沼渣制備生物炭添加對小麥秸稈厭氧消化產(chǎn)氣性能及微生物群落的影響

高 健， 李 娟， 左曉宇， 袁海榮， 劉研萍， 李秀金

(1.北京化工大學 環(huán)境科學與工程系， 北京 100029； 2.北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心， 北京 100048)

我國農(nóng)業(yè)固體廢棄物產(chǎn)量巨大，其中以小麥秸稈、玉米秸稈、稻草為主，每年，小麥秸稈的產(chǎn)量高達上億噸，傳統(tǒng)的、低利用價值的處理方式，如焚燒造成了極大地資源浪費，而且焚燒過程中產(chǎn)生的煙塵等污染物也會產(chǎn)生嚴重的環(huán)境污染[1]。厭氧消化是一種利用微生物降解有機物并且產(chǎn)生清潔能源的可持續(xù)、綠色生物技術(shù)，它被廣泛應用于城市餐廚垃圾、廢水、污泥、生活垃圾等的減量化、資源化利用領(lǐng)域[2]。

不溶解或者難分解的有機物和無機物會殘留在厭氧消化剩余沼渣中，如果大量沼渣得不到科學處理，隨意堆放，勢必會造成嚴重的環(huán)境污染，不僅影響了周圍農(nóng)作物生長；更是給人們的健康帶來了威脅[3]；更是一種資源浪費；因此，合理有效處理利用沼渣顯得尤為迫切。

制備生物質(zhì)炭為資源化有效利用沼渣提供了新的思路[4]，沼渣中含有有機碳源，是制備生物質(zhì)炭的優(yōu)質(zhì)材料。早在20世紀90年代，就有很多研究人員嘗試著用沼渣制備生物質(zhì)炭，生物炭所具備的較大的比表面積和孔徑、良好的吸附性能，其pH值呈堿性等諸多優(yōu)點使得沼渣制備生物質(zhì)炭有著光明的前景[5]。

厭氧消化過程是一個多種微生物參與的復雜生物學過程，這其中水解菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌在不同階段起著不同的作用。在參與厭氧消化反應的眾多微生物中，產(chǎn)甲烷菌的種類和數(shù)量是影響厭氧消化產(chǎn)氣效率和甲烷含量的重要因素；因此尋找合適的微生物載體，延長微生物與底物的接觸時間和面積對厭氧發(fā)酵過程有積極意義；生物炭的多孔性、比表面積大等特點[6]，以及生物炭成本低、使用方便，逐漸引起人們關(guān)注[7]。XU[8]等發(fā)現(xiàn)生物炭增強葡萄糖和乙醇厭氧消化CH4產(chǎn)量，生物炭可以加快VFAs的消耗速率，進而縮短消化周期。Luo[9]等以葡萄糖為底物進行厭氧消化研究，在過程中添加生物質(zhì)炭，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加生物炭可以提高厭氧消化效率，縮短厭氧消化周期。然而，在眾多的生物炭對厭氧消化影響的研究中，對生物炭添加到農(nóng)作物秸稈及其微生物群落的影響研究較少。

因此，本文以小麥秸稈為底物，以小麥秸稈厭氧消化沼渣制備生物炭為添加劑，進行了批式厭氧消化試驗研究，通過對厭氧消化轉(zhuǎn)化性能的分析，探究沼渣生物炭的最佳添加量和制備溫度，同時分析沼渣生物炭的添加對小麥秸稈厭氧消化過程中微生物群落結(jié)構(gòu)變化的影響，為尋找提高小麥秸稈生物降解性和產(chǎn)甲烷性能的方法提供了重要工程意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與接種物

實驗原料為小麥秸稈，取自北京南部郊區(qū)麥田，自然風干后，經(jīng)粉碎機粉碎后，過20目篩，放于自封袋中，放置通風干燥處備用。接種物取自于北京市順義區(qū)某沼氣站的消化污泥，取回后靜置一周，倒去上清液，過篩網(wǎng)除去大塊雜質(zhì)后，冷藏備用。小麥秸稈與接種泥的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 小麥秸稈與接種泥的基本性質(zhì) (%)

1.2 生物炭的制備

生物炭由小麥秸稈厭氧消化后的沼渣制備所得，沼渣烘干后，在固定床反應器中快速熱解而成，其制備方法如下：向固定床中通入氮(99.99%，流量為 400 mL·s-1)，反應溫度分別為400℃，500℃和600℃。將烘干后的沼渣置于固定床中通氮氣吹掃5 min以驅(qū)趕固定床及原料中的氧氣；后升溫固定床至規(guī)定溫度，有效熱解區(qū)熱60 min；自然冷卻，禁止過早取出樣品，防止高溫下的熱解產(chǎn)物在空氣中自燃。熱解產(chǎn)物冷卻至室溫后，將其研磨并篩選粒徑均勻的顆粒，用去離子水洗滌目的是除去灰分，過濾后，置于105℃的烘箱中烘干24小時，備用。制備所得生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)如表2。

表2 沼渣生物炭的基本性質(zhì)

1.3 實驗裝置與方法

實驗裝置由兩個500 mL的藍蓋瓶和1個10 L的水箱用橡膠管連接組成，裝置連接完成后并用氮氣吹掃，目的是排出瓶中氧氣，1個藍蓋瓶作為厭氧反應器，放置于恒溫(35℃±1℃)的水浴箱中，有效體積為400 mL，另1個藍蓋瓶用作集氣瓶。小麥秸稈常溫下用4% KOH試劑預處理3天后，按50 gTS·L-1上料，接種泥按20 g·L-1(以MLSS計)接種；每天記錄產(chǎn)氣量和氣體成分，生物質(zhì)炭的添加量按小麥秸稈(干基)5%，10%和15%進行添加，每組試驗重復3次。根據(jù)生物質(zhì)炭添加量不同，設(shè)置了不同的實驗如表3。

表3 不同實驗組生物炭添加情況

1.4 分析方法

總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)的測量采用國標法。氣體成分通過配有熱導檢測器(TCD)的氣相色譜儀(SP-2100)檢測。物料的元素含量利用元素分析儀(Elementar, Germany)測定。采用高通量測序技術(shù)對厭氧消化液樣品中的微生物群落進行分析研究，高通量測序過程由中國上海美吉生物公司(Shanghai Major bio Pharm Technology Co.Ltd.)進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 日產(chǎn)氣量

不同溫度下沼渣制備生物炭的添加對小麥秸稈厭氧消化日產(chǎn)氣量的影響如圖1～圖3所示，由日產(chǎn)氣量圖可以清楚看出，在添加沼渣制備生物質(zhì)炭的厭氧消化實驗組與空白試驗組中，均產(chǎn)生了3個明顯的產(chǎn)氣高峰，分別出現(xiàn)在厭氧發(fā)酵的第3天、第10天和第17天；在產(chǎn)氣高峰過后，日產(chǎn)氣量逐漸降低，且在厭氧消化實驗進行到第25天后，日產(chǎn)氣量逐漸趨于平穩(wěn)，最低降至20～30 mL，添加生物質(zhì)炭實驗組和空白試驗組并無差別。但是，不同實驗組中產(chǎn)氣高峰的最大日產(chǎn)氣量有著較大的不同，在第1個產(chǎn)氣高峰中，R1實驗組(見圖1，生物炭制備溫度為400℃，添加量為5%)的最大日產(chǎn)氣量為860 mL，高于其他實驗組和空白組。在第2個產(chǎn)氣高峰中，依然是R1實驗組(生物炭制備溫度為400℃，添加量為5%)日產(chǎn)氣量最大，為700 mL；此外，所有生物炭添加實驗組中的產(chǎn)氣高峰值均高于空白組。

圖1 400℃生物炭添加對小麥秸稈日產(chǎn)氣量變化的影響

圖2 500℃生物炭添加對小麥秸稈日產(chǎn)氣量變化的影響

圖3 600℃生物炭添加對小麥秸稈日產(chǎn)氣量變化的影響

第1個產(chǎn)氣高峰時，生物氣主要來源于小麥秸稈厭氧消化液中易降解的小分子物質(zhì)被水解菌和甲烷菌所利用而產(chǎn)生的；隨后產(chǎn)氣急劇下降，在第6天降到最低，這有可能是厭氧消化體系中積累了一定量的揮發(fā)性有機酸，如乙酸、丙酸等，影響了產(chǎn)甲烷菌的活性。隨著甲烷菌活性的增強和數(shù)量的增多，產(chǎn)氣逐漸上升，并在第10天左右出現(xiàn)第2個產(chǎn)氣高峰，此階段產(chǎn)氣共持續(xù)了9天，較第1個產(chǎn)氣高峰延長了3～4天，最大產(chǎn)氣量為700 mL；添加生物質(zhì)炭實驗組的第2個產(chǎn)氣高峰較空白實驗組提前了2～3天，產(chǎn)生這種情況的原因是可能生物質(zhì)炭呈堿性[10]，增強了厭氧發(fā)酵體系自身的調(diào)節(jié)能力，有效緩解了因為水解產(chǎn)酸菌產(chǎn)生的大量揮發(fā)性脂肪酸而造成的酸抑制問題；其次，也有可能是沼渣制備的生物質(zhì)炭的多孔性和大的比表面積為微生物提供了合適的生長環(huán)境，從表2沼渣生物炭性質(zhì)可知，生物炭的比表面積可達9.8～15.4 m2·g-1，且生物炭的微孔體積也可達0.04～0.048 cm3·g-1, 平均孔徑可達2.9～3.3 nm，因此，生物炭的加入為微生物提供了較好的附著表面，從而增強了甲烷菌活性并提高了產(chǎn)氣量[11]。隨著厭氧消化的不斷進行，時間不斷的推遲，可被微生物消耗的物質(zhì)逐漸減少，產(chǎn)氣量也逐漸的降低。

2.2 甲烷含量

添加生物炭實驗組和空白對照組的甲烷含量變化如圖4～圖6所示，所有的厭氧消化實驗組中的甲烷含量呈現(xiàn)相同的變化趨勢，在厭氧消化的前5天，甲烷含量是逐漸上升的，并在第1個產(chǎn)氣高峰的時候達到了一個峰值，甲烷含量在53.51%～60.12%范圍內(nèi)；之后隨著厭氧消化過程的不斷穩(wěn)定，甲烷含量也在一個穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)波動。在整個厭氧消化產(chǎn)氣過程中，添加生物質(zhì)炭實驗組R1～R9的甲烷含量均高于未添加生物質(zhì)炭的對照組實驗，而R1實驗組在第1個產(chǎn)氣高峰過后，其甲烷含量均高于其它實驗組，其甲烷平均含量達到了57.87%，高于空白對照組的53.43%，也高于同種生物質(zhì)炭添加15%的實驗組的55.37%，同時也高于R8實驗組(生物炭制備溫度為600℃,添加量為5%)的54.82%。

圖4 400℃生物炭添加對小麥秸稈甲烷含量變化的影響

圖5 500℃生物炭添加對小麥秸稈甲烷含量變化的影響

圖6 600℃生物炭添加對小麥秸稈甲烷含量變化的影響

2.3 單位VS產(chǎn)甲烷量和VS去除率

不同溫度(400℃,500℃和600℃)下制備的生物質(zhì)炭，按照不同添加量添加到小麥秸稈厭氧消化過程中，其對單位VS產(chǎn)甲烷量和VS去除率的影響，如圖7和圖8所示。在添加400℃生物炭實驗組中，不同添加量實驗組的單位VS產(chǎn)甲烷量，分別為297 mL·g-1VS，262 mL·g-1VS和254 mL·g-1VS，比空白組最高提高了40.1%，其VS去除率分別達到57.4%，52.8%和48.3%，比空白組最高提高了36.7%；添加5%實驗組效果最明顯。其單位VS產(chǎn)甲烷提高率高于豬糞沼液對麥秸預處理后的厭氧消化過程中單位VS產(chǎn)甲烷量的38.89%的提高率[12]；同時也高于錳過氧化物酶和復合過氧化物酶的聯(lián)合預處理秸稈后的厭氧消化所得到的14.79%的提高率[13]。在500℃和600℃生物炭實驗組中，均是生物炭添加量為5%時，小麥秸稈的單位VS產(chǎn)甲烷量VS去除率最高。時間則是6 h效果最佳，提高甲烷產(chǎn)量17．49此外，還可知，隨著生物炭制備溫度的升高和添加量的增大，小麥秸稈的單位VS產(chǎn)氣率和去除率均降低，這可能與生物碳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和對微生物負載性能有關(guān)[14]；其次，在小麥秸稈的厭氧消化工程中應考慮碳氮比(C/N)對厭氧消化的影響，生物炭添加量的增大，也升高了系統(tǒng)中碳氮比，影響了微生物活性，造成產(chǎn)氣性能下降。

圖7 生物炭添加對小麥秸稈單位VS產(chǎn)甲烷量的影響

圖8 生物炭添加對小麥秸稈VS去除率的影響

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)變化

2.4.1 微生物群落多樣性分析

高通量測序OTUs中的Ace，Chao，Shannon以及Simpson等值的大小，最直觀的反映了微生物的豐富度和多樣性，其中樣本中微生物的多樣性指標是通過Ace值和Chao值來反映的，而OTUs中的Shannon和Simpson指數(shù)值反映了微生物豐富度。表4為各實驗組樣品中微生物中古菌和細菌的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)。

表4 不同實驗組中古菌和細菌多樣性指數(shù)值統(tǒng)計

從表4中可以看出，未添加生物炭實驗組的古菌和細菌微生物豐度指數(shù)Ace和Chao低于添加生物炭實驗組，說明麥秸經(jīng)過生物炭添加后增加了反應體系的微生物豐富度；且R1實驗組高于其他實驗組，說明R1實驗組中細菌豐度高于其它實驗組。對于微生物的多樣性而言，Shannon指數(shù)越小，所代表的實驗組樣品中微生物群落多樣性卻越高，從表中可以看出R1實驗組中該值最小；同時，Simpson指數(shù)越大的話，則說明該實驗組樣品微生物群落多樣性越低，從表中可以看到未添加生物炭實驗組該值最大，而R1實驗組該指數(shù)最小，R500實驗組次之。分析可知，經(jīng)過生物炭添加的反應體系細菌和古菌多樣性高于未添加實驗組。

2.4.2 細菌群落結(jié)構(gòu)變化

本研究將高通量測序序列(門水平和屬水平)結(jié)果進行了分析比較，不同實驗組厭氧消化液中細菌菌群結(jié)構(gòu)組分結(jié)果見圖9和圖10。對于未添加和不同生物炭添加的樣本在門分類水平上進行系統(tǒng)發(fā)育分析圖9可知，厭氧反應后期的微生物主要分布在13個門，不同的門類細菌在厭氧發(fā)酵過程中發(fā)揮著不同的作用。其中主要為：厚壁菌門(Firmicutes)、變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、Fibrobacteres、螺旋體門(Spirochaetae)等。

圖9 小麥秸稈厭氧消化系統(tǒng)中細菌群落結(jié)構(gòu)在門水平上的變化

Firmicutes細菌是水解階段最常見的菌類，能夠抵御不良或極端環(huán)境，并且是纖維素的重要降解菌，F(xiàn)irmicutes在樣本中占總細菌的百分比最高，在4個實驗組中分別占55.1%，52.5%，47.4%和38.9%，可見，經(jīng)過生物炭添加實驗組的水解菌群高于未添加實驗組。Bacteroidetes是厭氧環(huán)境中常見的消化產(chǎn)酸菌群，一定程度上反映著厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣效率，Bacteroidetes在3個樣本中占總細菌的百分比分別為25.3%，36.6%，34.3%和35.6%，可見R400實驗組中產(chǎn)酸菌較少，這是因為反應體系內(nèi)的酸被轉(zhuǎn)化為了甲烷氣體，這與其產(chǎn)甲烷量最高的結(jié)果是一致的。此外，各實驗組在批式發(fā)酵反應器中的細菌在屬水平上的優(yōu)勢菌為Clostridium_sensu_stricto_1，它在4個樣本中占總細菌的百分比分別為18.5%，17.6%，16.7%和12.3%(見圖10)，可見添加生物炭的實驗組高于未添加生物炭的實驗組，且R1實驗組最高。

圖10 小麥秸稈厭氧消化系統(tǒng)中細菌在門水平上的變化

2.4.3 古菌群落結(jié)構(gòu)變化

對于不同生物炭添加量實驗組中厭氧消化發(fā)酵液中的古菌群落在門分類水平上的分類如圖11可知，不同生物炭添加實驗組發(fā)酵液樣品中的古菌主要為廣古菌門(Euryarchaeota)、Bathyarchaeota和其他古菌。Euryarchaeota在3個添加生物炭實驗組樣本中占總古菌的百分比最高，分別為74.9%，73.6%和73.0%。

圖11 小麥秸稈厭氧消化系統(tǒng)中古菌群落結(jié)構(gòu)在門水平上的變化

圖12 小麥秸稈厭氧消化系統(tǒng)中古菌群落結(jié)構(gòu)在屬水平上的變化

不同生物炭添加實驗組樣本在古菌屬分類水平上進行菌群結(jié)構(gòu)見圖12，從圖中可以看出，各實驗組樣品分析顯示消化液中古菌屬包括：鬃毛甲烷菌屬、甲烷桿菌屬(Methanosaeta),norank_p_Bathyarchaeota，甲烷八疊球菌屬(Methanobacterium)和少量其他屬。在R400，R500，R600和未添加實驗組4個樣本中Methanosaeta占比分別為69.2%，67.0%，65.9%和51.8%；Methanosaeta是代表性的氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌屬[1]，具有將乙酸、丙酸或丁酸氧化為H2和CO2的能力，從圖中可見其在各樣本始終是優(yōu)勢古細菌菌屬；且該優(yōu)勢菌在R1實驗組中占比最高，這與其較高的甲烷產(chǎn)量是一致的。

3 結(jié)論

(1)厭氧發(fā)酵后的沼渣制備生物質(zhì)炭添加到小麥秸稈厭氧發(fā)酵過程中，有助于提高小麥秸稈的產(chǎn)甲烷量和VS去除率。

(2)不同活化溫度下厭氧發(fā)酵沼渣制備的生物質(zhì)炭以及不同生物質(zhì)炭添加量對小麥秸稈厭氧發(fā)酵過程的影響是不同的，其最佳添加量為5%，最優(yōu)活化溫度為400℃。

(3)生物炭制備溫度為400℃、添加量為5%時，厭氧消化系統(tǒng)中細菌群落結(jié)構(gòu)在屬水平上的優(yōu)勢菌種為Clostridium_sensu_stricto_1(18.5%)，古菌群落結(jié)構(gòu)在屬水平上的優(yōu)勢菌種為Methanosaeta(69.2%)。