三種濕地植物厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性及產(chǎn)物穩(wěn)定性研究

夏 嵩，付嘉琦，付尹宣，晏 恒，陳小平，吳九九

（江西省科學(xué)院能源研究所，南昌 330096）

人工濕地（constructed wetland）是模擬自然濕地系統(tǒng)，將土壤、沙、石等材料按比例組成基質(zhì)，并和水體、動植物、微生物等共同構(gòu)建的類似于自然濕地的新型污水凈化系統(tǒng)[1]。濕地植物是人工濕地系統(tǒng)重要的組成部分，植物可以吸收氮、磷等污染物，輸送氧氣，促進微生物活動，增強和維持介質(zhì)的水力傳輸?shù)龋恢参镞€能美化環(huán)境，改善區(qū)域氣候，促進生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，具有重要的生態(tài)及社會效益[2]。

大量研究報道了濕地水生植物對污染物的去除效果及作用機制[3-4]，然而對植物資源的后續(xù)處理及資源化利用報道較少。水生植物生長速度快、生物量高、水分和有機質(zhì)含量高，如不及時收割，不但影響凈化效果，植株腐爛后還會造成二次污染[5]。因此，開展?jié)竦刂参镔Y源化利用對解決人工濕地技術(shù)二次污染問題具有重要意義。有研究表明，濕地植物生物量積累較高，如巨菌草生物量達到250～400 t·hm-2，每公頃水葫蘆年產(chǎn)量可達75萬t[2，6]。濕地植物可利用水體中的營養(yǎng)鹽，不需要額外添加營養(yǎng)物，種植成本較低；同時，濕地植物纖維素和半纖維素含量較高，木質(zhì)素含量較低，適合作為厭氧發(fā)酵的原料[5]。

濕地植物的有機物含量和穩(wěn)定性程度是其土地利用的重要指標(biāo)。通過厭氧發(fā)酵處理可增加有機廢棄物穩(wěn)定性，減少植物毒性物、致病菌、重金屬和異味等不利影響[7]。盡管許多分析手段被用于生物穩(wěn)定化研究，但有機物生物轉(zhuǎn)化度的量化分析仍十分困難。有研究表明熱分析技術(shù)可用于評價生物產(chǎn)物的穩(wěn)定性，如厭氧發(fā)酵物和堆肥等[8]。因此，本研究選取了三種濕地植物（巨菌草、水葫蘆和狐尾藻），采用全自動甲烷潛力測試系統(tǒng)和熱重分析-示差掃描量熱法（TG-DSC）對其在不同溫度下的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性和產(chǎn)物穩(wěn)定性進行研究，并通過Cheynoweth方程對發(fā)酵產(chǎn)氣過程進行動力學(xué)模擬，以期為濕地植物的資源化利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

厭氧消化污泥取自江西萬年某豬場廢棄物厭氧發(fā)酵罐活性污泥。三種濕地植物：巨菌草（Pennisetum sp.）、狐尾藻（Myriophyllum verticillɑtum）以及水葫蘆（Eichhorniɑ crɑssipes），采自該豬場厭氧廢水人工濕地處理系統(tǒng)。植物采集后自然風(fēng)干，粉碎至40目，儲存于-20℃冰箱備用。三種植物及接種污泥的基本性質(zhì)見表1。

1.2 實驗設(shè)置

發(fā)酵實驗裝置采用瑞典Bioprocess Control公司的全自動甲烷潛力測試系統(tǒng)（Automatic Methane Potential Test System，AMPTS），全自動實時采集整個發(fā)酵周期的甲烷產(chǎn)量，內(nèi)置溫度和壓力傳感器自動校正數(shù)據(jù)，可精準(zhǔn)測量氣體流量，避免了不同環(huán)境和批次對實驗結(jié)果的影響。發(fā)酵單元容量500 mL，反應(yīng)體系總量400 g。厭氧罐通過水浴加熱，溫度設(shè)置為中溫（37℃）和常溫（25℃）。接種按照污泥∶植物的揮發(fā)性固體（VS）質(zhì)量比為2∶1接入，反應(yīng)體系總固體濃度（TS）為8%。攪拌過程通過電機自動控制實現(xiàn)，攪拌間隔為5 min。

1.3 實驗方法

TS和VS含量通過重量法測定，pH采用上海雷磁PHS-3C型pH計測定，總碳（TC）和總氮（TN）通過湖南三德科技公司SDCHN435元素分析儀測定。厭氧發(fā)酵物穩(wěn)定性分析采用發(fā)酵產(chǎn)物固液分離后的沼渣進行測試。發(fā)酵沼渣在80℃下烘72 h，用于熱重-示差掃描量熱（TG-DSC）分析。TG-DSC分析采用德國耐馳STA449 F3，在合成氣（氮氣和氧氣的混合比為4∶1）氛圍下，以10℃·min-1的速率升溫至800℃。

表1 三種濕地植物和接種污泥的基本性質(zhì)Table 1 Characteristics of three wetland plants and inoculated sludge

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

所有試驗至少3組平行，試驗結(jié)果為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。采用Origin 8.5軟件進行數(shù)據(jù)處理及動力學(xué)分析。采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析，利用Turkey HSD法進行多重比較，P＜0.05即表明差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)酵產(chǎn)甲烷特性及有機物去除效果

通過 BMP測試（Biochemical Methane Potential）對三種濕地植物厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷潛力進行研究。如圖1 a所示，30 d發(fā)酵周期內(nèi)，中溫條件下水葫蘆的累積甲烷產(chǎn)量最高，為236.9 mL·g-1VS，顯著高于巨菌草（166.5 mL·g-1VS）和狐尾藻（159.4 mL·g-1VS）（P＜0.01）；如圖1 b所示，當(dāng)溫度降到常溫時，水葫蘆、巨菌草和狐尾藻的最高累積甲烷產(chǎn)量分別為169.3、128.5、134.7 mL·g-1VS，產(chǎn)量均出現(xiàn)明顯降低。30 d發(fā)酵周期內(nèi)，中溫下水葫蘆、巨菌草和狐尾藻甲烷產(chǎn)量較常溫分別提高了39.9%、29.6%和18.3%（P＜0.01）。結(jié)果表明，三種濕地植物均可作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的原料，其中水葫蘆累積產(chǎn)甲烷量高于巨菌草和狐尾藻。溫度對厭氧發(fā)酵效率影響顯著，在30 d發(fā)酵周期下中溫比常溫更有利于提高物料的累積甲烷產(chǎn)量。

圖1不同溫度下三種濕地植物厭氧發(fā)酵累積甲烷產(chǎn)量Figure 1 Cumulative methane production of three wetland plants treated by anaerobic digestion at different temperatures

圖2 表示不同溫度下三種濕地植物厭氧發(fā)酵日甲烷產(chǎn)量變化。如圖2a所示，中溫下三種植物日甲烷產(chǎn)量迅速提高，發(fā)酵第1 d即進入產(chǎn)氣高峰期，持續(xù)8～10 d。其中，巨菌草和狐尾藻的產(chǎn)氣峰值均在第1 d出現(xiàn)，分別為22.0、35.8 mL·d-1·g-1VS；水葫蘆的產(chǎn)氣峰值在第4 d出現(xiàn)，為29.9 mL·d-1·g-1VS。按日產(chǎn)氣量小于總產(chǎn)氣量的1%即認為產(chǎn)氣結(jié)束計算，巨菌草、狐尾藻和水葫蘆的發(fā)酵周期分別為27、16 d和18 d。如圖2b所示，30 d常溫發(fā)酵前期三種濕地植物日產(chǎn)氣量逐漸提高，巨菌草、狐尾藻和水葫蘆的產(chǎn)氣峰值分別在第7、12 d和第9 d出現(xiàn)，分別為10.9、9.9、11.6 mL·d-1·g-1VS，均顯著低于中溫下相應(yīng)的產(chǎn)氣峰值（P＜0.01），30 d發(fā)酵時間內(nèi)產(chǎn)氣相對平穩(wěn)，實驗結(jié)束時產(chǎn)氣均未結(jié)束。

圖2 不同溫度下三種濕地植物厭氧發(fā)酵日甲烷產(chǎn)量Figure 2 Daily methane production of three wetland plants treated by anaerobic digestion at different temperatures

表2 三種濕地植物厭氧消化產(chǎn)甲烷特征及有機物去除情況Table 2 Characteristics of methanogenesis and organic degradation of three wetland plants treated by anaerobic digestion

表2歸納了三種濕地植物厭氧消化產(chǎn)甲烷特性及有機物去除情況。結(jié)果表明：在30 d實驗周期內(nèi)，中溫下3種植物發(fā)酵甲烷產(chǎn)量更高、產(chǎn)氣速度更快，發(fā)酵周期更短，且中溫下原料的VS去除率也高于常溫條件。發(fā)酵結(jié)束時，各實驗組pH值在7.0～7.3之間，均處于正常范圍內(nèi)。杜婷婷等[9]綜述了不同生物質(zhì)廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力，其中農(nóng)業(yè)秸稈類總沼氣產(chǎn)量在138～442 mL·g-1TS之間，林業(yè)廢棄物在54～69 mL·g-1TS之間，能源植物在106～936 mL·g-1TS之間，畜禽糞便在215～495 mL·g-1TS之間。由于原料品種、發(fā)酵方式和實驗條件不同，文獻報道結(jié)果之間存在一定差異?？傮w來看，本文中三種濕地植物都具備較好的產(chǎn)氣潛力，可作為厭氧發(fā)酵制甲烷的原料。由于不同植物的組成成分如纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、脂肪、蛋白和碳水化合物等含量對厭氧發(fā)酵具有顯著影響，三種濕地植物的產(chǎn)氣特征差異可能與其成分差異有關(guān)。李連華等[10]對雜交狼尾草和柳枝稷荻的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷潛力進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同品種能源草的甲烷產(chǎn)量為214～288 mL·g-1VS。這是由于不同品種能源草的生長階段和原料特性不同，TS、VS、C/N比和木質(zhì)素、粗脂肪等含量都有差別，從而導(dǎo)致其產(chǎn)氣性能出現(xiàn)差別。溫度對厭氧發(fā)酵效率具有重要影響。鄧怡國等[11]對25～40℃溫度范圍內(nèi)菠蘿葉渣的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性研究發(fā)現(xiàn)：35℃試驗組產(chǎn)氣量明顯優(yōu)于其他3組，且發(fā)酵時間也小于其他組。賈麗娟等[12]研究發(fā)現(xiàn)：不同溫度下牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率存在差異，35℃下原料產(chǎn)氣量高于30℃和45℃，且各類功能微生物數(shù)量與比例最佳。綜上認為，中溫更有利于厭氧發(fā)酵微生物菌群的生長和代謝。

2.2 基于TG-DSC的厭氧發(fā)酵物穩(wěn)定性分析

圖3為中溫下發(fā)酵周期內(nèi)（0～30 d），三種濕地植物厭氧發(fā)酵物的TG和DSC變化曲線圖。如圖3a～圖3c的TG變化表明，三種濕地植物均具有三個明顯的失重過程：100℃左右的失重，主要是由于樣品中殘留的水揮發(fā)引起；250～350℃的失重，主要是由易降解物質(zhì)和半揮發(fā)性組分（如碳水化合物、脂肪族結(jié)構(gòu)、羧基等）以及半纖維素、纖維素、微生物細胞壁等物質(zhì)的燃燒引起；400～600℃的失重，主要是由于高分子量的芳香族和多環(huán)類結(jié)構(gòu)，如木質(zhì)素、腐植酸類物質(zhì)的燃燒引起[13]。從整個發(fā)酵周期來看，三種濕地植物的TG曲線變化規(guī)律一致，即總失重率隨發(fā)酵時間逐漸減少。狐尾藻、巨菌草和水葫蘆的總失重率分別從第0 d的61.68%、60.21%和59.07%，逐漸降至第30 d的55.78%、55.02%和52.26%。這是由于隨著厭氧發(fā)酵的進行，植物中的半纖維素、纖維素等物質(zhì)被微生物分解利用，部分有機物逐漸轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳等物質(zhì)，因此可氧化的有機物量變少，總失重逐漸降低[14]。

如圖3d～圖3f所示，三種植物的DSC曲線在300℃和400～550℃有兩個明顯的放熱峰。低溫區(qū)（300℃），三種植物的放熱峰峰型一致，強度隨發(fā)酵時間呈降低趨勢，這是由于厭氧發(fā)酵中易降解物質(zhì)逐漸被消耗，導(dǎo)致低溫區(qū)放熱峰強度逐漸降低。高溫區(qū)（400～550℃），狐尾藻的峰強度變化和低溫區(qū)一致，呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢；而巨菌草和水葫蘆隨發(fā)酵時間增加，峰值右移，且峰強度具有增加趨勢。這可能是由于隨發(fā)酵進行，部分易降解物質(zhì)向聚電解質(zhì)大分子（如腐植酸）轉(zhuǎn)化，分子復(fù)雜度和方向共軛度升高，產(chǎn)物穩(wěn)定性程度增加，從而導(dǎo)致高溫區(qū)放熱增加、熱解溫度升高[15]。同時，研究結(jié)果也表明這種轉(zhuǎn)化過程存在一定的物種特異性，可能與不同植物的結(jié)構(gòu)和組成等因素有關(guān)。Wu等[16]在城市填埋垃圾的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著填埋時間增加，固形物礦化作用加強，揮發(fā)性物質(zhì)釋放減少，熱解溫度升高。

2.3 厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程模擬分析

圖3 中溫發(fā)酵下三種濕地植物TG（a～c）和DSC（d～f）曲線變化Figure 3 TG（a～c）and DSC（d～f）profiles obtained from mesophilic anaerobic digestion of three wetland plants

生物質(zhì)厭氧發(fā)酵研究表明，其厭氧消化產(chǎn)甲烷過程遵循一級反應(yīng)[17-18]。本文采用Cheynoweth等提出的生物質(zhì)厭氧產(chǎn)甲烷動力學(xué)方程V=V0（1-e-kt）對中溫下產(chǎn)氣周期內(nèi)三種濕地植物產(chǎn)甲烷過程進行模擬分析（其中：V為甲烷產(chǎn)量，V0為甲烷最終產(chǎn)量，k為反應(yīng)速率常數(shù)，t為時間）。如圖4a所示，巨菌草、狐尾藻和水葫蘆產(chǎn)甲烷過程Cheynoweth方程擬合決定系數(shù)R2分別為0.956 4、0.977 0和0.991 1，均具有較好的相關(guān)性，說明該方程能很好地反映發(fā)酵周期內(nèi)三種濕地植物產(chǎn)甲烷的規(guī)律。將實驗測定的三種濕地植物產(chǎn)甲烷數(shù)據(jù)代入Cheynoweth方程，獲得實測數(shù)據(jù)和擬合預(yù)測數(shù)據(jù)的產(chǎn)甲烷曲線（圖4b）。模型擬合結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)比較接近，產(chǎn)氣積累規(guī)律也較為一致。三種濕地植物巨菌草、狐尾藻和水葫蘆最終產(chǎn)氣預(yù)測值和實測值差異比分別為1.98%、0.82%和0.32%，進一步表明Cheynoweth方程可用于生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程的擬合。

圖4 Cheynoweth方程產(chǎn)甲烷動力學(xué)分析Figure 4 Methanogenesis kinetic analysis fit by Cheynoweth equation

3 結(jié)論

（1）厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷是濕地植物能源化利用的有效途徑，中溫比常溫更有利于提高發(fā)酵效率。30 d發(fā)酵周期內(nèi)，巨菌草、狐尾藻和水葫蘆中溫發(fā)酵甲烷產(chǎn)量分別達166.5、159.4、236.9 mL·g-1VS，顯著高于常溫發(fā)酵；同時，中溫（37℃）下三種濕地植物發(fā)酵周期（16～27 d）、產(chǎn)氣峰值（22.0～35.8 mL·d-1·g-1VS）及其出現(xiàn)時間（1～4 d）、VS去除率（40.59%～58.20%）都優(yōu)于常溫（25℃）發(fā)酵。

（2）Cheynoweth方程可以反映三種濕地植物厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷規(guī)律，所建模型與實際產(chǎn)甲烷過程較為接近，R2均大于0.95。

（3）TG-DSC技術(shù)可用于厭氧發(fā)酵物的穩(wěn)定性分析。三種濕地植物全發(fā)酵周期TG-DSC分析反映了厭氧過程中有機物的降解和發(fā)酵物穩(wěn)定化過程。