柠檬酸对牛粪厌氧发酵产沼气的影响研究

柠檬酸对牛粪厌氧发酵产沼气的影响研究
朱江;云斯宁;杜婷婷;黄欣磊
【摘要】文章研究了柠檬酸添加量对牛粪中温(35±1℃)厌氧发酵产沼气的日产气量、累积产气量、pH值以及COD降解率等的影响.结果表明.添加适量的柠檬酸对牛粪厌氧发酵产沼气具有显著的促进作用,0.6％的柠檬酸添加量取得了最高日产气量38.46 mL/g(VS);0.7％的柠檬酸添加量取得了最高累积产气量545.48
mL/g(VS);0.3％的柠檬酸添加量可以大幅提高COD去除率,达到了34.5％;随着柠檬酸添加量的增加,第二次产气高峰依次推迟,pH值从6.76逐渐降低到5.41,当柠檬酸添加量为0.9％时,pH值达到5.57.该研究结果为牛粪厌氧发酵规模化沼气工程的高效运行提供了技术参考.
【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2015(033)012
【总页数】5页(P1861-1865)
【关键词】牛粪;厌氧发酵;柠檬酸;沼气生产;生物质
【作者】朱江;云斯宁;杜婷婷;黄欣磊
【作者单位】西安建筑科技大学材料与矿资学院,陕西西安710055;西安建筑科技大学材料与矿资学院,陕西西安710055;西安建筑科技大学材料与矿资学院,陕西西安710055;西安建筑科技大学材料与矿资学院,陕西西安710055
【正文语种】中文
【中图分类】TK6;S216.4
厌氧发酵技术是目前处理有机垃圾最为有效的途径之一，能将农林废弃物、生活垃圾、禽畜粪便等变废为宝，从而再次被人们所利用。

通过厌氧发酵技术，不仅解决了有机垃圾的污染问题，而且还能产生清洁能源——沼气。

为了有效解决目前厌氧发酵生产沼气技术存在冬季产气率低、供气不稳定、甲烷含量不高、发酵周期偏长等一系列问题，除了应用各种高效的预处理手段以及先进的发酵设备外，在料液中加入各种能够对厌氧发酵产生积极作用的外源添加剂，也是目前世界各国的科研人员研究的热点。

催化剂的种类很多，包括一些促进水解的酶类、无机盐、有机物以及一些微生物等。

吕淑霞研究发现，添加3 g/kg的固体纤维素酶和30 U/kg的液体纤维素酶，甲烷产率可分别提高52%和88%[4]。

刘娟娟研究发现，以猪粪为原料，分别添加1 g草木灰和5 g酒糟，累积产气量和甲烷含量都相应提高[7]。

Malik R K研究发现，添加尿素和磷酸氢二铵能将沼气产量提高8%～11%[8]。

M adamw ar D在厌氧发酵系统中加入10 g/L的商用果胶，最大产气量增加了150%，甲烷含量可达65%[11]。

柠檬酸作为一种优良的螯合剂，可以有效改善物质表面活性，提高蛋白质消化率，对菌群繁殖、发酵效率和底物转化均产生积极的影响，其在食品、化工、环保、禽畜生产以及医药等领域都发挥着重要作用。

本文以新鲜牛粪为发酵原料，在中温条件下添加不同剂量的柠檬酸，旨在考察柠檬酸对沼气厌氧消化过程的影响。

1.1 试验材料
发酵原料：新鲜牛粪，取自西安市周边某牧场，室温下密封驯化7 d，干物质含量（TS）为15.95%，挥发性固含量（VS）为12.35%。

接种物：取自西安市某污水处理厂的初沉池污泥，总悬浮固含量（TSS）为 16 384 mg/L，挥发性悬浮固含量（VSS）为 8 192 mg/L，pH 值为 7.2～7.7。

添加剂：国产分析纯（AR）级一水柠檬酸，分子式为C6H8O7·H2O，含量
≥99.5%。

1.2 试验装置
如图1所示，本试验采用单级批式厌氧发酵工艺，发酵反应器为工作容积400 mL 的广口瓶，集气装置为500 mL的锥形瓶，反应器与集气瓶分别用橡胶塞封口并通过玻璃管与橡胶管密封联通，用小口塑料瓶作为集水装置。

将反应器置于HH-600型恒温数显水箱内，调节水箱工作温度至36℃，以维持水箱内实际环境温度为35±1℃。

1.3 试验设计
根据牛粪以及污泥的固含量，将发酵料液总固含量配制为6%，其中牛粪质量占30%，污泥质量占70%。

以发酵原料的湿重为基准，依次加入柠檬酸的剂量分别为0.05%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%。

每组设两个重复，用排水法每日定时测量产气量，用精密pH计分别测量各组发酵前后料液的pH值，用重铬酸钾法测定各组发酵前后料液的COD值。

发酵温度维持在35±1℃，总发酵周期为35 d。

2.1 柠檬酸对沼气产量的影响
由图2（a）可见，添加柠檬酸后，牛粪厌氧发酵的沼气日产量出现明显的两个高峰期，第一个产气高峰期在发酵开始后的第5～8天，且最高日产气量为0.6%以及0.7%柠檬酸组，分别达到38.46 mL/g（VS）以及 38.26 mL/g（VS），而对照组的最高日产气量仅为29.35 mL/g（VS）。

这是因为在发酵开始阶段，整个系统环境处于调整阶段，加入的柠檬酸作为额外的营养来源提供给微生物消化，使得产甲烷菌处于活性较高的状态，产气量也随之增加。

但是柠檬酸含量较高的
0.5%～0.9%组在初次达到高峰期后立即转入产气低谷〔＜10 mL/g（VS）〕，该现象说明随着柠檬酸添加量的增加，发酵料液的pH值逐渐降低，有机酸的大量积累对产乙酸菌产生了强烈地抑制作用，产乙酸菌活动受阻会导致产甲烷菌同样受到抑制，从而活性降低，代谢放缓，产气率低下。

第二个产气高峰期出现在发酵开始后的第18～23天，并且随着柠檬酸含量的增加依次向后推移。

随着发酵的继续进行，积累的有机酸逐渐被产乙酸菌代谢、中和，pH值慢慢恢复至正常水平（6.8～7.4），产甲烷菌的活性也因此提高，产气率逐
渐回升。

虽然高含量的柠檬酸推迟了第二次产气高峰期，但从图2（a）可以明显
看出，第二次高峰期过后直到发酵结束，0.4%～0.9%的柠檬酸组沼气日产量均高于对照组以及其他含量柠檬酸组。

这主要是由于随着柠檬酸加入量的提高，在产乙酸菌的代谢作用下产生的中间产物（主要为乙酸）也越多，供产甲烷菌代谢、利
用的乙酸总量在后期的发酵过程中决定了平均日产气量以及最终累积产气量。

由图2（b）可看出，各组沼气日累积产气量大致呈现相同趋势，发酵开始的15 d 内，0.1%柠檬酸组的产气量较高；发酵15～25 d，对照组以及0.05%柠檬酸组的产气量较高；最终累积产气量以0.7%柠檬酸组最高，0.9%柠檬酸组最低。

说明向牛粪为底物的厌氧发酵系统中投入柠檬酸时，剂量达到底物鲜重的0.9%以上时，产气受到抑制。

由图3可以看出，经过35 d发酵后，各组的最终累积产气量大致呈现先升后降的趋势。

其中以0.7%柠檬酸组的累积产气量最高，达到545.48 mL/g（VS），相
比对照组提高了4.4%。

累积产气量随着柠檬酸加入量（0.1%～0.4%）的增加而
逐渐提高，说明在此剂量范围内柠檬酸的含量与牛粪厌氧发酵的沼气产量成正关系。

0.5%以及0.6%柠檬酸组的累积产气量相较0.4%柠檬酸组已出现明显的递减趋势，但仍然维持在对照组总产气量之上，对发酵仍然起到促进作用。

0.8%，0.9%柠檬酸组的总产气量相比0.7%柠檬酸组也出现了递减趋势，其中0.9%柠檬酸组的最
终累积产气量〔（502 mL/g（VS）〕已下降到对照组〔（522.6 mL/g（VS）〕
之下，达到了对照组的96%。

此时可以看出，柠檬酸添加量为0.9%已经超出了增益剂量范围，对牛粪厌氧发酵产沼气过程有明显的抑制作用。

这可能是由于加入的柠檬酸量过高，影响了发酵料液的pH值，使其大幅下降造成了过酸化的发酵环境，
偏离了厌氧微生物适宜的pH值，极大地抑制了微生物的代谢活动，阻碍其正常生长、繁殖，最终导致产气速率降低、总产气量较低等现象的出现。

综上所述，在牛粪厌氧发酵过程中加入0.1%～0.8%的柠檬酸，对沼气的产出有增益效果，其中以0.7%的柠檬酸量为最优剂量点，能够明显地提高沼气日产量以及累积产气量。

2.2 柠檬酸对发酵前后pH值的影响
由图4可看出，发酵开始前随着加入柠檬酸剂量的逐渐提高，各组发酵料液的pH 值呈递减的趋势，发酵结束后，各组发酵料液的pH值都恢复至近乎同一水平。

结合图2的规律表明，添加0.6%以及0.7%的柠檬酸组在发酵初期表现出了优异的日产气量。

发酵刚开始阶段，柠檬酸作为一类有机酸进入发酵环境，迅速被活跃的产甲烷菌分解利用，生产出大量沼气，但很快由于其带来的pH值的大幅降低抑制了产乙酸菌的代谢活动，发酵也相应受到阻碍，对应于图2中出现的产气低谷。

随着发酵的继续进行，积累的有机酸逐渐被分解、消耗，料液pH值逐渐升高，产乙酸菌的活性相应增强，产气量也逐渐提高。

由于加入的柠檬酸作为有机酸积累起来，而有机酸积累量越多，发酵环境恢复至正常pH值范围所需时间也越长，从而出现了如图2（a）所示的随着柠檬酸含量的增加，第二次产气高峰期相应推迟的现象。

如图4所示，发酵起始阶段pH值从6.76逐渐降低到5.41，当柠檬酸添加量为0.9%时，pH值达到5.57。

整个发酵周期结束后，各组的发酵料液pH值都维持在7.18～7.33。

2.3 柠檬酸对发酵前后COD值的影响
如图5所示，发酵前各组的COD值为牛粪与污泥混合料液的总COD值，实测为59 426.4 mg/L。

发酵结束后，对照组～0.3%柠檬酸组的COD值变化与图2所示产气现象相符，即随着总产气量的增加，料液总COD值下降。

其中，0.3%柠檬酸组的COD值最低，为38 919.79 mg/L，COD去除率达到了34.5%。

0.4 %～0.9%柠檬酸组的COD值为46 010.44～58 616.04 mg/L，呈现交替升降的现象，COD去除率相应为22.6%～1.4%。

其中，产气量最优组（0.7%柠檬酸组）的COD值为46 640.72 mg/L，COD去除率为21.5%。

由于对照组的COD去除率为16.7%，所以COD去除率高于对照组的其他组别的柠檬酸添加量都可认为对发酵有增益效果，如表1所示。

其中，0.3%的柠檬酸添
加量对牛粪厌氧发酵产沼气COD去除率的贡献最为显著。

①对于中温厌氧发酵，添加适量的柠檬酸对牛粪厌氧发酵产沼气有促进作用，0.7%和0.6%的柠檬酸能够获得最多的累积产气量及最高日产气量，分别较对照组提高了4.4%和31%。

尽管随着柠檬酸含量的增加，产气高峰期稍有推迟，但日产气量普遍高于对照组。

②随着柠檬酸含量的增多，初始发酵料液的pH值逐渐降低。

较高含量的柠檬酸会抑制发酵前期的产气活动，推迟发酵后期第二次产气高峰期。

随着完全发酵的进行，各组的pH值都恢复至正常值 7.18～7.33。

③向牛粪厌氧发酵料液中添加0.1%～0.3%的柠檬酸有助于提高厌氧发酵的COD
去除率，且随着添加量的增加而提高。

其中，添加0.3%的柠檬酸效果最为显著，总COD去除率达到了34.5%。

添加0.7%的柠檬酸不仅可以获得最优产气效果，
而且总COD去除率达到了21.5%。

【相关文献】
[1] 刘荣厚.生物质能工程[M].北京：化学工业出版社，2009.19-42.
[1] Liu Ronghou.Engineering of Biomass Energy[M].Beijing：Chemical Industry Press，2009.19-42.
[2] 张万钦，吴树彪.微量元素对沼气发酵的影响[J].农业工程学，2013，29（10）：1-11.
[2] Zhang Wanqin，Wu Shubiao.Trace element on influence of anaerobic fermentation in biogas projects[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29（10）： 1-11.
[3] 何荣玉，刘晓风.沼气发酵外源添加物的研究进展[J].中国沼气，2007，25（5）：8-10.
[3] He Rongyu，Liu Xiaofeng.Review on enhancing biogas production by
additives[J].China Biogas，2007，25（5）：8-10.
[4] 吕淑霞，陈祖洁.纤维素酶应用于酒精糟废水厌氧消化中的研究[J].中国沼气，1994，12（1）：1-5.
[4] Lv Shuxia，Chen Zujie.The study on cellulose used in anaerobic digestion of distillery wastewater[J].China Biogas，1994，12（1）：1-5.
[5] V Uusitalo，J Havukainen.Carbon footprint of selected biomass to biogas production chains and GHG reduction potential in transportation use [J].Renewable Energy，2014，66：90-98.
[6] Yi Zheng，Jia Zhao.Pretreatment of lignocellulosic biomass for enhanced biogas production[J].Progress in Energy and Combustion Science，2014，42（1）：35-53.
[7] 刘娟娟，季艳敏.添加酒糟、草木灰对猪粪厌氧发酵的影响[J].可再生能源，2012，30（3）：
77-82.
[7] Liu Juanjuan，Ji Yanmin.The influences of adding lees and plant ash on anaerobic fermentation of pig manure[J].Renewable Energy Resources，2012，30（3）：77-82. [8] Malik R K，Singh R，Tauro P.Effect of inorganic supplementation on biogas production [J].BioWastes，1987，21（2）：139-142.
[9] Pengchong Zhang，Che-Jen Lin.Biogas production from brown grease using a pilot-scale high-rate anaerobic digester[J].Renewable Energy，2014，68：304-313.
[10]P Merlin Christy，L R Gopinath.A review on anaerobic decomposition and enhancement of biogas production through enzymes and microorganisms[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，34：167-173.
[11]Madamwar D，Mithal B M.Absorbents in anaerobic digestion o f cattle dung[J].Indian J Microbio，1986，25：57-58.
[12]陈朝猛，曾光明，张碧波，等.城市有机垃圾厌氧消化痕量激活剂的促进作用及产能研究[J].南
华大学学报（理工版），2004，18（1）：12-16.
[12]Chen Zhaomeng，Zeng Guangming，Zhang Bibo，et al.Study on improvement of trace activators and energy production in anaerobic digestion of municipal organic
refuse[J].Journal of Nanhua University（Science and Engineering Edition），2004，18（1）：12-16.
[13]Mohammed Saidu，Ali Yuzir.Biological pre-treated oil palm mesocarp fibre with cattle manure for biogas production by anaerobic digestion during acclimatization phase [J].International Biodeterioration&Biodegradation，2014，95：189-194.
[14]Rachma Wikandari，Supansa Youngsukkasem.Performance of semi-continuous membrane bioreactor in biogas production from toxic feedstock containing
DLimonene[J].Bioresource Technology，2014，170：350-355.
[15]S.Maamri，M Amrani.Biogas production from waste activated sludge using cattle dung inoculums:Effect of total solid contents and kinetics study [J].Energy Procedia，2014，50：352-359.
[16]James D Browne，Stephen R Gilkinson.The effects of storage time and temperature
on biogas production from dairy cow slurry [J]. Biosystems Engineering，2014，129：48-56.。