外源H2全程連續導入沼氣原位純化的實驗研究

陳文佳，程玉娥，樓畢覺，林春綿

(浙江工業大學 環境學院，浙江 杭州，310014)

根據《全國農村沼氣發展“十三五”規劃》測算，中國每年產生農作物秸稈10.4億t，可收集資源量約9億t，約有1.8億t的秸稈未得到有效利用，導致了環境污染和資源浪費[1]。因此將農業生產過程中產生的大量農作物秸稈進行資源化利用產甲烷，是近年來國內外學者研究生物質固廢處理的熱點之一，也是中國目前大力倡導發展的技術之一[2-4]。秸稈發酵可生產沼氣作為能源，又可處理有機廢物以保護環境，經沼氣發酵后的沼渣、沼氣液是優化的有機肥料[5]。沼氣作為一種混合氣體，主要由60%～70%的CH4、30%～40%的CO2組成，CO2作為一種惰性氣體存在于沼氣中，降低了沼氣的熱值和能量密度，嚴重限制了沼氣的用途。

本課題組先前已建立了一套能夠將外源H2連續導入沼氣發酵系統的裝置，初步探索了將不同量的外源H2在發酵穩定期連續地通入厭氧發酵系統對厭氧發酵的影響，初步得到合適的外源H2通入量。本文在之前的基礎上，嘗試在發酵初始階段連續通入不同量的外源H2，并在發酵穩定階段接著通入適量的外源H2進行實驗，探究在發酵全程不同時間點通入不同量的外源H2對發酵體系中各參數的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

使用目前農作物秸稈中占比較大的玉米秸稈，取自河南省開封市杞縣高陽鎮青龍石口村，秸稈的總固體(total solid, TS)為(88.7±0.2)%，揮發性固體(volatile solid, VS)為(82.1±0.4)%，使用前用粉碎機將其粉碎。沼液,取自杭州正興牧業有限公司浙江大學奶業科學研究所實驗牧場，TS為(4.0±0.1)%，VS為(2.4±0.2)%。實驗中所用的藥品均為色譜純試劑。

1.2 實驗裝置及說明

實驗裝置如圖1所示，發酵瓶容積為1 L，工作容積為600 mL。首先向發酵瓶中裝入40.4 g的玉米秸稈和300 mL的新鮮沼液，然后加水稀釋，將工作體積控制為600 mL，總TS控制在(8±0.1)%。用帶有取樣針的橡膠塞蓋子密封發酵瓶，為了將發酵瓶維持在厭氧狀態，需用Ar氣吹掃瓶內殘留的空氣。將發酵瓶放在恒溫水浴鍋中，在高溫(55±1)℃下進行沼氣厭氧發酵。外源H2由鋼瓶提供，經過轉子流量計初步計量和穩定流量后，然后通過蠕動泵調節，最后利用分氣頭(三通)將H2分別均等的輸送到條件相同的發酵瓶里，構成平行實驗。厭氧發酵過程中用無菌注射器吸取發酵液，取樣結束后，向發酵瓶中注入等量的新鮮沼液以補充接種物。另外，提前用皂膜流量計來檢驗蠕動泵的流量。

1-轉子流量計；2-蠕動泵；3-分氣頭；4-注射器；5-取樣針；6-水浴鍋；7-發酵瓶；8-沼氣收集裝置圖1 連續厭氧發酵裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of continuous anaerobic fermentation setup

根據厭氧發酵體系中食氫產甲烷路徑H2與CO2之間的化學計量關系(即1 mol CO2被轉化成CH4需要4 mol H2)，結合預實驗中沼氣和CO2產量的變化，確定發酵初始階段以及發酵穩定階段外源H2的通入量，具體見表1。

為了后續書寫便捷，采用“0/0”表示對照組；用“0/4”、“0/5”表示僅在發酵穩定期通入CO2產生量4、5倍的外源H2量的實驗組；“3/4”、“4/4”表示發酵初始階段通入CO2產生量3、4倍的外源H2量，并在發酵穩定期接著通入CO2產生量4倍H2量的實驗組；“3/5”、“4/5”同理。

表1 不同發酵階段外源H2通入量Table 1 Amount of exogenous H2 introduction at different fermentation stages

注：表中初始階段不通外源H2的實驗組，穩定期從第10天開始計；全程通外源H2的實驗組，穩定期從第11天開始計。“-”表示無。

1.3 分析方法

TS和VS的測定采用干重法；發酵液的pH通過型號為雷磁PHB-4的pH計進行測定；沼氣中CH4、CO2和H2的含量用氣相色譜法(GC-6890N，Agilent Technologies)來測定，采用熱導檢測器(TCD)、TDX-01分析柱和5A分子篩填充柱；用氣相色譜法(GC-6890N，Agilent Technologies)檢測發酵液的VFAs，采用火焰離子化檢測器(FID)、毛細管柱(AT-FFAP)分析柱。

沼氣日產量可以通過每天集氣柜被沼氣頂起的高度與其底面積的乘積獲得。對照組的沼氣可以直接利用該方法計算，實驗組的沼氣中可能會殘留部分外源H2，利用公式(1)對沼氣日產量進行修正[17]。

V′=(1-y)V

(1)

式中：V′—修正后的沼氣產量，mL/L；y—沼氣中殘留的H2體積分數，%；V—修正前的沼氣產量，mL/L。

2 結果與分析

2.1 外源H2通入時間及通入量對產氣的影響

將不同量的外源H2在不同的時間點連續通入厭氧發酵系統中后沼氣總產量和CH4產量變化如表2所示。從表中數據可以看出，當發酵穩定階段通入的外源H2量一定時，隨著發酵初始階段外源H2通入量由0增加到3倍時，沼氣總產量和CH4產量均逐漸增加，而當初始階段外源H2通入量繼續增加到4倍時，沼氣總產量和CH4產量均出現下降的趨勢。其中當外源H2通入量增加到4/5倍時，沼氣總產量降低到29 018.7 mL/L-1，較對照組降低3.5%，而CH4總產量仍略高出對照組10.7%。發酵初始階段通入外源H2對CH4產量的影響比沼氣產氣的影響更大。當發酵初始階段通入外源H2一定，在發酵穩定階段適當增加外源H2通入量，可以達到沼氣和CH4增產的目的。外源H2通入量為3/5倍時取得較好的產氣效果，此時沼氣總產量和CH4總產量分別達36 414.1、18 331.9 mL/L-1，分別高出對照組21.1%、47.4%。

分析原因，發酵初始階段適量的外源H2可以強化同型產乙酸菌自養生長利用H2和CO2合成乙酸，為產甲烷階段提供了直接利用的底物，提高有機物的轉化，從而促進了沼氣產氣，提高了CH4含量[15]。發酵穩定期通入的外源H2主要被氫營養型產甲烷菌利用，將H2與CO2轉化合成CH4。而過量的外源H2通入會使沼液pH升高呈堿性環境，不利于厭氧發酵，也可能因為過量的H2無法被全部消耗，發酵罐內氫分壓過高導致發酵不穩定[19]。因此，發酵全過程通入適量的外源H2較只在發酵穩定期通入外源H2的實驗組沼氣和CH4產量有所提高。而過量的外源H2通入可能會形成不利于發酵的環境，從而導致沼氣產氣和甲烷產量下降。

表2 不同外源H2通入量及通入時間下沼氣總產量和CH4總產量 單位：mL/L

2.2 外源H2通入時間及通入量對沼氣各組分的影響

圖2和圖3分別為該條件下沼氣中CH4、CO2的相對含量隨發酵時間的變化。由圖2和圖3可知，隨著發酵時間的進行，CH4的含量逐漸升高，CO2含量逐漸降低，最后分別趨于穩定。在發酵穩定期通入適量H2能明顯提高CH4相對含量，降低CO2相對含量，與喬瑋等[20]最新研究結果一致。在發酵初始階段也通入外源H2對初始階段的CO2和CH4相對含量無明顯影響，當進入穩定階段后，全程通入外源H2的實驗組的CH4和CO2相對含量比初期不通外源H2的實驗組都有一定的上升和下降，且隨通入H2倍數的增加，效果更明顯。當H2通入量為3/5倍時，平均CO2相對含量較對照組顯著降低，平均CH4相對含量(83.5%)比對照組(63.2%)提高了約32.1%。

a-后期通4倍H2；b-后期通5倍H2圖2 不同外源H2通入量及通入時間下含量的變化Fig.2 The relative content of CH4 at different quantity and time of exogenous H2 supply

a-后期通4倍H2；b-后期通5倍H2圖3 不同外源H2通入量及通入時間下含量的變化Fig.3 The relative content of at different quantity and time of exogenous H2supply

分析原因，這可能是因為向厭氧發酵系統中注入外源H2時，同型產乙酸菌并不能立即起作用，當發酵液中H2水平較高時，同型產乙酸菌以H2和CO2為基質合成乙酸為產甲烷階段做準備[15]。且隨著發酵初始階段外源H2通入量的增加，同型產乙酸菌的作用得到了加強，從而大量消耗H2和CO2合成乙酸為產甲烷提供底物。而同型產乙酸菌發揮作用時并不會抑制食氫產甲烷菌消耗外源H2原位還原CO2。因此發酵全程通入外源H2較僅在發酵穩定期通外源H2可以取得更高的沼氣提純效果。

2.3 外源H2通入時間及通入量對發酵液VFAs和pH的影響

不同外源H2通入量及通入時間下發酵液中VFAs的濃度隨發酵時間的變化以及發酵結束時該條件下發酵液中總VFAs的濃度分別如表3、表4和圖4所示。隨著發酵的進行，發酵底物消耗，VFAs濃度逐漸降低，最后保持在較低水平。相比僅在發酵穩定期通入外源H2，在發酵初始階段也通入適量外源H2使發酵液中的VFAs降解更明顯。而過量的外源H2通入會使VFAs降解出現輕微抑制，導致發酵后期發酵液中乙酸、丙酸和丁酸出現暫時累積，MULAT等[16]也曾報道過相同的結果。

表3 后期通4倍H2發酵液中VFAs濃度隨發酵時間的變化 單位：mg/L

表4 后期通5倍H2發酵液中VFAs濃度隨發酵時間的變化 單位：mg/L

a-后期通4倍H2；b-后期通5倍H2圖4 發酵結束時發酵液中總VFAs濃度Fig.4 The total VFAs concentration in biogas slurry at the end of fermentation

分析原因，可能是適當增加外源H2通入可以刺激同型產乙酸菌利用H2產生乙酸，然后進一步轉化成CH4，從而將VFAs維持在較低水平。而外源H2通入過量時，生成的乙酸來不及被利用而存在于發酵液中，從而被累積。而較高的乙酸水平還可能導致丙酸、丁酸降解受到抑制。

另外通過圖5可知，向厭氧系統中連續通入適量外源H2后，發酵液的pH變化趨勢和對照組一致。在發酵初始階段通入外源H2較不通外源H2的實驗組，在初始階段pH下降更明顯，而隨著發酵的進行，pH上升也更顯著。這可能是因為初始階段外源H2通入可以刺激同型產乙酸菌利用H2產生乙酸，導致丙酸、丁酸降解受到抑制，從而pH降低。而pH升高是因為外源H2的通入，使食氫產甲烷菌處于優勢地位，發酵液中碳酸氫鹽被食氫產甲烷菌大量消耗，以及發酵底物降解過快而得不到及時補充，從而導致pH明顯上升[21]。LUO等也曾報道外源H2的通入導致pH上升至8.3甚至更高，對厭氧發酵產生抑制[22]。對此，ANGELIDAKI實驗組曾采用牛糞與乳清共發酵的方法，控制pH低于8[23]。在發酵結束時外源H2通入量為4/5倍的實驗組pH出現低于其他實驗組的現象，可能與該條件下發酵液中VFAs降解緩慢并出現輕微累積有關。

a-后期通4倍H2；b-后期通5倍H2圖5 發酵液的pH隨發酵時間的變化Fig.5 Variation of pH in biogas slurry during fermentation

3 結論

發酵全過程通入適量的外源H2可以提高沼氣產量，提純效果更優，而過量的外源H2會導致產氣量下降且提純效果提高不明顯。發酵初始階段通入外源H2對CH4產量的影響比沼氣產氣的影響更大。其中外源H2通入量為3/5倍較適宜，沼氣總產量和CH4總產量較高，高出對照組約21.1%、47.1%。同時提純效果也較好，其平均CH4相對含量為83.5%，比對照組提高約32.1%。

厭氧發酵的初始階段通入適量的外源H2，可以加強有機物轉化，促進VFAs降解，過量的外源H2會導致VFAs降解抑制。外源H2通入量為3/5倍時，發酵結束的VFAs低于對照組最明顯；外源H2通入量為4/5倍時，VFAs降解出現輕微抑制。另外，發現通入外源H2會導致發酵液的pH升高。