农作物秸秆两相厌氧发酵工艺研究进展

　　农作物秸秆能源化利用技术是缓解当今我国面临的“粮食、能源、环境”三大危机的有效途径之一，厌氧发酵技术作为生物质能主要利用技术已广受关注。厌氧发酵技术可分为单相厌氧发酵技术、两相厌氧发酵技术、混合厌氧发酵技术。单相厌氧发酵的整个发酵过程在同一个反应器内进行，工艺简单，能够有效处理总固体含量为20%～40%的有机固体废物，比利时的dranco 工艺，丹麦的 Carbro工艺和法国的 Valorga 工艺等，都是已经实现工程化应用的单相厌氧发酵工艺[1]。两相厌氧发酵工艺中的产酸阶段和产甲烷阶段是2 个独立的处理单元，各自形成产酸发酵微生物和产甲烷微生物的最佳生态条件，使其分别发挥最大的代谢能力，避免了传统的单相厌氧发酵工艺中微生物之间和代谢产物对微生物的抑制作用，从而使整个工艺达到最好的处理效果[2]~[5]。本文介绍了近年来国内外秸秆两相厌氧发酵工艺的研究进展，主要从秸秆原料的预处理、 水解酸化工艺条件的控制和两相厌氧发酵工艺设备等3 个方面进行说明。
1 秸秆原料的预处理
　　秸秆中的有机成分以纤维素、半纤维素为主，其次为木质素、蛋白质、氨基酸、树脂、单宁等[6]。
　　秸秆中的木质素包裹在纤维素和半纤维素的表面，阻碍了酶和微生物与纤维素、半纤维素的充分接触，因此，纤维素和半纤维素的水解就成为秸秆类原料生物降解的限制步骤[7]。因此，在进行厌氧发酵之前，必须对农作物秸秆进行预处理。常用的预处理方法包括物理处理法、化学处理法和生物处理法。
　　物理处理法主要是指采用切碎、研磨等机械方法或采用热处理的方法改变秸秆的外部形态或内部结构。切碎和研磨都能破坏植物的纤维素构造，增大原料中纤维素和木质素与微生物的接触面积，有利于水解反应的进行[8]。研磨比切碎更有利于破坏秸秆中的木质素结构，因此一般认为研磨比切碎效果更好。Zhang Ruihong 在利用稻草发酵产沼气的研究过程中，比较了切碎和研磨这2种预处理方法对产气率的影响，结果表明，切碎和研磨都能提高秸秆的产气率，但是切碎与未切碎相比，产气速率和产气潜能变化不明显，而研磨和切碎在相同的颗粒度（2.5 mm）情况下，研磨的产气率比切碎提高了12.2%[9]。蒸汽爆裂法是热处理方法的一种，这种方法是利用饱和蒸汽处理原料，然后突然减压，造成纤维晶体爆裂，起到分离木质素的作用[7]，[10]。Chen Hongzhang 研究了蒸汽爆裂法处理麦草秸秆对厌氧发酵效果的影响，结果表明，汽爆麦草发酵后料液中的 TS 和 VS 含量分别比未处理的麦草降低了57.5%和62.1%，纤维素和半纤维素的降解率也有显著提高，分别为63.0%和67.4%，但木质素的降解率变化不大，为5%左右[11]。
　　化学处理法主要是利用酸或碱对原料进行预处理，破坏细胞壁中半纤维素与木质素形成的共价键，从而达到提高秸秆消化率的目的[12]。碱液中的 OH-能削弱纤维素和半纤维素之间的氢键，皂化半纤维素和木质素之间的酯键，分离半纤维素和木质素的醚键，溶解半纤维素，从而有利于酶和纤维素的接触。周俊虎在利用稻草发酵产氢的研究中，将稻草浸泡在12%的 NaOH溶液中，在70℃下持续浸泡4 h，处理结果表明，NaOH预处理可以去除稻草中大部分木质素，使纤维素和半纤维素质量分数均有所提高，经过酶解后糖化率可达80.19%[13]。酸处理主要是利用稀酸将秸秆原料中的半纤维素部分溶解，以达到使原料结构疏松的目的。宋安东在研究化学预处理方法对玉米秸秆酶解糖化效果的影响时发现，采用0.5%的稀盐酸在121 ℃下预处理40 目玉米秸秆粉60 min，然后进行酶解糖化试验，发现玉米秸秆的纤维素和半纤维素转化率达到了80.8%[14]。化学处理法还包括湿式氧化处理工艺，该工艺是在高温、高压及碱性条件下对原料进行预处理，使原料中的半纤维素和木质素充分溶解、分离和降解，剩余的固体物质——纤维素则更容易被纤维素酶水解成可发酵性糖。侯霖采用湿式氧化法对玉米秸秆进行预处理时发现，在处理温度为170℃，Na2CO3 用量为2 g，预处理时间为8 min 条件下，玉米秸秆的纤维素得率为75.6%，预处理后原料酶解率达82.5%[15]。
　　生物处理法就是在人工控制条件下，利用一些细菌、真菌等微生物的发酵作用来处理秸秆。杨玉楠在利用白腐菌预处理秸秆发酵产甲烷的研究中发现，稻草秸秆的结构受到破坏，木质素含量降低，大大缩短了厌氧发酵周期，提高了甲烷转化效率[16]。他们在室温下用白腐菌预处理20d，厌氧发酵15d，测得甲烷转化率为47.63%，继续发酵10d，甲烷转化率则高达58.74%；在39 ℃的温度下预处理10d，发酵5d，甲烷转化率可以达到53.3%。李连华利用秸秆预处理菌剂处理稻草秸秆，先将秸秆粉碎，再加入70%的水，1.5%的碳酸氢铵，5%的秸秆预处理菌剂，预处理5d 后，测得秸秆总固体含量为26.68%，挥发性固体含量为21.35%[17]。

2 水解酸化工艺参数的控制
　　在两相厌氧发酵系统的运行过程中，产酸细菌与产甲烷细菌在物理、 化学和生物性状上都会出现显著差异。产酸细菌主要为兼性厌氧菌，对氧的适应性很强；产甲烷细菌为严格厌氧细菌，对氧的反应敏感。此外，它们所适应的 pH和 Eh 范围以及所能耐受的 VFA 浓度都不同（表1）[18]。
表1 产酸相与产甲烷相的差异

　　pH值、温度、底物组成、TS 等因素对产酸相和产甲烷相的稳定运行有着重要的影响。传统观点认为厌氧生物处理的限速步骤是产甲烷阶段，但是产酸相对系统的稳定运行也起着关键的作用[19]，产酸相的产物组成对产甲烷相产甲烷的效率有很大影响，对产生甲烷的底物进行分析，结果表明，28%的甲烷来自氢的氧化和二氧化碳的还原，72%的甲烷来自乙酸的裂解[20]。产甲烷菌对不同有机酸的利用率有很大的差别，研究表明，产甲烷菌在反应器相同位置对混合有机酸降解的转化速率依次为乙酸>乙醇>丁酸>丙酸，以乙醇和乙酸为主要末端产物的产酸相乙醇型发酵有利于产甲烷相功能的发挥，乙醇型发酵是充分发挥两相厌氧发酵系统功能的最佳发酵类型[21]。
　　pH值对微生物水解酸化过程有着重要的影响，何品晶、张波分别研究了 pH值对有机垃圾和厨余垃圾水解酸化速率的影响，他们发现发酵液在 pH值为7 时最有利于微生物的合成代谢，水解酸化产物中乳酸浓度相对较低，VFA 中以丁酸和乙酸为主，丙酸很少[22]，[23]。pH值为7 时，不但可以提高水解酸化效率，而且为后续产甲烷过程提供了更有利的基质，从而优化了两相厌氧消化工艺。何品晶还发现对 pH值不加以控制会严重抑制水解和酸化的过程[23]。张波研究了3 种 pH值调节方法（利用 NaOH溶液调节初始进料 pH值，利用 NaOH和 Ca（OH）2 混合碱液每12 h 调节1 次pH值，利用 C/N 调节 pH值）对厨余垃圾两相厌氧发酵中水解和酸化过程的影响，发现利用 C/N来调节 pH值能够取得更高的水解酸化效率，一级水解速率常数可达到0.199/d，VFA 浓度在试验的第3 天即可达到35 g/L，发酵产物中乳酸在试验的第2 天即达到高峰浓度24 g/L，后逐渐下降到6 g/L，并且 VFA 组分中丙酸的浓度较低[24]。刘振玲[25]研究了 pH值，TS 和 C/N 对食品废弃物厌氧消化产乙酸的影响，结果表明，pH值为6.5，TS含量为7%，C/N 为16∶1 时，总 VFA 的最高浓度为31.56 g/L，乙酸的最高浓度为19.46 g/L。
　　温度也是影响两相厌氧发酵过程的重要因素，较小范围的温度变化也会对发酵过程产生较大的影响。赵杰红研究了温度对厨余垃圾两相厌氧发酵中水解和酸化过程的影响，发现在温度低于37 ℃范围内水解率和酸化率均随温度升高而增加，在37 ℃时 VFA 浓度最高，为34.4 g/L。温度超过37 ℃后，酸化率下降而水解率继续增加，在50 ℃时水解率最高，为82%。VFA 中以甲酸和乙酸为主，并有少量丙酸和丁酸产生，乳酸浓度一直较高。故通过试验确定了厨余垃圾水解酸化过程的最优温度条件为37 ℃[26]。李连华研究了秸秆在中温、高温及环温条件下的生物气产量、发酵液中乙酸浓度及产气中甲烷含量的变化情况，比较了不同条件下 TS 和 VS 的去除率及产气率[17]。研究发现，温度越高,在相同的时间内，原料的分解速度也就越快，产气量也越高。不过，高温发酵须要消耗更多的能量，从而会导致能量投入产出效益较低。环温发酵不须要供给能量，但其产气量受外界环境温度影响较大，中温发酵不需要或需要较少的能量供给，因此是较理想的厌氧发酵温度。吴振兴在秸秆两相厌氧发酵产酸相发酵工艺研究中，通过正交实验研究了 pH值、反应温度、底物浓度对水稻秸秆厌氧发酵产酸效果的影响，结果表明，最佳的发酵条件为 pH值为7.0，温度为35℃，底物浓度为30 g/L[2]。
3 两相厌氧发酵工艺反应器
　　两相厌氧发酵既可以在2 个独立的反应器中进行，也可以在一个反应器的2 个反应区内完成。图1 为 E.R. Vieitez 和 S. Ghosh 在厌氧处理有机固体废物过程中采用的两相发酵工艺试验装置[27]。

图１E.R. Vieitez 和 S. Ghosh采用的两相发酵试验装置图
　　这个装置主要由一个填充模拟固体废弃物 （密度为160 kg/m3）的固定床反应器和一个产甲烷反应器组成，在运行过程中，将固定床反应器的滤出液导入产甲烷反应器中，产甲烷过程完成后，再将其出水回流到产酸反应器中。试验结果表明，该两相厌氧反应器能够稳定运行，并且能将高浓度固体有机物的30%转化为甲烷。

　刘广青在进行批式与两相高温厌氧发酵厨余垃圾和杂草废弃物的对比研究时，使用了如图2所示的两相厌氧发酵装置，该装置的反应器用有机玻璃制成，主体结构为圆柱型[28]，[29]。固体床反应器（水解酸化反应器）内径12 cm，有效容积1 L；填料序批式反应器（甲烷化反应器）内径16 cm，有效容积2.2 L。固体床反应器顶部设置出气口和回流液进口，底部设置渗滤液出口和采样口。渗滤液从4 个固体床中流入渗滤液收集箱，然后被泵入甲烷化反应器，等量的渗滤液再回流至固体床，如此循环运行。固体床反应器每3d 进1 次料,每次进料97 g（以 VS 计），12d 为1 个发酵周期。渗滤液每天回流6 次，每次回流量为70 mL。结果表明，利用两相厌氧固体床反应系统处理厨余垃圾和杂草废弃物的混合物时，在12d 的消化时间内，沼气和甲烷产率分别为530 ml/g 和351 ml/g，系统的 TS 和 VS 去除率分别为78%和82%。他们认为该两相厌氧固体床反应系统负荷高、 产气稳定、周期短，是处理固态有机废物的有效方法。

图２两相厌氧发酵产沼气装置
　　针对原料流动性差的特点，Chanakya 设计了固相床层厌氧反应器，即在一个反应器内形成产酸区和产甲烷区来实现两相发酵（图3）[30],[31]。该反应器的工作原理：在反应器的下部培养一个以生物质为填料的富含产甲烷微生物的填料床，在反应器的上部添加固态原料，然后将少量渗滤液喷淋在这些原料上，原料发生酸化反应，产生的VFA 随渗滤液向下进入到产甲烷反应区，完成产甲烷过程。由于采用固相发酵，所以这种反应器既能利用新鲜的生物质原料，又能处理干生物质原料，而且不会产生原料上浮、结壳问题。该反应器的另一大优点是反应液循环流动，所以液体只占反应器总容积的一小部分（5%～10%），反应器容积利用率较高。

图３固相分层床反应器
４结束语
　　两相厌氧发酵工艺中的产酸相和产甲烷相分别为产酸菌和产甲烷菌提供了最佳的生理生态环境，因此具有比单相厌氧发酵工艺更高的处理能力和处理效率，系统的抗冲击能力和稳定性也好于单相系统。但两相厌氧发酵系统结构复杂，运行成本高，成为推广两相厌氧发酵系统的主要障碍。
　　本文对秸秆两相厌氧发酵技术中的原料预处理、水解酸化工艺参数的控制和两相厌氧发酵反应器这3 个方面进行了阐述。在以后的研究中，应重点关注高效、经济的秸秆预处理方法；选取水解酸化阶段和产甲烷阶段的最佳反应条件，提高水解酸化产物中乙酸的含量和产甲烷阶段中甲烷的产量和含量；在秸秆中掺混厨余垃圾、动物粪便等富含氮素的有机垃圾，加快其降解速率，减轻环境压力，降低生产成本；开发结构简单、操作方便的反应器，降低设备的制造成本和运行成本。如能在以上关键技术上获得突破，农作物秸秆的两相厌氧发酵工艺将会有广阔的应用前景。
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