超微粉碎泥炭發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷的研究

馬力通，路亞楠，郝思雯

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.生物煤化工綜合利用內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

泥炭主要成分為有機(jī)質(zhì)和腐植酸，由植物殘?bào)w堆積形成[1]，目前主要作為園藝基質(zhì)和有機(jī)肥，廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物種植、花卉園藝、土壤改良等領(lǐng)域。泥炭中的植物殘?bào)w部分含有纖維素、半纖維素，可經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化為甲烷。研究[2]發(fā)現(xiàn)，微生物種群可迅速適應(yīng)變暖的環(huán)境，在北極地區(qū)利用泥炭可以高速率持續(xù)產(chǎn)甲烷。但泥炭資源轉(zhuǎn)化為生物甲烷的研究卻鮮有報(bào)道。張英等[3]研究發(fā)現(xiàn)，與藻類、水生草本植物、陸生草本植物相比，泥炭產(chǎn)生物甲烷能力最弱，并且在一定時(shí)間內(nèi)，藻類有機(jī)質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化率最高，泥炭最低。Ghosh等[4]研究發(fā)現(xiàn)，接種 50%Vs(volatile solids，揮發(fā)性固體)的厭氧活性污泥，泥炭在35 ℃的甲烷產(chǎn)量可達(dá) 0.137 m3·(kg Vs)-1，降低污泥對(duì)泥炭的 Vs 比值，會(huì)使甲烷產(chǎn)量顯著下降。泥炭的生物甲烷產(chǎn)量不高可能是由于泥炭有機(jī)質(zhì)的生物可降解性低。因此探索改進(jìn)泥炭生物可降解性的途徑[5]，可提高生物甲烷產(chǎn)量。

超微粉碎是利用機(jī)械方法將物料粉碎到 10 μm 以下[6]，所得產(chǎn)品具有大比表面積、高孔隙率、高表面能、高流動(dòng)性、高溶解性、高吸附性等獨(dú)特的物化性質(zhì)，在食品、中藥、能源等領(lǐng)域呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景[7]。目前未見超微粉碎處理泥炭，改善泥炭有機(jī)質(zhì)生物可降解性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)泥炭資源化利用產(chǎn)生物甲烷的相關(guān)報(bào)道。為探索泥炭資源化利用的綠色、環(huán)保新途徑，實(shí)現(xiàn)泥炭高效率產(chǎn)生物甲烷，作者采用超微粉碎對(duì)泥炭進(jìn)行預(yù)處理，研究超微粉碎泥炭的粒度分布，測(cè)定泥炭發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷過(guò)程中的日產(chǎn)氣量、總產(chǎn)氣量及發(fā)酵體系的pH值、還原糖含量和揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量，研究超微粉碎預(yù)處理對(duì)泥炭發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷的影響；并采用透射電鏡分析發(fā)酵前后超微粉碎泥炭的形貌，解析超微粉碎對(duì)泥炭發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷的影響機(jī)理，為實(shí)現(xiàn)泥炭資源低成本、高效率轉(zhuǎn)化生物甲烷奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

泥炭，Ts(總固體) 8.03%,Vs 4.07%，吉林省敦化市吉祥泥炭開發(fā)有限責(zé)任公司；活性污泥，取自包頭鹿城水務(wù)有限公司，厭氧馴化后保存于實(shí)驗(yàn)室 4 ℃冰箱，Ts 0.66%,Vs 0.38%。

AMPTSⅡ型全自動(dòng)產(chǎn)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)；Beckman Coulter LS 230 型激光粒度儀；JEM-2100 型透射電鏡；YB-2000A 型高速多功能粉碎機(jī)；HMB-701型分體式超微粉碎機(jī)；雷磁 PHS-25型pH 計(jì)。

1.2 方法

1.2.1 超微粉碎預(yù)處理

取風(fēng)干泥炭，粉碎過(guò) 200 目(75 μm)篩；取一半泥炭粉末備用，另一半繼續(xù)進(jìn)行超微粉碎，得超微粉碎泥炭。

1.2.2 粒徑測(cè)定

將超微粉碎泥炭溶于無(wú)水乙醇中，采用激光粒度儀測(cè)定粒徑。

1.2.3 泥炭發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷

分別稱取 40 g超微粉碎泥炭、200 目泥炭，放入全自動(dòng)產(chǎn)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)酵瓶中；加入?yún)捬躐Z化的 200 mL 活性污泥，補(bǔ)充蒸餾水至 400 mL，調(diào)節(jié) pH 值為 7.0， 50 ℃下進(jìn)行發(fā)酵。每日測(cè)定日產(chǎn)氣量，每3 d測(cè)定pH值、還原糖含量、VFA含量，發(fā)酵結(jié)束后計(jì)算總產(chǎn)氣量。采用排水集氣法測(cè)定日產(chǎn)氣量，采用pH計(jì)測(cè)定發(fā)酵體系pH值，采用DNS 比色法測(cè)定還原糖含量，采用比色法測(cè)定 VFA含量。每組實(shí)驗(yàn)做 3 個(gè)平行，取平均值。

1.2.4 透射電鏡分析

將超微粉碎泥炭分散于無(wú)水乙醇中，制成懸浮液，滴于覆蓋有支持膜的電鏡載網(wǎng)上，干燥后放入透射電鏡中進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 超微粉碎泥炭的粒度分布(圖 1)

由圖1可知，超微粉碎泥炭粒徑主要分布在0.214～43.670 μm之間，平均粒徑為9.334 μm，接近1 340目(10 μm)，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.2 超微粉碎對(duì)泥炭發(fā)酵日產(chǎn)氣量的影響(圖2)

由圖2可知，超微粉碎泥炭和200目泥炭發(fā)酵的日產(chǎn)氣量均呈先升高后降低的趨勢(shì)，超微粉碎預(yù)處理對(duì)泥炭日產(chǎn)氣量有促進(jìn)作用。在發(fā)酵第 7～20 d、第 22～30 d超微粉碎泥炭日產(chǎn)氣量比200目泥炭的多；發(fā)酵第3 d，超微粉碎泥炭發(fā)酵日產(chǎn)氣量達(dá)到 112 mL，高于200 目泥炭發(fā)酵日產(chǎn)氣量(99.7 mL)；200 目泥炭在發(fā)酵第35 d停止產(chǎn)生物甲烷，而超微粉碎泥炭的發(fā)酵周期則為 48 d，明顯優(yōu)于200 目泥炭。表明超微粉碎預(yù)處理泥炭，能夠促使泥炭化學(xué)成分以可溶性物質(zhì)的形式釋放，滿足不產(chǎn)甲烷菌的營(yíng)養(yǎng)需要，延長(zhǎng)菌群的動(dòng)態(tài)演替時(shí)間[8]，延長(zhǎng)生物甲烷生產(chǎn)時(shí)間，提高總產(chǎn)氣量。

圖2 超微粉碎對(duì)泥炭發(fā)酵日產(chǎn)氣量的影響Fig.2 Effect of superfine grinding on daily biomethane production of peat

2.3 超微粉碎對(duì)泥炭發(fā)酵總產(chǎn)氣量的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，200目泥炭發(fā)酵總產(chǎn)氣量為579.7 mL，超微粉碎泥炭發(fā)酵總產(chǎn)氣量為805.7 mL，提高了 38.98%。表明超微粉碎能夠促進(jìn)泥炭發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷，可能是泥炭在超微粉碎過(guò)程中發(fā)生了機(jī)械化學(xué)反應(yīng)[9]，引起泥炭的微觀結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化，促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌對(duì)泥炭的分解、轉(zhuǎn)化，從而提高了泥炭發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷性能。

2.4 超微粉碎對(duì)泥炭發(fā)酵體系 pH值的影響(圖3)

圖3 超微粉碎對(duì)泥炭發(fā)酵體系 pH值的影響Fig.3 Effect of superfine grinding on pH value of peat fermentation system

由圖3可知，超微粉碎泥炭發(fā)酵體系起始 pH 值是 7.0，在為期 48 d 的發(fā)酵過(guò)程中，pH值呈先減小后波動(dòng)中增大的趨勢(shì)。泥炭有機(jī)質(zhì)厭氧分解產(chǎn)生VFA導(dǎo)致pH值減小，發(fā)酵第 6 d，200 目泥炭發(fā)酵體系pH值達(dá)到6.70，超微粉碎泥炭發(fā)酵體系pH值達(dá)到最小值，為6.66；此后 VFA因生成 CH4減少，導(dǎo)致 pH 值緩慢增大，最后穩(wěn)定在 7.01～7.18。其中，超微粉碎泥炭發(fā)酵體系pH 值在第 6～36 d 一直在7.0以下波動(dòng)，延長(zhǎng)了泥炭發(fā)酵周期，提高了泥炭的總產(chǎn)氣量。

2.5 超微粉碎對(duì)泥炭發(fā)酵體系還原糖含量的影響(圖4)

圖4 超微粉碎對(duì)泥炭發(fā)酵體系還原糖含量的影響Fig.4 Effect of superfine grinding on reducing sugar content of peat fermentation system

由圖4可知，超微粉碎有助于提高泥炭發(fā)酵體系的還原糖含量。在泥炭發(fā)酵過(guò)程中，還原糖含量整體呈先升高后降低的趨勢(shì)，其中超微粉碎泥炭發(fā)酵體系的還原糖含量整體比200 目泥炭發(fā)酵體系的高。發(fā)酵前期，泥炭有機(jī)質(zhì)如纖維素、半纖維素先分解為還原糖，所以在發(fā)酵前期還原糖含量升高。發(fā)酵第 27 d，200 目泥炭發(fā)酵體系還原糖含量達(dá)到最高，為 0.02030%；發(fā)酵第 24 d，超微粉碎泥炭發(fā)酵體系還原糖含量達(dá)到最高，為0.02467%，表明超微粉碎能夠促進(jìn)還原糖的溶出[10]。隨著發(fā)酵過(guò)程中還原糖等轉(zhuǎn)化為VFA，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為 CH4，導(dǎo)致還原糖含量逐漸降低。

2.6 超微粉碎對(duì)泥炭發(fā)酵體系VFA 含量的影響(圖 5)

圖5 超微粉碎對(duì)泥炭發(fā)酵體系VFA 含量的影響Fig.5 Effect of superfine grinding on VFA content of peat fermentation system

由圖5可知，在發(fā)酵過(guò)程中，超微粉碎泥炭和200 目泥炭發(fā)酵體系的 VFA 含量整體上均呈先升高后降低的趨勢(shì)，這與泥炭發(fā)酵過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為VFA，VFA轉(zhuǎn)化為CH3COOH，進(jìn)而生成 CH4的理論相吻合。發(fā)酵初期，超微粉碎泥炭發(fā)酵體系、200 目泥炭發(fā)酵體系的VFA 含量分別為0.274 g·L-1、0.285 g·L-1；隨著發(fā)酵的進(jìn)行，泥炭分解有機(jī)質(zhì)為 VFA， VFA 開始累積進(jìn)入產(chǎn)酸階段[11-12]，在第36 d,超微粉碎泥炭發(fā)酵體系VFA 含量達(dá)到最高，為1.432 g·L-1,在第 30 d ，200 目泥炭發(fā)酵體系VFA 含量達(dá)到最高，為1.122 g·L-1，表明有更多的還原糖轉(zhuǎn)化為 VFA；此后產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)代謝，將 VFA 轉(zhuǎn)化為CH4，導(dǎo)致發(fā)酵體系 VFA 含量在波動(dòng)中下降，在第 48 d，超微粉碎泥炭發(fā)酵體系VFA含量降至0.742 g·L-1，在第 36 d，200 目泥炭發(fā)酵體系VFA 含量降至0.743 g·L-1。

2.7 超微粉碎泥炭的透射電鏡分析(圖6)

圖6 超微粉碎泥炭發(fā)酵前(a)后(b)的 TEM 照片F(xiàn)ig.6 TEM images of superfine grinded peat before(a) and after(b) fermentation

由圖6可知，發(fā)酵前,超微粉碎泥炭是完整顆粒；發(fā)酵后，超微粉碎泥炭邊緣出現(xiàn)裂痕、縫隙，顯現(xiàn)碎片化趨勢(shì)。揭示超微粉碎泥炭發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷過(guò)程中，厭氧微生物對(duì)泥炭的降解。

3 結(jié)論

研究了超微粉碎預(yù)處理對(duì)泥炭產(chǎn)生物甲烷的影響。結(jié)果表明：超微粉碎處理能提高泥炭生化可降解性，是一種有效的泥炭預(yù)處理方式；超微粉碎泥炭發(fā)酵總產(chǎn)氣量為805.7 mL，較200 目泥炭發(fā)酵總產(chǎn)氣量(579.7 mL)提高了38.98%，說(shuō)明超微粉碎預(yù)處理能夠提高泥炭的生物甲烷產(chǎn)量；超微粉碎泥炭產(chǎn)生物甲烷的發(fā)酵周期為48 d，比200 目泥炭的發(fā)酵周期延長(zhǎng)了 13 d，增加了總產(chǎn)氣量。