發(fā)酵底物和發(fā)酵工藝對(duì)沼液中揮發(fā)性有機(jī)酸的影響

發(fā)酵底物和發(fā)酵工藝對(duì)沼液中揮發(fā)性有機(jī)酸的影響施建偉;雷國明;李玉英;王弋;趙光騫;馬曉;馮果淌淵明【摘要】為了揭示農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的沼氣發(fā)酵機(jī)制，于2009年11月對(duì)北京市和南陽市2個(gè)不同生態(tài)區(qū)不同發(fā)酵底物和不同發(fā)酵工藝的沼液采集樣品，采用GC-MS質(zhì)譜儀檢測(cè)沼液中揮發(fā)性有機(jī)酸的種類和含量.結(jié)果顯示，沼氣發(fā)酵過程中底物和發(fā)酵工藝不同產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)酸種類和含量均有差異，陸營村沼氣池中有機(jī)酸含量比留民營村的偏低，乙酸分別為1.86~15.16mg/L、0.35~172.10mg/L,丙酸分別為0.61~10.27mg/L、9.22~11.05mg/L;留民營村比陸營村多檢測(cè)到2種有機(jī)酸，分別為丁酸、戊酸，其含量分別為0.18~0.88mg/L和0.03mg/L.說明了沼氣發(fā)酵底物和發(fā)酵工藝對(duì)發(fā)酵過程中揮發(fā)性有機(jī)酸的種類和含量均有影響.％Inordertorevealthefermentationmechanismofagriculturalwastes,biogasslurryfromdifferentrawmaterialsanddifferentfermentationprocesswassampledintwodifferentecologicalzonesinthecitesofBeijingandNanyanginNovember2009.Thetypeandconcentrationofvolatileorganicacid(VFA)wereanalyzedwithGC-MSmassspectrometer.TheresultsshowedthatthecontentofVFAinthedigesterofLuyingvillagewaslowerthanthatinthedigesterofLiumi-nyingvillage.ThecontentsofaceticacidandpropionicacidinthebiogasslurryofLuyingvillagewere1.86-15.16mg/Land0.61-10.27mg/L,respectively,whichwere0.35-172.10mg/Land9.22-11.05mg/LforLiuminyingvillage,respectively.Inaddition,butanoicacidandpen-tanoicacidinthebiogasslurryofLiuminyingvillagecouldbedetected,thecontentsofwhichwere0.18-0.88mg/Land0.03mg/L,respectively.Therefore,thetypeandcontentofVFAinbiogasslurrywereaffectedbybothrawmaterialsandfermentationprocess.【期刊名稱】《河南農(nóng)業(yè)科學(xué)》【年(卷)，期】2013(042)003【總頁數(shù)】4頁(P55-58)【關(guān)鍵詞】沼氣發(fā)酵;發(fā)酵底物;揮發(fā)性有機(jī)酸【作者】施建偉;雷國明;李玉英;王弋;趙光騫;馬曉;馮果淌淵明【作者單位】南陽市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，河南南陽473000【正文語種】中文【中圖分類】TK6沼氣發(fā)酵(biogasfermentation)又稱厭氧消化(anaerobicdigestion)，是指各種有機(jī)物在厭氧條件下被各類沼氣發(fā)酵微生物分解轉(zhuǎn)化，最終生成沼氣的過程。其產(chǎn)品是沼氣和一些醇類、甘油等發(fā)酵殘留物。厭氧消化反應(yīng)是一個(gè)生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，一般可分3個(gè)階段：第一階段是水解階段，將不可溶復(fù)合有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可溶化合物；第二階段是產(chǎn)酸階段，可溶化合物再轉(zhuǎn)化成短鏈酸與乙醇；第三階段是產(chǎn)甲烷階段，上述產(chǎn)物再經(jīng)產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化成為以CH4與CO2為主的可燃性混合氣體，即沼氣。沼氣池中的不同有機(jī)酸對(duì)沼氣發(fā)酵的影響是有差異的，發(fā)酵物料的酸化是大量有機(jī)酸積累的結(jié)果，其實(shí)質(zhì)是發(fā)酵性細(xì)菌將可溶性物質(zhì)如可溶性糖類、肽、氨基酸和脂肪酸等分解轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸、丁酸等的反應(yīng)與甲烷菌利用這些酸的反應(yīng)的平衡被破壞，即產(chǎn)生的酸量大于被利用的有機(jī)酸量，因而造成發(fā)酵物料的酸化［1-2］。有關(guān)底物、沼氣池的生態(tài)區(qū)、池容及反應(yīng)器工藝對(duì)沼液有機(jī)酸種類的影響鮮見報(bào)道。為此，通過對(duì)不同生態(tài)區(qū)不同底物原料和不同工藝產(chǎn)生的沼液中揮發(fā)性有機(jī)酸進(jìn)行分析，揭示利用農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物產(chǎn)生沼氣的發(fā)酵機(jī)制，旨在提高沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣效率，降低生產(chǎn)成本。1材料和方法1.1樣品采集試驗(yàn)始于2009年11月，從北京市和南陽市兩地采集樣品。從北京市大興區(qū)留民營村生態(tài)農(nóng)場(chǎng)沼氣集中供應(yīng)站采集的樣品有：①中溫池（約100m3，采用上流式工藝，30~35^，發(fā)酵底物為雞糞）沼氣發(fā)酵池內(nèi)沼液為M1,取樣前1d抽出的沼液為M2，沼液貯存池內(nèi)的沼液為M3:②高溫池（約500m3，采用太陽能循環(huán)加熱和推流式工藝，50~55°C，發(fā)酵底物為雞糞）沼氣發(fā)酵池內(nèi)沼液為L(zhǎng)H1,出沼液管道內(nèi)的沼液為L(zhǎng)H2，進(jìn)料樣品為L(zhǎng)1。從北京市密云縣十里堡鎮(zhèn)水泉村〃四位一體”沼氣池（發(fā)酵底物為豬糞）采集的樣品有：沼氣發(fā)酵池內(nèi)沼液為MC,進(jìn)料樣品為MJ。從河南省南陽市陸營村秸稈沼氣集中供應(yīng)站采集的樣品有：麥稈沼氣池沼液上、中、下3層樣品分別為J11、J12和J13，進(jìn)料樣品為J1J；玉米稈沼氣池沼液上、中、下3層樣品分別為J21、J22和J23;牛糞便沼氣池沼液上、中、下3層樣品分別為F1、F2和F3，進(jìn)料樣品為FJ。此外，采用陸營戶用糞便（豬糞）沼氣池進(jìn)、出口樣品，分別為HJ和HC。1.2參數(shù)測(cè)定1.2.1沼液中總固體（TS）和揮發(fā)性總固體（VS）的測(cè)定采用烘干法測(cè)定［1］。1.2.2pH值的測(cè)定采用PHS-3EpH計(jì)測(cè)定。1.2.3揮發(fā)性有機(jī)酸的測(cè)定有機(jī)酸種類及含量采用島津QP2010型氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）儀測(cè)定。1.2.3.1測(cè)定條件分析柱為CP-Chirasil-DexCB(25mx0.25mm)毛細(xì)管柱，柱箱溫度60°C(1min)-100°C,1°C/min-195°C(2min),15°C/min,共15min;進(jìn)樣口溫度190C;檢測(cè)器溫度230C;載氣He(60kPa);流量34mL/min;分流比1/22;監(jiān)測(cè)器電壓1.5kV，進(jìn)樣量1pLo1.2.3.2測(cè)定方法將沼液于800r/min,4C離心10min，再將上清液過濾(孔徑為0.2pm)，取1pL進(jìn)樣。測(cè)定的數(shù)據(jù)利用NIST數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定性分析。并根據(jù)出峰物的定性分析結(jié)果，配制相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)樣品的稀釋液作為標(biāo)準(zhǔn)物進(jìn)樣，用于該物質(zhì)的定量分析。2結(jié)果與分析2.1不同發(fā)酵底物對(duì)沼液中揮發(fā)性有機(jī)酸的影響由表1可知，乙酸、丙酸和甘油在陸營和留民營村發(fā)酵池中均被檢出，其中陸營村沼氣池中乙酸的含量偏低(1.86~15.16mg/L)，而留民營村為0.35~172.10mg/L。丙酸含量趨勢(shì)同乙酸，留民營村的偏高(9.22~11.05mg/L),而陸營村的為0.61~10.27mg/L。水泉村發(fā)酵池中未檢測(cè)到有機(jī)酸。留民營村比陸營村多檢測(cè)到2種有機(jī)酸，分別為丁酸、戊酸，其含量分別為0.18~0.88mg/L和0.03mg/L。上述結(jié)果說明，在沼氣發(fā)酵過程中各階段產(chǎn)生有機(jī)酸類型以及數(shù)量是不同的：在產(chǎn)酸階段，可溶性的有機(jī)物被大量、多種發(fā)酵菌轉(zhuǎn)化為以揮發(fā)性有機(jī)脂肪酸為主的中間產(chǎn)物，主要有乙酸、丙酸、丁酸、乳酸以及乙醇等有機(jī)物；在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段，產(chǎn)酸階段的產(chǎn)物被產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌(OHPA菌)轉(zhuǎn)化為乙酸、H2和CO2，乙酸大量產(chǎn)生；在產(chǎn)甲烷階段，起主導(dǎo)作用的產(chǎn)甲烷菌將乙酸、H2、碳酸、甲酸和甲醇等轉(zhuǎn)化為CH4、CO2和新的細(xì)胞質(zhì)，消耗大量的有機(jī)酸。在厭氧發(fā)酵的3個(gè)階段所得到的有機(jī)酸種類不同，含量也不相同，從而說明發(fā)酵底物對(duì)沼液揮發(fā)性有機(jī)酸的產(chǎn)生有一定的影響。2.2不同發(fā)酵底物對(duì)沼液理化性質(zhì)的影響由于厭氧消化的主要目的之一在于降解有機(jī)物，使之達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其中TS與VS是厭氧消化的2個(gè)重要指標(biāo)。通過TS/VS可以看出有機(jī)物在沼氣池里的消化程度。在沼氣發(fā)酵過程中TS/VS隨時(shí)間的變化反映了有機(jī)物降解規(guī)律。由表2可以看出，陸營村沼氣發(fā)酵中發(fā)酵中期J22、J23的TS/VS較大，保持在3.14。厭氧發(fā)酵不同于傳統(tǒng)的發(fā)酵，厭氧發(fā)酵中有機(jī)物利用率比較高，不同的底物在發(fā)酵過程中對(duì)所得的產(chǎn)物有一定影響，對(duì)所得產(chǎn)物的理化性質(zhì)也有一定的影響。由表2還可以看到，pH值的變化幅度不是很明顯。其中留民營村發(fā)酵液的pH值偏高，在6.80~8.00，而陸營村發(fā)酵液的pH值幾乎沒有什么差異。沼氣發(fā)酵過程中3個(gè)階段是瞬時(shí)連續(xù)發(fā)生的，在單相厭氧發(fā)酵反應(yīng)中，3個(gè)階段在同一個(gè)沼氣池中同時(shí)進(jìn)行，并保持著一定的動(dòng)態(tài)平衡，這種動(dòng)態(tài)平衡很容易因受pH值、溫度、有機(jī)負(fù)荷等外界因素的影響而遭受破壞。平衡一旦被打壞，首先使產(chǎn)甲烷階段受到抑制，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致低脂肪酸的積累和厭氧消化的異常變化，甚至引起整個(gè)厭氧消化過程停滯［3-4］。表1不同底物發(fā)酵產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)酸的種類及含量注：-代表未檢測(cè)到有機(jī)酸。取樣地點(diǎn)發(fā)酵底物樣品有機(jī)酸名稱含量/(mg/L)取樣地點(diǎn)發(fā)酵底物樣品有機(jī)酸名稱含量/(mg/L)陸營村麥秸J(rèn)11乙酸15.16留民營村雞糞M1乙酸1.25J12乙酸13.57M2乙酸1.12丙酸2.67甘油0.35丙酸2.56甘油1.09J13乙酸5.51LH1乙酸0.52甘油2.04M3甘油26.25丙酸0.61丙酸0.18J1J乙酸13.20戊酸9.22甘油0.74丁酸0.03丙酸2.35甘油1.32玉米秸J(rèn)21--丙酸2.03甘油1.61LH2乙酸11.05J22乙酸6.50丁酸0.88丙酸2.17甘油172.10J23丙酸1.95丙酸11.11甘油3.05L1乙酸11.02甘油3.05甘油1.46牛糞F1--水泉村豬糞MJ--F2甘油8.76MC--F3乙酸2.87FJ乙酸5.67甘油1.86丙酸8.76豬糞HJ甘油10.27甘油1.272.84HC甘油表2沼氣發(fā)酵液中TS、VS及pH值地點(diǎn)樣品TS/(g/L)取樣VS/(g/L)TS/VSpH取樣地點(diǎn)樣品TS/(g/L)VS/(g/L)TS/VSpH陸營村J110.260.122.176.98留民營村M14.261.432.987.50J120.320.142.296.85M20.490.242.047.80J130.340.152.276.92M30.430.212.057.80J1J0.340.152.277.11LH14.011.602.518.00J210.210.073.007.11LH25.892.162.738.00J220.220.073.147.12L12.301.471.566.80J230.220.073.147.16水泉村MJ2.180.02109.007.00F10.260.102.607.29MC1.930.0632.177.10F20.250.112.277.23F30.350.152.336.96FJ0.290.112.647.05HJ0.340.142.437.22HC0.610.282.186.943結(jié)論與討論沼氣發(fā)酵過程中底物不同產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)酸的種類和含量均有差異，陸營村沼氣池中有機(jī)酸含量比留民營村偏低，乙酸分別為1.86~15.16mg/L、0.35~172.10mg/L,丙酸分別為0.61~10.27mg/L、9.22~11.05mg/L;留民營村比陸營村多檢測(cè)到2種有機(jī)酸，分別為丁酸、戊酸，其含量分別為0.18~0.88mg/L和0.03mg/L。陸營村沼氣發(fā)酵中期的TS/VS相對(duì)較大，保持在3.14,其有機(jī)物降解率達(dá)到70%左右。厭氧生物降解過程是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，各種微生物活動(dòng)不僅相互作用、相互依賴，又互為制約，影響著厭氧發(fā)酵的最終主要產(chǎn)物一一甲烷的產(chǎn)量。由于在發(fā)酵過程中，有機(jī)酸的積累對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)氣有明顯的抑制作用，隨著微生物菌群密度的提高，有機(jī)酸的積累量也增加［5-6］。所以充分認(rèn)識(shí)微生物在沼氣發(fā)酵中的作用和影響，對(duì)研制新型高效沼氣促進(jìn)劑具有指導(dǎo)意義。除此以外，影響產(chǎn)沼氣的因素還有氧化還原電位、基質(zhì)的營養(yǎng)比例、基質(zhì)微生物比（COD/VSS）、毒性物質(zhì)和微量元素、反應(yīng)溫度、總固體含量、pH值、碳氮比、碳磷比以及接種物量［7-8］。一般農(nóng)村沼氣發(fā)酵罐隨著自然環(huán)境溫度的變化而變化，稱為常溫發(fā)酵［9］。一般認(rèn)為，厭氧生物反應(yīng)可以在很寬的溫度范圍（5~83°C）內(nèi)進(jìn)行，而產(chǎn)甲烷作用則可以在4~1001的溫度范圍內(nèi)發(fā)生［10］。溫度主要是通過對(duì)厭氧微生物細(xì)胞內(nèi)某些酶活性的影響而影響微生物的生長(zhǎng)速率和微生物對(duì)基質(zhì)的代謝速率，這樣會(huì)影響到厭氧生物處理工藝中污泥的產(chǎn)量、有機(jī)物的去除速率、反應(yīng)器所能達(dá)到的處理負(fù)荷［11］；溫度還會(huì)影響有機(jī)物在生化反應(yīng)中的流向和某些中間產(chǎn)物的形成以及各種物質(zhì)在水中的溶解度，會(huì)影響到沼氣的產(chǎn)量和成分等［12-13］。對(duì)不同生態(tài)區(qū)、不同發(fā)酵原料及反應(yīng)器的沼液揮發(fā)性有機(jī)酸的檢測(cè)結(jié)果顯示，溫度、底物、反應(yīng)器對(duì)沼氣發(fā)酵均有不同程度的影響［7］。厭氧消化的溫度與有機(jī)物的厭氧分解過程有密切的關(guān)系，不同的溫度范圍內(nèi)存在不同類型的微生物，研究者根據(jù)產(chǎn)甲烷菌在不同溫度下的最佳活性將厭氧發(fā)酵分為3個(gè)溫度范圍：50~55°C稱為高溫發(fā)酵，在留民營村高溫池檢測(cè)到4種有機(jī)酸（乙酸、丙酸、丁酸和戊酸），其中乙酸含量約是中溫池的26倍；30~35C稱為中溫發(fā)酵，在留民營村中溫池僅檢測(cè)到乙酸;15~20C稱為低溫發(fā)酵［14］,在密云水泉村和南陽陸營村的戶用沼氣池未檢測(cè)到有機(jī)酸。本試驗(yàn)沒有將溫度作為重要的指標(biāo)來比較，希望以后可以把溫度作為單一指標(biāo)來研究。沼氣是伴隨著有機(jī)物在厭氧的條件下通過微生物的代謝活動(dòng)而產(chǎn)生的［15］，有機(jī)物厭氧發(fā)酵的每一個(gè)階段均有獨(dú)特的微生物類群在起作用。那么可以通過添加某種菌群或混合菌，不斷對(duì)發(fā)酵過程中的大量細(xì)菌、原生動(dòng)物及真菌進(jìn)行調(diào)控，改善和促進(jìn)各個(gè)階段的獨(dú)特微生物類群的活性，使其在較短時(shí)間內(nèi)大量繁殖，加快有機(jī)物穩(wěn)定化的進(jìn)度，最終以達(dá)到縮短發(fā)酵時(shí)間，增加厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率的目的，從理論上來說是可行的［16-17］。在厭氧的條件下，可以制取含甲烷60%~75%的生物氣，為人類提供了一種綠色生物能源（發(fā)電、生活以及汽車動(dòng)力），發(fā)酵剩余物可制作有機(jī)肥，廣泛適用于花卉、園林、綠化、草坪植被等方面，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)再利用［18-19］。參考文獻(xiàn)：任南琪.厭氧生物技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.高祥照，馬文奇，馬常寶，等.中國作物秸稈資源利用現(xiàn)狀分析[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002,21(3):242-247.袁振宏，吳創(chuàng)之.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.彭武厚.厭氧消化技術(shù)發(fā)展前景廣闊[J].工業(yè)微生物，2000(3):32-36.康黎東，郭瑞涵.啤酒工業(yè)中的有機(jī)酸及其檢測(cè)方法[J].啤酒科技，2005(4):25-30.趙由才.生活垃圾資源化原理與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.陳慶今，劉煥彬，胡勇有，等.連續(xù)流新型厭氧反應(yīng)器處理固體有機(jī)廢物研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2004,27(3):57-58.曾光明，喬瑋.完全混合厭氧消化處理城市垃圾的特性研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,30(5)：51-54.KillileaJE.Establishingprocedurefordesign,operationand