沼渣制备生物炭添加对小麦秸秆厌氧消化产气性能及微生物群落的影响

2020-05-14左晓宇袁海荣刘研萍李秀金

中国沼气 2020年6期

高健，李娟，左晓宇，袁海荣，刘研萍，李秀金

(1.北京化工大学环境科学与工程系，北京 100029； 2.北京市环境保护监测中心，北京 100048)

我国农业固体废弃物产量巨大，其中以小麦秸秆、玉米秸秆、稻草为主，每年，小麦秸秆的产量高达上亿吨，传统的、低利用价值的处理方式，如焚烧造成了极大地资源浪费，而且焚烧过程中产生的烟尘等污染物也会产生严重的环境污染[1]。厌氧消化是一种利用微生物降解有机物并且产生清洁能源的可持续、绿色生物技术，它被广泛应用于城市餐厨垃圾、废水、污泥、生活垃圾等的减量化、资源化利用领域[2]。

不溶解或者难分解的有机物和无机物会残留在厌氧消化剩余沼渣中，如果大量沼渣得不到科学处理，随意堆放，势必会造成严重的环境污染，不仅影响了周围农作物生长；更是给人们的健康带来了威胁[3]；更是一种资源浪费；因此，合理有效处理利用沼渣显得尤为迫切。

制备生物质炭为资源化有效利用沼渣提供了新的思路[4]，沼渣中含有有机碳源，是制备生物质炭的优质材料。早在20世纪90年代，就有很多研究人员尝试着用沼渣制备生物质炭，生物炭所具备的较大的比表面积和孔径、良好的吸附性能，其pH值呈碱性等诸多优点使得沼渣制备生物质炭有着光明的前景[5]。

厌氧消化过程是一个多种微生物参与的复杂生物学过程，这其中水解菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌在不同阶段起着不同的作用。在参与厌氧消化反应的众多微生物中，产甲烷菌的种类和数量是影响厌氧消化产气效率和甲烷含量的重要因素；因此寻找合适的微生物载体，延长微生物与底物的接触时间和面积对厌氧发酵过程有积极意义；生物炭的多孔性、比表面积大等特点[6]，以及生物炭成本低、使用方便，逐渐引起人们关注[7]。XU[8]等发现生物炭增强葡萄糖和乙醇厌氧消化CH4产量，生物炭可以加快VFAs的消耗速率，进而缩短消化周期。Luo[9]等以葡萄糖为底物进行厌氧消化研究，在过程中添加生物质炭，结果发现添加生物炭可以提高厌氧消化效率，缩短厌氧消化周期。然而，在众多的生物炭对厌氧消化影响的研究中，对生物炭添加到农作物秸秆及其微生物群落的影响研究较少。

因此，本文以小麦秸秆为底物，以小麦秸秆厌氧消化沼渣制备生物炭为添加剂，进行了批式厌氧消化试验研究，通过对厌氧消化转化性能的分析，探究沼渣生物炭的最佳添加量和制备温度，同时分析沼渣生物炭的添加对小麦秸秆厌氧消化过程中微生物群落结构变化的影响，为寻找提高小麦秸秆生物降解性和产甲烷性能的方法提供了重要工程意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料与接种物

实验原料为小麦秸秆，取自北京南部郊区麦田，自然风干后，经粉碎机粉碎后，过20目筛，放于自封袋中，放置通风干燥处备用。接种物取自于北京市顺义区某沼气站的消化污泥，取回后静置一周，倒去上清液，过筛网除去大块杂质后，冷藏备用。小麦秸秆与接种泥的基本理化性质如表1所示。

表1 小麦秸秆与接种泥的基本性质 (%)

1.2 生物炭的制备

生物炭由小麦秸秆厌氧消化后的沼渣制备所得，沼渣烘干后，在固定床反应器中快速热解而成，其制备方法如下：向固定床中通入氮(99.99%，流量为 400 mL·s-1)，反应温度分别为400℃，500℃和600℃。将烘干后的沼渣置于固定床中通氮气吹扫5 min以驱赶固定床及原料中的氧气；后升温固定床至规定温度，有效热解区热60 min；自然冷却，禁止过早取出样品，防止高温下的热解产物在空气中自燃。热解产物冷却至室温后，将其研磨并筛选粒径均匀的颗粒，用去离子水洗涤目的是除去灰分，过滤后，置于105℃的烘箱中烘干24小时，备用。制备所得生物质炭的基本性质如表2。

表2 沼渣生物炭的基本性质

1.3 实验装置与方法

实验装置由两个500 mL的蓝盖瓶和1个10 L的水箱用橡胶管连接组成，装置连接完成后并用氮气吹扫，目的是排出瓶中氧气，1个蓝盖瓶作为厌氧反应器，放置于恒温(35℃±1℃)的水浴箱中，有效体积为400 mL，另1个蓝盖瓶用作集气瓶。小麦秸秆常温下用4% KOH试剂预处理3天后，按50 gTS·L-1上料，接种泥按20 g·L-1(以MLSS计)接种；每天记录产气量和气体成分，生物质炭的添加量按小麦秸秆(干基)5%，10%和15%进行添加，每组试验重复3次。根据生物质炭添加量不同，设置了不同的实验如表3。

表3 不同实验组生物炭添加情况

1.4 分析方法

总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)的测量采用国标法。气体成分通过配有热导检测器(TCD)的气相色谱仪(SP-2100)检测。物料的元素含量利用元素分析仪(Elementar, Germany)测定。采用高通量测序技术对厌氧消化液样品中的微生物群落进行分析研究，高通量测序过程由中国上海美吉生物公司(Shanghai Major bio Pharm Technology Co.Ltd.)进行。

2 结果与讨论

2.1 日产气量

不同温度下沼渣制备生物炭的添加对小麦秸秆厌氧消化日产气量的影响如图1～图3所示，由日产气量图可以清楚看出，在添加沼渣制备生物质炭的厌氧消化实验组与空白试验组中，均产生了3个明显的产气高峰，分别出现在厌氧发酵的第3天、第10天和第17天；在产气高峰过后，日产气量逐渐降低，且在厌氧消化实验进行到第25天后，日产气量逐渐趋于平稳，最低降至20～30 mL，添加生物质炭实验组和空白试验组并无差别。但是，不同实验组中产气高峰的最大日产气量有着较大的不同，在第1个产气高峰中，R1实验组(见图1，生物炭制备温度为400℃，添加量为5%)的最大日产气量为860 mL，高于其他实验组和空白组。在第2个产气高峰中，依然是R1实验组(生物炭制备温度为400℃，添加量为5%)日产气量最大，为700 mL；此外，所有生物炭添加实验组中的产气高峰值均高于空白组。

图1 400℃生物炭添加对小麦秸秆日产气量变化的影响

图2 500℃生物炭添加对小麦秸秆日产气量变化的影响

图3 600℃生物炭添加对小麦秸秆日产气量变化的影响

第1个产气高峰时，生物气主要来源于小麦秸秆厌氧消化液中易降解的小分子物质被水解菌和甲烷菌所利用而产生的；随后产气急剧下降，在第6天降到最低，这有可能是厌氧消化体系中积累了一定量的挥发性有机酸，如乙酸、丙酸等，影响了产甲烷菌的活性。随着甲烷菌活性的增强和数量的增多，产气逐渐上升，并在第10天左右出现第2个产气高峰，此阶段产气共持续了9天，较第1个产气高峰延长了3～4天，最大产气量为700 mL；添加生物质炭实验组的第2个产气高峰较空白实验组提前了2～3天，产生这种情况的原因是可能生物质炭呈碱性[10]，增强了厌氧发酵体系自身的调节能力，有效缓解了因为水解产酸菌产生的大量挥发性脂肪酸而造成的酸抑制问题；其次，也有可能是沼渣制备的生物质炭的多孔性和大的比表面积为微生物提供了合适的生长环境，从表2沼渣生物炭性质可知，生物炭的比表面积可达9.8～15.4 m2·g-1，且生物炭的微孔体积也可达0.04～0.048 cm3·g-1, 平均孔径可达2.9～3.3 nm，因此，生物炭的加入为微生物提供了较好的附着表面，从而增强了甲烷菌活性并提高了产气量[11]。随着厌氧消化的不断进行，时间不断的推迟，可被微生物消耗的物质逐渐减少，产气量也逐渐的降低。

2.2 甲烷含量

添加生物炭实验组和空白对照组的甲烷含量变化如图4～图6所示，所有的厌氧消化实验组中的甲烷含量呈现相同的变化趋势，在厌氧消化的前5天，甲烷含量是逐渐上升的，并在第1个产气高峰的时候达到了一个峰值，甲烷含量在53.51%～60.12%范围内；之后随着厌氧消化过程的不断稳定，甲烷含量也在一个稳定的区间内波动。在整个厌氧消化产气过程中，添加生物质炭实验组R1～R9的甲烷含量均高于未添加生物质炭的对照组实验，而R1实验组在第1个产气高峰过后，其甲烷含量均高于其它实验组，其甲烷平均含量达到了57.87%，高于空白对照组的53.43%，也高于同种生物质炭添加15%的实验组的55.37%，同时也高于R8实验组(生物炭制备温度为600℃,添加量为5%)的54.82%。

图4 400℃生物炭添加对小麦秸秆甲烷含量变化的影响

图5 500℃生物炭添加对小麦秸秆甲烷含量变化的影响

图6 600℃生物炭添加对小麦秸秆甲烷含量变化的影响

2.3 单位VS产甲烷量和VS去除率

不同温度(400℃,500℃和600℃)下制备的生物质炭，按照不同添加量添加到小麦秸秆厌氧消化过程中，其对单位VS产甲烷量和VS去除率的影响，如图7和图8所示。在添加400℃生物炭实验组中，不同添加量实验组的单位VS产甲烷量，分别为297 mL·g-1VS，262 mL·g-1VS和254 mL·g-1VS，比空白组最高提高了40.1%，其VS去除率分别达到57.4%，52.8%和48.3%，比空白组最高提高了36.7%；添加5%实验组效果最明显。其单位VS产甲烷提高率高于猪粪沼液对麦秸预处理后的厌氧消化过程中单位VS产甲烷量的38.89%的提高率[12]；同时也高于锰过氧化物酶和复合过氧化物酶的联合预处理秸秆后的厌氧消化所得到的14.79%的提高率[13]。在500℃和600℃生物炭实验组中，均是生物炭添加量为5%时，小麦秸秆的单位VS产甲烷量VS去除率最高。时间则是6 h效果最佳，提高甲烷产量17．49此外，还可知，随着生物炭制备温度的升高和添加量的增大，小麦秸秆的单位VS产气率和去除率均降低，这可能与生物碳的内部结构和对微生物负载性能有关[14]；其次，在小麦秸秆的厌氧消化工程中应考虑碳氮比(C/N)对厌氧消化的影响，生物炭添加量的增大，也升高了系统中碳氮比，影响了微生物活性，造成产气性能下降。

图7 生物炭添加对小麦秸秆单位VS产甲烷量的影响

图8 生物炭添加对小麦秸秆VS去除率的影响

2.4 微生物群落结构变化

2.4.1 微生物群落多样性分析

高通量测序OTUs中的Ace，Chao，Shannon以及Simpson等值的大小，最直观的反映了微生物的丰富度和多样性，其中样本中微生物的多样性指标是通过Ace值和Chao值来反映的，而OTUs中的Shannon和Simpson指数值反映了微生物丰富度。表4为各实验组样品中微生物中古菌和细菌的丰富度指数和多样性指数。

表4 不同实验组中古菌和细菌多样性指数值统计

从表4中可以看出，未添加生物炭实验组的古菌和细菌微生物丰度指数Ace和Chao低于添加生物炭实验组，说明麦秸经过生物炭添加后增加了反应体系的微生物丰富度；且R1实验组高于其他实验组，说明R1实验组中细菌丰度高于其它实验组。对于微生物的多样性而言，Shannon指数越小，所代表的实验组样品中微生物群落多样性却越高，从表中可以看出R1实验组中该值最小；同时，Simpson指数越大的话，则说明该实验组样品微生物群落多样性越低，从表中可以看到未添加生物炭实验组该值最大，而R1实验组该指数最小，R500实验组次之。分析可知，经过生物炭添加的反应体系细菌和古菌多样性高于未添加实验组。

2.4.2 细菌群落结构变化

本研究将高通量测序序列(门水平和属水平)结果进行了分析比较，不同实验组厌氧消化液中细菌菌群结构组分结果见图9和图10。对于未添加和不同生物炭添加的样本在门分类水平上进行系统发育分析图9可知，厌氧反应后期的微生物主要分布在13个门，不同的门类细菌在厌氧发酵过程中发挥着不同的作用。其中主要为：厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、Fibrobacteres、螺旋体门(Spirochaetae)等。

图9 小麦秸秆厌氧消化系统中细菌群落结构在门水平上的变化

Firmicutes细菌是水解阶段最常见的菌类，能够抵御不良或极端环境，并且是纤维素的重要降解菌，Firmicutes在样本中占总细菌的百分比最高，在4个实验组中分别占55.1%，52.5%，47.4%和38.9%，可见，经过生物炭添加实验组的水解菌群高于未添加实验组。Bacteroidetes是厌氧环境中常见的消化产酸菌群，一定程度上反映着厌氧消化系统的产气效率，Bacteroidetes在3个样本中占总细菌的百分比分别为25.3%，36.6%，34.3%和35.6%，可见R400实验组中产酸菌较少，这是因为反应体系内的酸被转化为了甲烷气体，这与其产甲烷量最高的结果是一致的。此外，各实验组在批式发酵反应器中的细菌在属水平上的优势菌为Clostridium_sensu_stricto_1，它在4个样本中占总细菌的百分比分别为18.5%，17.6%，16.7%和12.3%(见图10)，可见添加生物炭的实验组高于未添加生物炭的实验组，且R1实验组最高。

图10 小麦秸秆厌氧消化系统中细菌在门水平上的变化

2.4.3 古菌群落结构变化

对于不同生物炭添加量实验组中厌氧消化发酵液中的古菌群落在门分类水平上的分类如图11可知，不同生物炭添加实验组发酵液样品中的古菌主要为广古菌门(Euryarchaeota)、Bathyarchaeota和其他古菌。Euryarchaeota在3个添加生物炭实验组样本中占总古菌的百分比最高，分别为74.9%，73.6%和73.0%。

图11 小麦秸秆厌氧消化系统中古菌群落结构在门水平上的变化

图12 小麦秸秆厌氧消化系统中古菌群落结构在属水平上的变化

不同生物炭添加实验组样本在古菌属分类水平上进行菌群结构见图12，从图中可以看出，各实验组样品分析显示消化液中古菌属包括：鬃毛甲烷菌属、甲烷杆菌属(Methanosaeta),norank_p_Bathyarchaeota，甲烷八叠球菌属(Methanobacterium)和少量其他属。在R400，R500，R600和未添加实验组4个样本中Methanosaeta占比分别为69.2%，67.0%，65.9%和51.8%；Methanosaeta是代表性的氢营养型产甲烷菌属[1]，具有将乙酸、丙酸或丁酸氧化为H2和CO2的能力，从图中可见其在各样本始终是优势古细菌菌属；且该优势菌在R1实验组中占比最高，这与其较高的甲烷产量是一致的。