CaO預處理青稞稈厭氧暗發(fā)酵實驗設計與暗發(fā)酵性能分析

＊袁海榮 李秀金 左曉宇

（北京化工大學 化學化工學院 北京 100029）

隨著我國經濟地快速發(fā)展和生活水平的不斷提高，我國有機固體廢物的產生量也呈逐年上升趨勢。2021年，我國城市生活垃圾的產生量為2.49億噸，農作物秸稈超過8億噸[1]。如何使這些有機固體廢物得到資源化和能源化利用，對改善我國生態(tài)環(huán)境和調整能源結構都具有非常重要的指導意義。厭氧消化技術是《固體廢物處理與資源化》課程中處理有機廢物最有效的處理技術之一，也是我國實現(xiàn)“雙碳目標”的重要技術途徑[2]。

厭氧消化是一個復雜的生物化學過程，涉及的理論和影響因素有很多[3]，導致學生理解起來非常困難。為了鞏固基礎理論知識，在理論教學之后針對本科生安排了相關的科學小實驗—厭氧消化實驗。以往的厭氧消化實驗是將有機固體廢物轉化成沼氣，這一過程持續(xù)時間30～40d，對于課業(yè)比較繁重的大三學生來說，這個實驗周期過長，不利于學生快速鞏固所學專業(yè)知識。

因此，將傳統(tǒng)的厭氧消化產沼氣實驗設計成厭氧暗發(fā)酵產氫產酸性能實驗，將30～40d的厭氧消化周期縮短至7～10d，這可大大縮短實驗周期，學生可在兩周內完成實驗，具體實驗設計及數(shù)據(jù)分析如下。

1.實驗設計

實驗前，先提前準備好實驗原料和接種物，以及所用實驗耗材等。

(1)實驗原料

實驗采用青稞稈作為原料，取自西藏拉薩達孜縣，風干后用閘刀剪切至3～5cm的片段，再使用粉碎機粉碎至20目干燥保存?zhèn)溆谩＝臃N物為牛糞，取自北京金銀島牧場。青稞稈和接種物的基本性質如表1所示。

表1 原料基本性質

(2)實驗裝置

暗發(fā)酵試驗裝置主要由恒溫水箱、100mL的封口瓶、500mL和1000mL的藍蓋瓶、橡膠塞和水槽組成。首先指導學生按照圖1所示的樣子連接好實驗裝置，各部分之間由玻璃泡和乳膠管連接。其中100mL的封口瓶和500mL藍蓋瓶作為暗發(fā)酵實驗的反應器，1000mL藍蓋瓶和水槽連接作為500mL藍蓋瓶排水集氣裝置。實驗前進行氣密性檢驗，將厭氧消化反應器置于35℃±1℃的恒溫水浴反應器中進行中溫厭氧消化。

圖1 暗發(fā)酵實驗裝置示意圖

(3)實驗操作過程

首先對青稞稈進行預處理，根據(jù)前期研究結果[4]，對青稞稈進行沼液和CaO聯(lián)合預處理48h。并讓學生明確預處理秸稈的目的、意義及操作方法。CaO的添加量為青稞稈總固體含量（TS）的0%（空白對照組）、2%、4%、6%和8%（表2），然后加入牛糞的液體部分調節(jié)預處理系統(tǒng)的含固率至30%，放入35℃恒溫箱預處理48h。將20g TS預處理后的青稞稈放入500mL的藍蓋瓶中，然后按照物料:接種物5:1（揮發(fā)性固體含量，VS）的接種比加入接種物（牛糞的固體部分），最后再添加相應質量的去離子水將系統(tǒng)含固率調至10%，同時設置只添加沼液和接種物組用來去除背景值，每組設置三平行。對青稞稈暗發(fā)酵過程中每日氣體含量和產氣量、pH和總揮發(fā)性脂肪酸（TVFA）濃度進行測定，實驗結束后測定出料氨氮和堿度等性質。通過這些指標來評價青稞稈暗發(fā)酵過程中的產氣性能、產酸性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性。暗發(fā)酵實驗時間定為7d。

表2 CaO添加量實驗設計表

(4)分析方法

用排水集氣法記錄每天所產氣體的量，并用氣相色譜儀（島津GC-2014）測量氣體含量。樣品的TS和VS采用國標法進行測定。堿度和氨氮含量分別采用溴甲酚綠-甲基紅指示劑滴定和HI83206高精度試驗室多參數(shù)測定儀進行測定。pH值、TVFA和分別采用pH計、氣相色譜儀（島津GC-2014）進行測定。采用Excel 2019軟件進行統(tǒng)計分析和圖表繪制。

2.暗發(fā)酵性能分析

評價暗發(fā)酵性能的指標包括產酸性能、產氣性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面。對暗發(fā)酵性能分析目的是讓學生掌握實驗數(shù)據(jù)處理方法及數(shù)據(jù)分析方法，學會畫圖表的同時，學會對圖表數(shù)據(jù)進行描述和對實驗現(xiàn)象進行分析。

(1)產酸性能

青稞稈暗發(fā)酵過程中TVFA濃度變化如圖2所示。在暗發(fā)酵過程中，不同實驗組TVFA濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，所有實驗組中的最大TVFA濃度均出現(xiàn)在第6～7d見圖2（a）。添加CaO后TVFA濃度比對照組均有所提高。6% CaO預處理組在暗發(fā)酵第6d獲得最高的TVFA濃度，其值為18241mg/L，比對照組提高了56.1%。由揮發(fā)性脂肪酸（VFA）中各組分占TVFA的百分比可以判斷出青稞稈的暗發(fā)酵類型[5]。由圖2（b）可以看出，所有實驗組都是乙酸占比最高，可達41.2%～95.4%。6% CaO預處理組在整個暗發(fā)酵過程中丁酸和乙酸占TVFA的75.6%～86.9%，因此，丁酸型發(fā)酵占據(jù)主導地位，而對照組和2% CaO預處理組中丙酸占比較高。可見添加適量的CaO可以促使青稞稈發(fā)酵類型向丁酸型發(fā)酵轉變。研究發(fā)現(xiàn)乙酸和丁酸更容易被產甲烷菌利用[6]，所以這一發(fā)酵類型的轉變對后續(xù)產甲烷階段提高甲烷產量具有促進作用。

圖2 TVFA濃度變化

(2)產氣性能

為了使學生掌握暗發(fā)酵產氣性能的分析方法，先對產氣性能圖進行總體趨勢的描述，然后再進行產氣性能對比。如圖3所示，在青稞稈暗發(fā)酵過程中，不同實驗組日產氣高峰主要集中在前2d見圖3（a），其中2% CaO和4% CaO預處理組日產氣高峰出現(xiàn)在第1d，出峰時間比其它實驗組提前了1d。2% CaO、4% CaO和6% CaO預處理組最高日產氣峰值相近，分別為18.5 mL/gVS、19.9mL/gVS和18.1mL/gVS，比對照組日產氣峰值高出72%～89.5%。在整個暗發(fā)酵階段，不同實驗組的累積產氣量主要集中在前3d見圖3（b），從第4d開始累積產氣量增加不明顯。6% CaO預處理組累積產氣量最高，為35.9mL/gVS，分別比其它實驗組高出了18.9%～54.1%。從H2含量來看，最大H2含量出現(xiàn)在第1～3d見圖3（c），為5.4%～11.2%。和累積產氣量變化趨勢相似，累積產氫量主要集中在前2d見圖3（d）。最大累積產氫量出現(xiàn)在4% CaO預處理組，分別比2% CaO、6% CaO、8% CaO和對照組累積產氫量提高了23.8%、116.7%、188.9%和225.0%。

圖3 預處理后青稞稈產氣性能

(3)系統(tǒng)穩(wěn)定性

pH值、氨氮和堿度是評價厭氧發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要參數(shù)。由圖4的pH變化趨勢可知，添加不同劑量的CaO對青稞稈預處理后，不同實驗組的pH值在前2d變化非常明顯，從8.76～11.2快速降到6.18～6.90，從第3d開始，pH值維持在5.72～6.03。由于產氫最佳的pH范圍是5.5～5.7[7]，而本實驗中暗發(fā)酵系統(tǒng)的pH均不在最佳產氫pH范圍，所以，雖然添加CaO預處理后累積產氫量比對照組有明顯提高，但總體來說累積產氫量還有較大提高空間。暗發(fā)酵結束后不同實驗組的氨氮和堿度如表3所示，不同實驗組的氨氮濃度為309～437mg/L，遠低于氨氮的抑制范圍4000mg/L[8]，這說明暗發(fā)酵系統(tǒng)沒有受到氨氮的抑制。同時，不同實驗組的堿度為5750～9417mg/L，經不同添加量CaO預處理后的暗發(fā)酵系統(tǒng)的堿度均高于對照組，這說明CaO預處理青稞稈有利于提高暗發(fā)酵系統(tǒng)的緩沖能力，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 不同實驗組暗發(fā)酵過程中pH變化

表3 不同實驗組出料的氨氮和堿度

3.結論

從青稞稈暗發(fā)酵實驗結果來看，用不同劑量的CaO預處理青稞稈均可以明顯提高暗發(fā)酵性能。整個暗發(fā)酵過程中，6% CaO預處理實驗組TVFA和累積產氣量均為最佳，而最高累積產氫量出現(xiàn)在4% CaO預處理組。雖然整個過程中實際獲得的累積產氫量與理論產氫量還有較大差距，但學生們在此過程中學會了實驗操作、數(shù)據(jù)作圖及實驗數(shù)據(jù)分析等技能，使學生鞏固了所學專業(yè)知識的同時，還廣泛培養(yǎng)了本科生對科學研究的濃厚興趣。