生物炭孔隙結構對市政污泥好氧發酵過程中甲烷釋放的影響*

周 倩，胡湛波**，鄭榆凱，林澤帥，劉果瑩

(1.廣西大學資源環境與材料學院，廣西南寧 530004；2.華南理工大學環境與能源學院，廣東廣州 510006)

好氧發酵技術可實現市政污泥無害化、減量化和穩定化，是極具發展潛力的市政污泥處理技術[1]。但發酵過程中高溫、高含水率以及氧氣分布不均勻的特性會導致甲烷(CH4)釋放[2]，而CH4是一種典型的溫室氣體，其溫室效應是二氧化碳(CO2)的25倍[3,4]。對此，研究人員積極探索減少市政污泥好氧發酵CH4釋放的措施，如通過調節物料性質、改變曝氣或添加調理劑等方式[5-9]。

本研究在市政污泥好氧發酵過程中添加不同孔隙結構的生物炭，探討不同孔隙結構對堆體環境及CH4釋放的影響，進一步分析各孔隙結構影響甲烷菌和甲烷氧化菌代謝活動的途徑，并通過研究生物炭孔隙結構與CH4釋放規律、環境因子及微生物之間的相關性，以期闡明生物炭孔隙結構對市政污泥好氧發酵過程中CH4釋放的影響，為利用生物炭減少市政污泥好氧發酵的CH4釋放提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 好氧發酵材料

污泥(SW)采集自廣西南寧市明陽工業園區污水處理廠，稻殼購置于河南省竹馬兒電子商貿有限公司，EM菌劑購自河南益加益生物工程有限公司。櫸木生物炭(WB)由奧地利博林泰森公司(Polytechnik Luft- und Feuerungstechnik GmbH)提供，稻殼生物炭(RB)和玉米芯生物炭(CB)分別從陜西森亞泰家庭園藝專營店和河南立澤環保科技有限公司購置。各原材料基本特性如表1所示。

表1 好氧發酵原材料的理化性質

1.1.2 市政污泥好氧發酵反應器

本實驗所用反應器主體為容積220 L的不銹鋼桶(φ 600 mm×800 mm)，外部包裹50 mm厚的保溫棉，在桶壁底部開設一個小孔用于連接曝氣管，在距離曝氣管高度100 mm處搭建一塊亞克力板曝氣盤(φ 580 mm×10 mm)。反應器側面設有3個取樣口用于采集固體樣品。在反應器頂部中心設有一小孔并連接直徑為20 mm的塑料管，用于排氣和測溫。好氧發酵反應器如圖1所示。

圖1 好氧發酵反應器示意圖

1.2 方法

1.2.1 實驗設計與樣品采集

(1)市政污泥好氧發酵實驗。

將40 kg污泥、10 kg稻殼和0.01% EM菌劑混合均勻作為對照組(CK)，實驗組在CK的基礎上再分別添加5 kg的櫸木生物炭、稻殼生物炭和玉米芯生物炭。混合均勻的物料在反應器進行44 d的好氧發酵，于第7天、14天、24天、34天進行翻堆。通過氣體流量計將曝氣量控制在0.1 m3/(min·m3)。

(2)樣品采集與處理。

1.2.2 樣品分析方法

(1)生物炭表征。

生物炭的微觀孔隙形貌采用掃描電子顯微鏡(日立S3400N，日本)表征。生物炭的孔徑、比表面積及孔容使用全自動比表面積分析儀(麥克ASAP 2460，美國)進行測定，通過密度泛函理論分析孔徑分布。本研究以生物炭孔徑代表生物炭孔隙結構。根據國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)孔徑分類標準，多孔材料按孔徑大小可以劃分為微孔(<2.00 nm)、中孔(2.00-50.00 nm)和大孔(>50.00 nm)。

(2)氣體及理化性質測定。

(3)產甲烷潛勢和甲烷氧化潛勢的測定。

參考Ma等[21]的方法，并結合頂空氣相色譜(HS-GC)技術進行設計，HS-GC系統由頂空進樣器(安捷倫7697A，美國)和氣相色譜儀(安捷倫8890，美國)組成。頂空進樣器的參數設置如下：加熱爐溫度設為80℃，傳輸線和平衡回路分別設為40℃和100℃，連續注射時間為0.6 min，樣品填充壓力為15 psi，保持時間為0.25 min。氣相色譜儀參數設置同1.2.2節(2)點內容。

MPP實驗步驟如下：稱取2 g鮮樣于20 mL頂空瓶，在氮氣操作箱中排除空氣，5 min之后封蓋，再移至25℃恒溫培養箱中培養250 h，最后通過HS-GC測定瓶中CH4的濃度。MOP實驗步驟如下：稱取0.5 g鮮樣于20 mL頂空瓶中并封蓋，再將1 mL濃度為50%的CH4標準氣注射至頂空瓶內，隨后于25℃恒溫培養箱中培養100 h，使用HS-GC測定CH4的減少量。

(4)微生物群落測序。

選擇污泥和第3天、23天、44天的樣品測定微生物群落，分別代表空白對照、高溫期、降溫期和腐熟期的微生物群落。采用引物515F (5′-GTGYCAGCC-

GGTAA-3′)和806R(5′-GGACTACNVGGGTWTCTAAT-3′)擴增16S rRNA基因的V4區[22]。PCR反應程序設置如下：首先95℃預變性3 min，然后95℃變性30 s，退火30 s，72℃延伸45 s，再72℃延伸10 min。應用IlluminaMiseq平臺進行高通量測序，該工作委托上海美吉生物醫藥科技有限公司完成。

1.2.3 數據分析

本文使用SPSS 25.0軟件處理和分析實驗數據。所有圖像均采用Origin 9.0繪制。采用Spearman方法進行相關分析，使用CANOCO 5.0的冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)建立CH4釋放與其他指標之間的關系。

2 結果與分析

2.1 生物炭孔隙結構

WB的孔徑最小、比表面積最大；CB孔徑最大、比表面積最小；而RB則介于兩者之間，且與WB更為相似(表1)。WB和RB在0.00-2.00 nm出現明顯的微孔峰值，且微孔結構分別占各自總孔隙結構的87.84%和73.72%，表明WB和RB的孔隙結構以微孔結構為主。CB則在93.13-233.91 nm顯示出明顯的大孔峰值且大孔結構占89.94%，表明玉米芯生物炭以大孔結構為主(圖2)。

圖2 基于密度泛函理論的生物炭孔徑分布

生物炭表面形貌如圖3所示，WB的骨架清晰且厚實、孔道流暢，內壁光滑無小孔，孔隙分布均勻。RB的骨架較為清晰，但厚度較薄，整體形似圓形管道堆疊，在各通道連接處形成直徑更小的孔隙。CB呈蜂窩狀結構，各孔緊密地連接，孔道內壁遍布不連通的小孔。

圖3 生物炭表面形貌SEM圖(1 500×)

2.2 生物炭孔隙結構對市政污泥好氧發酵堆體環境的影響

圖4 好氧發酵過程中溫度和pH (c)的變化

2.3 生物炭孔隙結構對CH4釋放規律、MPP、MOP的影響

圖5(a)和圖5(b)顯示了各組CH4釋放的規律。CK、WB、RB和CB的CH4釋放速率最大值分別為21.58 mg/(kg·d)、9.58 mg/(kg·d)、12.93 mg/(kg·d)和15.64 mg/(kg·d)。進入腐熟期后，CH4釋放速率逐漸減少并趨于穩定。當發酵結束時，CK、WB、RB和CB的CH4累計釋放量分別為5 296.89 mg、3 080.99 mg、3 517.51 mg和4 862.76 mg。與CK相比，WB、RB和CB分別減少41.83%、33.59%和8.20%，其中WB和RB的CH4減排效果最佳。

MPP和MOP的動態變化如圖5(c)和圖5(d)所示。初始樣品的MPP遠高于其他發酵時期，這與CH4釋放速率的變化趨勢相對應。在發酵7 d后，各組的MPP逐步趨于穩定且潛勢較弱；MOP在發酵前期較弱，而在11 d后，各組均有所增強。

圖5 好氧發酵過程中甲烷釋放(a,b)、產甲烷潛勢(c)和氧化潛勢(d)的變化

2.4 生物炭孔隙結構對市政污泥好氧發酵中甲烷菌和甲烷氧化菌群落的影響

從圖6(a)可以看出，SW主要包含的甲烷菌為甲烷桿菌屬(Methanobacterium)、甲烷短桿菌屬(Methanobrevibacter)和甲烷鬃毛菌屬(Methanosaeta)。WB和RB均出現嗜熱自養甲烷桿菌屬(Methanothermobacter)，Methanothermobacter在WB具有較高的豐度(45.45%)，在RB的豐度相對較低(9.09%)，而在CK和CB中未檢測到Methanothermobacter。與WB和RB相比，CB在高溫期和腐熟期的甲烷菌種類更豐富。

發酵過程中甲烷氧化菌的群落演替見圖6(b)。SW的甲烷氧化菌種類豐富，但隨著反應的進行，所有發酵組的甲烷氧化菌種類逐漸減少。高溫期時，Unclassified_f_Methylococcaceae為各組的優勢菌群，甲基熱菌屬(Methylocaldum)和甲基桿菌-甲基羅布氏菌屬(Methylobacterium-Methylorubrum)也有較高的相對豐度。在降溫期和腐熟期，各組的優勢菌群更替為Norank_f_Methylococcaceae，且相對豐度均達到90%以上，與高溫期樣品相比甲烷氧化菌種類更單一。綜上可知，所有發酵組甲烷氧化菌的演替規律趨同，不同生物炭孔隙結構對甲烷氧化菌的演替及其物種組成的影響相似。

圖6 屬水平上甲烷菌和甲烷氧化菌的群落演替

2.5 生物炭孔隙結構與CH4釋放及其影響因素的相關性分析

圖7 群落組成與環境變量的冗余分析

3 討論

本研究結果表明，在市政污泥好氧發酵過程中添加生物炭可減少CH4釋放，這是因為生物炭的孔隙結構具有良好的氧氣傳輸能力，可以減少堆體局部厭氧環境的產生。此外，實驗組CH4釋放規律的差異可能與不同孔隙結構有關。生物炭的微孔結構對小分子物質(氣體、液體小分子等)具有較強的吸附性能[23]，故推測以微孔結構為主的櫸木生物炭和稻殼生物炭可以吸附更多CH4，降低CH4釋放速率并減少CH4累積釋放量。

發酵過程中各組甲烷菌群落呈不同的演替規律。Methanothermobacter因其適應性強而成為優勢菌群，Methanothermobacter的最適生長溫度為55-65℃[25]，其對高溫環境的適應性高于堆體中的其他甲烷菌屬，且溫度越高，Methanothermobacter的相對豐度越大，這可能是由于WB和RB的高發酵溫度抑制了大部分甲烷菌的生長，說明生物炭微孔結構可通過提高發酵溫度的方式影響甲烷菌的演替。生物炭孔隙能為微生物提供生存和繁衍的場所[26]。本研究發現，CB的甲烷菌種類更豐富，說明玉米芯生物炭的大孔結構不僅可以成為甲烷菌的理想棲息地，而且也能容納更多數量的甲烷菌，進而導致CB的CH4釋放量大于WB和RB。

4 結論

本研究通過添加不同孔隙結構的生物炭對市政污泥進行好氧發酵實驗，結果表明，WB、RB和CB的CH4釋放量與CK相比明顯減少；WB和RB能減少高溫期和腐熟期的甲烷菌種類；生物炭孔徑與CH4釋放速率呈正相關關系。本研究結果表明，以微孔結構為主的WB和RB能夠有效抑制好氧發酵過程中甲烷菌的活性，CH4減排效果較佳。研究結果對使用生物炭調理劑減少市政污泥好氧發酵過程中CH4釋放具有一定的參考價值。

致謝

感謝奧地利博林泰森公司(Polytechnik Luft- und Feuerungstechnik GmbH)提供的幫助！