產酸沼渣再利用稻秸兩級聯合產酸工藝研究

艾 平 田啟歡 席 江 梅自力 晏水平 樊啟洲

(1.華中農業大學工學院， 武漢 430070； 2.農業農村部農村可再生能源開發利用重點實驗室， 成都 610041； 3.杭州能源環境工程有限公司， 杭州 310020)

0 引言

我國是農業大國，近年來，糧食增產的同時秸稈量也同步增長，秸稈綜合利用成為社會關注的熱點問題[1]。農作物秸稈是富含碳氫的生物質資源，利用秸稈產沼氣是一種能源化利用途徑，秸稈厭氧發酵產沼氣在我國已有廣泛應用[2]，但秸稈產沼氣工藝存在降解周期長、原料降解率低、工程投資高及效益低下等問題[3]。而秸稈厭氧發酵產揮發性脂肪酸(VFAs)工藝，因其發酵周期短、經濟效益高等顯著優勢成為秸稈厭氧發酵利用的新方向。

厭氧發酵過程中會產生C1-C5的短鏈脂肪酸或醇類等有價值的中間產品，厭氧產VFAs即通過添加甲烷菌抑制劑，使得產甲烷菌停止作用，VFAs無法被轉換為甲烷，從而可獲得高濃度的乙醇、乙酸、丙酸、丁酸等混合型VFAs[4]。VFAs經過進一步的化工煉制，可制取醇、醚、烯烴、芳烴等化工原料，替代不可再生的化石資源[5]。厭氧產VFAs是一種極具前景的秸稈厭氧發酵新型高值化利用方向。

秸稈厭氧發酵通常需要對秸稈進行預處理，秸稈復雜的木質纖維素交聯結構，導致其在發酵過程中難以被降解，秸稈產沼氣后的沼渣固體總降解率僅40%左右[6]，沼渣中還含有大量未被利用的木質纖維素，若對沼渣進行二次發酵利用，可有效提高秸稈利用率。有關秸稈沼渣的二次發酵利用已有一些研究，其中沼渣二次發酵可采用厭氧發酵、好氧堆肥、乙醇發酵等不同的二次發酵類型。羅艷等[7]利用互花米草一次厭氧發酵后的沼渣進行二次厭氧發酵，結果顯示，二次發酵仍然具有良好的產沼氣特性，產氣量提高80%以上；連淑娟等[8]對玉米秸稈濕式發酵沼渣進行二次干式厭氧發酵，使秸稈降解率提高到70%以上；王殿龍等[9]通過利用稻秸沼渣進行二次乙醇發酵，沼渣的乙醇產率為41 g/kg。目前，尚未見對秸稈產酸沼渣進行二次產酸的相關研究，而秸稈產酸工藝由于發酵周期短、秸稈降解率低等特點，理論上產酸沼渣具有較大的二次產酸利用潛力。

厭氧發酵產沼氣通常采用中溫35℃和高溫55℃的發酵溫度，但產酸菌具有更高的溫度耐受性，65～85℃的超高溫發酵也適用于厭氧產酸，但超高溫度對產酸的影響尚未有統一認識[10-13]。本文以提高稻秸厭氧VFAs產率和木質纖維素降解率為目的，對稻秸經過水熱、稀酸、稀堿等預處理，中溫35℃、高溫55℃、超高溫70℃等不同溫度厭氧產酸后的沼渣進行二次產酸，通過產酸率及過程參數分析，探尋最佳的二次發酵預處理和溫度等條件，為稻秸兩級聯合厭氧發酵產VFAs工藝提供一定的理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 厭氧產酸發酵試驗設計

厭氧產酸發酵采用500 mL血清瓶，有效發酵體積為400 mL，總固體質量分數為10%，干物質接種率10%，發酵周期14 d，均設3組重復。為抑制甲烷的產生，發酵起始階段添加160 μL質量濃度為20 g/L的碘仿乙醇溶液作為甲烷抑制劑。

首先進行一次產酸，水熱、2% HCl溶液、1% Ca(OH)2等3種預處理后的秸稈分別在3種發酵溫度，即中溫35℃、高溫55℃、超高溫70℃等條件下進行厭氧產酸發酵，每組取40 g預處理后秸稈，接種污泥35 g，加入蒸餾水定容至400 mL。然后進行二次產酸，對一次產酸沼渣不再進行預處理，直接用于二次產酸。將產酸結束后的9組稻秸沼渣于105℃干燥箱干燥72 h后待用，根據一次產酸試驗結果分析，在二次產酸時均采用35℃的產酸溫度。每組取20 g稻秸產酸沼渣，加入接種污泥20 g，加入蒸餾水定容至200 mL。

表1 試驗原料特性Tab.1 Composition characteristics of experimental raw materials

1.3 分析方法

總固體質量分數和揮發性固體質量分數采用差重法測量。木質素纖維素含量采用范式法測定(ANKOM A2000i型全自動纖維分析儀，美國)。化學需氧量(Chemical oxygen demand，COD)采用CM-03型便攜式COD測定儀(北京雙暉京承公司)測定。揮發性脂肪酸檢測采用GC9790II型氣相色譜儀(浙江福立公司)檢測，條件為：FID(火焰離子化)檢測器，KB-WAX型毛細管柱，30 m×0.32 mm×0.25 μm，載氣為氬氣和氫氣，進樣口溫度250℃，柱箱溫度80℃，程序升溫，檢測器溫度250℃。碳氮比分析采用Multi N/C 2100型TOC/TN(總有機碳/總氮)分析儀(德國)測定。

2 結果與討論

2.1 厭氧產酸發酵過程參數影響

2.1.1兩級產酸的pH值和可溶性有機物含量

圖1 稻秸兩級產酸發酵液pH值Fig.1 pH values of two-stage fermentation broth with rice straw

產酸細菌的生存pH值范圍很寬，在pH值為3.5～8.0范圍內均可生長，一般認為最適pH值為5.5～7.0。pH值直接影響產酸發酵的代謝速率、生長速率和發酵類型等。一次產酸時，1%Ca(OH)2預處理組受預處理試劑殘留影響，大大高于2% HCl和水熱組初始pH值(圖1)，但隨著VFAs逐步累積使得pH值持續下降，發酵末期pH值可自然下降至5.5～6.5較適宜產酸范圍。

將一次產酸過程和二次產酸過程pH值進行對比，其pH值變化趨勢有較大區別。一次產酸時pH值下降趨勢明顯，但產酸沼渣二次產酸時pH值相對保持穩定，二次產酸的pH值始終在5.5～6.5適宜產酸范圍內變化。一次產酸時水熱組和2%HCl組出現了明顯酸化，產酸末期的pH值降至5.5以下，但在利用一次產酸沼渣進行二次產酸時并沒有發生酸化現象，表明無論是易酸化的水熱和2% HCl預處理組，還是初始pH值較高的1%Ca(OH)2預處理組，在二次產酸都能獲得更為穩定和適宜的發酵液pH值。

圖2 兩級產酸的前期和末期可溶性有機物質量濃度Fig.2 sCOD mass concentrations of two-stage fermentation broth during earlier and later periods

圖3 兩級產酸的揮發性脂肪酸質量濃度Fig.3 VFAs concentrations of two-stage anaerobic fermentation broth

圖2對比了一次產酸和二次產酸的可溶性有機物質量濃度，一次產酸時采用中溫35℃和高溫55℃，則二次產酸時的可溶性有機物質量濃度較一次產酸時明顯增加，如1%Ca(OH)2預處理組在一次產酸溫度分別為35℃和55℃時，二次產酸末期的可溶性有機物質量濃度較一次產酸末期分別提高181.4%和253.4%；一次產酸時采用70℃超高溫發酵，則二次產酸的可溶性有機物質量濃度有所降低，如1%Ca(OH)2預處理組一次產酸時采用70℃超高溫，則二次產酸末期可溶性有機物質量濃度為5.16 g/L，較一次產酸降低28.3%，但依然保持在較高水平。整體上，產酸沼渣在二次產酸時可獲得較高的可溶性有機物質量濃度，這是提高二次產酸量的基礎。

2.1.2兩級產酸的揮發性脂肪酸濃度

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總體而言，二次產酸均較一次產酸有更佳產酸表現。水熱預處理組采用55℃和70℃的一次產酸溫度時，一次產酸所獲得的揮發性脂肪酸濃度較低，但產酸沼渣在二次產酸時揮發性脂肪酸濃度都有較大增長；2%HCl預處理組在一次產酸溫度為35、55、70℃時所得VFAs質量濃度峰值分別為3.13、1.53、0.95 g/L，而其沼渣二次產酸時分別為4.94、4.72、4.94 g/L，二次產酸峰值大幅增長，且各組間差別較小(圖3)。可見，水熱和2%HCl預處理組一次產酸時，溫度較低的35℃產酸更好，但一次產酸率相對較低的55℃和70℃試驗組二次產酸時增長更快，因其一次產酸率低，從而二次產酸時具有更高的可溶性有機物質量濃度和更好的產酸潛力。

1%Ca(OH)2預處理組產酸最佳，但一次產酸時不同溫度差別較大，35℃時VFAs質量濃度峰值為13.63 g/L，遠高于55℃和70℃的4.79 g/L和5.26 g/L，但二次產酸時差別較小，VFAs質量濃度峰值分別為11.58、11.04、11.75 g/L，且二次產酸時間縮短，在第12 天即可達到最大。稀堿預處理能夠引起木質纖維潤脹，結晶度下降，木質素溶解，纖維素和半纖維素分離，是較佳的秸稈產酸預處理方式[14-15]。采用1%Ca(OH)2預處理時，當一次產酸條件不佳使得產酸率較低時，通過二次產酸可使VFAs濃度得到顯著提高。各試驗組揮發性脂肪酸組分均是乙酸和丁酸占總酸質量分數80%以上，呈現顯著的丁酸型發酵類型。

2.2 各預處理組厭氧發酵產酸過程影響

采用產酸率、總固體降解率及木質纖維素組分去除率等參數對一次產酸、二次產酸以及總的兩級聯合產酸進行評價(表2)。其中，一次產酸、二次產酸為單批次發酵，一次產酸以預處理后秸稈為產酸底物、二次產酸以一次產酸沼渣為產酸底物；兩級聯合產酸指將一次、二次產酸聯合起來的兩步總和。一次產酸率、二次產酸率和兩級聯合產酸率均以占原秸稈總固體質量比表示，原秸稈總固體質量以揮發分質量計入。

表2 單級和兩級聯合的產酸率、總固體降解率及木質纖維素組分去除率Tab.2 VFAs yield, VS and lignocellulose content degradation in single and combined fermentations

經過水熱、2%HCl、1%Ca(OH)2等3種預處理后秸稈的木質纖維素組分列于表1。因HCl主要對半纖維素去除有效[16]，則2%HCl預處理后以相對百分比表示的纖維素和木質素質量分數有所升高，如表1所示；同理，因Ca(OH)2對木質素、半纖維素有一定去除作用[17-18]，則1%Ca(OH)2預處理后木質素、半纖維素質量分數明顯降低。秸稈經過預處理會損失一定質量，3種預處理條件下對應的秸稈總固體損失率分別為13.76%、44.32%和21.60%，該數據已在前期研究論文給出[4]。一次產酸時，對3種預處理后秸稈均取相同質量進行產酸發酵，受預處理影響，產酸后秸稈總固體降解率從大到小依次為堿預處理組、酸預處理組、水熱預處理組。

各試驗組中，70℃產酸時秸稈總固體降解率最高，因為提高溫度可促進秸稈水解和消化[19]，但雖然超高溫70℃發酵具有最高總固體降解率，但該溫度下產酸率并沒有凸顯溫度優勢。考察最佳的Ca(OH)2預處理組，一次產酸在35℃時底物產酸率為0.20 g/g，70℃時僅為0.07 g/g；產酸沼渣的二次產酸卻呈現相反趨勢，55℃和70℃組二次產酸的底物產酸率分別為0.22、0.20 g/g，高于35℃的0.19 g/g；綜合考察兩級聯合產酸的總底物產酸率，中溫35℃時獲得最高值0.38 g/g，即Ca(OH)2預處理，兩級產酸均采用35℃時獲得最優產酸率。

采用兩級聯合產酸，促進了秸稈降解，提高了產酸率，大多數水熱和HCl預處理組的總固體降解率均增加到20%以上，Ca(OH)2預處理組的總固體降解率提升到30%以上。兩級聯合產酸通過對產酸沼渣的二次利用使得產酸率大幅增加，水熱組兩級聯合產酸率從一次產酸的0.02～0.06 g/g提升到0.09～0.12 g/g，HCl預處理組從0.02～0.08 g/g增加到0.06～0.14 g/g，最佳的Ca(OH)2組產酸率則從0.07～0.20 g/g提高至0.27～0.38 g/g。

Ca(OH)2預處理組一次產酸時木質素去除率最

高，為63.27%，而二次產酸時則主要是半纖維素的降解，降解率最高達37.15%；HCl預處理組一次產酸時主要為半纖維素大幅度降解，去除率最高為46.50%，二次產酸時木質素降解率幅度相對較大，最高為38.74%；水熱預處理組各組分的降解率在二次產酸時都有明顯提高。Ca(OH)2預處理組較高的原料降解率與其較高的VFAs產率表現相一致。厭氧產VFAs相對于產甲烷來說，一般發酵周期較短，導致秸稈降解不完全，但通過一次發酵微生物降解，有利于加強沼渣在二次產酸時的水解[20-21]，因此采用兩級聯合產酸促進了秸稈降解和揮發性脂肪酸產率提高。

2.3 兩級聯合產酸總質量平衡分析

以100 g原秸稈為基準，Ca(OH)2預處理組在不同溫度條件下的一次產酸、二次產酸之后的稻秸固體質量及組分變化如圖4所示。在單級的一次產酸過程中，稻秸的纖維素、半纖維素和木質素降解并不均衡，通過二次產酸能使得纖維素、半纖維素質量整體下降。

圖4 稻秸厭氧發酵產VFAs過程質量平衡Fig.4 Mass balance of rice straw from anaerobic fermentation to produce VFAs

在最優條件，即Ca(OH)2預處理，35℃兩級產酸時，100 g原秸稈的一次產酸和二次產酸質量較為接近，分別為12.24 g和11.69 g，兩級聯合的總產酸量為23.93 g；在55℃和70℃時，100 g原秸稈的總產酸量分別為19.78 g和16.90 g，其中二次產酸分別占到了總產酸量的70.3%和73.9%，是總產酸量的主要來源。Ca(OH)2預處理在35、55、70℃時采用兩級聯合產酸比一次產酸的產酸量分別提高了95.5%、236.4%、283.2%。

3 結論

(1)一次產酸時各組pH值均為下降趨勢，水熱組和2%HCl組出現了明顯酸化，產酸末期的pH值降至5.5以下，但利用一次產酸沼渣進行二次產酸時并未發生酸化現象，沼渣二次產酸時pH值始終在5.5～6.5適宜產酸范圍內變化，水熱、2%HCl、1%Ca(OH)2等預處理組在二次產酸均能獲得更為穩定和適宜的pH值。

(2)水熱組和2%HCl組在二次產酸時均有更佳產酸表現，二次產酸峰值大幅增長。一次產酸時，水熱組和2%HCl組在35℃產酸溫度較低時產酸更好，但一次產酸表現不佳的55℃和70℃產酸組在二次產酸時VFAs濃度大幅度提高，且二次產酸高峰期提前。1%Ca(OH)2組產酸優于其他兩個預處理組，最高產酸量在35℃產酸溫度條件獲得。各產酸組的乙酸和丁酸占總酸質量分數80%以上，呈現顯著的丁酸型發酵類型。

(3)采用兩級聯合產酸，促進了秸稈降解，提高了總產酸率，最佳的1%Ca(OH)2預處理組總固體降解率提升到30%以上，總產酸率則從一次產酸的0.07～0.20 g/g提高至0.27～0.38 g/g，通過二次產酸能使木質纖維素各組分質量整體下降。以100 g原秸稈計算，1%Ca(OH)2預處理、35℃兩級產酸時，一次產酸和二次產酸量分別為12.24 g和11.69 g，兩級聯合的總產酸量為23.93 g，采用兩級聯合產酸比一次產酸的產酸量提高了95.5%。