李 娟，左曉宇，袁海榮，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(cè)中心，北京 100048)

我國(guó)是世界上最大的農(nóng)業(yè)國(guó)家之一，平均每年可產(chǎn)生十億噸作物秸稈，其中玉米秸稈年均產(chǎn)量可達(dá)到2.20億噸[1]。如果玉米秸稈處理不當(dāng)，容易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，通過(guò)厭氧消化技術(shù)將玉米秸稈轉(zhuǎn)化為生物甲烷氣體是解決秸稈問(wèn)題的一項(xiàng)長(zhǎng)久之計(jì)。

然而，玉米秸稈的內(nèi)部木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，為了提高其生物利用率，需要采取適宜的方法對(duì)其進(jìn)行改性破壞，常用的方法有物理法(機(jī)械粉碎、研磨、超聲等)、化學(xué)法(酸、堿等)和生物法(白腐真菌等)。物理法如機(jī)械預(yù)處理，可以減少化學(xué)試劑的使用，但是處理設(shè)備成本很高，改性效果有限；化學(xué)法如氫氧化鈉預(yù)處理，雖然可以破壞秸稈化學(xué)結(jié)構(gòu)，但是會(huì)產(chǎn)生鈉離子，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，造成土壤板結(jié)；生物預(yù)處理成本低，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大污染，但是預(yù)處理時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)用性受限[2]。氨水作為一種低成本的化學(xué)試劑，既可以皂化木質(zhì)素，同時(shí)也可以微生物提供氮源，還可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)酸化現(xiàn)象，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；氨水與凍融復(fù)合改性玉米秸稈可以同時(shí)破壞秸稈內(nèi)部的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高秸稈的生物可降解性。

提高生物質(zhì)材料玉米秸稈生物利用率的另外一條道路就是：提高厭氧消化的溫度。厭氧消化的適宜溫度一般為中溫(30℃～40℃)或高溫(50℃～65℃)[3]。當(dāng)厭氧消化溫度上升到55℃時(shí)，玉米秸稈的產(chǎn)甲烷速率將會(huì)增加。高溫消化比中溫厭氧消化具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如耐毒性、產(chǎn)甲烷速率快、水力停留時(shí)間短和物質(zhì)轉(zhuǎn)換率高等[4]。同時(shí)，高溫厭氧消化也有其本身的一些劣勢(shì)，在高溫厭氧消化反應(yīng)器中很容易導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸累積現(xiàn)象的發(fā)生，尤其是對(duì)于易水解物料來(lái)說(shuō)更易發(fā)生此類現(xiàn)象[5]，除此之外，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響。厭氧消化過(guò)程是一項(xiàng)復(fù)雜的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，可通過(guò)化學(xué)需氧量(COD),總固體和揮發(fā)性固體去除率,TVFAs,氨氮,堿度,甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)氣率等一系列厭氧消化過(guò)程指標(biāo)的變化，切實(shí)有效反映厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)[6]。

因此，為了研究氨水與凍融復(fù)合改性玉米秸稈對(duì)其高溫厭氧消化的產(chǎn)氣性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用半連續(xù)式CSTR反應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí)設(shè)置未處理組和水凍融組高溫厭氧消化試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與接種物

本試驗(yàn)所用玉米秸稈取自北京順義郊區(qū)，玉米秸稈經(jīng)自然風(fēng)干后通過(guò)粉碎機(jī)粉碎，然后過(guò)20目篩。試驗(yàn)所用接種物取自北京順義地區(qū)某沼氣站，該沼氣站為常年正常運(yùn)行的沼氣工程。接種物取回后靜置數(shù)日去除上層清液，然后密封置于4℃冰箱中冷藏備用，接種前進(jìn)行高溫馴化。玉米秸稈和接種物的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 厭氧消化原料和接種物的基本性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

此實(shí)驗(yàn)采用3個(gè)半連續(xù)式高溫CSTR厭氧消化反應(yīng)器，有效容積為8 L，配有攪拌電機(jī)、循環(huán)水箱和濕式氣體流量計(jì)。反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置上中下3層斜葉式攪拌槳，設(shè)定自動(dòng)定時(shí)程序，每隔2 h攪拌10 min。反應(yīng)器罐體采用雙層設(shè)計(jì)，循環(huán)水箱將熱水泵入外側(cè)夾層對(duì)反應(yīng)器保溫。產(chǎn)生的沼氣通過(guò)排氣管導(dǎo)入濕式氣體流量計(jì)，每天記錄產(chǎn)氣量。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本研究采用復(fù)合法(水-凍融和氨-凍融)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理改性，其中氨的濃度為2%，固液比為1∶6，冷凍12 h后解凍12 h為1 d，共處理5 d，凍融溫度為±20°C。

3個(gè)半連續(xù)式CSTR厭氧消化反應(yīng)器均以玉米秸稈65 gTS·L-1，接種污泥15 gMLSS·L-1的負(fù)荷啟動(dòng)，加水補(bǔ)充至工作體積8 L，溫度設(shè)定為55℃，啟動(dòng)30 d后，開(kāi)始進(jìn)出料。所有的半連續(xù)式CSTR厭氧消化反應(yīng)器均經(jīng)歷3個(gè)有機(jī)負(fù)荷(OLR)階段(1.6，1.8和2.0 g·L-1d-1)，水力停留時(shí)間均為50 d。

1.4 分析方法

玉米秸稈、接種物和厭氧消化出料的TS，VS含量根據(jù)APHA標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定；接種物中的懸浮固體濃度(MLSS)用重量法測(cè)定；采用F-20A型號(hào)的pH計(jì)測(cè)定厭氧反應(yīng)體系pH(Thermo)；通過(guò)VaioEL cube型號(hào)元素分析測(cè)定儀測(cè)得玉米秸稈和接種物中C，N，S元素的百分含量。纖維素、半纖維素和木素的含量采用ANKOM-A2000I型纖維素測(cè)定儀測(cè)定。

乙醇以及揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)采用GC-2014型號(hào)的島津氣相色譜測(cè)定；堿度和氨氮分別采用溴甲酚綠—甲基紅指示劑滴定和凱氏定氮儀(KT260)來(lái)測(cè)定；溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)實(shí)驗(yàn)厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生的沼氣氣體成分采用配有TCD熱導(dǎo)檢測(cè)器的氣相色譜檢測(cè)(SP-2100，北分)。該儀器所用載氣為氬氣(Ar)，設(shè)定柱箱、檢測(cè)器和進(jìn)樣口溫度分別為140℃，150℃和150℃。

玉米秸稈的表面形態(tài)采用Hitachi S-4700型號(hào)SEM儀進(jìn)行觀察；X衍射分析(XRD)分析采用X-射線衍射儀進(jìn)行分析，其型號(hào)為D/Max2500，秸稈的結(jié)晶度根據(jù)X-射線衍射儀測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果用公式(1)進(jìn)行計(jì)算[2]：

(1)

式中：I002值為秸稈在002面的峰強(qiáng)度；I18°值為秸稈在18.0°衍射角下的峰強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 日產(chǎn)氣量與日產(chǎn)甲烷量

30 d的啟動(dòng)階段后，未處理、水-凍融改性和氨-凍融改性玉米秸稈高溫厭氧消化的日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)甲烷量如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，當(dāng)OLR分別為1.6,1.8和2.0 g·L-1d-1時(shí)，未處理組(R1)的日產(chǎn)氣量分別為6.15 L,6.53 L和6.93 L，水-凍融組(R2)的日產(chǎn)氣量分別為6.37 L,6.98 L和7.5 L，比R1分別提高4.0%,6.9%和8.2%。氨-凍融組(R3)的日產(chǎn)氣量分別為6.96 L,7.51 L和8.11 L，比R1分別提高13.2%,15.0%和17.0%。由圖2可見(jiàn)，在3個(gè)OLR下，R1的日產(chǎn)甲烷量分別為3.09 L 3.34 L和3.58 L，R2的日產(chǎn)甲烷量分別為3.31 L 3.60 L和3.86 L，比R1分別提高7.1% 7.8%和7.8%。R3的日產(chǎn)甲烷量分別為3.60 L 3.98 L和4.39 L，比R1分別提高16.5%、19.2%和22.6%。結(jié)果表明氨-凍融對(duì)玉米秸稈可提高玉米秸稈的生物產(chǎn)氣量和生物產(chǎn)甲烷量。

圖1 不同高溫厭氧消化系統(tǒng)日產(chǎn)氣量

圖2 不同高溫厭氧消化系統(tǒng)日產(chǎn)甲烷量

2.2 甲烷含量和甲烷產(chǎn)量

3個(gè)高溫厭氧消化系統(tǒng)的甲烷含量和甲烷產(chǎn)量如表2所示，隨著OLR的增加，甲烷含量均呈上升趨勢(shì)。在3個(gè)OLR下，R1的甲烷含量為50.3%～51.7%，R2的甲烷含量為51.9%～52.4%，R3的甲烷含量為52.0%～54.2%。而隨著OLR增加，3個(gè)厭氧消化系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)量均有微弱的下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著負(fù)荷的增加，玉米秸稈水解形成的小分子物質(zhì)也隨之增加，導(dǎo)致厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸積累，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能會(huì)受到一定的影響。但是氨-凍融組玉米秸稈的甲烷產(chǎn)量明顯高于其他兩組。

表2 3個(gè)系統(tǒng)的甲烷含量和甲烷產(chǎn)量

2.3 厭氧消化過(guò)程指標(biāo)的變化

2.3.1 TVFAs和pH值的變化

穩(wěn)定的TVFAs濃度可以表明水解/酸化與甲烷化之間的平衡狀態(tài)，對(duì)于穩(wěn)定進(jìn)行的厭氧消化系統(tǒng)，酸化階段產(chǎn)生的TVFAs可以在甲烷化階段被消耗掉[7]。不同高溫厭氧消化系統(tǒng)TVFAs和pH值的變化如圖3和圖4所示。

由圖3可見(jiàn)，3個(gè)系統(tǒng)TVFAs值的趨勢(shì)基本相似，都是隨著OLR的增加而增加，提高負(fù)荷時(shí)，TVFAs值均有所上升，但隨著時(shí)間的推移，TVFAs值又會(huì)緩慢下降，這是因?yàn)橄到y(tǒng)中產(chǎn)生的易利用的酸類物質(zhì)逐漸被產(chǎn)甲烷菌消耗轉(zhuǎn)化成了甲烷氣體。在3個(gè)OLR條件下，R3的TVFAs值低于R1和R2，這是因?yàn)榘?凍融改性玉米秸稈大大破壞了玉米秸稈內(nèi)部木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，提高其生物降解性，從而在厭氧消化階段厭氧微生物對(duì)其產(chǎn)生的TVFAs利用率比較高。pH值是與TVFAs值相對(duì)應(yīng)的一項(xiàng)指標(biāo)，如圖4所示，R3的pH值大約在7.69左右，比R1和R2高，R2的pH值大約在7.42左右，比R1的pH值高，結(jié)果與TVFAs呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

圖3 不同高溫厭氧消化系統(tǒng)TVFAs變化

圖4 不同高溫厭氧消化系統(tǒng)pH值變化

2.3.2 氨氮和堿度

氨氮是秸稈內(nèi)部含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來(lái)的，氨氮包括游離氨和自由氨[6]。適宜的氨氮濃度是保證厭氧系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件，尤其是對(duì)于原料為氨處理后的秸稈。通常認(rèn)為氨氮的抑制濃度在1700～1800 mg·L-1以上。不同高溫厭氧消化系統(tǒng)氨氮和堿度值的變化如圖5和圖6所示。

由圖5可見(jiàn)，R1和R2的氨氮濃度均在56～392 mg·L-1之間，顯然沒(méi)有達(dá)到氨氮的抑制濃度。對(duì)于R3，在第1個(gè)OLR期間，其氨氮濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從658 mg·L-1上升至1148 mg·L-1，這是因?yàn)榘?凍融預(yù)處理過(guò)程之中，攜帶了大量的氨進(jìn)入系統(tǒng)中，因而導(dǎo)致系統(tǒng)的氨氮濃度值增加，但是在第一個(gè)負(fù)荷結(jié)束的時(shí)候，并未達(dá)到氨氮抑制濃度值，且隨著OLR的增加，氨氮的濃度值有所下降，這是因?yàn)樨?fù)荷增加，TVFAs的產(chǎn)生量也增加，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，部分氨氮與TVFAs發(fā)生了反應(yīng)，從而導(dǎo)致氨氮的濃度值降低。另外，雖然在第3個(gè)OLR期間，R3的氨氮濃度有緩慢上升了一些，但是未達(dá)到1000 mg·L-1，不會(huì)抑制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖5 不同高溫厭氧消化系統(tǒng)氨氮變化

堿度是評(píng)價(jià)系統(tǒng)穩(wěn)定性的另一個(gè)重要指標(biāo)[8]，它的濃度值與氨氮濃度值呈正相關(guān)性，由圖6可見(jiàn)，3個(gè)系統(tǒng)中堿度值的大小順序和氨氮濃度一致，為R3>R2>R1。

圖6 不同高溫厭氧消化系統(tǒng)堿度值的變化

2.3.3 SCOD和SCOD消耗值

SCOD值可作為厭氧消化工程中原料生物降解性的指標(biāo)，SCOD消耗值可以直接反映玉米秸稈的產(chǎn)氣狀況[6]。圖7說(shuō)明了不同預(yù)處理方式對(duì)玉米秸稈SCOD值的不同影響，可以看出，3個(gè)系統(tǒng)中SCOD值的大小排序?yàn)椋篠COD(R1) SCOD(R2)的消耗量，如圖8所示。其原因在于氨-凍融預(yù)處理后形成的可溶性物質(zhì)有機(jī)物比較多，比較容易被R3系統(tǒng)中的微生物利用，因而產(chǎn)生更高的甲烷氣體總量。實(shí)際上，SCOD(R1)應(yīng)等于SCOD(R2)和SCOD(R3)，但預(yù)處理后的SCOD(水-凍融)(31954 mg·L-1)

圖7 不同高溫厭氧消化系統(tǒng)SCOD的變化

圖8 不同高溫厭氧消化系統(tǒng)SCOD消耗值的變化

2.4 物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律

生物沼氣的產(chǎn)生來(lái)源于厭氧菌對(duì)木質(zhì)纖維素等成分的降解[10]，3個(gè)厭氧消化系統(tǒng)下物質(zhì)組分的變化如圖9～12所示。TS和VS是表征玉米秸稈可降解成分的重要參數(shù)，因此TS和VS的變化情況直接影響著沼氣的產(chǎn)生情況。3個(gè)半連續(xù)式CSTR反應(yīng)器中物料TS和VS轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到了45.7%～47.6%，47.8%～49.2%，49.4%～51.3%和51.6%～56.6%，53.9%～57.7%，55.2%～59.5%。在R3系統(tǒng)中，高溫厭氧消化的玉米秸稈TS和VS轉(zhuǎn)換率高于R1和R2，與其產(chǎn)氣量結(jié)果一致，說(shuō)明氨-凍融改性玉米秸稈之后高溫厭氧消化條件下物質(zhì)的轉(zhuǎn)換率更高。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是玉米秸稈的主要組分，也是厭氧微生物的主要碳源，經(jīng)過(guò)厭氧消化，玉米秸稈中的主要組分會(huì)被微生物降解轉(zhuǎn)化為生物沼氣。纖維素和半纖維素是易于降解的主要成分，R1，R2和R3這3個(gè)系統(tǒng)中的纖維素和半纖維素去除率分別為36.8%～43.7%，40.8%～47.2%，44.3%～51.5%和40.8%～48.8%，45.1%～51.9%，48.4%～55.6%。其去除率變化情況與各高溫厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)沼氣和產(chǎn)甲烷量的變化情況一致，說(shuō)明玉米秸稈的生物降解性經(jīng)過(guò)氨水與凍融的復(fù)合改性后得到了一定的提高。

圖9 不同高溫厭氧消化系統(tǒng)TS去除率的變化

2.5 掃描電鏡和結(jié)晶度

為了更好地觀察秸稈的結(jié)構(gòu)變化，用掃描電鏡(SEM)對(duì)未處理、水-凍融和氨-凍融改性的玉米秸稈進(jìn)行了測(cè)試。從圖13～15可以看出，未處理的玉米秸稈纖維結(jié)構(gòu)完整且緊密，排列有序，部分纖維之間的連接清晰可見(jiàn)，無(wú)明顯破壞。這些纖維層阻礙了后續(xù)厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)微生物對(duì)玉米秸的利用，造成消化反應(yīng)速率慢，產(chǎn)氣率低；而經(jīng)過(guò)水-凍融后，玉米秸桿的纖維層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度破裂，被破壞的軟組織和相鄰的表皮細(xì)胞發(fā)生一定程度的脫離；經(jīng)過(guò)氨-凍融改性的玉米秸稈部分纖維完全裸露，秸稈的表皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，從而使其孔隙率和比表面積顯著增加，進(jìn)而增強(qiáng)厭氧菌對(duì)可生物降解組分的可及度。結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)一步促進(jìn)微生物對(duì)秸稈的水解作用，使產(chǎn)氣性能得以提升，進(jìn)而提高厭氧消化效率。而且對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn)，氨-凍融改性對(duì)秸稈結(jié)構(gòu)破壞的效果更加顯著。

圖10 不同高溫厭氧消化系統(tǒng)VS去除率的變化

圖11 不同高溫厭氧消化系統(tǒng)纖維素去除率的變化

圖12 不同高溫厭氧消化系統(tǒng)半纖維素去除率的變化

圖13 未處理玉米秸稈的掃描電鏡變化

高分子聚合物通常具有結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)(或稱無(wú)定形區(qū))。結(jié)晶度是相對(duì)概念，代表結(jié)晶區(qū)的峰面積占整體的比重。結(jié)晶區(qū)的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)在X射線的照射下能夠形成具有特性的衍射圖，結(jié)晶區(qū)是限制秸稈內(nèi)部纖維素破壞的主要障礙，可以通過(guò)這個(gè)方法來(lái)研究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。表4計(jì)算了改性前后纖維素結(jié)晶度的變化?？傮w來(lái)看，相比未預(yù)處理秸稈，秸稈經(jīng)過(guò)不同改性后的結(jié)晶度均有所降低，但是氨-凍融條件下，秸稈纖維素結(jié)晶區(qū)較未處理下降的比較多，可達(dá)7.7%，表明在改性過(guò)程中，氨-凍融對(duì)無(wú)定形區(qū)的水解能力和能力高于水-凍融的作用，從而破壞秸稈內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高其生物降解性。

圖14 水-凍融預(yù)處理玉米秸稈的掃描電鏡變化

圖15 2%氨-凍融預(yù)處理玉米秸稈的掃描電鏡變化

表4 未處理和凍融處理秸稈的結(jié)晶度變化 (%)

3 結(jié)論

文章主要對(duì)玉米秸稈進(jìn)行氨-凍融復(fù)合改性，然后采用CSTR高溫反應(yīng)器進(jìn)行改性玉米秸稈厭氧消化實(shí)驗(yàn)，觀察不同有機(jī)負(fù)荷條件下玉米秸稈的產(chǎn)甲烷性能變化和過(guò)程指標(biāo)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(2)3個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性均良好，其中，氨-凍融組高溫厭氧消化過(guò)程中氨氮值雖然高于其他兩組，但并未達(dá)到其抑制濃度。

(3)氨與凍融復(fù)合改性可以大大破壞玉米秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高其生物降解率，可作為提高其生物產(chǎn)甲烷量的一種重要手段。

氨-凍融復(fù)合改性玉米秸稈對(duì)于提高其生物產(chǎn)甲烷量有一定的效果，但是對(duì)于復(fù)合改性的機(jī)制研究有限，對(duì)于該改性方法在實(shí)際工程中的擴(kuò)大應(yīng)用仍有一段較長(zhǎng)的過(guò)程，后續(xù)研究可以從這兩方面作為切入點(diǎn)。