量差異較小，33%組揮發(fā)酸總量略高于20%組，三組的揮發(fā)酸總量最大值按照投配率由大到小的順序分別為13 701.67、13 182.05 和 10 703.9 mg·L-1；而投配率升高到50%時(shí)，揮發(fā)酸總量明顯低于33%和20%組。由于隨著投配率的增加，有機(jī)物含量增加，產(chǎn)生的揮發(fā)酸總量較高，但投配率過高，導(dǎo)致負(fù)荷過高，水力停留時(shí)間過短，有機(jī)物降解不完全，揮發(fā)酸總量低。

2.1.2 投配率對揮發(fā)性脂肪酸各成分百分含量影響結(jié)果見圖3。

由于產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌種類、數(shù)量眾多，產(chǎn)酸發(fā)酵的末端產(chǎn)物種類繁多，主要有乙醇、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等。本試驗(yàn)中，產(chǎn)酸相中乙醇、戊酸、乳酸的含量很少，揮發(fā)酸主要由乙酸、丙酸、丁酸組成。酸化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)酸只有乙酸能直接被利用，丙酸和丁酸只有轉(zhuǎn)化為乙酸才能被利用，丙酸的轉(zhuǎn)化速率慢，易積累，導(dǎo)致運(yùn)行失敗[5]。所以，揮發(fā)酸各成分的百分含量關(guān)系到產(chǎn)甲烷相的穩(wěn)定性和整個(gè)兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氣量。本試驗(yàn)分析了投配率對揮發(fā)酸各成分百分含量的影響。

由圖3可知，50%、33%和20%三組乙酸與丁酸之和百分含量的變化趨勢基本相同，都是先下降，降低到最低點(diǎn)后開始升高，而14%組前3 d呈現(xiàn)升高的趨勢，后一直下降。從總體上看，50%組的乙酸與丁酸之和百分含量最大，33%組最小，20%和14%組差距較小，當(dāng)投配率在14%～33%范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著投配率的增加乙酸與丁酸之和百分含量呈現(xiàn)減小的趨勢，含量差距逐漸加大，當(dāng)投配率增加到50%后乙酸與丁酸之和百分含量增加，各組的乙酸與丁酸之和百分含量都在80%以上，均屬于丁酸型發(fā)酵。

由圖3可知，丙酸百分含量的變化趨勢與乙酸與丁酸之和百分含量的變化趨勢相反。隨著酸化天數(shù)的增加，50%、33%和20%三組均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，14%組前3 d呈現(xiàn)下降的趨勢，后一直升高，這主要是因?yàn)榘l(fā)酵初期產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸的量較小，產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸中的乙酸被產(chǎn)甲烷菌降解，致使丙酸的相對含量逐漸升高，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行揮發(fā)性脂肪酸總量也隨之增加，對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制作用，使產(chǎn)甲烷菌活性降低，對乙酸的降解量減少，進(jìn)而導(dǎo)致丙酸的相對含量又隨之逐漸降低；14%組前3 d丙酸百分含量呈現(xiàn)下降的趨勢，3 d后一直呈現(xiàn)上升的趨勢，主要因?yàn)榍? d 14%組丁酸含量升高，導(dǎo)致丙酸的相對含量降低。

綜合揮發(fā)酸總量和揮發(fā)酸各成分百分含量圖可知，雖然50%組的乙酸和丁酸百分含量之和最高，但由于其揮發(fā)酸總量低，可以供給產(chǎn)甲烷菌的底物含量少，33%組的百分含量相對較低，但是揮發(fā)酸的含量高，綜合分析，33%組能達(dá)到更好的酸化效果。

2.2 投配率對pH的影響

pH是厭氧發(fā)酵過程中重要的參數(shù)，影響產(chǎn)酸代謝的類型，一般認(rèn)為，pH 4.0～4.5發(fā)生乙醇型發(fā)酵，pH 5.0左右發(fā)生丙酸型發(fā)酵，pH 6.0以上往往發(fā)生丁酸型發(fā)酵[6]。本試驗(yàn)比較不同投配率對pH的影響，如圖4所示。

圖4 投配率對pH的影響Fig.4 Influence of dosing rate on pH

各組pH的變化趨勢與揮發(fā)酸總量的變化趨勢相反，33%、20%和14%三組都是呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，50%組呈現(xiàn)總體下降的趨勢。原料的pH為7.2，酸化第1天33%組和20%組的pH迅速下降，而其他兩組pH降低較緩慢，因?yàn)?3%組和20%組揮發(fā)酸總量較其他兩組上升較快，各組pH下降到最低點(diǎn)正是揮發(fā)酸總量達(dá)到最高點(diǎn)，揮發(fā)酸的大量產(chǎn)生是體系pH降低的主要原因，但pH降低到最低點(diǎn)后由于反饋抑制作用增強(qiáng)及含氮有機(jī)物分解使體系緩沖能力增強(qiáng)，pH開始回升。產(chǎn)酸發(fā)酵過程中，各組的pH均在6.0～6.5之間變化，在丁酸型發(fā)酵最佳pH范圍內(nèi)，各組的產(chǎn)酸發(fā)酵類型均為丁酸型發(fā)酵類型。

3 討論

a.本試驗(yàn)在投配率為33%組即當(dāng)產(chǎn)酸罐的投料量與有效容積比為1∶3時(shí)能達(dá)到較好的酸化效果，在沼氣工程實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)時(shí)酸化相可參照此試驗(yàn)結(jié)果，為沼氣工程的運(yùn)行提供了參數(shù)依據(jù)。

b.本試驗(yàn)采用兩相厭氧發(fā)酵的方式，研究投配率對產(chǎn)酸相酸化特性的影響，結(jié)果表明，兩相厭氧發(fā)酵的產(chǎn)酸相可以獲得較高的揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)率，能為后續(xù)產(chǎn)甲烷階段提供適宜的底物，顯示了兩相厭氧發(fā)酵的優(yōu)越性，為大中型沼氣工程應(yīng)用兩相厭氧發(fā)酵工藝奠定基礎(chǔ)。

c.本試驗(yàn)還應(yīng)進(jìn)一步研究投配率對產(chǎn)甲烷相產(chǎn)氣特性的影響，確定產(chǎn)甲烷相最佳投配率，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的匹配運(yùn)行參數(shù)。

4 結(jié)論

a.投配率由14%升高到33%過程中，揮發(fā)酸總量隨著投配率的增加而增加，三組的揮發(fā)酸總量最大值依次分別為10 703.9、1 3182.05和13 701.67 mg·L-1。但當(dāng)投配率增加到50%時(shí)，揮發(fā)酸總量降低。

b.各組的乙酸與丁酸之和百分含量均在80%以上，均為丁酸型發(fā)酵；50%組乙酸與丁酸之和百分含量最高，33%組最低，但33%組的揮發(fā)酸總量最高。綜合考慮，33%組能為產(chǎn)甲烷相提供較適宜底物。

c.pH的變化趨勢與揮發(fā)酸總量的變化趨勢相反，揮發(fā)酸總量的變化是導(dǎo)致pH變化的主要原因，各組的pH均在6.0～6.5之間變化，在丁酸型發(fā)酵最佳pH范圍內(nèi)。

[1]凡廣生,李多松.兩相厭氧消化工藝的研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J].水科學(xué)與工程技術(shù),2006(2):6-7.

[2]任南琪,王愛杰,馬放.產(chǎn)酸發(fā)酵微生物生理生態(tài)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2005:4.

[3]周孟津,張榕林,藺金印.沼氣實(shí)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)出版社,2004:1.

[4]王忠江.牛糞高濃度厭氧水解酸化工藝及特性研究[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[5]劉海慶,李文哲,王忠江.中、高溫酸化兩相厭氧發(fā)酵處理牛糞的試驗(yàn)[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[6]李文哲,王忠江,王麗麗,等.牛糞高濃度水解酸化過程丙酸含量的影響因素研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2008,27(1):363-367.

[7]李建政,任南琪.產(chǎn)酸相最佳發(fā)酵類型工程控制對策[J].中國環(huán)境科學(xué),1998,18(5):398-402.