李文哲，李鵬飛，王明，丁清華（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

中草藥殘?jiān)醚鯀捬躐詈习l(fā)酵產(chǎn)甲烷特性研究

李文哲，李鵬飛，王明，丁清華
（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

中草藥殘?jiān)–hinese herb-extraction residues，CHER）是一種不易被微生物利用的固體有機(jī)廢棄物，厭氧消化時(shí)微生物降解的木質(zhì)素會(huì)對(duì)纖維素形成物理屏蔽，阻礙微生物胞外酶水解催化作用。可見(jiàn)木質(zhì)素降解是水解酸化首要步驟，木質(zhì)素最初裂解需要分子氧存在，未經(jīng)過(guò)好氧處理的木質(zhì)素幾乎不能在厭氧環(huán)境下被微生物降解。為此將厭氧發(fā)酵分成兩相，即首先對(duì)CHER中溫好氧水解產(chǎn)酸發(fā)酵，之后產(chǎn)甲烷發(fā)酵試驗(yàn)。結(jié)果表明，好氧水解發(fā)酵運(yùn)行24 h時(shí)兩相發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)量達(dá)到最大值，VS產(chǎn)甲烷率為198 mL CH4g-1VS，最大日產(chǎn)甲烷量為696 mL CH4day-1，與單相發(fā)酵相比總甲烷產(chǎn)量提高30.3%。

中草藥殘?jiān)–HER）；厭氧消化；甲烷；兩相發(fā)酵

中草藥殘?jiān)–HER）是一種固體有機(jī)廢棄物，其年產(chǎn)量超過(guò)100萬(wàn)t[1]。CHER中富含糖類(lèi)、甙類(lèi)、蔥酮、木質(zhì)素、生物堿、靴質(zhì)和粗蛋白等有機(jī)化合物，處理不當(dāng)會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響[2]。CHER也是一種能被厭氧微生物降解發(fā)酵利用的生物質(zhì)資源。但CHER中中性洗滌纖維（NDF）約占50%[3]，由于木質(zhì)素物理屏蔽作用[4-5]，阻礙微生物細(xì)胞胞外酶與纖維素、半纖維素接觸，限制CHER中纖維素、半纖維素水解速率，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵過(guò)程緩慢，VS產(chǎn)甲烷率較低。

可見(jiàn)木質(zhì)素降解是水解酸化首要步驟，木質(zhì)素最初裂解需要分子氧存在，未經(jīng)好氧處理木質(zhì)素不能在厭氧環(huán)境下被微生物降解[6-8]?，F(xiàn)有研究多針對(duì)木質(zhì)素降解與甲烷產(chǎn)率關(guān)系[9-10]，針對(duì)CHER好氧厭氧兩相耦合發(fā)酵可行性與產(chǎn)甲烷效果的研究較少。因此，本試驗(yàn)將CHER的厭氧產(chǎn)甲烷發(fā)酵分成兩相，評(píng)估好氧厭氧兩相耦合發(fā)酵模式及不同好氧水解產(chǎn)酸發(fā)酵時(shí)間對(duì)CHER甲烷產(chǎn)率影響，為CHER資源化利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備與裝置

本試驗(yàn)中使用裝置為好氧水解發(fā)酵反應(yīng)瓶和自制厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，分別采用廣口瓶和三角瓶作為主體反應(yīng)器。厭氧發(fā)酵反應(yīng)器選用橡膠塞封口，再用玻璃膠粘合。利用打孔器在橡膠塞中央鉆一個(gè)圓孔，把玻璃三通管插入孔中后用玻璃膠密封。三通管一段由橡膠管連接收集氣體的鋁箔集氣袋（1～2 L），另一端封閉作排氣用。發(fā)酵過(guò)程在可控溫恒溫?fù)u床中進(jìn)行，搖床為厭氧發(fā)酵營(yíng)造恒溫環(huán)境，試驗(yàn)在中溫?zé)o需機(jī)械攪拌環(huán)境下操作，恒溫?fù)u床溫度設(shè)為（35±1）℃，轉(zhuǎn)速為0 r·min-1。

1.2 材料及預(yù)處理

用于兩相發(fā)酵的中草藥殘?jiān)–HER）取自黑龍江中醫(yī)研究院，將幾種不同配方中藥殘?jiān)旌虾筮\(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。其各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示，每個(gè)樣品測(cè)量重復(fù)3次取平均值。105℃烘箱中烘干至恒重，粉碎為50～200目粉末備用。

表1 CHER與接種物各項(xiàng)指標(biāo)Table 1 Characteristics of CHER and inoculum

本試驗(yàn)所用接種物取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境與能源工程實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)甲烷反應(yīng)罐，該反應(yīng)罐參數(shù)如下：罐總?cè)莘e500 L；工作容積400 L；工作溫度（35±1）℃；厭氧反應(yīng)底物：?jiǎn)闻＜S；流出液總固體濃度（TS）6%～8%；牛糞VS產(chǎn)甲烷率180～220 L·kg-1，取用時(shí)發(fā)酵液已發(fā)酵完全。其各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1，每個(gè)樣品測(cè)量重復(fù)3次取平均值。

1.3 試驗(yàn)方案

好氧厭氧兩相發(fā)酵試驗(yàn)分兩部分，好氧水解酸化發(fā)酵試驗(yàn)與批式厭氧產(chǎn)甲烷發(fā)酵順次運(yùn)行。將好氧水解發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)置為影響因子，設(shè)置3個(gè)水平，分別為16 h（A組）、24 h（B組）、32 h（C組）。另設(shè)置一組單相發(fā)酵對(duì)照試驗(yàn)，即好氧水解發(fā)酵時(shí)間為0 h。

A、B、C 3組試驗(yàn)中將粉碎CHER粉末分別加入3個(gè)2 L廣口瓶中，添加在35℃條件下發(fā)酵完全牛糞沼液作為接種物使料液TS為10%。攪拌均勻后中溫35℃條件下水解預(yù)發(fā)酵。發(fā)酵過(guò)程中保證空氣流通，并采用人工攪拌設(shè)備對(duì)料液每小時(shí)攪拌一次，每次攪拌持續(xù)5 min。待倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，將水解發(fā)酵后的底物分別加入工作體積為0.7 L發(fā)酵瓶，再次加入牛糞沼液接種物使其TS為8%。水解發(fā)酵0 h對(duì)照試驗(yàn)，直接加入牛糞沼液接種物將CHER粉末配制成TS為8%發(fā)酵液并加入0.7 L發(fā)酵瓶中。全部裝瓶密封完成后進(jìn)行厭氧發(fā)酵相試驗(yàn)。該階段試驗(yàn)在35℃恒溫水槽中運(yùn)行，測(cè)量每日產(chǎn)氣量與甲烷純度，直至發(fā)酵過(guò)程結(jié)束。試驗(yàn)中每個(gè)時(shí)間梯度平行3次，共12組。

表2 試驗(yàn)運(yùn)行方案Table 2 Experimentaloperation scheme

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

使用裝備不銹鋼柱（1.5 m×3 mm i.d.carbon molecular sieve TDX-01:1.5～2.0 nm）和熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）的氣相色譜儀（GC-6890N，Agilent Inc.，USA）測(cè)定混合氣體中甲烷與CO2含量。注射器、箱、探測(cè)器溫度分別為120、190和220℃。載氣為氬氣，流速為40 mL·min-1。

總固體含量（TS）、揮發(fā)性固體含量（VS）、pH（Sartorius basic pH meter PB-10，Germany）使用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。中性洗滌纖維（NDF）使用Goering和Van Soest描述的方法測(cè)定。所有測(cè)定平行3次，數(shù)值取3次平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 好氧水解酸化過(guò)程中物料pH變化

水解微生物分泌水解酶，例如纖維素酶、纖維二糖酶、脂肪酶、淀粉酶和蛋白質(zhì)酶。發(fā)酵底物中復(fù)雜聚合物和大分子單體的最初裂解過(guò)程在水解微生物酶作用下完成，這一過(guò)程主要產(chǎn)物是一些還原糖、肽、長(zhǎng)鏈脂肪酸等可被微生物直接利用的小分子有機(jī)物。纖維素、半纖維素、脂肪以及木質(zhì)素等不溶解大分子有機(jī)物的初始裂解非常緩慢，一般需要幾天時(shí)間才能水解為單體，而可溶解碳水化合物則在短短幾小時(shí)內(nèi)即完成此過(guò)程。

在好氧水解酸化發(fā)酵階段，在水解微生物的作用下料液中還原糖、有機(jī)酸等小分子化合物含量上升，而在好氧環(huán)境中產(chǎn)甲烷微生物活性受抑制無(wú)法利用這些小分子。還原糖和有機(jī)酸在料液中不斷累積，導(dǎo)致好氧發(fā)酵液的pH下降。最初料液在經(jīng)過(guò)不同時(shí)長(zhǎng)好氧水解酸化發(fā)酵后pH變化如圖1所示。

可以看出，隨著好氧水解發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，料液pH呈明顯下降趨勢(shì)，pH從最初6.68下降到5.97。說(shuō)明在好氧水解酸化發(fā)酵階段，CHER中大分子有機(jī)物被成功分解為小分子還原糖和有機(jī)酸。從水解酸化發(fā)酵開(kāi)始到水解酸化16 h，pH下降最為顯著，下降值在0.5，說(shuō)明接種物中水解酸化細(xì)菌具有良好活性；從水解酸化發(fā)酵16到24 h過(guò)程pH下降幅度較小，因?yàn)樵谶@8 h內(nèi)料液中水解酸化發(fā)酵速率下降，料液中水解酸化產(chǎn)物抑制水解酸化細(xì)菌活性，使水解酸化速率降低；在好氧水解酸化發(fā)酵最后8 h內(nèi)，pH變化幅度很小，原因是水解產(chǎn)物進(jìn)一步抑制水解酸化菌活性，料液中好氧水解酸化發(fā)酵已趨于平衡。

2.2 CHER單相厭氧發(fā)酵結(jié)果與分析

中草藥殘?jiān)–HER）單相厭氧發(fā)酵即對(duì)照組（好氧水解發(fā)酵時(shí)長(zhǎng)為0 h）試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示，累積甲烷產(chǎn)量與VS甲烷產(chǎn)率分別為2 785 mL與151.1 mL CH4·g-1VS，試驗(yàn)結(jié)果為3次平行試驗(yàn)平均值。分析CHER成分可知，粗脂肪含量（TF）占TS的2.7%，揮發(fā)性固體含量（VS）為43.8%，而由于較高總纖維（NDF）含量以及木質(zhì)素的物理屏蔽作用導(dǎo)致CHER累積甲烷產(chǎn)率和VS甲烷產(chǎn)率均較低。單相厭氧發(fā)酵試驗(yàn)（對(duì)照組）在第12天結(jié)束，累積產(chǎn)氣量達(dá)到最高值。

圖2 不同好氧水解發(fā)酵時(shí)間條件下累積甲烷產(chǎn)量Fig.2 Accumulation methane production atdifferenttime ofaerobic hydrolysis fermentation

圖3 不同水解預(yù)處理時(shí)間條件下的VS產(chǎn)甲烷率Fig.3 VS methane yield at differenttime of aerobic hydrolysis fermentation

2.3 耦合發(fā)酵對(duì)CHER產(chǎn)氣量影響

3個(gè)好氧水解發(fā)酵水平以及對(duì)照組累積甲烷產(chǎn)量如圖2所示。A、B、C 3組甲烷總產(chǎn)量明顯高于對(duì)照組。其中好氧水解發(fā)酵24 h（B組）的累積甲烷產(chǎn)量在厭氧發(fā)酵第12天達(dá)到最高3 780 mL，相對(duì)于對(duì)照組提升30.3%。說(shuō)明經(jīng)過(guò)耦合發(fā)酵后CHER產(chǎn)甲烷能力顯著提升。如圖3所示，4個(gè)不同好氧水解發(fā)酵時(shí)間條件下CHER批式厭氧發(fā)酵VS產(chǎn)甲烷率均值分別為151.1、160.7、198.1和191.9 mL CH4·g-1VS。由圖1可知，經(jīng)過(guò)耦合發(fā)酵后A、B、C 3組VS產(chǎn)甲烷率明顯高于未經(jīng)耦合發(fā)酵對(duì)照組；好氧水解發(fā)酵為24 h（B組）與32 h（C組）VS產(chǎn)甲烷率又明顯高于好氧水解發(fā)酵16 h（A組）；而好氧水解發(fā)酵24與32 h的VS產(chǎn)甲烷率十分接近，分別為198.1 mL CH4·g-1VS與191.9 mL CH4·g-1VS。

Wang等研究表明CHER的VS產(chǎn)氣率大概在140 mL CH4·g-1VS到200 mL CH4·g-1VS之間，不同種類(lèi)CHER厭氧發(fā)酵的VS產(chǎn)甲烷率差別較大[3]。本試驗(yàn)為驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確性，混合多種中藥渣粉碎，試驗(yàn)結(jié)果基本符合以往結(jié)論。

好氧厭氧兩相耦合發(fā)酵的CHER其VS產(chǎn)甲烷率明顯高于單相批式厭氧發(fā)酵的CHER，這是因?yàn)楹醚跛馑峄l(fā)酵過(guò)程在水解細(xì)菌、酸化菌作用下不溶性有機(jī)物水解為溶解性有機(jī)物，大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易生物降解小分子物質(zhì)，從而改善底物可生化性。對(duì)于中性洗滌纖維含量較高CHER而言，好氧水解發(fā)酵過(guò)程中木質(zhì)素大分子鏈發(fā)生氧化斷裂，由于木質(zhì)素外圍保護(hù)而無(wú)法被微生物胞外酶分解的纖維素、半纖維素直接被微生物溶解[10]，一部分纖維素、半纖維素被水解為纖維二糖、葡萄糖等能夠溶于水并穿透細(xì)胞膜被細(xì)菌直接利用的小分子，提升底物中還原糖與乳酸含量，為后續(xù)產(chǎn)氫產(chǎn)酸階段以及產(chǎn)甲烷階段提供充分有利條件，從而大幅提升VS產(chǎn)甲烷率。

經(jīng)耦合發(fā)酵的3組批式厭氧發(fā)酵中，B組與C組VS產(chǎn)甲烷率遠(yuǎn)高于A組。當(dāng)好氧水解發(fā)酵16 h時(shí)，料液中水解酸化過(guò)程還在繼續(xù)，針對(duì)木質(zhì)素、纖維素以及半纖維素等大分子水解還不夠徹底。而好氧水解發(fā)酵24與32 h的VS產(chǎn)甲烷率十分接近，均達(dá)到最高值。分析這一試驗(yàn)結(jié)果可知，底物料液好氧水解發(fā)酵24 h后，已達(dá)到水解酸化發(fā)酵終點(diǎn)，好氧水解細(xì)菌已停止工作。此時(shí)好氧厭氧耦合發(fā)酵第一階段完成，亟需一個(gè)嚴(yán)格厭氧的環(huán)境進(jìn)行后續(xù)產(chǎn)甲烷相發(fā)酵。而再延長(zhǎng)水解時(shí)間到32 h，底物料液中大分子（纖維素、半纖維素等）不再被水解。綜上所述，好氧厭氧耦合發(fā)酵能夠顯著提升CHER的VS產(chǎn)甲烷率，其中好氧水解酸化相運(yùn)行時(shí)間以24 h為宜。

2.4 不同好氧水解發(fā)酵時(shí)間對(duì)產(chǎn)甲烷高峰影響

如圖4所示，經(jīng)好氧水解發(fā)酵16、24和32 h的CHER批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷峰值分別出現(xiàn)在第4、第5和第6天，三條曲線變化幅度較大，日產(chǎn)甲烷高峰值分別為523、656和698 mL。單相批式厭氧發(fā)酵CHER日產(chǎn)甲烷曲線呈平緩下降趨勢(shì)，在厭氧發(fā)酵第2天日產(chǎn)甲烷量達(dá)到峰值458 mL，在第12天到達(dá)批式發(fā)酵終點(diǎn)。好氧水解發(fā)酵16和24 h的CHER在第13天結(jié)束批式發(fā)酵，好氧水解發(fā)酵32 h CHER則在第15天完成發(fā)酵。

顯而易見(jiàn)，CHER厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷高峰期隨好氧水解發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)而推遲，發(fā)酵周期也隨之延長(zhǎng)。這是因?yàn)楹醚跛獍l(fā)酵時(shí)CHER與接種物混合料液一直處在有氧環(huán)境，料液中包括產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌在內(nèi)厭氧菌受抑制無(wú)法增長(zhǎng)繁殖，好氧水解發(fā)酵時(shí)間越長(zhǎng)厭氧菌活性越低。好氧水解發(fā)酵階段結(jié)束后，雖有二次接種過(guò)程，但接種量較少（TS接種比約為1∶3），而對(duì)照組的CHER接種量較高（TS接種比約為2∶1），原因?yàn)閷?duì)照組單相厭氧發(fā)酵CHER啟動(dòng)速度快、周期短。在A、B、C 3組中，經(jīng)一定時(shí)間增長(zhǎng)繁殖后厭氧菌的菌群數(shù)量足夠多，開(kāi)始迅速降解利用水解階段堆積的還原糖、乳酸等小分子有機(jī)物，使厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)量達(dá)到高峰。同時(shí)，四組CHER厭氧發(fā)酵日產(chǎn)甲烷最大值，也隨水解預(yù)處理時(shí)間延長(zhǎng)而上升，水解預(yù)處理24和32 h的產(chǎn)甲烷峰值分別達(dá)到696和698 mL·day-1，遠(yuǎn)高于16和0 h的組分。這是由于好氧水解發(fā)酵24和32 h底物料液中積累的還原糖、乳酸等小分子含量較高?？梢?jiàn)好氧水解發(fā)酵相運(yùn)行24 h為最優(yōu)選擇。

圖4 厭氧發(fā)酵日產(chǎn)甲烷量明細(xì)Fig.4 Methane daily yield ofanaerobic fermentation

2.5 不同好氧水解發(fā)酵時(shí)間對(duì)TS降解率影響

TS降解率是評(píng)估厭氧發(fā)酵效率重要指標(biāo)之一，厭氧發(fā)酵過(guò)程中底物有機(jī)物被微生物利用產(chǎn)沼氣使有機(jī)成分被去除，厭氧發(fā)酵前后TS降解率直接說(shuō)明微生物對(duì)底物利用效率。

由圖5可見(jiàn)，CHER在不同好氧水解酸化發(fā)酵時(shí)長(zhǎng)條件下厭氧發(fā)酵TS降解率，在0～24 h階段均呈明顯上升趨勢(shì)，24～32 h階段曲線略有下滑，CHER在好氧水解發(fā)酵24 h時(shí)達(dá)到最大TS降解率40.0%。

好氧厭氧耦合發(fā)酵對(duì)CHER的TS降解率有明顯提升。在CHER好氧水解酸化發(fā)酵32 h時(shí)TS降解率有小幅下滑，可能是產(chǎn)甲烷微生物長(zhǎng)時(shí)間在好氧環(huán)境中活性受到抑制，后期產(chǎn)甲烷效能降低導(dǎo)致TS降解率下降。0～24 h階段CHER的TS降解率曲線隨著好氧水解酸化發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)而上升，說(shuō)明水解微生物有效破壞木質(zhì)素物理屏蔽使纖維素、半纖維素被降解，證明好氧厭氧耦合發(fā)酵模式相對(duì)于單相厭氧發(fā)酵而言對(duì)CHER的TS降解效率提升較大。

圖5 不同好氧水解發(fā)酵時(shí)長(zhǎng)條件下TS降解率變化Fig.5 Changes of TS degradation rate in different hydrolysis aerobic fermentation time

3 討論

本文主要針對(duì)好氧厭氧兩相耦合發(fā)酵模式可行性展開(kāi)研究，好氧水解發(fā)酵為木質(zhì)素有氧裂解，復(fù)雜大分子非溶解性聚合物被微生物轉(zhuǎn)化為短鏈溶解性單體或二聚體的過(guò)程。高分子有機(jī)物因相對(duì)分子量巨大，不能透過(guò)細(xì)胞膜，因此不可能為微生物細(xì)菌直接利用。在水解階段被細(xì)菌胞外酶分解為小分子。例如，纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被蛋白質(zhì)酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子水解產(chǎn)物能夠溶解于水并透過(guò)細(xì)胞膜為細(xì)菌利用。水解過(guò)程通常較緩慢，多種因素如溫度、有機(jī)物組成、水解產(chǎn)物濃度等可能影響水解速度與程度。上述小分子化合物在酸化菌細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更為簡(jiǎn)單化合物并分泌到細(xì)胞外。發(fā)酵細(xì)菌絕大多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌，但通常有約1%兼性厭氧菌存在于厭氧環(huán)境中，這些兼性厭氧菌能保護(hù)嚴(yán)格厭氧菌免受氧損害與抑制。這一階段主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸、醇類(lèi)、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等，產(chǎn)物的組成取決于厭氧降解條件、底物種類(lèi)和參與酸化微生物種群。

水解酸化相之后是厭氧產(chǎn)甲烷相。厭氧發(fā)酵過(guò)程的平衡需將兩相反應(yīng)速率控制在一定范圍內(nèi)，如水解酸化相運(yùn)行太快，會(huì)導(dǎo)致酸濃度上升pH下降到7.0以下，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性；如產(chǎn)甲烷相運(yùn)行太快，甲烷產(chǎn)量會(huì)被水解酸化相反限制。纖維素、半纖維素、脂肪以及木質(zhì)素等不溶解大分子有機(jī)物的初始裂解緩慢，一般需幾天時(shí)間才能被水解為單體，而可溶解碳水化合物則可在短短幾小時(shí)內(nèi)就完成此過(guò)程。因此，厭氧發(fā)酵過(guò)程中的限速步驟取決于底物中有機(jī)物成份。木質(zhì)素、纖維素含量較高的生物質(zhì)材料如農(nóng)作物秸稈、中草藥殘?jiān)龋馑峄A段會(huì)成為其厭氧發(fā)酵限速步驟，而對(duì)于可溶性碳水化合物含量較高生物質(zhì)材料，產(chǎn)甲烷階段會(huì)成為厭氧發(fā)酵限速步驟。為實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整高效發(fā)酵過(guò)程，好氧厭氧兩相各自運(yùn)行時(shí)間必須控制在合理范圍內(nèi)[11-12]。

好氧厭氧兩相耦合發(fā)酵意義在于可人為掌控水解酸化階段和產(chǎn)甲烷階段時(shí)長(zhǎng)，將厭氧發(fā)酵兩階段運(yùn)行控制在最佳速率從而提高產(chǎn)氣率。一方面，對(duì)于中性洗滌纖維含量較高的生物質(zhì)材料諸如CHER，水解階段會(huì)成為厭氧發(fā)酵限速階段，在對(duì)其單相發(fā)酵時(shí)，發(fā)酵體系中水解過(guò)于緩慢，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌由于底物不足活性被抑制，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)不活躍；另一方面CHER中木質(zhì)素會(huì)對(duì)微生物形成物理屏蔽，使微生物不能直接接觸纖維素與半纖維素，而木質(zhì)素裂解需要在有氧環(huán)境中進(jìn)行。所以考慮將CHER厭氧發(fā)酵分成兩相，即首先對(duì)CHER中溫好氧水解產(chǎn)酸發(fā)酵，之后產(chǎn)甲烷發(fā)酵，達(dá)到提高甲烷產(chǎn)率目的。

試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)單相厭氧發(fā)酵，好氧厭氧耦合發(fā)酵模式對(duì)CHER的VS甲烷產(chǎn)率有較大提升，能有效降低木質(zhì)素對(duì)纖維素的物理屏蔽作用，好氧厭氧耦合發(fā)酵模式也能應(yīng)用于其他含較多木質(zhì)素、纖維素以及半纖維素固體有機(jī)廢棄物（如作物秸稈、林業(yè)廢棄物等）厭氧發(fā)酵過(guò)程。

另外CHER處理可以考慮與其他底物結(jié)合進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵。因?yàn)镃HER的中性洗滌纖維（NDF）含量在50%，用于單獨(dú)厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率較低，并且在中草藥生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)水提取，其內(nèi)無(wú)機(jī)鹽等物質(zhì)流失較嚴(yán)重，導(dǎo)致其對(duì)pH緩沖能力較弱。可考慮與其他適合生物質(zhì)材料，如市政污泥、牛糞等混合厭氧發(fā)酵。本試驗(yàn)在發(fā)酵前預(yù)先將CHER粉碎，以便于在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行研究?？紤]到實(shí)際沼氣生產(chǎn)中CHER預(yù)先粉碎成本過(guò)高，建議在大型沼氣工程處理中草藥殘?jiān)鼤r(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)好氧水解酸化發(fā)酵時(shí)間。

4 結(jié)論

a.好氧厭氧兩相耦合發(fā)酵對(duì)改善CHER產(chǎn)甲烷潛能、提高甲烷產(chǎn)率效果顯著，相對(duì)于單相CHER批式厭氧發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)量最大提升幅度為30.3%。

b.不同好氧水解發(fā)酵時(shí)長(zhǎng)對(duì)CHER產(chǎn)甲烷能力提升差別顯著，本試驗(yàn)中好氧水解發(fā)酵24 h時(shí)，后續(xù)產(chǎn)甲烷發(fā)酵持續(xù)運(yùn)行13 d，累積甲烷產(chǎn)量達(dá)到3 780 mL，VS產(chǎn)甲烷率為198 mL CH4·g-1VS，最大日產(chǎn)甲烷量為696 mL CH4，為最佳好氧水解發(fā)酵時(shí)長(zhǎng)。

c.隨好氧水解發(fā)酵相時(shí)間延長(zhǎng)，后續(xù)厭氧產(chǎn)甲烷發(fā)酵相啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)氣高峰期越滯后。

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Study on characteristics of methane production by coupling aerobic and anaerobic fermentation of Chinese herb-extraction residues

LI Wenzhe,LI Pengfei,WANG Ming,DING Qinghua

(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Lignocellulosic wastes such as Chinese herb-extraction residues(CHER)are not easily utilized by microorganisms owing to their physical shielding of cellulose and hinder microbial extracellular enzyme hydrolytic catalysis imparted by the non-digestible lignin.Obviously,degradation of lignin was the primary step of hydrolysis acidification.Lignin initial cleavage required the presence of molecular oxygen, without aerobic treatment lignin hardly degraded by microbes in anaerobic environment.Therefore, conducted anaerobic fermentation of CHER into two phase,that was per mesophilic aerobic hydrolysis fermentation before the methanogenic fermentation.The results showed that the maximum cumulative methane production,the methane yield was 198 mL CH4g-1VS and the maximum methane daily yield was 697 mL CH4day-1when the mesophilic aerobic hydrolysis fermentation phase run 24 h,and a 30.3%total methane yield enhancementcompare with single phase fermentation.

Chinese herb-extraction residues(CHER);anaerobic digestion;methane;two-phase fermentation

S216.4

A

1005-9369（2015）10-0090-07

時(shí)間2015-10-29 13:40:58[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20151029.1340.012.html

李文哲,李鵬飛,王明,等.中草藥殘?jiān)醚鯀捬躐詈习l(fā)酵產(chǎn)甲烷特性研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,46(10):90-96.

LiWenzhe,LiPengfei,Wang Ming,etal.Study on characteristics ofmethane production by coupling aerobic and anaerobic fermentation of Chinese herb-extraction residues[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(10):90-96.(in Chinese with English abstract)

2015-02-11

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD02B04）

李文哲（1955-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能源與利用。E-mail:liwenzhe9@163.com