生物產酸對木薯酒精廢水發酵聯產氫氣和甲烷的影響

黃正恒，鄭展耀，楊 紅，劉士清，尹 芳，張無敵

（云南師范大學 能源與環境科學學院，云南 昆明 650500）

0 引言

隨著人們對煤、石油、天然氣等化石能源的過度開采，人類面臨著能源危機和環境惡化兩大問題，因此世界各國也在時刻關注新型綠色能源的開發。沼氣是有機物質在厭氧條件下，經過多種厭氧微生物分解代謝所產生的可以燃燒的混合氣體，是有效治理環境的同時而產生的新能源[1]。沼氣開發對于生物質能清潔利用、減少溫室氣體排放具有重要意義[2]。

厭氧消化是處理廢棄物最有效的一項技術，在經濟上和環境上均有較大的優勢。以往的研究顯示:一方面，利用厭氧消化技術處理餐廚垃圾、酒精廢水等易降解的原料時，由于產酸菌的生長速度遠遠超過產甲烷菌的生長速度，會導致過量的揮發性有機酸（VFA）的積累，進而出現產酸的現象，阻礙甲烷的生產；另一方面，在厭氧消化的產酸階段會產生H2，若不能加以回收，就會因較高的氫分壓而抑制甲烷菌的活性，從而導致能源轉化率低的結果[3]～[5]。

為了解決厭氧消化過程中出現的產酸和能源轉化率低的問題，許多學者開展了廢棄物發酵聯產H2和CH4的研究。在厭氧發酵系統中，pH值是影響厭氧發酵過程的重要因素[6]。楊斌以牛糞為原料，通過調節pH值聯合發酵制取H2和CH4，實驗時間為13 d，最終實驗得出以單位質量VS計的產氫率和產甲烷率分別為53.00 mL/g和51.4 8 mL/g，牛糞聯產氫和甲烷的能源轉換率要比單獨產氫、產甲烷發酵分別高18.3 9%和2.3 5%[7]。尹芳利用紫莖澤蘭發酵聯合產氫產甲烷，在厭氧發酵產氫過程中的pH值維持在4.5 ～5.5 ，實驗持續時間為14 d，以單位質量VS計的產氫率和產甲烷率分別為63.6 6 mL/g和175.3 5 mL/g，在紫莖澤蘭厭氧消化過程中先產氫后產甲烷要比先產甲烷后產氫的能源利用效率高出53.1 9%[8]。Chihe Sun在pH值為6.5 左右的條件下，對水熱酸預處理的小球藻和大米渣混合物進行厭氧發酵聯產氫氣和甲烷實驗，144 h的生物產酸過程結果顯示，以單位質量VS計的最大產氫率和產甲烷率分別為223.1 mL/g和141 mL/g，兩階段發酵比單階段發酵的能源轉化率提高了64%，并把原料分解成了更容易被甲烷菌利用的小分子揮發性有機脂肪酸類物質，提高了后續的產甲烷能力[9]。

生物產酸過程也受一些其它外界因素的影響，其中初始pH值的不同，也影響著生物產酸過程中物料的水解和產酸的效率，并導致氫氣和甲烷產量的差異[10]，[11]。本文以木薯酒精廢水為原料，研究不同初始pH值下，生物產酸對木薯酒精廢水厭氧發酵聯產氫氣和甲烷的影響，并對比兩級厭氧消化與單級厭氧消化的能源利用率水平。

1 材料和方法

1.1 原料和接種物

木薯酒精廢水采集自木薯乙醇發酵蒸餾后從中試實驗室蒸發罐底部排出的廢醪液，COD值為46 386 mg/L。實驗用原料是由原廢醪液配水所得。接種活性污泥為污水處理廠脫水活性污泥，經實驗室在室溫情況下厭氧馴化一年獲得。物料特性如表1所示。

表1 木薯酒精廢水與接種污泥的物料特性Table l Comparison of characteristic of material between cassava alcohol wastewater and inoculating sludge

1.2 生物產酸

生物產酸實驗在500 mL發酵罐中進行，每個發酵罐的有效工作體積為400 mL。設置4個實驗組和1個對照組，每組均重復設置3個平行實驗。向每個實驗組發酵罐中加入120 mL經過熱預處理的接種污泥，把接種活性污泥在80℃水浴1 h；加入280 mL的木薯酒精廢水，加水至400 mL。使用3 mol/L的NaOH和HCl溶液，將初始pH值分別調節至7.5±0.2，6.5±0.2，5.5±0.2和4.5 ±0.2 。對照組設置為120 mL接種物和280 mL的自來水。生物產酸過程在36.0 ±0.5 ℃的恒溫水浴中自然發酵一周。實驗開始前，對裝置進行檢漏。實驗中產生的氣體從發酵罐的頂部空間釋放，收集在帶刻度的氣體收集器中，然后每隔預定的時間記錄產氣量和氫氣含量[12]。

1.3 厭氧消化

實驗組用生物產酸后的上清液作為底物，對照組用不經過生物產酸的木薯酒精廢水為底物，分別轉移到500 mL玻璃發酵罐中，作為厭氧消化過程的底物。實驗組內含280 mL原料和120 mL接種污泥。對照組內含120 mL接種污泥和280 m L自來水。直接厭氧消化實驗（DAD）使用3 mol/L的NaOH和HCl溶液將初始pH值調節至7.5±0.1，實驗組不調節pH值。實驗組和對照組均置于36.0 ±0.5 ℃的水浴中。

1.4 分析方法

使用PHS-3C型pH計測定進水和出水的pH值變化。

使用福立GC9790Ⅱ型氣相色譜儀測定氣體成分，Porapak Q不銹鋼填充柱，柱溫80℃；以氮氣為載氣，流速為30 mL/min；進樣室溫度為80℃；檢測室熱導檢測器（TCD）的檢測室溫度為120℃；橋電流為120 mA。

使用福立GC9790Ⅱ型氣相色譜儀測定揮發性有機酸，色譜柱為30 mm×0.25 mm×0.25μm的熔融硅膠毛細管色譜；以高純氮氣作載氣，氣體流速為30 mL/min；進樣方式為分流進樣，分流比為10∶1，空氣和氫氣流速分別為400 mL/min和30 mL/min。

使用哈希COD maxⅡ在線測定儀測定進水和出水的COD。

采用苯酚-硫酸法測定碳水化合物[13]。用DNS比色法測定還原糖[1]。

1.5 計算方法

生物產酸率（BAR）為發酵完成后揮發性有機酸（VFA）的總量與初始生物質的比值。比產氫氣量和比產甲烷量是指單位體積或單位干重的微生物，在任何特定廢水有機物中產生氫氣和甲烷的能力。

使用改進的Modified Gompertz方程模擬比產氫量和比產甲烷量[14]。

式中:y（t）為時間t時的最大比產氣量，當t→∞時，y（t）→a，有Hm=a為最大比產氣量，mL；Rm為最大比產氣速率，mL/d，Rm=a·c/e；λ為發酵滯留時間，λ=（b-1）/c，d。

數據處理過程中，利用origin軟件對參數a，b，c進行擬合，然后轉換為Hm，Rm，λ的值。

利用門捷列夫公式計算出木薯酒精廢水的熱值Q，kJ/g[15]。利用式（3）計算生物產酸和厭氧消化完成后的能源利用效率[8]。

式中:Q為熱值；C，H，O，S分別為各元素的MLVSS百分比；E為能源利用效率，%；V為實驗測定的氣體體積，mL；m為原料干物質質量。

2 結果與討論

2.1 不同初始pH值對生物產酸的影響

2.1.1 有機物變化情況

有機物的變化如表2所示。

表2 生物產酸和制氫過程中有機物的降解和可溶性代謝產物的產生Table 2 Degradation of organic compounds and production of soluble metabolites in bioacidification and hydrogen production

由表2可知，對木薯酒精廢水進行直接厭氧消化（DAD）對照組進行了16 h產氫過程。在此過程中，碳水化合物從23.31 mg/mL降低至10.05 mg/mL，還原糖從1.57 mg/mL降低至0.95 mg/mL，說明在制氫過程中微生物對糖類有所利用。揮發性有機酸出現明顯的積累，從285 mg/L到2 536 mg/L，其中丁酸含量最多，為1 499.15 mg/L。因此該產氫類型為丁酸型，pH值從7.35降低至5.7。

在pH值為7.5，6.5，5.5，4.5的初始條件下，進行168 h的生物產酸實驗，各實驗組生物制氫過程分別進行了32，32，32，24 h。在生物產酸過程中，各有機物質和揮發性有機酸均有不同程度的降解和積累。從制氫結束到生物產酸期間，碳水化合物、還原糖、TS，VS，COD也會有所降解，但是程度較小。此期間各實驗組揮發性有機酸會進一步積累，從751.01～1 564.78 mg/L增加至2 917.05～7 252.49 mg/L；其中，丁酸含量減少，乙酸、丙酸的含量有所增加，pH值也有不同程度的降低。在生物產酸過程中，產氫不能持續進行的原因，一是蛋白質水解產生的氨基酸被利用，而氨基酸產氫量較低；二是在產氫結束到生物產酸期間，各實驗組丙酸含量明顯增加，由85.41～471.27 mg/L增加至167.97～1 690.88 mg/L，丙酸含量增加可能是因為消耗氫氣所致。由表2可以看出，在生物產酸實驗中，在初始pH值為7.5，6.5，5.5和4.5條件下，產酸率（BAR）分別為52.70%，53.13%，43.98%和35.21%。

2.1.2 生物制氫

①比產氫量和比產氫率

圖1、圖2展示出了直接厭氧消化（DAD）的對照組和初始pH值為7.5，6.5，5.5，4.5的生物產酸各實驗組木薯酒精廢水厭氧發酵產氫隨時間的變化趨勢。

圖1 比產氫量隨發酵時間的變化趨勢Fig.1 Trends of specific hydrogen yield with fermentation time

圖2 比產氫率隨發酵時間的變化趨勢Fig.2 Trends of specific hydrogen yield rate with fermentation time

接種物經過熱處理的實驗組，發酵周期要長于接種物未預處理的DAD對照組，說明經過熱處理的接種污泥，有效地抑制了甲烷菌的活性，而未經過預處理的接種污泥會因為甲烷菌的存在，導致產氫提前結束。初始pH值為7.5和6.5實驗組的比產氫率呈一直下降的趨勢，在第4 h達到最大值，以單位質量的MLVSS計，分別為13 mL/（g·h）和11.11 mL/（g·h）。初始pH值為5.5，4.5的實驗組和DAD對照組的比產氫率呈先上升后下降的趨勢，分別在第8，12 h及12 h達到最大值，以單位質量的MLVSS計，分別為5.31，3.47，8.77 mL/（g·h）。這說明初始pH值和接種物的處理，影響著產氫菌群對有機物的利用速率。以單位質量MLVSS計，初始pH值為6.5的實驗組的最高比產氫量為96.44 mL/（g·h），比產氫率為13.00 mL/（g·h）。在初始pH值為4.5的情況下，比產氫量和比產氫率要低于其它實驗組。

結合表2可以看出，各實驗組的比產氫量排列為6.5＞7.5＞5.5＞DAD＞4.5。這主要是因為木薯酒精廢水中懸浮固體較多，較高的pH值能夠進一步水解原料中的懸浮固體，使產氫菌利用的糖類物質增多，因此會導致產氫量和發酵料液中的揮發性有機酸的增加。由表2也可以看出，生物制氫過程中，初始pH值7.5，6.5，5.5，4.5實驗組的揮發性有機酸的濃度分別為5 372.73，5 260.37，3 204.10，1 381.30 mg/L。然而，在高pH值下，同型乙酸的存在，會把氫氣和二氧化碳轉化為乙酸。由表2還可以看出，在總VFA大致相同情況下，初始pH值為7.5實驗組的乙酸含量（1 564.78 mg/L）高于初始pH值為6.5實驗組的乙酸含量（1 152.71 mg/L）。這也是導致7.5實驗組比6.5實驗組的比產氫量低的原因。

②氫氣含量

用氣相色譜法對各實驗組進行檢測，7.5，6.5，5.5 ，4.5 等4個實驗組只觀察到氫氣和二氧化碳，DAD實驗組除了二氧化碳和氫氣之外，還觀察到了少量的甲烷（圖3）。

圖3 氫氣含量隨發酵時間變化的曲線圖Fig.3 The curve of hydrogen content with fermentation time

由圖3可以看出，pH值為7.5，6.5，5.5，4.5的實驗組的平均氫氣含量要高于DAD對照組。這主要是因為生物產酸中各實驗組的接種污泥都經過熱處理，產氫菌種可以得到很好的富集。pH值為7.5 ，6.5 ，5.5 ，4.5 的實驗組和DAD對照組的產氫量 分 別 在 第4，4，4，16，4 h達 到 最 大 值，為26.4 47 1%，27.5 54 2%，27.2 49 3%，22.7 01 6%和19.4 70 4%。隨著大量的糖類物質被消耗以及丙酸含量的增加，產氫逐漸結束，氫氣含量逐漸下降。

2.2 厭氧消化產甲烷

2.2.1 比產甲烷量和比產甲烷率

在生物產酸期間，微生物菌群會把蛋白質、纖維素等物質，進一步降解成更容易被甲烷菌利用的小分子有機酸，因此產酸率的高低影響后續產甲烷的趨勢，并且會進一步影響發酵周期。圖4、圖5分別為比產甲烷量和比產甲烷率隨發酵時間的變化趨勢。

圖4 比產甲烷量隨發酵時間的變化趨勢Fig.4 Trends of specific methane yield with fermentation time

圖5 比產甲烷率隨發酵時間的變化趨勢Fig.5 Trends of specific methane yield rate with fermentation time

由表2和圖4可知，初始pH值為6.5的實驗組的BAR最高（53.13%），進而獲得了最大的比產甲烷量為197.06 mL/g（以單位質量的MLVSS計）。其它實驗組比產甲烷量的排序為7.5（176.1 mL/g）＞5.5（155.14 mL/g）＞DAD（150.1 mL/g）＞4.5（146.12 mL/g），說明在初始pH值為5.5～7.5條件下對原料進行生物產酸，更有利于提高甲烷的產量。在初始pH值為4.5時，微生物并不能對原料進行更有效的降解，致使比甲烷產量較低。在0～72 h，DAD對照組的比產甲烷量和比產甲烷速率高于生物產酸的各實驗組。這可能因為在實驗開始階段，系統內未調節pH值，導致甲烷菌還未適應其中的環境，因此其比產甲烷量和比產甲烷速率較低；在72 h以后，隨著產甲烷菌對環境的適應，比產甲烷量和比產甲烷速率迅速地增加。

由圖5可見，初始pH值為7.5和6.5的兩個實驗組與其它實驗組不同，比產甲烷率的趨勢呈“N”型。這是因為在生物產酸過程中這兩個實驗組的VFA積累較多，在隨后的產甲烷過程中，產酸菌的生長速度快于產甲烷菌，造成VFA進一步積累，對產甲烷菌有所抑制，而導致比產甲烷率呈下降趨勢。隨著產甲烷菌對環境的適應，比產甲烷率快速升高，生物產酸初始pH值為7.5，6.5，5.5，4.5 的各實驗組在120 h后，以單位質量MLVSS計的比產甲烷率達到最大值，分別為11.2 3，1.3 7，1.1 5，1.0 mL/（g·h）；DAD對照組比產甲烷率在24 h達到最大值，即1.1 3 mL/（g·h）。隨著發酵結束，比產甲烷率逐漸下降。

2.2.2 甲烷含量

圖6為甲烷含量隨發酵時間的變化趨勢。由圖6可知，各生物產酸實驗組的甲烷含量峰值出現時間要早于DAD對照組；初始pH值7.5，6.5，5.5 ，4.5 和DAD實驗組的最大甲烷含量分別為54.2 5%，61.8 7%，55.3 4%，53.8 4%和55.8 8%；其中，初始pH值6.5 實驗組的甲烷含量最高，其次為DAD對照組。雖然DAD對照組的最大甲烷含量要高于初始pH值7.5 ，6.5 ，5.5 實驗組，但是平均甲烷含量低于其它各實驗組。

圖6 甲烷含量隨發酵時間的變化曲線圖Fig.6 The curve of methane content following with fermentation time

2.3 動力學參數

利用以上所得數據及式（1），對比產氫量和比產甲烷量進行擬合，獲得動力參數最大比產氣量、最大比產氣速率和滯留時間（表3）。

表3 生物產酸產氫和厭氧消化產甲烷動力學參數比較Table 3 Comparison of kinetic parameters between acetogenic H2-production and anaerobic CH4-production

由表3可知，對比產氫量和比產甲烷量進行擬合，相關系數均在0.9以上，擬合程度較高。在生物制氫階段，最大比產氫量排序為6.5（90.63 mL/g）＞7.5（76.87 mL/g）＞5.5（58.66 mL/g）＞DAD（51.89 mL/g）＞4.5（31.87 mL/g）（以單位質量的MLVSS計）。擬合結果與本實驗數據的誤差分別僅為6.02%，5.0%，1.13%，0.21%，3.77%。擬合的最大比產氫速率的排序為6.5＞DAD＞7.5＞5.5＞4.5。本實驗所得數據的最大比產氫速率為7.5＞DAD，造成誤差的原因是前期產氫趨勢不穩定而造成曲線擬合得不準確。經過熱處理的接種污泥在初始pH值7.5，6.5實驗組的滯留時間較短，pH值5.5 ，4.5 實驗組的發酵滯留期較長。在厭氧消化產甲烷過程中，最大比產甲烷量的排序為6.5（199.3 3 mL/g）＞7.5 （177.0 4 mL/g）＞5.5 （156.2 6 mL/g）＞DAD（154.7 5 mL/g）＞4.5 （148.0 6 mL/g）（以單位質量的MLVSS計），與本實驗的誤差分別僅為1.1 4%，0.5 3%，0.7 2%，3.0 %，1.3 1%；擬合的最大比產甲烷速率排序為7.5 ＞6.5 ＞5.5 ＞4.5 ＞DAD，而實驗所得數據為DAD＞4.5。這是因為在實驗過程中，調節DAD對照組pH值而造成的實驗誤差所致。DAD對照組的發酵滯留期最短，其次為初始pH值為6.5 ，7.5 ，5.5 ，4.5 實驗組。

2.4 能源轉化效率

由實驗數據所得的累計產氫量和累計產甲烷量如表4所示。根據式（2），已知氫氣的熱值為12.8 60 J/mL，甲烷的熱值為35.8 22 J/mL，計算出木薯酒精廢水的熱值為14 700 J/g。根據式（3）計算出各實驗組能源轉化率，如圖7所示。

表4 各實驗組累計產氫量和累計產甲烷量Table 4 The column of cumulative hydrogen production and methane production

圖7 厭氧發酵產氫氣和甲烷過程中的能源利用率Fig.7 The Energy efficiency rate in the anaerobic process of H2-production CH4-production

由圖7可知，在產氫過程中，實驗組7.5，6.5，5.5 ，4.5 及DAD對照組的能源利用率分別為8.7 7%，10.4 5%，6.4 3%，3.5 9%，5.6 1%?？梢?，在生物厭氧發酵制氫過程中，微生物對原料的利用率不高，導致能源利用率較低。在隨后的產甲烷過程中，實驗組7.5，6.5，5.5，4.5及DAD對照組的能源利用率分別為53.17%，59.49%，46.83%，44.12%，45.3 2%，比產氫過程中的能源利用率有了明顯的提高。在氫氣和甲烷聯產過程中，實驗組7.5 ，6.5 ，5.5 ，4.5 及DAD對照組的總能源利用率分別為61.9 4%，69.9 4%，53.2 6%，47.7 1%，50.9 3%?？梢钥闯?，在初始pH值為5.5 ～7.5 時，對原料進行生物產酸168 h后再進行厭氧消化實驗，比直接厭氧消化實驗的能源利用率都有一定程度的提高，最多可提高19.0 1%；在初始pH值4.5 情況下，會影響微生物對原料的利用，進而導致能源利用率下降。

3 結論

在生物產酸過程中，各實驗組的VFA都有不同程度的積累，其中產氫類型為丁酸型，初始pH值對生物產酸率有著顯著的影響。初始pH值為4.5 ，5.5 ，6.5 ，7.5 實 驗 組 的 生 物 產 酸 率 分 別 為35.2 1%，43.9 8%，53.1 3%，52.7 0%，其中初始pH值為6.5 的產酸率最高。這種現象進一步影響后續發酵產甲烷的性能。

利用Modified Gompertz模型分析木薯酒精廢水各實驗組厭氧發酵過程中的比產氫量和比產甲烷量，顯示出較好的相關性。在生物制氫階段，最大比產氫量排序為6.5＞7.5＞5.5＞DAD＞4.5。在厭氧消化產甲烷過程中，最大比產甲烷量的排序為6.5 ＞7.5 ＞5.5 ＞DAD＞4.5 。初始pH值為6.5 實驗組的比產氫量和產甲烷量最大，分別為90.6 3 mL/g和199.3 3 mL/g。

木薯酒精廢水聯產氫氣和甲烷的兩級厭氧消化實驗中，初始pH值為7.5，6.5，5.5，4.5實驗組和DAD對照組中的能源轉換效率分別為61.9 4%，69.9 4%，53.2 6%，47.7 1%，50.9 3%。其中，初始pH值為6.5 實驗組的兩級厭氧消化的能源轉化率最高，比直接厭氧消化提高了19.0 1%。