生物炭孔隙結(jié)構(gòu)對市政污泥好氧發(fā)酵過程中甲烷釋放的影響*

周 倩，胡湛波**，鄭榆凱，林澤帥，劉果瑩

(1.廣西大學資源環(huán)境與材料學院，廣西南寧 530004；2.華南理工大學環(huán)境與能源學院，廣東廣州 510006)

好氧發(fā)酵技術(shù)可實現(xiàn)市政污泥無害化、減量化和穩(wěn)定化，是極具發(fā)展?jié)摿Φ氖姓勰嗵幚砑夹g(shù)[1]。但發(fā)酵過程中高溫、高含水率以及氧氣分布不均勻的特性會導致甲烷(CH4)釋放[2]，而CH4是一種典型的溫室氣體，其溫室效應是二氧化碳(CO2)的25倍[3,4]。對此，研究人員積極探索減少市政污泥好氧發(fā)酵CH4釋放的措施，如通過調(diào)節(jié)物料性質(zhì)、改變曝氣或添加調(diào)理劑等方式[5-9]。

本研究在市政污泥好氧發(fā)酵過程中添加不同孔隙結(jié)構(gòu)的生物炭，探討不同孔隙結(jié)構(gòu)對堆體環(huán)境及CH4釋放的影響，進一步分析各孔隙結(jié)構(gòu)影響甲烷菌和甲烷氧化菌代謝活動的途徑，并通過研究生物炭孔隙結(jié)構(gòu)與CH4釋放規(guī)律、環(huán)境因子及微生物之間的相關(guān)性，以期闡明生物炭孔隙結(jié)構(gòu)對市政污泥好氧發(fā)酵過程中CH4釋放的影響，為利用生物炭減少市政污泥好氧發(fā)酵的CH4釋放提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 好氧發(fā)酵材料

污泥(SW)采集自廣西南寧市明陽工業(yè)園區(qū)污水處理廠，稻殼購置于河南省竹馬兒電子商貿(mào)有限公司，EM菌劑購自河南益加益生物工程有限公司。櫸木生物炭(WB)由奧地利博林泰森公司(Polytechnik Luft- und Feuerungstechnik GmbH)提供，稻殼生物炭(RB)和玉米芯生物炭(CB)分別從陜西森亞泰家庭園藝專營店和河南立澤環(huán)?？萍加邢薰举徶?。各原材料基本特性如表1所示。

表1 好氧發(fā)酵原材料的理化性質(zhì)

1.1.2 市政污泥好氧發(fā)酵反應器

本實驗所用反應器主體為容積220 L的不銹鋼桶(φ 600 mm×800 mm)，外部包裹50 mm厚的保溫棉，在桶壁底部開設一個小孔用于連接曝氣管，在距離曝氣管高度100 mm處搭建一塊亞克力板曝氣盤(φ 580 mm×10 mm)。反應器側(cè)面設有3個取樣口用于采集固體樣品。在反應器頂部中心設有一小孔并連接直徑為20 mm的塑料管，用于排氣和測溫。好氧發(fā)酵反應器如圖1所示。

圖1 好氧發(fā)酵反應器示意圖

1.2 方法

1.2.1 實驗設計與樣品采集

(1)市政污泥好氧發(fā)酵實驗。

將40 kg污泥、10 kg稻殼和0.01% EM菌劑混合均勻作為對照組(CK)，實驗組在CK的基礎(chǔ)上再分別添加5 kg的櫸木生物炭、稻殼生物炭和玉米芯生物炭?；旌暇鶆虻奈锪显诜磻鬟M行44 d的好氧發(fā)酵，于第7天、14天、24天、34天進行翻堆。通過氣體流量計將曝氣量控制在0.1 m3/(min·m3)。

(2)樣品采集與處理。

1.2.2 樣品分析方法

(1)生物炭表征。

生物炭的微觀孔隙形貌采用掃描電子顯微鏡(日立S3400N，日本)表征。生物炭的孔徑、比表面積及孔容使用全自動比表面積分析儀(麥克ASAP 2460，美國)進行測定，通過密度泛函理論分析孔徑分布。本研究以生物炭孔徑代表生物炭孔隙結(jié)構(gòu)。根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)孔徑分類標準，多孔材料按孔徑大小可以劃分為微孔(<2.00 nm)、中孔(2.00-50.00 nm)和大孔(>50.00 nm)。

(2)氣體及理化性質(zhì)測定。

(3)產(chǎn)甲烷潛勢和甲烷氧化潛勢的測定。

參考Ma等[21]的方法，并結(jié)合頂空氣相色譜(HS-GC)技術(shù)進行設計，HS-GC系統(tǒng)由頂空進樣器(安捷倫7697A，美國)和氣相色譜儀(安捷倫8890，美國)組成。頂空進樣器的參數(shù)設置如下：加熱爐溫度設為80℃，傳輸線和平衡回路分別設為40℃和100℃，連續(xù)注射時間為0.6 min，樣品填充壓力為15 psi，保持時間為0.25 min。氣相色譜儀參數(shù)設置同1.2.2節(jié)(2)點內(nèi)容。

MPP實驗步驟如下：稱取2 g鮮樣于20 mL頂空瓶，在氮氣操作箱中排除空氣，5 min之后封蓋，再移至25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)250 h，最后通過HS-GC測定瓶中CH4的濃度。MOP實驗步驟如下：稱取0.5 g鮮樣于20 mL頂空瓶中并封蓋，再將1 mL濃度為50%的CH4標準氣注射至頂空瓶內(nèi)，隨后于25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)100 h，使用HS-GC測定CH4的減少量。

(4)微生物群落測序。

選擇污泥和第3天、23天、44天的樣品測定微生物群落，分別代表空白對照、高溫期、降溫期和腐熟期的微生物群落。采用引物515F (5′-GTGYCAGCC-

GGTAA-3′)和806R(5′-GGACTACNVGGGTWTCTAAT-3′)擴增16S rRNA基因的V4區(qū)[22]。PCR反應程序設置如下：首先95℃預變性3 min，然后95℃變性30 s，退火30 s，72℃延伸45 s，再72℃延伸10 min。應用IlluminaMiseq平臺進行高通量測序，該工作委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

本文使用SPSS 25.0軟件處理和分析實驗數(shù)據(jù)。所有圖像均采用Origin 9.0繪制。采用Spearman方法進行相關(guān)分析，使用CANOCO 5.0的冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)建立CH4釋放與其他指標之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭孔隙結(jié)構(gòu)

WB的孔徑最小、比表面積最大；CB孔徑最大、比表面積最??；而RB則介于兩者之間，且與WB更為相似(表1)。WB和RB在0.00-2.00 nm出現(xiàn)明顯的微孔峰值，且微孔結(jié)構(gòu)分別占各自總孔隙結(jié)構(gòu)的87.84%和73.72%，表明WB和RB的孔隙結(jié)構(gòu)以微孔結(jié)構(gòu)為主。CB則在93.13-233.91 nm顯示出明顯的大孔峰值且大孔結(jié)構(gòu)占89.94%，表明玉米芯生物炭以大孔結(jié)構(gòu)為主(圖2)。

圖2 基于密度泛函理論的生物炭孔徑分布

生物炭表面形貌如圖3所示，WB的骨架清晰且厚實、孔道流暢，內(nèi)壁光滑無小孔，孔隙分布均勻。RB的骨架較為清晰，但厚度較薄，整體形似圓形管道堆疊，在各通道連接處形成直徑更小的孔隙。CB呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，各孔緊密地連接，孔道內(nèi)壁遍布不連通的小孔。

圖3 生物炭表面形貌SEM圖(1 500×)

2.2 生物炭孔隙結(jié)構(gòu)對市政污泥好氧發(fā)酵堆體環(huán)境的影響

圖4 好氧發(fā)酵過程中溫度和pH (c)的變化

2.3 生物炭孔隙結(jié)構(gòu)對CH4釋放規(guī)律、MPP、MOP的影響

圖5(a)和圖5(b)顯示了各組CH4釋放的規(guī)律。CK、WB、RB和CB的CH4釋放速率最大值分別為21.58 mg/(kg·d)、9.58 mg/(kg·d)、12.93 mg/(kg·d)和15.64 mg/(kg·d)。進入腐熟期后，CH4釋放速率逐漸減少并趨于穩(wěn)定。當發(fā)酵結(jié)束時，CK、WB、RB和CB的CH4累計釋放量分別為5 296.89 mg、3 080.99 mg、3 517.51 mg和4 862.76 mg。與CK相比，WB、RB和CB分別減少41.83%、33.59%和8.20%，其中WB和RB的CH4減排效果最佳。

MPP和MOP的動態(tài)變化如圖5(c)和圖5(d)所示。初始樣品的MPP遠高于其他發(fā)酵時期，這與CH4釋放速率的變化趨勢相對應。在發(fā)酵7 d后，各組的MPP逐步趨于穩(wěn)定且潛勢較弱；MOP在發(fā)酵前期較弱，而在11 d后，各組均有所增強。

圖5 好氧發(fā)酵過程中甲烷釋放(a,b)、產(chǎn)甲烷潛勢(c)和氧化潛勢(d)的變化

2.4 生物炭孔隙結(jié)構(gòu)對市政污泥好氧發(fā)酵中甲烷菌和甲烷氧化菌群落的影響

從圖6(a)可以看出，SW主要包含的甲烷菌為甲烷桿菌屬(Methanobacterium)、甲烷短桿菌屬(Methanobrevibacter)和甲烷鬃毛菌屬(Methanosaeta)。WB和RB均出現(xiàn)嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌屬(Methanothermobacter)，Methanothermobacter在WB具有較高的豐度(45.45%)，在RB的豐度相對較低(9.09%)，而在CK和CB中未檢測到Methanothermobacter。與WB和RB相比，CB在高溫期和腐熟期的甲烷菌種類更豐富。

發(fā)酵過程中甲烷氧化菌的群落演替見圖6(b)。SW的甲烷氧化菌種類豐富，但隨著反應的進行，所有發(fā)酵組的甲烷氧化菌種類逐漸減少。高溫期時，Unclassified_f_Methylococcaceae為各組的優(yōu)勢菌群，甲基熱菌屬(Methylocaldum)和甲基桿菌-甲基羅布氏菌屬(Methylobacterium-Methylorubrum)也有較高的相對豐度。在降溫期和腐熟期，各組的優(yōu)勢菌群更替為Norank_f_Methylococcaceae，且相對豐度均達到90%以上，與高溫期樣品相比甲烷氧化菌種類更單一。綜上可知，所有發(fā)酵組甲烷氧化菌的演替規(guī)律趨同，不同生物炭孔隙結(jié)構(gòu)對甲烷氧化菌的演替及其物種組成的影響相似。

圖6 屬水平上甲烷菌和甲烷氧化菌的群落演替

2.5 生物炭孔隙結(jié)構(gòu)與CH4釋放及其影響因素的相關(guān)性分析

圖7 群落組成與環(huán)境變量的冗余分析

3 討論

本研究結(jié)果表明，在市政污泥好氧發(fā)酵過程中添加生物炭可減少CH4釋放，這是因為生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)具有良好的氧氣傳輸能力，可以減少堆體局部厭氧環(huán)境的產(chǎn)生。此外，實驗組CH4釋放規(guī)律的差異可能與不同孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。生物炭的微孔結(jié)構(gòu)對小分子物質(zhì)(氣體、液體小分子等)具有較強的吸附性能[23]，故推測以微孔結(jié)構(gòu)為主的櫸木生物炭和稻殼生物炭可以吸附更多CH4，降低CH4釋放速率并減少CH4累積釋放量。

發(fā)酵過程中各組甲烷菌群落呈不同的演替規(guī)律。Methanothermobacter因其適應性強而成為優(yōu)勢菌群，Methanothermobacter的最適生長溫度為55-65℃[25]，其對高溫環(huán)境的適應性高于堆體中的其他甲烷菌屬，且溫度越高，Methanothermobacter的相對豐度越大，這可能是由于WB和RB的高發(fā)酵溫度抑制了大部分甲烷菌的生長，說明生物炭微孔結(jié)構(gòu)可通過提高發(fā)酵溫度的方式影響甲烷菌的演替。生物炭孔隙能為微生物提供生存和繁衍的場所[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，CB的甲烷菌種類更豐富，說明玉米芯生物炭的大孔結(jié)構(gòu)不僅可以成為甲烷菌的理想棲息地，而且也能容納更多數(shù)量的甲烷菌，進而導致CB的CH4釋放量大于WB和RB。

4 結(jié)論

本研究通過添加不同孔隙結(jié)構(gòu)的生物炭對市政污泥進行好氧發(fā)酵實驗，結(jié)果表明，WB、RB和CB的CH4釋放量與CK相比明顯減少；WB和RB能減少高溫期和腐熟期的甲烷菌種類；生物炭孔徑與CH4釋放速率呈正相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果表明，以微孔結(jié)構(gòu)為主的WB和RB能夠有效抑制好氧發(fā)酵過程中甲烷菌的活性，CH4減排效果較佳。研究結(jié)果對使用生物炭調(diào)理劑減少市政污泥好氧發(fā)酵過程中CH4釋放具有一定的參考價值。

致謝

感謝奧地利博林泰森公司(Polytechnik Luft- und Feuerungstechnik GmbH)提供的幫助！