三種濕地植物厭氧發酵產甲烷特性及產物穩定性研究

夏 嵩，付嘉琦，付尹宣，晏 恒，陳小平，吳九九

（江西省科學院能源研究所，南昌 330096）

人工濕地（constructed wetland）是模擬自然濕地系統，將土壤、沙、石等材料按比例組成基質，并和水體、動植物、微生物等共同構建的類似于自然濕地的新型污水凈化系統[1]。濕地植物是人工濕地系統重要的組成部分，植物可以吸收氮、磷等污染物，輸送氧氣，促進微生物活動，增強和維持介質的水力傳輸等；植物還能美化環境，改善區域氣候，促進生態環境的良性循環，具有重要的生態及社會效益[2]。

大量研究報道了濕地水生植物對污染物的去除效果及作用機制[3-4]，然而對植物資源的后續處理及資源化利用報道較少。水生植物生長速度快、生物量高、水分和有機質含量高，如不及時收割，不但影響凈化效果，植株腐爛后還會造成二次污染[5]。因此，開展濕地植物資源化利用對解決人工濕地技術二次污染問題具有重要意義。有研究表明，濕地植物生物量積累較高，如巨菌草生物量達到250～400 t·hm-2，每公頃水葫蘆年產量可達75萬t[2，6]。濕地植物可利用水體中的營養鹽，不需要額外添加營養物，種植成本較低；同時，濕地植物纖維素和半纖維素含量較高，木質素含量較低，適合作為厭氧發酵的原料[5]。

濕地植物的有機物含量和穩定性程度是其土地利用的重要指標。通過厭氧發酵處理可增加有機廢棄物穩定性，減少植物毒性物、致病菌、重金屬和異味等不利影響[7]。盡管許多分析手段被用于生物穩定化研究，但有機物生物轉化度的量化分析仍十分困難。有研究表明熱分析技術可用于評價生物產物的穩定性，如厭氧發酵物和堆肥等[8]。因此，本研究選取了三種濕地植物（巨菌草、水葫蘆和狐尾藻），采用全自動甲烷潛力測試系統和熱重分析-示差掃描量熱法（TG-DSC）對其在不同溫度下的厭氧發酵產甲烷特性和產物穩定性進行研究，并通過Cheynoweth方程對發酵產氣過程進行動力學模擬，以期為濕地植物的資源化利用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

厭氧消化污泥取自江西萬年某豬場廢棄物厭氧發酵罐活性污泥。三種濕地植物：巨菌草（Pennisetum sp.）、狐尾藻（Myriophyllum verticillɑtum）以及水葫蘆（Eichhorniɑ crɑssipes），采自該豬場厭氧廢水人工濕地處理系統。植物采集后自然風干，粉碎至40目，儲存于-20℃冰箱備用。三種植物及接種污泥的基本性質見表1。

1.2 實驗設置

發酵實驗裝置采用瑞典Bioprocess Control公司的全自動甲烷潛力測試系統（Automatic Methane Potential Test System，AMPTS），全自動實時采集整個發酵周期的甲烷產量，內置溫度和壓力傳感器自動校正數據，可精準測量氣體流量，避免了不同環境和批次對實驗結果的影響。發酵單元容量500 mL，反應體系總量400 g。厭氧罐通過水浴加熱，溫度設置為中溫（37℃）和常溫（25℃）。接種按照污泥∶植物的揮發性固體（VS）質量比為2∶1接入，反應體系總固體濃度（TS）為8%。攪拌過程通過電機自動控制實現，攪拌間隔為5 min。

1.3 實驗方法

TS和VS含量通過重量法測定，pH采用上海雷磁PHS-3C型pH計測定，總碳（TC）和總氮（TN）通過湖南三德科技公司SDCHN435元素分析儀測定。厭氧發酵物穩定性分析采用發酵產物固液分離后的沼渣進行測試。發酵沼渣在80℃下烘72 h，用于熱重-示差掃描量熱（TG-DSC）分析。TG-DSC分析采用德國耐馳STA449 F3，在合成氣（氮氣和氧氣的混合比為4∶1）氛圍下，以10℃·min-1的速率升溫至800℃。

表1 三種濕地植物和接種污泥的基本性質Table 1 Characteristics of three wetland plants and inoculated sludge

1.4 數據處理分析

所有試驗至少3組平行，試驗結果為平均值±標準誤差。采用Origin 8.5軟件進行數據處理及動力學分析。采用SPSS 19.0軟件對數據進行差異顯著性分析，利用Turkey HSD法進行多重比較，P＜0.05即表明差異顯著。

2 結果與討論

2.1 發酵產甲烷特性及有機物去除效果

通過 BMP測試（Biochemical Methane Potential）對三種濕地植物厭氧發酵產甲烷潛力進行研究。如圖1 a所示，30 d發酵周期內，中溫條件下水葫蘆的累積甲烷產量最高，為236.9 mL·g-1VS，顯著高于巨菌草（166.5 mL·g-1VS）和狐尾藻（159.4 mL·g-1VS）（P＜0.01）；如圖1 b所示，當溫度降到常溫時，水葫蘆、巨菌草和狐尾藻的最高累積甲烷產量分別為169.3、128.5、134.7 mL·g-1VS，產量均出現明顯降低。30 d發酵周期內，中溫下水葫蘆、巨菌草和狐尾藻甲烷產量較常溫分別提高了39.9%、29.6%和18.3%（P＜0.01）。結果表明，三種濕地植物均可作為厭氧發酵產甲烷的原料，其中水葫蘆累積產甲烷量高于巨菌草和狐尾藻。溫度對厭氧發酵效率影響顯著，在30 d發酵周期下中溫比常溫更有利于提高物料的累積甲烷產量。

圖1不同溫度下三種濕地植物厭氧發酵累積甲烷產量Figure 1 Cumulative methane production of three wetland plants treated by anaerobic digestion at different temperatures

圖2 表示不同溫度下三種濕地植物厭氧發酵日甲烷產量變化。如圖2a所示，中溫下三種植物日甲烷產量迅速提高，發酵第1 d即進入產氣高峰期，持續8～10 d。其中，巨菌草和狐尾藻的產氣峰值均在第1 d出現，分別為22.0、35.8 mL·d-1·g-1VS；水葫蘆的產氣峰值在第4 d出現，為29.9 mL·d-1·g-1VS。按日產氣量小于總產氣量的1%即認為產氣結束計算，巨菌草、狐尾藻和水葫蘆的發酵周期分別為27、16 d和18 d。如圖2b所示，30 d常溫發酵前期三種濕地植物日產氣量逐漸提高，巨菌草、狐尾藻和水葫蘆的產氣峰值分別在第7、12 d和第9 d出現，分別為10.9、9.9、11.6 mL·d-1·g-1VS，均顯著低于中溫下相應的產氣峰值（P＜0.01），30 d發酵時間內產氣相對平穩，實驗結束時產氣均未結束。

圖2 不同溫度下三種濕地植物厭氧發酵日甲烷產量Figure 2 Daily methane production of three wetland plants treated by anaerobic digestion at different temperatures

表2 三種濕地植物厭氧消化產甲烷特征及有機物去除情況Table 2 Characteristics of methanogenesis and organic degradation of three wetland plants treated by anaerobic digestion

表2歸納了三種濕地植物厭氧消化產甲烷特性及有機物去除情況。結果表明：在30 d實驗周期內，中溫下3種植物發酵甲烷產量更高、產氣速度更快，發酵周期更短，且中溫下原料的VS去除率也高于常溫條件。發酵結束時，各實驗組pH值在7.0～7.3之間，均處于正常范圍內。杜婷婷等[9]綜述了不同生物質廢棄物厭氧發酵產氣潛力，其中農業秸稈類總沼氣產量在138～442 mL·g-1TS之間，林業廢棄物在54～69 mL·g-1TS之間，能源植物在106～936 mL·g-1TS之間，畜禽糞便在215～495 mL·g-1TS之間。由于原料品種、發酵方式和實驗條件不同，文獻報道結果之間存在一定差異。總體來看，本文中三種濕地植物都具備較好的產氣潛力，可作為厭氧發酵制甲烷的原料。由于不同植物的組成成分如纖維素、半纖維素、木質素、脂肪、蛋白和碳水化合物等含量對厭氧發酵具有顯著影響，三種濕地植物的產氣特征差異可能與其成分差異有關。李連華等[10]對雜交狼尾草和柳枝稷荻的厭氧發酵產甲烷潛力進行了研究，發現不同品種能源草的甲烷產量為214～288 mL·g-1VS。這是由于不同品種能源草的生長階段和原料特性不同，TS、VS、C/N比和木質素、粗脂肪等含量都有差別，從而導致其產氣性能出現差別。溫度對厭氧發酵效率具有重要影響。鄧怡國等[11]對25～40℃溫度范圍內菠蘿葉渣的厭氧發酵產氣特性研究發現：35℃試驗組產氣量明顯優于其他3組，且發酵時間也小于其他組。賈麗娟等[12]研究發現：不同溫度下牛糞厭氧發酵產氣效率存在差異，35℃下原料產氣量高于30℃和45℃，且各類功能微生物數量與比例最佳。綜上認為，中溫更有利于厭氧發酵微生物菌群的生長和代謝。

2.2 基于TG-DSC的厭氧發酵物穩定性分析

圖3為中溫下發酵周期內（0～30 d），三種濕地植物厭氧發酵物的TG和DSC變化曲線圖。如圖3a～圖3c的TG變化表明，三種濕地植物均具有三個明顯的失重過程：100℃左右的失重，主要是由于樣品中殘留的水揮發引起；250～350℃的失重，主要是由易降解物質和半揮發性組分（如碳水化合物、脂肪族結構、羧基等）以及半纖維素、纖維素、微生物細胞壁等物質的燃燒引起；400～600℃的失重，主要是由于高分子量的芳香族和多環類結構，如木質素、腐植酸類物質的燃燒引起[13]。從整個發酵周期來看，三種濕地植物的TG曲線變化規律一致，即總失重率隨發酵時間逐漸減少。狐尾藻、巨菌草和水葫蘆的總失重率分別從第0 d的61.68%、60.21%和59.07%，逐漸降至第30 d的55.78%、55.02%和52.26%。這是由于隨著厭氧發酵的進行，植物中的半纖維素、纖維素等物質被微生物分解利用，部分有機物逐漸轉化成甲烷和二氧化碳等物質，因此可氧化的有機物量變少，總失重逐漸降低[14]。

如圖3d～圖3f所示，三種植物的DSC曲線在300℃和400～550℃有兩個明顯的放熱峰。低溫區（300℃），三種植物的放熱峰峰型一致，強度隨發酵時間呈降低趨勢，這是由于厭氧發酵中易降解物質逐漸被消耗，導致低溫區放熱峰強度逐漸降低。高溫區（400～550℃），狐尾藻的峰強度變化和低溫區一致，呈現逐漸下降的趨勢；而巨菌草和水葫蘆隨發酵時間增加，峰值右移，且峰強度具有增加趨勢。這可能是由于隨發酵進行，部分易降解物質向聚電解質大分子（如腐植酸）轉化，分子復雜度和方向共軛度升高，產物穩定性程度增加，從而導致高溫區放熱增加、熱解溫度升高[15]。同時，研究結果也表明這種轉化過程存在一定的物種特異性，可能與不同植物的結構和組成等因素有關。Wu等[16]在城市填埋垃圾的研究中發現，隨著填埋時間增加，固形物礦化作用加強，揮發性物質釋放減少，熱解溫度升高。

2.3 厭氧發酵產甲烷過程模擬分析

圖3 中溫發酵下三種濕地植物TG（a～c）和DSC（d～f）曲線變化Figure 3 TG（a～c）and DSC（d～f）profiles obtained from mesophilic anaerobic digestion of three wetland plants

生物質厭氧發酵研究表明，其厭氧消化產甲烷過程遵循一級反應[17-18]。本文采用Cheynoweth等提出的生物質厭氧產甲烷動力學方程V=V0（1-e-kt）對中溫下產氣周期內三種濕地植物產甲烷過程進行模擬分析（其中：V為甲烷產量，V0為甲烷最終產量，k為反應速率常數，t為時間）。如圖4a所示，巨菌草、狐尾藻和水葫蘆產甲烷過程Cheynoweth方程擬合決定系數R2分別為0.956 4、0.977 0和0.991 1，均具有較好的相關性，說明該方程能很好地反映發酵周期內三種濕地植物產甲烷的規律。將實驗測定的三種濕地植物產甲烷數據代入Cheynoweth方程，獲得實測數據和擬合預測數據的產甲烷曲線（圖4b）。模型擬合結果與實驗數據比較接近，產氣積累規律也較為一致。三種濕地植物巨菌草、狐尾藻和水葫蘆最終產氣預測值和實測值差異比分別為1.98%、0.82%和0.32%，進一步表明Cheynoweth方程可用于生物質厭氧發酵產甲烷過程的擬合。

圖4 Cheynoweth方程產甲烷動力學分析Figure 4 Methanogenesis kinetic analysis fit by Cheynoweth equation

3 結論

（1）厭氧發酵產甲烷是濕地植物能源化利用的有效途徑，中溫比常溫更有利于提高發酵效率。30 d發酵周期內，巨菌草、狐尾藻和水葫蘆中溫發酵甲烷產量分別達166.5、159.4、236.9 mL·g-1VS，顯著高于常溫發酵；同時，中溫（37℃）下三種濕地植物發酵周期（16～27 d）、產氣峰值（22.0～35.8 mL·d-1·g-1VS）及其出現時間（1～4 d）、VS去除率（40.59%～58.20%）都優于常溫（25℃）發酵。

（2）Cheynoweth方程可以反映三種濕地植物厭氧發酵產甲烷規律，所建模型與實際產甲烷過程較為接近，R2均大于0.95。

（3）TG-DSC技術可用于厭氧發酵物的穩定性分析。三種濕地植物全發酵周期TG-DSC分析反映了厭氧過程中有機物的降解和發酵物穩定化過程。