探究鐵基生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

◎ 田迅明，伍焱鴻

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，四川 成都 611130）

厭氧發(fā)酵是處理餐廚垃圾的一種主要途徑，其人工成本低、對(duì)環(huán)境的影響程度小、可有效回收能源，具有良好的發(fā)展前景[1]。研究顯示，在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，生物炭不僅為產(chǎn)氫細(xì)菌提供了較大的比表面積，在緩沖pH的同時(shí)還維持了產(chǎn)氫生物酶的活性，從而促進(jìn)底物向生物氫轉(zhuǎn)化，生物炭的孔隙和吸附性也有利于增加氣體擴(kuò)散，故生物炭應(yīng)用于厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫是可行的[2-3]。在厭氧發(fā)酵過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，缺乏微生物生長(zhǎng)和保持酶活性所必需的金屬離子可能是這一現(xiàn)象的原因。LIU等[4]研究發(fā)現(xiàn)缺鐵不僅會(huì)影響發(fā)酵細(xì)菌的生長(zhǎng)代謝，還會(huì)影響微生物的產(chǎn)氫能力。趙甲的[5]研究表明鐵主要影響產(chǎn)氫微生物體內(nèi)的生物氧化過(guò)程，可加快H+與電子的結(jié)合，進(jìn)而加快產(chǎn)氫。因此，將生物炭和三價(jià)鐵結(jié)合可在促進(jìn)酶活性的同時(shí)促進(jìn)微生物的富集和新陳代謝，二者結(jié)合可更大幅度提高產(chǎn)氫微生物活性。本文將探討不同溫度、鐵源的三價(jià)鐵-生物炭復(fù)合材料對(duì)餐廚廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

引種污泥取自成都市某工業(yè)廢水處理廠；玉米秸稈取自四川某農(nóng)場(chǎng)；模擬的餐廚垃圾由大米400 g·kg-1、 蔬 菜 300 g·kg-1、肉 200 g·kg-1、豆 制 品 50 g·kg-1組成，均購(gòu)自溫江區(qū)某生鮮市場(chǎng)。FeCl3、Fe(NO3)3、Fe2(SO4)3和飽和NaHCO3溶液。

1.2 儀器與設(shè)備

本項(xiàng)目主要使用的儀器設(shè)備如表1所示。

表1 所用儀器設(shè)備表

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 三價(jià)鐵基生物炭的制備

本研究使用了在400 ℃下煅燒的普通生物炭、氯化鐵基生物炭、硫酸鐵基生物炭、硝酸鐵基生物炭以及在600 ℃和800 ℃下煅燒的硫酸鐵基生物炭共6種生物炭，制備步驟如下。在煅燒三價(jià)鐵基生物炭前需對(duì)秸稈粉末進(jìn)行前期炭化準(zhǔn)備。分別稱取FeCl3·6H2O 4.83 g、Fe(NO3)3·9H2O 7.214 g和Fe2(SO4)33.571 g于 3只1 L燒杯中，加入600～800 mL蒸餾水后使用飽和NaHCO3調(diào)溶液pH為7，隨后分別定容至1000 mL。稱取100 g秸稈粉末于3只1 L燒杯中，分別加入上述溶液1000 mL，攪拌24 h，使用離心機(jī)離心掉上清液后用高純水使其懸浮，再離心，共重復(fù)3次。之后使用烘干箱105 ℃條件下將處理后的秸稈烘干24 h，再使用馬弗爐在400 ℃、600 ℃和800 ℃的條件下對(duì)秸稈進(jìn)行熱解，從而制得含鐵量1 g·L-1的三價(jià)鐵基生物炭。

1.3.2 材料預(yù)處理

（1）引種污泥預(yù)處理。本研究使用體積比為7∶3的餐廚垃圾與污泥進(jìn)行發(fā)酵，為防止配置時(shí)污泥不足，額外取10%體積的引種污泥進(jìn)行預(yù)處理，為去除引種污泥所含的產(chǎn)甲烷菌需對(duì)其進(jìn)行熱預(yù)處理（95 ℃處 理30 min）[6]。

（2）餐廚材料預(yù)處理。本研究中各次實(shí)驗(yàn)所用的餐廚材料由大米∶肉∶菜∶豆腐=8∶4∶6∶1的比例配制，并按照餐廚原料∶自來(lái)水=2∶8的比例將餐廚原料與水混合后煮熟、破碎制得實(shí)驗(yàn)所需的餐廚材料。

1.3.3 厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本研究中各實(shí)驗(yàn)使用的厭氧發(fā)酵底物均由餐廚材料∶污泥=7∶3配置，每個(gè)反應(yīng)器（500 mL血清瓶）中裝入400 g反應(yīng)底物，未投加生物炭的血清瓶為空白組，投加普通生物炭的血清瓶為對(duì)照組，投加三價(jià)鐵基生物炭的血清瓶為實(shí)驗(yàn)組。在裝瓶前需先將實(shí)驗(yàn)所需的污泥與餐廚材料混合攪拌30 min使其充分混合，保證其可充分進(jìn)行厭氧發(fā)酵。裝瓶后向?qū)嶒?yàn)組和對(duì)照組中加入1.5 g各類三價(jià)鐵基生物炭和普通生物炭，塞入瓶塞后使用10 L·min-1流速的高純氮沖洗 30 min以創(chuàng)造厭氧效果并檢驗(yàn)是否具有漏氣現(xiàn)象，隨后連接500 mL的氣袋后放入（37±1）℃的空氣浴搖床（160 r·min-1）中進(jìn)行厭氧發(fā)酵并定時(shí)測(cè)氣[7]。①對(duì)比研究煅燒溫度為400 ℃的氯化鐵基生物炭和普通生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的促進(jìn)效果，對(duì)空白組、實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組產(chǎn)生氫氣的體積進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算，得到階段性結(jié)論。②對(duì)比研究煅燒溫度為400 ℃的不同類型[FeCl3、Fe(NO3)3和Fe2(SO4)3]三價(jià)鐵基生物炭對(duì)餐廚材料厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響效果，得到階段性結(jié)論。③對(duì)比研究煅燒溫度（400 ℃、600 ℃和800 ℃）對(duì)同一種三價(jià)鐵基生物炭促進(jìn)餐廚材料厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫程度的影響，得到階段性結(jié)論。

2 結(jié)果與分析

2.1 厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 三價(jià)鐵基生物炭與普通生物炭效果對(duì)比

對(duì)比研究煅燒溫度為400 ℃的氯化鐵基生物炭（Fe-BC）和普通生物炭（BC）對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的促進(jìn)效果影響，得到的產(chǎn)氫量圖如圖1所示。由圖1可知，氯化鐵基生物炭對(duì)餐廚垃圾產(chǎn)氫效果的促進(jìn)作用比普通生物炭更明顯，證明本研究思路方案可行。

圖1 鐵基生物炭和普通生物炭影響效果圖

2.1.2 不同鐵源三價(jià)鐵基生物炭對(duì)產(chǎn)氫影響結(jié)果

為了更深入探究不同溫度三價(jià)鐵基生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫作用的影響，對(duì)煅燒溫度為400 ℃的不同類型三價(jià)鐵基生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的促進(jìn)效果進(jìn)行對(duì)比，得到的產(chǎn)氫量圖如圖2所示。

由圖2可知，空白組、氯化鐵-生物炭（FeCl3-BC）、硫酸鐵-生物炭[Fe2(SO4)3-BC]和硝酸鐵-生物炭[Fe(NO3)3-BC]的產(chǎn)氫量最高分別為1228 mL、 1269 mL、1402 mL和295 mL。與空白組相比，硫酸鐵基生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的促進(jìn)效果最好，約為14.18%，氯化鐵基生物炭對(duì)餐廚材料的產(chǎn)氫促進(jìn)效果不明顯，僅為3.37%，而硝酸鐵基生物炭對(duì)產(chǎn)氫具有抑制效果。出現(xiàn)這種情況的原因可能是在厭氧發(fā)酵生物產(chǎn)氫中，氫化酶以及鐵氧還蛋白起著至關(guān)重要的作用[10]。而鐵是氫化酶的輔因子，因此向發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)中額外添加鐵，可以改變酶的活性以及穩(wěn)定性提高產(chǎn)氫效率。加入氯化鐵和硫酸鐵后與對(duì)照組相比較，秸稈纖維素的晶體結(jié)構(gòu)有更為明顯的改變，表明二者的加入對(duì)厭氧微生物破壞纖維素結(jié)晶部分具有強(qiáng)化作用，從而促進(jìn)有機(jī)物分解生成氫氣[11]。投加硫酸鐵后硫酸根會(huì)被體系中的硫酸鹽還原菌還原為S2-，可將Fe3+還原為Fe2+[12]，從而加快微生物間的電子傳遞，促進(jìn)氫氣的產(chǎn)生。而投加硝酸鐵后硝酸根可被體系中反硝化細(xì)菌消耗生成氮?dú)?，抑制了微生物間的電子傳遞效應(yīng)，從而減少了氫氣的產(chǎn)生。

圖2 不同鐵源鐵基生物炭影響效果圖

2.1.3 不同溫度的硫酸鐵基生物炭對(duì)產(chǎn)氫影響結(jié)果

對(duì)比研究不同溫度的硫酸鐵基生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的促進(jìn)效果影響，得到的產(chǎn)氫量圖如圖3所示。由圖3可知，煅燒溫度為600 ℃的硫酸鐵基生物炭對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫具有最好的促進(jìn)效果，約為15.47%；煅燒溫度為400 ℃的硫酸鐵基生物炭促進(jìn)效果次之，約為7.06%；煅燒溫度為800 ℃的硫酸鐵基生物炭對(duì)餐廚材料厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的促進(jìn)效果不明顯，約為1.48%。

圖3 不同溫度硫酸鐵基生物炭影響效果圖

查閱資料可知，出現(xiàn)這種情況可能是低溫煅燒的生物炭由于其石墨化程度較低，導(dǎo)電性較差，不利于電子的傳遞；隨著生物炭制備溫度在一定范圍內(nèi)提升，生物炭可與四氧化三鐵緊密結(jié)合，導(dǎo)電性及充放電能力均有提升，可促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)溫度的升高使更多的酸性官能團(tuán)消失，釋放堿性元素，從而中和更多的有機(jī)酸并降低酸對(duì)產(chǎn)氫細(xì)菌的抑制作用，促進(jìn)氫氣的產(chǎn)生；一旦制備溫度過(guò)高，生物炭石墨化程度將升高，其表面活性官能團(tuán)會(huì)減少，導(dǎo)致生物炭充放電能力下降，這對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖傳遞不利，同時(shí)生物炭的比表面積和孔隙體積將有一定程度的下降，微孔數(shù)目減少，而微孔通常被認(rèn)為在生物炭的污染物吸附中起著至關(guān)重要的作用，由此以減少氫氣的產(chǎn)生量。因此生物炭制備溫度是生物炭影響微生物產(chǎn)氫程度的重要因素[8]。

2.2 發(fā)酵液pH值分析結(jié)果

三價(jià)鐵基生物炭和普通生物炭在厭氧發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液pH變化情況如圖4所示。

圖4 發(fā)酵液pH變化情況圖

由圖4可知，本次實(shí)驗(yàn)厭氧發(fā)酵過(guò)程中空白組pH值下降幅度最大，加入普通生物炭組pH下降幅度次之，加入三價(jià)鐵基生物炭組pH值下降幅度最小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是生物炭含有堿性組，可以中和某些酸（如乙酸等）的酸度，同時(shí)可維持產(chǎn)氫菌的酶活性于一個(gè)適宜的范圍內(nèi)，從而提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氫速率[9]。而加入三價(jià)鐵基生物炭后其良好的導(dǎo)電性可促進(jìn)體系間電子的傳遞，而其所含的營(yíng)養(yǎng)元素又可促進(jìn)微生物的富集和新陳代謝，提高系統(tǒng)的抗沖擊能力，同時(shí)三價(jià)鐵基生物炭自身的堿性也可增強(qiáng)體系中pH的緩沖能力，故該組pH值高于其余兩組。

2.3 發(fā)酵液VFAs分析結(jié)果

本研究在確定最佳鐵基生物炭后對(duì)空白組和硫酸鐵基生物炭組（600 ℃）最終發(fā)酵液中的VFAs成分進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 發(fā)酵液VFAs分析結(jié)果圖

由分析數(shù)據(jù)顯示，本項(xiàng)目最終發(fā)酵液中以丁酸和乙酸為主要成分，且丁酸與乙酸物質(zhì)的量之比約為2∶1，呈現(xiàn)明顯的丁酸型發(fā)酵的特征。由于在厭氧發(fā)酵過(guò)程中以葡萄糖為底物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)產(chǎn)乙酸的過(guò)程中將產(chǎn)生大量的NADP+H+，同時(shí)又由于乙酸所形成的酸型末端過(guò)多，所以常因pH很低而產(chǎn)生負(fù)反饋?zhàn)饔?。雖然葡萄糖的產(chǎn)丁酸途徑中并不能氧化產(chǎn)乙酸過(guò)程中過(guò)剩的NADH+H+，但是產(chǎn)丁酸過(guò)程可減少NADH+H+的產(chǎn)生量，同時(shí)可減少發(fā)酵產(chǎn)物中的酸型末端，所以對(duì)加快葡萄糖的代謝進(jìn)程有促進(jìn)作用[13]。因此出現(xiàn)產(chǎn)乙酸過(guò)程與丁酸循環(huán)機(jī)制的偶聯(lián)，二者在丁酸型發(fā)酵過(guò)程中同時(shí)存在。

3 結(jié)論

本文基于氣體體積和pH測(cè)試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)硫酸鐵基生物炭（600 ℃）復(fù)合材料對(duì)于餐廚厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的產(chǎn)氫量及產(chǎn)氫效率具有明顯的提高作用，與空白實(shí)驗(yàn)組相比氫氣產(chǎn)量提高了15.47%，具有良好的應(yīng)用前景。VFAs結(jié)果表明項(xiàng)目的產(chǎn)氫發(fā)酵類型為丁酸型發(fā)酵，不是發(fā)酵過(guò)程穩(wěn)定、產(chǎn)氫效率高的乙醇型發(fā)酵，因此下一步對(duì)如何構(gòu)建乙醇型發(fā)酵展開研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值。