農作物秸稈兩相厭氧發酵工藝研究進展

　　農作物秸稈能源化利用技術是緩解當今我國面臨的“糧食、能源、環境”三大危機的有效途徑之一，厭氧發酵技術作為生物質能主要利用技術已廣受關注。厭氧發酵技術可分為單相厭氧發酵技術、兩相厭氧發酵技術、混合厭氧發酵技術。單相厭氧發酵的整個發酵過程在同一個反應器內進行，工藝簡單，能夠有效處理總固體含量為20%～40%的有機固體廢物，比利時的dranco 工藝，丹麥的 Carbro工藝和法國的 Valorga 工藝等，都是已經實現工程化應用的單相厭氧發酵工藝[1]。兩相厭氧發酵工藝中的產酸階段和產甲烷階段是2 個獨立的處理單元，各自形成產酸發酵微生物和產甲烷微生物的最佳生態條件，使其分別發揮最大的代謝能力，避免了傳統的單相厭氧發酵工藝中微生物之間和代謝產物對微生物的抑制作用，從而使整個工藝達到最好的處理效果[2]~[5]。本文介紹了近年來國內外秸稈兩相厭氧發酵工藝的研究進展，主要從秸稈原料的預處理、 水解酸化工藝條件的控制和兩相厭氧發酵工藝設備等3 個方面進行說明。
1 秸稈原料的預處理
　　秸稈中的有機成分以纖維素、半纖維素為主，其次為木質素、蛋白質、氨基酸、樹脂、單寧等[6]。
　　秸稈中的木質素包裹在纖維素和半纖維素的表面，阻礙了酶和微生物與纖維素、半纖維素的充分接觸，因此，纖維素和半纖維素的水解就成為秸稈類原料生物降解的限制步驟[7]。因此，在進行厭氧發酵之前，必須對農作物秸稈進行預處理。常用的預處理方法包括物理處理法、化學處理法和生物處理法。
　　物理處理法主要是指采用切碎、研磨等機械方法或采用熱處理的方法改變秸稈的外部形態或內部結構。切碎和研磨都能破壞植物的纖維素構造，增大原料中纖維素和木質素與微生物的接觸面積，有利于水解反應的進行[8]。研磨比切碎更有利于破壞秸稈中的木質素結構，因此一般認為研磨比切碎效果更好。Zhang Ruihong 在利用稻草發酵產沼氣的研究過程中，比較了切碎和研磨這2種預處理方法對產氣率的影響，結果表明，切碎和研磨都能提高秸稈的產氣率，但是切碎與未切碎相比，產氣速率和產氣潛能變化不明顯，而研磨和切碎在相同的顆粒度（2.5 mm）情況下，研磨的產氣率比切碎提高了12.2%[9]。蒸汽爆裂法是熱處理方法的一種，這種方法是利用飽和蒸汽處理原料，然后突然減壓，造成纖維晶體爆裂，起到分離木質素的作用[7]，[10]。Chen Hongzhang 研究了蒸汽爆裂法處理麥草秸稈對厭氧發酵效果的影響，結果表明，汽爆麥草發酵后料液中的 TS 和 VS 含量分別比未處理的麥草降低了57.5%和62.1%，纖維素和半纖維素的降解率也有顯著提高，分別為63.0%和67.4%，但木質素的降解率變化不大，為5%左右[11]。
　　化學處理法主要是利用酸或堿對原料進行預處理，破壞細胞壁中半纖維素與木質素形成的共價鍵，從而達到提高秸稈消化率的目的[12]。堿液中的 OH-能削弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵，皂化半纖維素和木質素之間的酯鍵，分離半纖維素和木質素的醚鍵，溶解半纖維素，從而有利于酶和纖維素的接觸。周俊虎在利用稻草發酵產氫的研究中，將稻草浸泡在12%的 NaOH溶液中，在70℃下持續浸泡4 h，處理結果表明，NaOH預處理可以去除稻草中大部分木質素，使纖維素和半纖維素質量分數均有所提高，經過酶解后糖化率可達80.19%[13]。酸處理主要是利用稀酸將秸稈原料中的半纖維素部分溶解，以達到使原料結構疏松的目的。宋安東在研究化學預處理方法對玉米秸稈酶解糖化效果的影響時發現，采用0.5%的稀鹽酸在121 ℃下預處理40 目玉米秸稈粉60 min，然后進行酶解糖化試驗，發現玉米秸稈的纖維素和半纖維素轉化率達到了80.8%[14]。化學處理法還包括濕式氧化處理工藝，該工藝是在高溫、高壓及堿性條件下對原料進行預處理，使原料中的半纖維素和木質素充分溶解、分離和降解，剩余的固體物質——纖維素則更容易被纖維素酶水解成可發酵性糖。侯霖采用濕式氧化法對玉米秸稈進行預處理時發現，在處理溫度為170℃，Na2CO3 用量為2 g，預處理時間為8 min 條件下，玉米秸稈的纖維素得率為75.6%，預處理后原料酶解率達82.5%[15]。
　　生物處理法就是在人工控制條件下，利用一些細菌、真菌等微生物的發酵作用來處理秸稈。楊玉楠在利用白腐菌預處理秸稈發酵產甲烷的研究中發現，稻草秸稈的結構受到破壞，木質素含量降低，大大縮短了厭氧發酵周期，提高了甲烷轉化效率[16]。他們在室溫下用白腐菌預處理20d，厭氧發酵15d，測得甲烷轉化率為47.63%，繼續發酵10d，甲烷轉化率則高達58.74%；在39 ℃的溫度下預處理10d，發酵5d，甲烷轉化率可以達到53.3%。李連華利用秸稈預處理菌劑處理稻草秸稈，先將秸稈粉碎，再加入70%的水，1.5%的碳酸氫銨，5%的秸稈預處理菌劑，預處理5d 后，測得秸稈總固體含量為26.68%，揮發性固體含量為21.35%[17]。

2 水解酸化工藝參數的控制
　　在兩相厭氧發酵系統的運行過程中，產酸細菌與產甲烷細菌在物理、 化學和生物性狀上都會出現顯著差異。產酸細菌主要為兼性厭氧菌，對氧的適應性很強；產甲烷細菌為嚴格厭氧細菌，對氧的反應敏感。此外，它們所適應的 pH和 Eh 范圍以及所能耐受的 VFA 濃度都不同（表1）[18]。
表1 產酸相與產甲烷相的差異

　　pH值、溫度、底物組成、TS 等因素對產酸相和產甲烷相的穩定運行有著重要的影響。傳統觀點認為厭氧生物處理的限速步驟是產甲烷階段，但是產酸相對系統的穩定運行也起著關鍵的作用[19]，產酸相的產物組成對產甲烷相產甲烷的效率有很大影響，對產生甲烷的底物進行分析，結果表明，28%的甲烷來自氫的氧化和二氧化碳的還原，72%的甲烷來自乙酸的裂解[20]。產甲烷菌對不同有機酸的利用率有很大的差別，研究表明，產甲烷菌在反應器相同位置對混合有機酸降解的轉化速率依次為乙酸>乙醇>丁酸>丙酸，以乙醇和乙酸為主要末端產物的產酸相乙醇型發酵有利于產甲烷相功能的發揮，乙醇型發酵是充分發揮兩相厭氧發酵系統功能的最佳發酵類型[21]。
　　pH值對微生物水解酸化過程有著重要的影響，何品晶、張波分別研究了 pH值對有機垃圾和廚余垃圾水解酸化速率的影響，他們發現發酵液在 pH值為7 時最有利于微生物的合成代謝，水解酸化產物中乳酸濃度相對較低，VFA 中以丁酸和乙酸為主，丙酸很少[22]，[23]。pH值為7 時，不但可以提高水解酸化效率，而且為后續產甲烷過程提供了更有利的基質，從而優化了兩相厭氧消化工藝。何品晶還發現對 pH值不加以控制會嚴重抑制水解和酸化的過程[23]。張波研究了3 種 pH值調節方法（利用 NaOH溶液調節初始進料 pH值，利用 NaOH和 Ca（OH）2 混合堿液每12 h 調節1 次pH值，利用 C/N 調節 pH值）對廚余垃圾兩相厭氧發酵中水解和酸化過程的影響，發現利用 C/N來調節 pH值能夠取得更高的水解酸化效率，一級水解速率常數可達到0.199/d，VFA 濃度在試驗的第3 天即可達到35 g/L，發酵產物中乳酸在試驗的第2 天即達到高峰濃度24 g/L，后逐漸下降到6 g/L，并且 VFA 組分中丙酸的濃度較低[24]。劉振玲[25]研究了 pH值，TS 和 C/N 對食品廢棄物厭氧消化產乙酸的影響，結果表明，pH值為6.5，TS含量為7%，C/N 為16∶1 時，總 VFA 的最高濃度為31.56 g/L，乙酸的最高濃度為19.46 g/L。
　　溫度也是影響兩相厭氧發酵過程的重要因素，較小范圍的溫度變化也會對發酵過程產生較大的影響。趙杰紅研究了溫度對廚余垃圾兩相厭氧發酵中水解和酸化過程的影響，發現在溫度低于37 ℃范圍內水解率和酸化率均隨溫度升高而增加，在37 ℃時 VFA 濃度最高，為34.4 g/L。溫度超過37 ℃后，酸化率下降而水解率繼續增加，在50 ℃時水解率最高，為82%。VFA 中以甲酸和乙酸為主，并有少量丙酸和丁酸產生，乳酸濃度一直較高。故通過試驗確定了廚余垃圾水解酸化過程的最優溫度條件為37 ℃[26]。李連華研究了秸稈在中溫、高溫及環溫條件下的生物氣產量、發酵液中乙酸濃度及產氣中甲烷含量的變化情況，比較了不同條件下 TS 和 VS 的去除率及產氣率[17]。研究發現，溫度越高,在相同的時間內，原料的分解速度也就越快，產氣量也越高。不過，高溫發酵須要消耗更多的能量，從而會導致能量投入產出效益較低。環溫發酵不須要供給能量，但其產氣量受外界環境溫度影響較大，中溫發酵不需要或需要較少的能量供給，因此是較理想的厭氧發酵溫度。吳振興在秸稈兩相厭氧發酵產酸相發酵工藝研究中，通過正交實驗研究了 pH值、反應溫度、底物濃度對水稻秸稈厭氧發酵產酸效果的影響，結果表明，最佳的發酵條件為 pH值為7.0，溫度為35℃，底物濃度為30 g/L[2]。
3 兩相厭氧發酵工藝反應器
　　兩相厭氧發酵既可以在2 個獨立的反應器中進行，也可以在一個反應器的2 個反應區內完成。圖1 為 E.R. Vieitez 和 S. Ghosh 在厭氧處理有機固體廢物過程中采用的兩相發酵工藝試驗裝置[27]。

圖１E.R. Vieitez 和 S. Ghosh采用的兩相發酵試驗裝置圖
　　這個裝置主要由一個填充模擬固體廢棄物 （密度為160 kg/m3）的固定床反應器和一個產甲烷反應器組成，在運行過程中，將固定床反應器的濾出液導入產甲烷反應器中，產甲烷過程完成后，再將其出水回流到產酸反應器中。試驗結果表明，該兩相厭氧反應器能夠穩定運行，并且能將高濃度固體有機物的30%轉化為甲烷。

　劉廣青在進行批式與兩相高溫厭氧發酵廚余垃圾和雜草廢棄物的對比研究時，使用了如圖2所示的兩相厭氧發酵裝置，該裝置的反應器用有機玻璃制成，主體結構為圓柱型[28]，[29]。固體床反應器（水解酸化反應器）內徑12 cm，有效容積1 L；填料序批式反應器（甲烷化反應器）內徑16 cm，有效容積2.2 L。固體床反應器頂部設置出氣口和回流液進口，底部設置滲濾液出口和采樣口。滲濾液從4 個固體床中流入滲濾液收集箱，然后被泵入甲烷化反應器，等量的滲濾液再回流至固體床，如此循環運行。固體床反應器每3d 進1 次料,每次進料97 g（以 VS 計），12d 為1 個發酵周期。滲濾液每天回流6 次，每次回流量為70 mL。結果表明，利用兩相厭氧固體床反應系統處理廚余垃圾和雜草廢棄物的混合物時，在12d 的消化時間內，沼氣和甲烷產率分別為530 ml/g 和351 ml/g，系統的 TS 和 VS 去除率分別為78%和82%。他們認為該兩相厭氧固體床反應系統負荷高、 產氣穩定、周期短，是處理固態有機廢物的有效方法。

圖２兩相厭氧發酵產沼氣裝置
　　針對原料流動性差的特點，Chanakya 設計了固相床層厭氧反應器，即在一個反應器內形成產酸區和產甲烷區來實現兩相發酵（圖3）[30],[31]。該反應器的工作原理：在反應器的下部培養一個以生物質為填料的富含產甲烷微生物的填料床，在反應器的上部添加固態原料，然后將少量滲濾液噴淋在這些原料上，原料發生酸化反應，產生的VFA 隨滲濾液向下進入到產甲烷反應區，完成產甲烷過程。由于采用固相發酵，所以這種反應器既能利用新鮮的生物質原料，又能處理干生物質原料，而且不會產生原料上浮、結殼問題。該反應器的另一大優點是反應液循環流動，所以液體只占反應器總容積的一小部分（5%～10%），反應器容積利用率較高。

圖３固相分層床反應器
４結束語
　　兩相厭氧發酵工藝中的產酸相和產甲烷相分別為產酸菌和產甲烷菌提供了最佳的生理生態環境，因此具有比單相厭氧發酵工藝更高的處理能力和處理效率，系統的抗沖擊能力和穩定性也好于單相系統。但兩相厭氧發酵系統結構復雜，運行成本高，成為推廣兩相厭氧發酵系統的主要障礙。
　　本文對秸稈兩相厭氧發酵技術中的原料預處理、水解酸化工藝參數的控制和兩相厭氧發酵反應器這3 個方面進行了闡述。在以后的研究中，應重點關注高效、經濟的秸稈預處理方法；選取水解酸化階段和產甲烷階段的最佳反應條件，提高水解酸化產物中乙酸的含量和產甲烷階段中甲烷的產量和含量；在秸稈中摻混廚余垃圾、動物糞便等富含氮素的有機垃圾，加快其降解速率，減輕環境壓力，降低生產成本；開發結構簡單、操作方便的反應器，降低設備的制造成本和運行成本。如能在以上關鍵技術上獲得突破，農作物秸稈的兩相厭氧發酵工藝將會有廣闊的應用前景。
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