沼渣制備生物炭添加對(duì)小麥秸稈厭氧消化產(chǎn)氣性能及微生物群落的影響

高 健， 李 娟， 左曉宇， 袁海榮， 劉研萍， 李秀金

(1.北京化工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系， 北京 100029； 2.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心， 北京 100048)

我國農(nóng)業(yè)固體廢棄物產(chǎn)量巨大，其中以小麥秸稈、玉米秸稈、稻草為主，每年，小麥秸稈的產(chǎn)量高達(dá)上億噸，傳統(tǒng)的、低利用價(jià)值的處理方式，如焚燒造成了極大地資源浪費(fèi)，而且焚燒過程中產(chǎn)生的煙塵等污染物也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。厭氧消化是一種利用微生物降解有機(jī)物并且產(chǎn)生清潔能源的可持續(xù)、綠色生物技術(shù)，它被廣泛應(yīng)用于城市餐廚垃圾、廢水、污泥、生活垃圾等的減量化、資源化利用領(lǐng)域[2]。

不溶解或者難分解的有機(jī)物和無機(jī)物會(huì)殘留在厭氧消化剩余沼渣中，如果大量沼渣得不到科學(xué)處理，隨意堆放，勢必會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，不僅影響了周圍農(nóng)作物生長；更是給人們的健康帶來了威脅[3]；更是一種資源浪費(fèi)；因此，合理有效處理利用沼渣顯得尤為迫切。

制備生物質(zhì)炭為資源化有效利用沼渣提供了新的思路[4]，沼渣中含有有機(jī)碳源，是制備生物質(zhì)炭的優(yōu)質(zhì)材料。早在20世紀(jì)90年代，就有很多研究人員嘗試著用沼渣制備生物質(zhì)炭，生物炭所具備的較大的比表面積和孔徑、良好的吸附性能，其pH值呈堿性等諸多優(yōu)點(diǎn)使得沼渣制備生物質(zhì)炭有著光明的前景[5]。

厭氧消化過程是一個(gè)多種微生物參與的復(fù)雜生物學(xué)過程，這其中水解菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌在不同階段起著不同的作用。在參與厭氧消化反應(yīng)的眾多微生物中，產(chǎn)甲烷菌的種類和數(shù)量是影響厭氧消化產(chǎn)氣效率和甲烷含量的重要因素；因此尋找合適的微生物載體，延長微生物與底物的接觸時(shí)間和面積對(duì)厭氧發(fā)酵過程有積極意義；生物炭的多孔性、比表面積大等特點(diǎn)[6]，以及生物炭成本低、使用方便，逐漸引起人們關(guān)注[7]。XU[8]等發(fā)現(xiàn)生物炭增強(qiáng)葡萄糖和乙醇厭氧消化CH4產(chǎn)量，生物炭可以加快VFAs的消耗速率，進(jìn)而縮短消化周期。Luo[9]等以葡萄糖為底物進(jìn)行厭氧消化研究，在過程中添加生物質(zhì)炭，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加生物炭可以提高厭氧消化效率，縮短厭氧消化周期。然而，在眾多的生物炭對(duì)厭氧消化影響的研究中，對(duì)生物炭添加到農(nóng)作物秸稈及其微生物群落的影響研究較少。

因此，本文以小麥秸稈為底物，以小麥秸稈厭氧消化沼渣制備生物炭為添加劑，進(jìn)行了批式厭氧消化試驗(yàn)研究，通過對(duì)厭氧消化轉(zhuǎn)化性能的分析，探究沼渣生物炭的最佳添加量和制備溫度，同時(shí)分析沼渣生物炭的添加對(duì)小麥秸稈厭氧消化過程中微生物群落結(jié)構(gòu)變化的影響，為尋找提高小麥秸稈生物降解性和產(chǎn)甲烷性能的方法提供了重要工程意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與接種物

實(shí)驗(yàn)原料為小麥秸稈，取自北京南部郊區(qū)麥田，自然風(fēng)干后，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后，過20目篩，放于自封袋中，放置通風(fēng)干燥處備用。接種物取自于北京市順義區(qū)某沼氣站的消化污泥，取回后靜置一周，倒去上清液，過篩網(wǎng)除去大塊雜質(zhì)后，冷藏備用。小麥秸稈與接種泥的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 小麥秸稈與接種泥的基本性質(zhì) (%)

1.2 生物炭的制備

生物炭由小麥秸稈厭氧消化后的沼渣制備所得，沼渣烘干后，在固定床反應(yīng)器中快速熱解而成，其制備方法如下：向固定床中通入氮(99.99%，流量為 400 mL·s-1)，反應(yīng)溫度分別為400℃，500℃和600℃。將烘干后的沼渣置于固定床中通氮?dú)獯祾? min以驅(qū)趕固定床及原料中的氧氣；后升溫固定床至規(guī)定溫度，有效熱解區(qū)熱60 min；自然冷卻，禁止過早取出樣品，防止高溫下的熱解產(chǎn)物在空氣中自燃。熱解產(chǎn)物冷卻至室溫后，將其研磨并篩選粒徑均勻的顆粒，用去離子水洗滌目的是除去灰分，過濾后，置于105℃的烘箱中烘干24小時(shí)，備用。制備所得生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)如表2。

表2 沼渣生物炭的基本性質(zhì)

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置由兩個(gè)500 mL的藍(lán)蓋瓶和1個(gè)10 L的水箱用橡膠管連接組成，裝置連接完成后并用氮?dú)獯祾?，目的是排出瓶中氧氣?個(gè)藍(lán)蓋瓶作為厭氧反應(yīng)器，放置于恒溫(35℃±1℃)的水浴箱中，有效體積為400 mL，另1個(gè)藍(lán)蓋瓶用作集氣瓶。小麥秸稈常溫下用4% KOH試劑預(yù)處理3天后，按50 gTS·L-1上料，接種泥按20 g·L-1(以MLSS計(jì))接種；每天記錄產(chǎn)氣量和氣體成分，生物質(zhì)炭的添加量按小麥秸稈(干基)5%，10%和15%進(jìn)行添加，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。根據(jù)生物質(zhì)炭添加量不同，設(shè)置了不同的實(shí)驗(yàn)如表3。

表3 不同實(shí)驗(yàn)組生物炭添加情況

1.4 分析方法

總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)的測量采用國標(biāo)法。氣體成分通過配有熱導(dǎo)檢測器(TCD)的氣相色譜儀(SP-2100)檢測。物料的元素含量利用元素分析儀(Elementar, Germany)測定。采用高通量測序技術(shù)對(duì)厭氧消化液樣品中的微生物群落進(jìn)行分析研究，高通量測序過程由中國上海美吉生物公司(Shanghai Major bio Pharm Technology Co.Ltd.)進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 日產(chǎn)氣量

不同溫度下沼渣制備生物炭的添加對(duì)小麥秸稈厭氧消化日產(chǎn)氣量的影響如圖1～圖3所示，由日產(chǎn)氣量圖可以清楚看出，在添加沼渣制備生物質(zhì)炭的厭氧消化實(shí)驗(yàn)組與空白試驗(yàn)組中，均產(chǎn)生了3個(gè)明顯的產(chǎn)氣高峰，分別出現(xiàn)在厭氧發(fā)酵的第3天、第10天和第17天；在產(chǎn)氣高峰過后，日產(chǎn)氣量逐漸降低，且在厭氧消化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第25天后，日產(chǎn)氣量逐漸趨于平穩(wěn)，最低降至20～30 mL，添加生物質(zhì)炭實(shí)驗(yàn)組和空白試驗(yàn)組并無差別。但是，不同實(shí)驗(yàn)組中產(chǎn)氣高峰的最大日產(chǎn)氣量有著較大的不同，在第1個(gè)產(chǎn)氣高峰中，R1實(shí)驗(yàn)組(見圖1，生物炭制備溫度為400℃，添加量為5%)的最大日產(chǎn)氣量為860 mL，高于其他實(shí)驗(yàn)組和空白組。在第2個(gè)產(chǎn)氣高峰中，依然是R1實(shí)驗(yàn)組(生物炭制備溫度為400℃，添加量為5%)日產(chǎn)氣量最大，為700 mL；此外，所有生物炭添加實(shí)驗(yàn)組中的產(chǎn)氣高峰值均高于空白組。

圖1 400℃生物炭添加對(duì)小麥秸稈日產(chǎn)氣量變化的影響

圖2 500℃生物炭添加對(duì)小麥秸稈日產(chǎn)氣量變化的影響

圖3 600℃生物炭添加對(duì)小麥秸稈日產(chǎn)氣量變化的影響

第1個(gè)產(chǎn)氣高峰時(shí)，生物氣主要來源于小麥秸稈厭氧消化液中易降解的小分子物質(zhì)被水解菌和甲烷菌所利用而產(chǎn)生的；隨后產(chǎn)氣急劇下降，在第6天降到最低，這有可能是厭氧消化體系中積累了一定量的揮發(fā)性有機(jī)酸，如乙酸、丙酸等，影響了產(chǎn)甲烷菌的活性。隨著甲烷菌活性的增強(qiáng)和數(shù)量的增多，產(chǎn)氣逐漸上升，并在第10天左右出現(xiàn)第2個(gè)產(chǎn)氣高峰，此階段產(chǎn)氣共持續(xù)了9天，較第1個(gè)產(chǎn)氣高峰延長了3～4天，最大產(chǎn)氣量為700 mL；添加生物質(zhì)炭實(shí)驗(yàn)組的第2個(gè)產(chǎn)氣高峰較空白實(shí)驗(yàn)組提前了2～3天，產(chǎn)生這種情況的原因是可能生物質(zhì)炭呈堿性[10]，增強(qiáng)了厭氧發(fā)酵體系自身的調(diào)節(jié)能力，有效緩解了因?yàn)樗猱a(chǎn)酸菌產(chǎn)生的大量揮發(fā)性脂肪酸而造成的酸抑制問題；其次，也有可能是沼渣制備的生物質(zhì)炭的多孔性和大的比表面積為微生物提供了合適的生長環(huán)境，從表2沼渣生物炭性質(zhì)可知，生物炭的比表面積可達(dá)9.8～15.4 m2·g-1，且生物炭的微孔體積也可達(dá)0.04～0.048 cm3·g-1, 平均孔徑可達(dá)2.9～3.3 nm，因此，生物炭的加入為微生物提供了較好的附著表面，從而增強(qiáng)了甲烷菌活性并提高了產(chǎn)氣量[11]。隨著厭氧消化的不斷進(jìn)行，時(shí)間不斷的推遲，可被微生物消耗的物質(zhì)逐漸減少，產(chǎn)氣量也逐漸的降低。

2.2 甲烷含量

添加生物炭實(shí)驗(yàn)組和空白對(duì)照組的甲烷含量變化如圖4～圖6所示，所有的厭氧消化實(shí)驗(yàn)組中的甲烷含量呈現(xiàn)相同的變化趨勢，在厭氧消化的前5天，甲烷含量是逐漸上升的，并在第1個(gè)產(chǎn)氣高峰的時(shí)候達(dá)到了一個(gè)峰值，甲烷含量在53.51%～60.12%范圍內(nèi)；之后隨著厭氧消化過程的不斷穩(wěn)定，甲烷含量也在一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。在整個(gè)厭氧消化產(chǎn)氣過程中，添加生物質(zhì)炭實(shí)驗(yàn)組R1～R9的甲烷含量均高于未添加生物質(zhì)炭的對(duì)照組實(shí)驗(yàn)，而R1實(shí)驗(yàn)組在第1個(gè)產(chǎn)氣高峰過后，其甲烷含量均高于其它實(shí)驗(yàn)組，其甲烷平均含量達(dá)到了57.87%，高于空白對(duì)照組的53.43%，也高于同種生物質(zhì)炭添加15%的實(shí)驗(yàn)組的55.37%，同時(shí)也高于R8實(shí)驗(yàn)組(生物炭制備溫度為600℃,添加量為5%)的54.82%。

圖4 400℃生物炭添加對(duì)小麥秸稈甲烷含量變化的影響

圖5 500℃生物炭添加對(duì)小麥秸稈甲烷含量變化的影響

圖6 600℃生物炭添加對(duì)小麥秸稈甲烷含量變化的影響

2.3 單位VS產(chǎn)甲烷量和VS去除率

不同溫度(400℃,500℃和600℃)下制備的生物質(zhì)炭，按照不同添加量添加到小麥秸稈厭氧消化過程中，其對(duì)單位VS產(chǎn)甲烷量和VS去除率的影響，如圖7和圖8所示。在添加400℃生物炭實(shí)驗(yàn)組中，不同添加量實(shí)驗(yàn)組的單位VS產(chǎn)甲烷量，分別為297 mL·g-1VS，262 mL·g-1VS和254 mL·g-1VS，比空白組最高提高了40.1%，其VS去除率分別達(dá)到57.4%，52.8%和48.3%，比空白組最高提高了36.7%；添加5%實(shí)驗(yàn)組效果最明顯。其單位VS產(chǎn)甲烷提高率高于豬糞沼液對(duì)麥秸預(yù)處理后的厭氧消化過程中單位VS產(chǎn)甲烷量的38.89%的提高率[12]；同時(shí)也高于錳過氧化物酶和復(fù)合過氧化物酶的聯(lián)合預(yù)處理秸稈后的厭氧消化所得到的14.79%的提高率[13]。在500℃和600℃生物炭實(shí)驗(yàn)組中，均是生物炭添加量為5%時(shí)，小麥秸稈的單位VS產(chǎn)甲烷量VS去除率最高。時(shí)間則是6 h效果最佳，提高甲烷產(chǎn)量17．49此外，還可知，隨著生物炭制備溫度的升高和添加量的增大，小麥秸稈的單位VS產(chǎn)氣率和去除率均降低，這可能與生物碳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和對(duì)微生物負(fù)載性能有關(guān)[14]；其次，在小麥秸稈的厭氧消化工程中應(yīng)考慮碳氮比(C/N)對(duì)厭氧消化的影響，生物炭添加量的增大，也升高了系統(tǒng)中碳氮比，影響了微生物活性，造成產(chǎn)氣性能下降。

圖7 生物炭添加對(duì)小麥秸稈單位VS產(chǎn)甲烷量的影響

圖8 生物炭添加對(duì)小麥秸稈VS去除率的影響

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)變化

2.4.1 微生物群落多樣性分析

高通量測序OTUs中的Ace，Chao，Shannon以及Simpson等值的大小，最直觀的反映了微生物的豐富度和多樣性，其中樣本中微生物的多樣性指標(biāo)是通過Ace值和Chao值來反映的，而OTUs中的Shannon和Simpson指數(shù)值反映了微生物豐富度。表4為各實(shí)驗(yàn)組樣品中微生物中古菌和細(xì)菌的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)。

表4 不同實(shí)驗(yàn)組中古菌和細(xì)菌多樣性指數(shù)值統(tǒng)計(jì)

從表4中可以看出，未添加生物炭實(shí)驗(yàn)組的古菌和細(xì)菌微生物豐度指數(shù)Ace和Chao低于添加生物炭實(shí)驗(yàn)組，說明麥秸經(jīng)過生物炭添加后增加了反應(yīng)體系的微生物豐富度；且R1實(shí)驗(yàn)組高于其他實(shí)驗(yàn)組，說明R1實(shí)驗(yàn)組中細(xì)菌豐度高于其它實(shí)驗(yàn)組。對(duì)于微生物的多樣性而言，Shannon指數(shù)越小，所代表的實(shí)驗(yàn)組樣品中微生物群落多樣性卻越高，從表中可以看出R1實(shí)驗(yàn)組中該值最小；同時(shí)，Simpson指數(shù)越大的話，則說明該實(shí)驗(yàn)組樣品微生物群落多樣性越低，從表中可以看到未添加生物炭實(shí)驗(yàn)組該值最大，而R1實(shí)驗(yàn)組該指數(shù)最小，R500實(shí)驗(yàn)組次之。分析可知，經(jīng)過生物炭添加的反應(yīng)體系細(xì)菌和古菌多樣性高于未添加實(shí)驗(yàn)組。

2.4.2 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化

本研究將高通量測序序列(門水平和屬水平)結(jié)果進(jìn)行了分析比較，不同實(shí)驗(yàn)組厭氧消化液中細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)組分結(jié)果見圖9和圖10。對(duì)于未添加和不同生物炭添加的樣本在門分類水平上進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析圖9可知，厭氧反應(yīng)后期的微生物主要分布在13個(gè)門，不同的門類細(xì)菌在厭氧發(fā)酵過程中發(fā)揮著不同的作用。其中主要為：厚壁菌門(Firmicutes)、變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、Fibrobacteres、螺旋體門(Spirochaetae)等。

圖9 小麥秸稈厭氧消化系統(tǒng)中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在門水平上的變化

Firmicutes細(xì)菌是水解階段最常見的菌類，能夠抵御不良或極端環(huán)境，并且是纖維素的重要降解菌，F(xiàn)irmicutes在樣本中占總細(xì)菌的百分比最高，在4個(gè)實(shí)驗(yàn)組中分別占55.1%，52.5%，47.4%和38.9%，可見，經(jīng)過生物炭添加實(shí)驗(yàn)組的水解菌群高于未添加實(shí)驗(yàn)組。Bacteroidetes是厭氧環(huán)境中常見的消化產(chǎn)酸菌群，一定程度上反映著厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣效率，Bacteroidetes在3個(gè)樣本中占總細(xì)菌的百分比分別為25.3%，36.6%，34.3%和35.6%，可見R400實(shí)驗(yàn)組中產(chǎn)酸菌較少，這是因?yàn)榉磻?yīng)體系內(nèi)的酸被轉(zhuǎn)化為了甲烷氣體，這與其產(chǎn)甲烷量最高的結(jié)果是一致的。此外，各實(shí)驗(yàn)組在批式發(fā)酵反應(yīng)器中的細(xì)菌在屬水平上的優(yōu)勢菌為Clostridium_sensu_stricto_1，它在4個(gè)樣本中占總細(xì)菌的百分比分別為18.5%，17.6%，16.7%和12.3%(見圖10)，可見添加生物炭的實(shí)驗(yàn)組高于未添加生物炭的實(shí)驗(yàn)組，且R1實(shí)驗(yàn)組最高。

圖10 小麥秸稈厭氧消化系統(tǒng)中細(xì)菌在門水平上的變化

2.4.3 古菌群落結(jié)構(gòu)變化

對(duì)于不同生物炭添加量實(shí)驗(yàn)組中厭氧消化發(fā)酵液中的古菌群落在門分類水平上的分類如圖11可知，不同生物炭添加實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵液樣品中的古菌主要為廣古菌門(Euryarchaeota)、Bathyarchaeota和其他古菌。Euryarchaeota在3個(gè)添加生物炭實(shí)驗(yàn)組樣本中占總古菌的百分比最高，分別為74.9%，73.6%和73.0%。

圖11 小麥秸稈厭氧消化系統(tǒng)中古菌群落結(jié)構(gòu)在門水平上的變化

圖12 小麥秸稈厭氧消化系統(tǒng)中古菌群落結(jié)構(gòu)在屬水平上的變化

不同生物炭添加實(shí)驗(yàn)組樣本在古菌屬分類水平上進(jìn)行菌群結(jié)構(gòu)見圖12，從圖中可以看出，各實(shí)驗(yàn)組樣品分析顯示消化液中古菌屬包括：鬃毛甲烷菌屬、甲烷桿菌屬(Methanosaeta),norank_p_Bathyarchaeota，甲烷八疊球菌屬(Methanobacterium)和少量其他屬。在R400，R500，R600和未添加實(shí)驗(yàn)組4個(gè)樣本中Methanosaeta占比分別為69.2%，67.0%，65.9%和51.8%；Methanosaeta是代表性的氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌屬[1]，具有將乙酸、丙酸或丁酸氧化為H2和CO2的能力，從圖中可見其在各樣本始終是優(yōu)勢古細(xì)菌菌屬；且該優(yōu)勢菌在R1實(shí)驗(yàn)組中占比最高，這與其較高的甲烷產(chǎn)量是一致的。

3 結(jié)論

(1)厭氧發(fā)酵后的沼渣制備生物質(zhì)炭添加到小麥秸稈厭氧發(fā)酵過程中，有助于提高小麥秸稈的產(chǎn)甲烷量和VS去除率。

(2)不同活化溫度下厭氧發(fā)酵沼渣制備的生物質(zhì)炭以及不同生物質(zhì)炭添加量對(duì)小麥秸稈厭氧發(fā)酵過程的影響是不同的，其最佳添加量為5%，最優(yōu)活化溫度為400℃。

(3)生物炭制備溫度為400℃、添加量為5%時(shí)，厭氧消化系統(tǒng)中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在屬水平上的優(yōu)勢菌種為Clostridium_sensu_stricto_1(18.5%)，古菌群落結(jié)構(gòu)在屬水平上的優(yōu)勢菌種為Methanosaeta(69.2%)。