超微粉碎預(yù)處理泥炭產(chǎn)生物氫氣的研究

孫慎光，李 珺，馬力通,3*，趙寒冰

(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.內(nèi)蒙古科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014010;3.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(peat)是由部分和完全腐爛的有機(jī)物在有限的氧氣存在下形成的，其化學(xué)結(jié)構(gòu)是由植物木質(zhì)纖維素聚合而成[1]。

Girkin等[2]發(fā)現(xiàn)，泥炭在生成甲烷的過(guò)程中有兩種途徑，一種是由醋酸生成甲烷，另一種是氫氣還原二氧化碳生成甲烷。在酸性沼澤和低溫沼澤中，氫養(yǎng)型甲烷生成往往占優(yōu)勢(shì)，當(dāng)阻斷氫氣還原二氧化碳這一代謝途徑，泥炭由產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)向產(chǎn)氫氣。郝思雯等[3]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)酸、堿、超聲波或微波預(yù)處理的泥炭物理結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，生物發(fā)酵產(chǎn)甲烷量增加，預(yù)處理有助于促進(jìn)泥炭生物轉(zhuǎn)化。超微粉碎(superfine grinding)是將物料破碎到20 μm以下[4]，從而使物料具有高溶解性、高反應(yīng)活性。Ma等[5]將煤粉超微粉碎，發(fā)現(xiàn)煤粉的比表面積和間隙度增大，變得更易燃燒、更易發(fā)生反應(yīng)；馬力通等[6]發(fā)現(xiàn)，超微粉碎能夠提高泥炭生物甲烷產(chǎn)量，延長(zhǎng)泥炭甲烷發(fā)酵周期。氫氣比溫室氣體甲烷更清潔無(wú)碳，目前尚未有超微粉碎泥炭產(chǎn)氫氣的相關(guān)報(bào)道。

作者對(duì)泥炭進(jìn)行超微粉碎，通過(guò)測(cè)定泥炭厭氧發(fā)酵過(guò)程中的日產(chǎn)氫氣量、pH值、還原糖含量、揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)含量及總產(chǎn)氫氣量的變化，考察超微粉碎預(yù)處理對(duì)泥炭產(chǎn)氫氣的影響，采用透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)觀察產(chǎn)氫氣前后泥炭顆粒的形貌，為泥炭產(chǎn)氫氣的利用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

活性污泥(總固含量0.66%，揮發(fā)性固含量0.38%)，包頭鹿城水務(wù)有限公司，將其厭氧馴化后保存在4 ℃冰箱中；草本泥炭(總固含量8.03%，揮發(fā)性固含量4.07%)，吉林敦化吉祥泥炭開發(fā)有限責(zé)任公司。

Beckman Coulter LS 230型激光粒度儀，JEM-2100型透射電鏡，QUANTA-400型掃描電鏡，YB-2000A型高速多功能粉碎機(jī)，WZJ-6BT型超微粉碎機(jī)，雷磁PHS-25型pH計(jì)，HH-8型數(shù)顯恒溫水浴鍋，JM-A6002型電子天平，722型可見分光光度計(jì)。

1.2 方法

1.2.1 泥炭樣品的預(yù)處理

取風(fēng)干草本泥炭，經(jīng)高速多功能粉碎機(jī)粉碎，過(guò)200目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到200目泥炭樣品，取出120 g作為對(duì)照；其余用超微粉碎機(jī)進(jìn)行超微粉碎，得到超微粉碎泥炭樣品。用激光粒度儀測(cè)定泥炭樣品粒徑。

1.2.2 泥炭發(fā)酵產(chǎn)氫氣實(shí)驗(yàn)

稱取200目泥炭樣品40 g、超微粉碎泥炭樣品40 g，分別置于500 mL發(fā)酵瓶中，分別加入200 mL煮沸0.5 h的厭氧活性污泥、180 mL蒸餾水，搖勻，調(diào)節(jié)初始pH值為7.0，置于50 ℃水浴鍋中進(jìn)行厭氧發(fā)酵。每日測(cè)定日產(chǎn)氫氣量、pH值、還原糖含量、VFA含量及總產(chǎn)氫氣量。

采用排水集氣法測(cè)定日產(chǎn)氫氣量[7]，采用pH計(jì)測(cè)定pH值，采用DNS法測(cè)定還原糖含量[8]，采用氣相色譜法測(cè)定VFA含量[9]。每組設(shè)3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

1.2.3 TEM分析

將產(chǎn)氫氣前后的超微粉碎泥炭研磨，溶于無(wú)水乙醇溶液中，用超聲波分散器制成懸浮液，用滴管將懸浮液滴于覆蓋有支持膜的電鏡載網(wǎng)上，待其干燥后，采用TEM觀察泥炭形貌。

1.2.4 SEM分析

選擇導(dǎo)電性較好的鋸條，將鋸條雙面粘上膠帶，將產(chǎn)氫氣后干燥的泥炭粉末粘在膠帶上，鍍金，采用SEM觀察形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 超微粉碎泥炭的粒徑分布(圖1)

圖1 超微粉碎泥炭的粒徑分布

由圖1可知，超微粉碎泥炭的粒徑主要分布在0.148～57.77 μm之間。

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

圖2 超微粉碎對(duì)泥炭發(fā)酵日產(chǎn)氫氣量的影響

由圖2可知，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，泥炭發(fā)酵的日產(chǎn)氫氣量總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在第11～22 d、第30～46 d時(shí)，超微粉碎泥炭的日產(chǎn)氫氣量明顯高于200目泥炭的；在第11 d時(shí)，超微粉碎泥炭的日產(chǎn)氫氣量達(dá)到最高，為79.5 mL；200目泥炭的日產(chǎn)氫氣量在第2 d達(dá)到第一個(gè)日產(chǎn)氫氣量高峰，為53.67 mL，并在 第10 d達(dá)到第二個(gè)日產(chǎn)氫氣量高峰，為41.7 mL，均低于超微粉碎后的泥炭日產(chǎn)氫氣量。表明，超微粉碎能提高泥炭日產(chǎn)氫氣量、延長(zhǎng)產(chǎn)氣高峰期時(shí)間，對(duì)于泥炭產(chǎn)氫氣具有促進(jìn)作用。

2.3 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

微生物轉(zhuǎn)化泥炭產(chǎn)氫氣的生命活動(dòng)與pH值之間具有密切聯(lián)系，pH值是泥炭產(chǎn)氫氣過(guò)程中重要的影響因素。由圖3可知，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，pH值呈先下降后上升的趨勢(shì)；在初始pH值為7.0時(shí)，泥炭中的有機(jī)質(zhì)被厭氧微生物分解進(jìn)而產(chǎn)生VFA，pH值下降；在第7 d時(shí)，超微粉碎泥炭和200目泥炭發(fā)酵體系的pH值均下降到最低值，分別為5.95、6.36；隨后VFA消耗產(chǎn)生氫氣，pH值上升，最后穩(wěn)定在6.90～7.08。在第7～43 d厭氧菌降解泥炭的過(guò)程中，超微粉碎泥炭發(fā)酵體系的pH值穩(wěn)定在7.0以下，微生物活性更高，產(chǎn)氫氣能力更強(qiáng)。

2.4 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

由圖4可知，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，超微粉碎泥炭發(fā)酵體系的還原糖含量總體高于200目泥炭的。超微粉碎能促進(jìn)泥炭纖維素降解為葡萄糖等還原糖，隨著進(jìn)入產(chǎn)酸、產(chǎn)氫氣階段，產(chǎn)酸微生物不斷消耗還原糖，還原糖轉(zhuǎn)化為VFA，導(dǎo)致還原糖含量下降。在16 d內(nèi)，超微粉碎泥炭發(fā)酵體系的還原糖含量穩(wěn)定在0.00917%～0.01597%，200目泥炭發(fā)酵體系的還原糖含量穩(wěn)定在0.00879%～0.00926%。

2.5 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

由圖5可知，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，VFA含量總體呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢(shì)。泥炭有機(jī)質(zhì)如纖維素、半纖維素等在氫氣發(fā)酵前期分解為還原糖，進(jìn)而酸化產(chǎn)生VFA，導(dǎo)致VFA含量迅速上升，并且在第5 d時(shí)超微粉碎泥炭發(fā)酵體系的VFA含量達(dá)到最高，為2.374 83 g·L-1；隨著VFA轉(zhuǎn)化為乙酸進(jìn)而轉(zhuǎn)化為氫氣，導(dǎo)致體系VFA含量下降，第5 d后微粉碎泥炭發(fā)酵體系的VFA含量總體開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并在第43 d達(dá)到最低，為0.824 7 g·L-1。

2.6 超微粉碎對(duì)泥炭發(fā)酵總產(chǎn)氫氣量的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)束，測(cè)得超微粉碎泥炭發(fā)酵總產(chǎn)氫氣量為843 mL，200目泥炭發(fā)酵總產(chǎn)氫氣量為500 mL，超微粉碎泥炭比200目泥炭的總產(chǎn)氫氣量提高了68.6%，表明超微粉碎能夠促進(jìn)泥炭發(fā)酵產(chǎn)氫氣。這是因?yàn)?，超微粉碎處理增大了泥炭與微生物的接觸面積，從而促進(jìn)泥炭有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)氫氣。

2.7 超微粉碎泥炭的TEM分析(圖6)

由圖6可知，和產(chǎn)氫氣前的超微粉碎泥炭相比，產(chǎn)氫氣后的超微粉碎泥炭的孔隙率提高、孔隙尺寸增大，呈現(xiàn)破碎趨勢(shì)，揭示了在超微粉碎泥炭發(fā)酵產(chǎn)氫氣過(guò)程中，厭氧微生物對(duì)泥炭的降解造成形貌變化。

(a)超微粉碎泥炭 (b)產(chǎn)氫氣后的超微粉碎泥炭

2.7 超微粉碎泥炭的SEM分析(圖7、圖8)

(a)200目泥炭(×1500) (b)超微粉碎泥炭(×5000)

(a)×800 (b)×1000

由圖7可知，與200目泥炭顆粒相比，超微粉碎泥炭顆粒的粒徑更小，比表面積增大，與微生物之間的接觸面積增大，更容易發(fā)生反應(yīng)。

由圖8可知，厭氧微生物作用于超微粉碎泥炭產(chǎn)氫氣后，泥炭的物理結(jié)構(gòu)特性發(fā)生改變，孔隙率提高、孔隙尺寸增大，表明泥炭厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫氣過(guò)程中泥炭表面特性如孔隙率改變能夠促進(jìn)微生物定殖，對(duì)泥炭轉(zhuǎn)化為氫氣有強(qiáng)化作用。

3 結(jié)論

(1)TEM分析表明，泥炭經(jīng)超微粉碎預(yù)處理后，粒徑更小，比表面積增大；SEM分析表明，超微粉碎泥炭發(fā)酵產(chǎn)氫氣后，泥炭的物理結(jié)構(gòu)特性發(fā)生改變，孔隙率提高、孔隙尺寸增大。超微粉碎是一種有效的泥炭預(yù)處理方式。

(2)泥炭超微粉碎后厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫氣，總產(chǎn)氫氣量為843 mL，較200目泥炭發(fā)酵總產(chǎn)氫氣量(500 mL)提高了68.6%，表明超微粉碎預(yù)處理能夠提高泥炭發(fā)酵產(chǎn)氫氣量。