0 引 言
泥炭是未完全腐败分解的沼泽植物残体,在潮湿偏酸环境经时间与压力积累形成有机质矿体[1]。泥炭富含有机质,在厌氧环境下可转化为生物甲烷[2-3]。YE等[4]研究发现添加秸秆可使泥炭中有机质中的可溶性有机碳释放,进而为泥炭产甲烷提供碳源,促进甲烷产生。FRITEE等[5]研究发现施用牛粪可改变泥炭产甲烷古菌群落,出现Methanobulis,增加甲烷产量。郝思雯等[6]研究了添加CeCl3和YbCl3对泥炭产甲烷的影响,发现CeCl3和YbCl3可以促进泥炭中纤维素转化为葡萄糖,加快反应体系中有机物降解生成甲烷的速率,促进泥炭生物甲烷转化。
然而由于泥炭有机质可降解性较差导致泥炭生物甲烷转化效率受限[7],预处理泥炭可促进有机质降解。马力通等[8]研究发现超微粉碎泥炭甲烷发酵产气量增加38.98%,还原糖含量和挥发性脂肪酸含量增加。马力通等[9]研究发现碱预处理泥炭还原糖产出率为2.33%,可降解1.22%纤维素,0.56%半纤维素和3.27%木质素,可溶性物质增加12.15%。伊万诺夫等[10]报道NaOH与星形粉碎机预处理高位苔藓泥炭,泥炭多糖产率为1.6%。FORSBERG等[11]研究蒸汽爆破处理泥炭,发现泥炭包含31%的半纤维素和25%的纤维素。NONAKA等[12]研究发现泥炭200 ℃水热处理5 min,葡萄糖回收率约为15%,单糖回收率为40%,有机酸回收率为15%,联合超声波预处理单糖回收率增加。以上研究关注泥炭不同预处理过程中化学组分变化,未见酸、碱预处理对泥炭产甲烷影响的对比报道。为探索泥炭作为育苗基质外的能源化利用途径,笔者将甲烷发酵原料草本泥炭先酸、碱预处理,然后甲烷发酵,考察泥炭生物甲烷发酵过程中日产气量、总产气量、腐植酸、乙酸、pH和葡萄糖浓度以及泥炭甲烷发酵前后化学组分的变化,为解析预处理强化泥炭生物甲烷化提供理论基础,提高泥炭产甲烷得率。
1 试 验
1.1 仪器与试剂
活性污泥采自包头市南郊污水处理厂,经厌氧驯化,储存于4 ℃冰箱内,驯化活性污泥总固体(Total solids, TS)为1.43%,挥发性固体(Volatile solids, VS)为0.8%。草本泥炭购自吉林省敦化市,草本泥炭TS和VS分别为94.18%和57.39%。
1.2 试验方法
1.2.1 泥炭预处理试验
酸预处理对照组:取30 g粉碎至100目(粒径150 μm)的草本泥炭,固液比1∶5加入150 mL 5%蒸馏水,沸水浴加热120 min。
酸预处理:取30 g粉碎至100目(粒径150 μm)的草本泥炭,固液比1∶5加入150 mL 5% 硫酸溶液,沸水浴加热120 min。
碱预处理对照组:取20 g粉碎至100目(粒径150 μm)的草本泥炭,固液比1∶12加入240 mL 3%蒸馏水,70 ℃水浴加热110 min。
碱预处理:取20 g粉碎至100目(粒径150 μm)的草本泥炭,固液比1∶12加入240 mL 3% NaOH溶液,70 ℃水浴加热110 min。
1.2.2 泥炭生物甲烷发酵试验
采用自动甲烷潜力测试系统(AMPTS Ⅱ),将完成预处理的发酵瓶取出冷却至室温,加入150 mL活性污泥,初始pH设置为7.0,添加蒸馏水至总体积为400 mL,最后通N2 120 s使反应环境维持厌氧条件,发酵温度50 ℃。仪器自动记录日产气量和总产气量,每3 d测量样品的腐植酸、乙酸浓度和pH。
1.2.3 检测方法
采用紫外-可见近红外分光光度计(Agilent- CAYR-5000)检测腐植酸浓度[13]。采用Agilent-1260 infinity高效液相色谱仪测定乙酸浓度和葡萄糖浓度[14]。采用pHS-3C pH计测定pH,采用箱式电阻炉(SX-5-12)对泥炭化学组分进行测定[9,15]。
2 试验结果与讨论
2.1 酸、碱预处理对泥炭产甲烷反应体系日产气量的影响
酸、碱预处理对泥炭生物甲烷化日产气量的影响如图1所示。由图1可知,酸、碱预处理对泥炭甲烷发酵体系日产气量促进作用明显。酸预处理泥炭对照组第1天日产气量峰值为2.97 mL/g,酸预处理泥炭组第5天日产气量峰值达8.71 mL/g,比酸预处理泥炭对照组提高193.27%,产气高峰期延长至3 d。碱预处理泥炭组第5天日产气量峰值为3.67 mL/g,比碱预处理泥炭对照组峰值2.00 mL/g提高了83.5%。酸碱预处理可使泥炭大分子化合物的共价键、氢键和范德华力断裂,可打开纤维素、半纤维素和木质素间的酯键,溶解部分纤维素、半纤维素、木质素,促进还原糖的生成[9,16-18],有利于提高日产气峰值,延长产气高峰期时间。
图1 酸、碱预处理对泥炭生物甲烷化日产气量的影响
Fig.1 Effect of acid and alkali pretreatment on daily gas production of peat biological methanation
2.2 酸、碱预处理对泥炭产甲烷反应体系总产气量的影响
酸、碱预处理对泥炭生物甲烷化总产气量的影响如图2所示。由图2可知,酸、碱预处理后泥炭生物甲烷总产气量明显提高。泥炭生物甲烷发酵36 d,酸预处理泥炭对照组总产气量22.00 mL/g,酸预处理泥炭组总产气量达41.95 mL/g,比酸预处理泥炭对照组提高90.68%。碱预处理泥炭对照组总产气量27.45 mL/g,碱预处理泥炭组总产气量44.27 mL/g,比碱预处理泥炭对照组提高了61.28%,碱预处理组泥炭甲烷产量高于酸预处理组,比酸预处理泥炭组总产气量高5.53%。这是由于酸、碱预处理泥炭可提高泥炭有机质生物降解性,增进泥炭生物甲烷发酵体系厌氧消化能力[9,16]。同时,碱预处理泥炭碱液溶解的木质素能破坏木质素的包裹作用及纤维素的结晶结构;酸预处理泥炭,可部分降解纤维素、半纤维素和木质素,破坏泥炭结构,因此,酸碱预处理均可使泥炭比表面积增加,进而增大微生物和泥炭的接触面积,因而甲烷产量增加。而且,证实郝思雯等[19]研究结果,泥炭碱预处理比酸预处理的比表面积增加更多,因而碱预处理的甲烷产量最多。
图2 酸、碱预处理对泥炭生物甲烷化总产气量的影响
Fig.2 Effect of acid and alkali pretreatment on total gas production of peat biological methanation
2.3 酸、碱预处理对泥炭产甲烷反应体系腐植酸的影响
腐植酸是泥炭特有的化学成分,酸、碱预处理对泥炭生物甲烷化腐植酸的影响如图3所示,酸、碱预处理组泥炭发酵反应体系腐植酸质量浓度明显高于对照组。酸预处理泥炭对照组第3天腐植酸质量浓度最高达到2.62 g/L,酸预处理泥炭组腐植酸质量浓度第3天峰值为6.10 g/L,与酸预处理泥炭对照组相比提高132.82%。碱预处理泥炭组第3天腐植酸质量浓度最高为19.03 g/L,远高于碱预处理泥炭对照组峰值2.08 g/L,在整个泥炭甲烷发酵过程中,酸碱预处理可破坏泥炭孔径结构,使得腐植酸从泥炭中释放出来,且由于腐植酸易溶于碱[20],碱预处理腐植酸高于其他组腐植酸含量,随后腐植酸降解为苯甲酸,苯甲酸分解产生丙酮酸和乙酰-CoA,能参与TCA循环提高产甲烷菌活性,促使甲烷合成,从而影响发酵产甲烷性能[17,21]。
图3 酸、碱预处理对泥炭生物甲烷化腐植酸的影响
Fig.3 Effect of acid and alkali pretreatment on methanation of humic acid in peat
2.4 酸、碱预处理对泥炭产甲烷反应体系乙酸的影响
乙酸浓度是衡量甲烷发酵体系稳定性的重要指标,在泥炭甲烷发酵过程中,泥炭有机质在厌氧微生物作用下分解生成乙酸,进而转化为CH4,且乙酸含量与pH变化紧密相关[22]。酸、碱预处理对泥炭生物甲烷化乙酸的影响如图4所示,乙酸浓度呈先上升后下降趋势,酸、碱预处理泥炭组乙酸浓度明显高于对照组。酸预处理泥炭对照组初始乙酸质量浓度为0.11 g/L,在产氢产乙酸菌作用下泥炭中易分解的有机质开始降解,逐渐产生乙酸[23],第3天乙酸质量浓度最高达0.44 g/L,随泥炭生物甲烷发酵的进行,乙酸逐渐转化为CH4,乙酸浓度下降,酸预处理泥炭组在第3天达到乙酸质量浓度最高值2.45 g/L,远高于酸预处理泥炭对照组峰值,说明酸预处理组有更多的乙酸可转化为CH4。碱预处理泥炭组第6天达到乙酸浓度峰值0.97 g/L,高于碱预处理泥炭对照组峰值0.26 g/L。试验结果表明酸、碱预处理可使乙酸增多,是由于泥炭酸、碱预处理促进纤维素和半纤维素降解,纤维素和半纤维素转化为还原糖[9],还原糖进而被甲烷发酵微生物中的产乙酸菌转化为乙酸,其中酸处理导致反应体系产酸菌活跃,乙酸浓度增大,最终乙酸转化为甲烷导致体系乙酸浓度下降耗尽。
图4 酸、碱预处理对泥炭生物甲烷化乙酸的影响
Fig.4 Effect of acid and alkali pretreatment on methanation of acetic acid in peat
2.5 酸、碱预处理对泥炭产甲烷反应体系pH的影响
酸、碱预处理对泥炭生物甲烷化pH的影响如图5所示,可知酸预处理组第3天pH由起始的7.00 降至6.89,泥炭有机质在甲烷发酵前期分解酸化产生乙酸,使得pH降低,随后进入产甲烷阶段,产甲烷菌利用小分子脂肪酸等逐步生成CH4 [24],随着乙酸含量减少,pH波动上升,后期保持在8.25～8.33。酸预处理泥炭对照组pH在甲烷发酵过程中波动上升,后期保持在7.27～7.37。碱预处理泥炭组和碱预处理泥炭对照组pH最后分别稳定在8.22和7.52～7.20。各预处理泥炭甲烷发酵组pH变化相似,但不同预处理方式pH峰值略有差异,随着泥炭甲烷发酵不断进行,发酵系统内微生物菌群相互竞争,引起pH波动[25],酸、碱预处理可提高反应体系营养物质含量,提高甲烷发酵微生物活性,抑制乙酸积累促使体系pH趋于稳定[26],保证泥炭生物甲烷化反应的持续进行。
图5 酸、碱预处理对泥炭生物甲烷化pH的影响
Fig.5 Effect of acid and alkali pretreatment on pH of biological methanation of peat
2.6 酸、碱预处理对泥炭产甲烷反应体系葡萄糖的影响
葡萄糖是代表性的还原糖。酸、碱预处理对泥炭生物甲烷化葡萄糖的影响如图6所示,甲烷发酵初始的水解阶段,泥炭纤维素被水解为葡萄糖[25],葡萄糖浓度随之增加,发酵0～9 d葡萄糖逐渐积累,各组葡萄糖陆续达到峰值。随着进入产酸、产甲烷阶段,产酸微生物不断消耗葡萄糖,葡萄糖转化为乙酸导致葡萄糖浓度下降。酸预处理泥炭组第3天葡萄糖质量浓度峰值31.35 mg/L,低于酸预处理泥炭对照组第9天的峰值42.60 mg/L。碱预处理泥炭组在第9天葡萄糖质量浓度峰值37.15 mg/L,低于碱预处理泥炭对照组第6天峰值46.98 mg/L。结果表明,酸、碱预处理促进泥炭纤维素降解为葡萄糖,提高泥炭生物甲烷发酵体系葡萄糖转化率,促进葡萄糖转化为乙酸、甲烷[27-28]。
图6 酸、碱预处理对泥炭生物甲烷化葡萄糖的影响
Fig.6 Effect of acid and alkali pretreatment on methanation of glucose in peat
2.7 酸、碱预处理对泥炭化学组分影响
泥炭中纤维素、半纤维素可降解为单糖,成为影响泥炭甲烷发酵总产气量、日产气量的主要化学组分,如图7所示,甲烷发酵前的泥炭纤维素和半纤维素质量分数分别为25.55%和12.48%。甲烷发酵后泥炭化学组分发生变化,酸预处理对照组泥炭纤维素降解12.7%,半纤维素降解0.94%。酸预处理组泥炭纤维素和半纤维素降解12.51%和0.36%。碱预处理对照组的泥炭中纤维素和半纤维素质量分数为14.74%和7.00%,纤维素和半纤维素降解10.81%和5.48%,碱预处理组的泥炭中纤维素和半纤维素质量分数为6.03%和7.51%,纤维素和半纤维素降解19.52%和4.97%,碱预处理组纤维素和半纤维素降解最多,纤维素降解率比碱预处理对照组高80.57%,比酸预处理组高56.04%,与泥炭葡萄糖、生物甲烷总产气量结果相符。酸、碱预处理能打断泥炭化学键,影响泥炭纤维素、半纤维素等化学组分含量,有助于泥炭生物甲烷转化。
图7 酸、碱预处理对泥炭化学组分影响
Fig.7 Effect of acid and alkali pretreatment on chemical composition of peat
3 结 论
1)酸、碱预处理有利于提高泥炭甲烷发酵体系总产气量,且碱预处理对泥炭生物甲烷化的促进作用更佳。酸预处理组总产气量达41.95 mL/g,比对照组增加90.68%,碱预处理组总产气量为44.27 mL/g,比其对照组增加61.28%,比酸预处理组增加5.53%。
2)酸、碱预处理有利于提高泥炭甲烷发酵体系日产气量,甲烷发酵产气高峰时间增加。酸预处理组第5天日产气量最高值为8.71 mL/g,比其对照组提高193.27%,产气高峰期延长至3 d。碱预处理组第5天日产气量峰值为3.67 mL/g,比其对照组提高了83.5%。
3)酸、碱预处理有利于促进泥炭特有化学成分腐植酸溶出、降解,酸预处理组腐植酸质量浓度第3天达到峰值6.10 g/L,比其对照组提高132.82%。碱预处理组第3天腐植酸质量浓度最高为19.03 g/L,远高于碱预处理对照组峰值2.08 g/L。
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