王 磊，洪 磊，汪平生，許 可，楊 彪

(1.合肥學(xué)院 生物食品與環(huán)境學(xué)院，合肥 230601；2.合肥環(huán)境工程研究院，合肥 230601；3.安徽省環(huán)境污染防治與生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥 230601)

多年來，巢湖水體逐漸呈現(xiàn)富營養(yǎng)化形態(tài)，巢湖藍(lán)藻暴發(fā)頻繁，引起社會各界的廣泛重視[1-3]。2020年打撈藻漿近110萬t，有研究指出可以基于巢湖藍(lán)藻，來提取天然色素、生理活性物質(zhì)、胞外多糖，還能夠?qū)⒊埠{(lán)藻生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白等，這些目前處于初步研究階段[4-8]。巢湖藍(lán)藻中有機物含量豐富，通過厭氧發(fā)酵實現(xiàn)其資源化是一種有效的手段。李慧等[9]在27 ℃平均溫度發(fā)酵條件下，對巢湖藍(lán)藻進(jìn)行50 d發(fā)酵后，TS產(chǎn)氣潛力達(dá)到368.53 mL/g，甲烷均含量達(dá)到64.65%。張東彥等[10]研究發(fā)現(xiàn)在20.5 ℃發(fā)酵條件下新鮮藍(lán)藻TS產(chǎn)沼潛力可達(dá)487.5 mL/g，甲烷含量達(dá)到64.95%。農(nóng)作物秸稈通常含有較高的碳氮比，是調(diào)節(jié)藍(lán)藻厭氧發(fā)酵碳氮比的優(yōu)良選擇，其中干麥草的碳氮比高達(dá)93，根據(jù)安徽省統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，2020年合肥市干麥草產(chǎn)量達(dá)61.7萬t，且巢湖藍(lán)藻和干麥草混合厭氧發(fā)酵，尚未見文獻(xiàn)報道。鑒于此，本文將巢湖藍(lán)藻和干麥草作為實驗底料展開實驗研究，為巢湖藍(lán)藻和農(nóng)作物秸稈的資源化利用提供新的路徑。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮藍(lán)藻取自巢湖藻水分離站(未加絮凝藥劑)；干麥草取自安徽阜陽市郊，秸稈堿洗后烘干粉碎過1 mm篩，實驗接種物為顆粒污泥，取自蚌埠市某檸檬酸廠IC反應(yīng)器。主要指標(biāo)見表1。

表1 原料主要組分Table 1 Main components of the materials

1.2 實驗裝置及運行

實驗裝置由發(fā)酵瓶、集氣瓶和集水瓶等3個部分組成，由硅膠軟管按圖1進(jìn)行連接并檢驗氣密性。實驗以1.0 L發(fā)酵瓶作為反應(yīng)器，控制反應(yīng)物料干物質(zhì)重量為50 g，巢湖藍(lán)藻、干麥草、顆粒污泥按表2配比分別投加至4組實驗裝置中，1～4號實驗裝置中反應(yīng)物料干麥草∶藍(lán)藻∶顆粒污泥的干物質(zhì)重量比分別為9∶0∶1、0∶9∶1、2∶7∶1、2∶7(超聲40 min)∶1，然后加純水并攪拌至800 mL，初始pH調(diào)至7.0±0.5，充氮氣排出發(fā)酵瓶中空氣后迅速封蓋，將反應(yīng)器置于(35±1)℃的恒定水浴箱中，實驗周期為30 d。每24 h手動搖動發(fā)酵瓶一次，持續(xù)時間30 s，每日記錄產(chǎn)氣量。

圖1 發(fā)酵實驗裝置圖Figure 1 Schematic diagram anaerobic fermentation system

表2 實驗原料初始特征Table 2 Initial characterization of materials in anaerobic digestion equipment

1.3 方法

干麥草的堿洗：將干麥草浸泡在裝有6%的NaOH溶液的燒杯中，再將燒杯放置于85 ℃的恒溫水浴鍋中3 h，然后將堿洗后的干麥草反復(fù)沖洗至pH 7.0，再放入105 ℃的烘箱中，烘干過1 mm篩備用。pH值測定采用pHS-3C型pH測定儀；總固體(TS)采用105 ℃烘干恒重法測定[11]；揮發(fā)性固體(VS)采用600 ℃烘干恒重法測定[11]；COD測定采用重鉻酸鉀法(GB 11914—1989)[12]；NH3-N測定采用納氏試劑分光光度法(HJ535—2009)[12]；甲烷含量測定：氣相色譜儀(FUJI GC9790)，色譜柱為不銹鋼填充柱(1 m*6 mm,I.D.)，填料為5A分子篩，柱溫85 e，汽化溫度100 e，檢測器溫度100 e，載氣為氮氣，進(jìn)樣量100 μL。載氣為氬氣，進(jìn)樣量100 μL。碳氮元素采用元素分析儀(Euro EA3000)測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合厭氧發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氣量

經(jīng)過30 d的厭氧發(fā)酵，反應(yīng)物料累積產(chǎn)氣量如圖2所示。4號實驗裝置的累積產(chǎn)氣量和單位揮發(fā)性固體產(chǎn)氣量最高，分別為15 807 mL、333.78 mL，1、2號實驗裝置累積產(chǎn)氣量和單位揮發(fā)性固體產(chǎn)氣量均較差。3、4號實驗裝置累積產(chǎn)氣量遠(yuǎn)高于1、2號實驗裝置，表明干麥草與藍(lán)藻混合發(fā)酵產(chǎn)氣顯著優(yōu)于純干麥草或純藍(lán)藻單一物料發(fā)酵。由表1可知，1號、2號實驗裝置物料碳氮比分別為93和6，3號、4號實驗裝置物料碳氮比均為20，表明適宜的碳氮比是厭氧發(fā)酵順利進(jìn)行的關(guān)鍵指標(biāo)。發(fā)酵體系的碳氮比過高，容易產(chǎn)生酸積累，影響產(chǎn)甲烷菌的生長；碳氮比過低，產(chǎn)生氨積累也會對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制作用[13-15]。產(chǎn)甲烷細(xì)菌是一種專性嚴(yán)格厭氧菌，對酸堿度變化非常敏感，最適pH值范圍為6.8～7.2，如果pH值低于6.5，或高于8.2的環(huán)境中，產(chǎn)甲烷菌群會受到嚴(yán)重抑制[16]。秦凱等[17]研究碳氮比對水稻秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷和秸稈降解作用，研究發(fā)現(xiàn)碳氮比在20～25效果最好。如圖2所示，4號實驗裝置累積產(chǎn)氣量優(yōu)于3號實驗裝置，可能是藍(lán)藻超聲預(yù)處理過程中受超聲空化作用影響，使得藍(lán)藻細(xì)胞壁破裂，胞內(nèi)物質(zhì)溶出，加快了藍(lán)藻的水解酸化時間，提高了發(fā)酵的累計產(chǎn)氣量[18]。

圖2 混合厭氧發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氣量Figure 2 Total biogas production during mixed anaerobic fermentation process

表3 反應(yīng)結(jié)束時產(chǎn)氣量Table 3 Biogas production at the end of reaction

從圖3單日產(chǎn)氣量變化看，1號實驗裝置日產(chǎn)氣量很少且極不穩(wěn)定，多次出現(xiàn)不產(chǎn)氣的情況，其產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第1和2天，峰值分別為341和93 mL；2號實驗裝置日產(chǎn)氣量略好于1號實驗裝置，12～30 d的日產(chǎn)氣量普遍優(yōu)于0～11 d，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第1和12天，峰值分別為210和214 mL；3、4號實驗裝置日產(chǎn)氣量顯著優(yōu)于1、2號實驗裝置，3號實驗裝置產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第2、8和16 天，峰值分別為1 011、1 003和920 mL；4號實驗裝置產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第1、7和14天，峰值分別為1 207、1 154和962 mL。4號實驗裝置產(chǎn)氣高峰較3號實驗裝置出現(xiàn)略有提前且產(chǎn)氣峰值略高，其原因可能是4號實驗裝置中的藍(lán)藻物料進(jìn)行了超聲預(yù)處理，水解酸化速度快于3號實驗裝置，4號實驗裝置優(yōu)先進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段且產(chǎn)甲烷菌群所需原料充足。

圖3 混合厭氧發(fā)酵過程中單日產(chǎn)氣量Figure 3 Daily biogas production during mixed anaerobic fermentation process

1號和2號實驗裝置產(chǎn)氣高峰均出現(xiàn)在第1天，其原因可能是發(fā)酵液本底可溶性有機物發(fā)酵產(chǎn)生了H2和CO2等氣體，隨著發(fā)酵物料水解酸化的進(jìn)行，由于1號碳氮比過高，2號實驗裝置碳氮比過低，對產(chǎn)甲烷菌的生長均產(chǎn)生較強的抑制作用，使得1號和2號實驗裝置后續(xù)呈現(xiàn)出間歇性產(chǎn)氣，且產(chǎn)氣量較少。

2.2 混合厭氧發(fā)酵過程中發(fā)酵液pH值

混合厭氧發(fā)酵過程中發(fā)酵液pH值變化見圖4。如圖4所示，1～4號實驗裝置發(fā)酵液pH值整體上均呈現(xiàn)出先降后升的趨勢，其原因為發(fā)酵初期物料處于水解酸化階段，物料中的多糖、纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等復(fù)雜物質(zhì)被產(chǎn)酸菌降解為小分子有機酸和CO2，使發(fā)酵液pH值不斷下降，發(fā)酵中后期物料處于產(chǎn)甲烷階段，此階段產(chǎn)甲烷菌以發(fā)酵初期的有機酸為原料，產(chǎn)生甲烷，又使發(fā)酵液的pH值上升[19]。1號實驗裝置0～6 d pH值持續(xù)下降，在第6天達(dá)到最低值5.67，6～30 d pH值波動性回升，但pH值始終小于7，其原因與發(fā)酵液碳氮比過高，酸化作用大于氨化作用，發(fā)酵液中原有的NH3+H+=NH4+平衡被打破[20-21]；2～4號實驗裝置發(fā)酵液pH值經(jīng)歷發(fā)酵初期下降后，又緩慢回升至7以上，發(fā)酵液呈現(xiàn)出弱堿性。

圖4 混合厭氧發(fā)酵過程中發(fā)酵液pH值Figure 4 pH value of fermentation fluid during mixed anaerobic fermentation process

2.3 混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣中甲烷含量

如圖5所示，6～30 d，1～4號實驗裝置甲烷產(chǎn)量隨發(fā)酵天數(shù)的增加整體上呈不斷上升趨勢，甲烷含量最大值分別為44%、55%、54%和57%，2～4號實驗裝置的甲烷含量普遍高于1號實驗裝置，其原因主要是1號實驗裝置發(fā)酵液酸化所致。4號實驗裝置的甲烷含量普遍高于其他組，這主要與其發(fā)酵物料水解酸化較為徹底，為產(chǎn)甲烷階段提供了良好的反應(yīng)底物。2號實驗裝置反應(yīng)物料主要是藍(lán)藻，藍(lán)藻主要成分為多糖和蛋白質(zhì)，較容易進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。

圖5 混合厭氧發(fā)酵過程中甲烷含量Figure 5 Methane content during mixed anaerobic fermentation process

2.4 混合厭氧發(fā)酵過程中發(fā)酵液COD和NH3-N變化

由圖6可以看出，3號實驗裝置發(fā)酵液COD曲線在第5和15天均呈現(xiàn)出一定程度的增加，發(fā)酵液COD最大值為30 565 mg/L，出現(xiàn)在第5天，實驗結(jié)束時，發(fā)酵液COD值為8 875 mg/L。厭氧發(fā)酵過程中，發(fā)酵液COD的變化在一定程度上可以表征發(fā)酵物料的水解過程[22]，發(fā)酵液COD值第5天達(dá)到峰值，主要是由于實驗初期發(fā)酵物料中大分子有機物被水解成溶解態(tài)，從而增加發(fā)酵液COD值[23]。

圖6 3號實驗裝置發(fā)酵液COD和NH3-N變化Figure 6 Variation of COD and NH3-N of fermentation fluid for No.3 experimental device

由圖7可以看出，4號實驗裝置發(fā)酵液COD最大值出現(xiàn)在第1天，為31 812 mg/L，而后一直呈下降趨勢，實驗結(jié)束時，發(fā)酵液COD值為7 847 mg/L。3號實驗裝置NH3-N曲線呈現(xiàn)出較大波動，0～10 d，NH3-N呈現(xiàn)先降后升的趨勢，最大值137.2 mg/L，出現(xiàn)在第10天，而后逐漸降低，實驗結(jié)束時，發(fā)酵液NH3-N濃度為55.7 mg/L；4號實驗裝置NH3-N濃度最大值為184.2 mg/L，出現(xiàn)在第0天，而后呈現(xiàn)出下降趨勢，實驗結(jié)束時，NH3-N濃度值為45.4 mg/L。

圖7 4號實驗裝置發(fā)酵液COD和NH3-N變化Figure 7 Variation of COD and NH3-N of fermentation fluid in No.4 experimental device

3 討論

3.1 各指標(biāo)之間的相關(guān)性

利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3號實驗裝置的產(chǎn)氣量與發(fā)酵液COD表現(xiàn)出顯著正相關(guān)(r=0.916**，** 為在0.01水平上顯著相關(guān))，產(chǎn)氣量的變化可以通過發(fā)酵液COD來進(jìn)行表征；4號實驗裝置的發(fā)酵液COD和NH3-N呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)(r=0.969**，** 為在0.01水平上顯著相關(guān))。王震宇等[24]研究藍(lán)藻厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)氣量與化學(xué)需氧量(COD)有顯著差異，且產(chǎn)氣量與揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量呈顯著正相關(guān)。3號實驗裝置研究結(jié)果與上述研究結(jié)果一致，而4號實驗裝置差異較大，其原因可能是藍(lán)藻超聲預(yù)處理加快藍(lán)藻胞內(nèi)物質(zhì)溶出，使得蛋白質(zhì)較早進(jìn)入水解和氨化，其相關(guān)性尚需進(jìn)一步研究。

3.2 發(fā)酵液COD變化特征

3號和4號實驗裝置發(fā)酵液COD呈現(xiàn)出不同的變化曲線，發(fā)酵液COD值與發(fā)酵物料的水解速率和產(chǎn)氣量相關(guān)[25]，水解過程會促使發(fā)酵液COD值升高，發(fā)酵液COD消減量又貢獻(xiàn)給了產(chǎn)氣量。后期需增加VFA含量測定以及發(fā)酵液COD檢測頻次，進(jìn)一步探索其關(guān)聯(lián)性。

3.3 實驗產(chǎn)氣、產(chǎn)甲烷特征

1號和2號實驗裝置產(chǎn)氣量較少，主要原因是兩組物料碳氮比過高(1號實驗裝置)和過低(2號實驗裝置)。碳氮比過高，發(fā)酵液酸化階段產(chǎn)生大量有機酸，使發(fā)酵液pH值大幅下降，容易導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌酸中毒；碳氮比過低，會促進(jìn)氨化微生物生長，產(chǎn)生氨積累，又致使產(chǎn)甲烷菌氨中毒。3號和4號實驗裝置反應(yīng)物采用干麥草/藍(lán)藻顆粒污泥混合物料，碳氮比為20，產(chǎn)氣量顯著高于1號和2號實驗裝置，但甲烷濃度普遍不高且不穩(wěn)定，后期將對接種微生物進(jìn)行馴化并對其投加量進(jìn)行研究。