物化組合預(yù)處理對(duì)秸稈厭氧水解酸化pH值的影響

蔣田華 王友保

摘要微生物在厭氧水解酸化過(guò)程中將農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為可利用的清潔能源沼氣,但農(nóng)作物秸稈木質(zhì)纖維素含量較高,需對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理以提高厭氧水解酸化效率,而在厭氧水解酸化過(guò)程中pH值是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。探討了通過(guò)物化組合預(yù)處理秸稈對(duì)厭氧水解酸化pH值的影響,這對(duì)更深刻地理解厭氧水解酸化過(guò)程具有重要意義。

關(guān)鍵詞物化組合;預(yù)處理;厭氧水解酸化;pH值

中圖分類(lèi)號(hào)S712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739(2009)14-0228-01

國(guó)內(nèi)外關(guān)于厭氧水解酸化的研究中,很多都把pH值作為一個(gè)重要的影響因素[1-3],在厭氧水解酸化過(guò)程中,厭氧微生物的生命活動(dòng)、物質(zhì)代謝與pH值有密切的關(guān)系。因微生物體內(nèi)酶只有在最適宜的pH 值時(shí)才能發(fā)揮最大活性,不適宜的pH值使酶的活性降低,從而影響微生物細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)過(guò)程。另外,過(guò)高或過(guò)低的pH值都降低微生物對(duì)高溫的抵抗能力[4-7]。一般在進(jìn)行秸稈厭氧水解酸化試驗(yàn)之前往往需要對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理,因?yàn)楸容^合適的預(yù)處理手段可以提高厭氧水解酸化產(chǎn)沼氣的效率。本試驗(yàn)針對(duì)不同物化組合預(yù)處理秸稈后厭氧水解酸化過(guò)程中的pH值進(jìn)行了分析和討論。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料和接種物

選用稻草作為試驗(yàn)原料。2008年3月從江西省宜春市采集稻草,在實(shí)驗(yàn)室自然條件下風(fēng)干,用切紙刀切成2～3cm小段用于厭氧酸化試驗(yàn)。稻草干物質(zhì)(TS)重約為83%,木質(zhì)素約占稻草原料總干物質(zhì)(TS)的23.5%。

產(chǎn)酸的接種物是同濟(jì)大學(xué)生物質(zhì)能源研究中心富集和馴化的產(chǎn)酸微生物液。馴化方法:在一塑料桶中加入切碎2～3cm的稻草,然后用混合1%的城市污水處理廠消化污泥的溶液浸泡15d,上清液即為接種物質(zhì)。城市污水處理廠消化污泥取自上海市松江污水處理廠厭氧消化塔流出物經(jīng)脫水后的泥餅。

1.2主要儀器和設(shè)備

粗磨機(jī)、pH計(jì)、電子分析天平、電子稱(chēng)、干燥箱、馬弗爐、溫控儀、水浴鍋、高壓鍋。

1.3試驗(yàn)方法

采用4因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),共9組試驗(yàn)(見(jiàn)表1),稱(chēng)取當(dāng)量為T(mén)S=200g×83%的稻草,按照試驗(yàn)的工藝條件最后添加氨水和雙氧水,在100℃的水浴鍋中蒸煮1h。將進(jìn)行上述預(yù)處理的稻草,添加1%尿素調(diào)節(jié)C/N比,并添加接種物700mL。分別裝入編號(hào)為1~9的反應(yīng)罐中。打開(kāi)溫控柜的加溫系統(tǒng),等溫度達(dá)到35℃時(shí),將裝有原料的各發(fā)酵反應(yīng)罐放置在里面,此時(shí)記為發(fā)酵開(kāi)始時(shí)間。試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中,對(duì)試驗(yàn)酸液pH值指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。液體樣品從反應(yīng)器底部的取樣口取出的同時(shí)補(bǔ)充等體積的營(yíng)養(yǎng)液,每次采樣10mL。其中pH值利用pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

2結(jié)果與分析

具體9組正交試驗(yàn)的厭氧水解酸化過(guò)程中的pH值隨時(shí)間變化關(guān)系如圖1所示。可以看出,經(jīng)不同物化組合預(yù)處理的秸稈,在其厭氧水解酸化過(guò)程中,pH值的變化總體趨勢(shì)趨向一致,都是先逐漸下降,最后pH值穩(wěn)定在一個(gè)適合的范圍。針對(duì)具體的某個(gè)時(shí)間段來(lái)說(shuō),經(jīng)過(guò)不同物化組合預(yù)處理秸稈之后,厭氧水解酸化過(guò)程中的pH值差別很大,尤其是處理1,它的pH值明顯不同于其他8個(gè)處理,它的pH值處于較高水平,一直高于6.5。而其他8組的pH值在200h以?xún)?nèi)逐漸下降并略有波動(dòng),在 200h以后逐漸趨向穩(wěn)定,在600h后它們的pH值介于5.5~6.1之間。

在厭氧水解酸化初期,pH值逐漸下降并略有波動(dòng),而隨著時(shí)間的推移,pH值逐漸趨于穩(wěn)定,這是由于在沼氣發(fā)酵初期,非產(chǎn)甲烷細(xì)菌首先降解溶出液中的有機(jī)物質(zhì),產(chǎn)生大量的有機(jī)酸和碳酸鹽,使發(fā)酵液中pH值明顯下降[7]。同時(shí)非產(chǎn)甲烷細(xì)菌類(lèi)群中還有一類(lèi)氨化細(xì)菌,能夠迅速分解蛋白質(zhì)產(chǎn)生氨,氨可中和部分酸,起到一定的緩沖作用。另一方面,產(chǎn)甲烷細(xì)菌可利用乙酸、氫和二氧化碳形成甲烷,從而避免了酸的積累,使pH值穩(wěn)定在一個(gè)適宜的范圍,不會(huì)使發(fā)酵液中pH值達(dá)到對(duì)產(chǎn)甲烷過(guò)程不利的程度[7]。每組物化組合預(yù)處理秸稈之后,厭氧水解酸化過(guò)程中的pH值隨時(shí)間變化規(guī)律總體趨于一致,但是他們之間對(duì)于具

體的某個(gè)時(shí)間段pH值差別卻很大,這是由于預(yù)處理對(duì)厭氧水解酸化的影響造成的。這說(shuō)明物化組合預(yù)處理不僅可以改變木質(zhì)素的結(jié)構(gòu),提高厭氧水解酸化效率,同時(shí)從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō),物化組合預(yù)處理可以調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH值,使某些微生物處于適合的酸堿度,使之更加有利于參與厭氧水解酸化的過(guò)程。

3結(jié)論

(1)物化組合預(yù)處理秸稈之后,厭氧水解酸化過(guò)程中的pH值,隨時(shí)間的變化,總體趨勢(shì)趨于一致,都是先逐漸下降,最后pH值穩(wěn)定在一個(gè)適合的范圍。

(2)針對(duì)具體的某個(gè)時(shí)間段來(lái)說(shuō),經(jīng)過(guò)不同物化組合預(yù)處理秸稈之后,厭氧水解酸化過(guò)程中的pH值差別很大,這是由于物化組合預(yù)處理對(duì)其的影響。

由于本試驗(yàn)僅僅從物化組合預(yù)處理角度來(lái)探討厭氧水解酸化過(guò)程中pH值的變化,若需要探討物化組合預(yù)處理之后COD、VFA等值的變化,以及對(duì)pH值具體變化的內(nèi)部關(guān)系,則需要進(jìn)一步深入研究。

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