超微粉碎預處理泥炭產生物氫氣的研究

孫慎光，李 珺，馬力通,3*，趙寒冰

(1.內蒙古科技大學化學與化工學院，內蒙古 包頭014010；2.內蒙古科技大學生命科學與技術學院，內蒙古 包頭014010;3.生物煤化工綜合利用內蒙古自治區工程研究中心，內蒙古 包頭014010)

泥炭(peat)是由部分和完全腐爛的有機物在有限的氧氣存在下形成的，其化學結構是由植物木質纖維素聚合而成[1]。

Girkin等[2]發現，泥炭在生成甲烷的過程中有兩種途徑，一種是由醋酸生成甲烷，另一種是氫氣還原二氧化碳生成甲烷。在酸性沼澤和低溫沼澤中，氫養型甲烷生成往往占優勢，當阻斷氫氣還原二氧化碳這一代謝途徑，泥炭由產甲烷轉向產氫氣。郝思雯等[3]發現，經過酸、堿、超聲波或微波預處理的泥炭物理結構會發生變化，生物發酵產甲烷量增加，預處理有助于促進泥炭生物轉化。超微粉碎(superfine grinding)是將物料破碎到20 μm以下[4]，從而使物料具有高溶解性、高反應活性。Ma等[5]將煤粉超微粉碎，發現煤粉的比表面積和間隙度增大，變得更易燃燒、更易發生反應；馬力通等[6]發現，超微粉碎能夠提高泥炭生物甲烷產量，延長泥炭甲烷發酵周期。氫氣比溫室氣體甲烷更清潔無碳，目前尚未有超微粉碎泥炭產氫氣的相關報道。

作者對泥炭進行超微粉碎，通過測定泥炭厭氧發酵過程中的日產氫氣量、pH值、還原糖含量、揮發性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)含量及總產氫氣量的變化，考察超微粉碎預處理對泥炭產氫氣的影響，采用透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)觀察產氫氣前后泥炭顆粒的形貌，為泥炭產氫氣的利用奠定基礎。

1 實驗

1.1 材料與儀器

活性污泥(總固含量0.66%，揮發性固含量0.38%)，包頭鹿城水務有限公司，將其厭氧馴化后保存在4 ℃冰箱中；草本泥炭(總固含量8.03%，揮發性固含量4.07%)，吉林敦化吉祥泥炭開發有限責任公司。

Beckman Coulter LS 230型激光粒度儀，JEM-2100型透射電鏡，QUANTA-400型掃描電鏡，YB-2000A型高速多功能粉碎機，WZJ-6BT型超微粉碎機，雷磁PHS-25型pH計，HH-8型數顯恒溫水浴鍋，JM-A6002型電子天平，722型可見分光光度計。

1.2 方法

1.2.1 泥炭樣品的預處理

取風干草本泥炭，經高速多功能粉碎機粉碎，過200目標準篩，得到200目泥炭樣品，取出120 g作為對照；其余用超微粉碎機進行超微粉碎，得到超微粉碎泥炭樣品。用激光粒度儀測定泥炭樣品粒徑。

1.2.2 泥炭發酵產氫氣實驗

稱取200目泥炭樣品40 g、超微粉碎泥炭樣品40 g，分別置于500 mL發酵瓶中，分別加入200 mL煮沸0.5 h的厭氧活性污泥、180 mL蒸餾水，搖勻，調節初始pH值為7.0，置于50 ℃水浴鍋中進行厭氧發酵。每日測定日產氫氣量、pH值、還原糖含量、VFA含量及總產氫氣量。

采用排水集氣法測定日產氫氣量[7]，采用pH計測定pH值，采用DNS法測定還原糖含量[8]，采用氣相色譜法測定VFA含量[9]。每組設3個平行實驗，結果取平均值。

1.2.3 TEM分析

將產氫氣前后的超微粉碎泥炭研磨，溶于無水乙醇溶液中，用超聲波分散器制成懸浮液，用滴管將懸浮液滴于覆蓋有支持膜的電鏡載網上，待其干燥后，采用TEM觀察泥炭形貌。

1.2.4 SEM分析

選擇導電性較好的鋸條，將鋸條雙面粘上膠帶，將產氫氣后干燥的泥炭粉末粘在膠帶上，鍍金，采用SEM觀察形貌。

2 結果與討論

2.1 超微粉碎泥炭的粒徑分布(圖1)

圖1 超微粉碎泥炭的粒徑分布

由圖1可知，超微粉碎泥炭的粒徑主要分布在0.148～57.77 μm之間。

2.2 超微粉碎對泥炭發酵日產氫氣量的影響(圖2)

圖2 超微粉碎對泥炭發酵日產氫氣量的影響

由圖2可知，隨著發酵時間的延長，泥炭發酵的日產氫氣量總體呈現先升高后降低的趨勢。在第11～22 d、第30～46 d時，超微粉碎泥炭的日產氫氣量明顯高于200目泥炭的；在第11 d時，超微粉碎泥炭的日產氫氣量達到最高，為79.5 mL；200目泥炭的日產氫氣量在第2 d達到第一個日產氫氣量高峰，為53.67 mL，并在 第10 d達到第二個日產氫氣量高峰，為41.7 mL，均低于超微粉碎后的泥炭日產氫氣量。表明，超微粉碎能提高泥炭日產氫氣量、延長產氣高峰期時間，對于泥炭產氫氣具有促進作用。

2.3 超微粉碎對泥炭發酵體系pH值的影響(圖3)

圖3 超微粉碎對泥炭發酵體系pH值的影響

微生物轉化泥炭產氫氣的生命活動與pH值之間具有密切聯系，pH值是泥炭產氫氣過程中重要的影響因素。由圖3可知，隨著發酵時間的延長，pH值呈先下降后上升的趨勢；在初始pH值為7.0時，泥炭中的有機質被厭氧微生物分解進而產生VFA，pH值下降；在第7 d時，超微粉碎泥炭和200目泥炭發酵體系的pH值均下降到最低值，分別為5.95、6.36；隨后VFA消耗產生氫氣，pH值上升，最后穩定在6.90～7.08。在第7～43 d厭氧菌降解泥炭的過程中，超微粉碎泥炭發酵體系的pH值穩定在7.0以下，微生物活性更高，產氫氣能力更強。

2.4 超微粉碎對泥炭發酵體系還原糖含量的影響(圖4)

圖4 超微粉碎對泥炭發酵體系還原糖含量的影響

由圖4可知，隨著發酵時間的延長，超微粉碎泥炭發酵體系的還原糖含量總體高于200目泥炭的。超微粉碎能促進泥炭纖維素降解為葡萄糖等還原糖，隨著進入產酸、產氫氣階段，產酸微生物不斷消耗還原糖，還原糖轉化為VFA，導致還原糖含量下降。在16 d內，超微粉碎泥炭發酵體系的還原糖含量穩定在0.00917%～0.01597%，200目泥炭發酵體系的還原糖含量穩定在0.00879%～0.00926%。

2.5 超微粉碎對泥炭發酵體系VFA含量的影響(圖5)

圖5 超微粉碎對泥炭發酵體系VFA含量的影響

由圖5可知，隨著發酵時間的延長，VFA含量總體呈現先上升后緩慢下降的趨勢。泥炭有機質如纖維素、半纖維素等在氫氣發酵前期分解為還原糖，進而酸化產生VFA，導致VFA含量迅速上升，并且在第5 d時超微粉碎泥炭發酵體系的VFA含量達到最高，為2.374 83 g·L-1；隨著VFA轉化為乙酸進而轉化為氫氣，導致體系VFA含量下降，第5 d后微粉碎泥炭發酵體系的VFA含量總體開始呈現下降趨勢，并在第43 d達到最低，為0.824 7 g·L-1。

2.6 超微粉碎對泥炭發酵總產氫氣量的影響

實驗結束，測得超微粉碎泥炭發酵總產氫氣量為843 mL，200目泥炭發酵總產氫氣量為500 mL，超微粉碎泥炭比200目泥炭的總產氫氣量提高了68.6%，表明超微粉碎能夠促進泥炭發酵產氫氣。這是因為，超微粉碎處理增大了泥炭與微生物的接觸面積，從而促進泥炭有機質降解產氫氣。

2.7 超微粉碎泥炭的TEM分析(圖6)

由圖6可知，和產氫氣前的超微粉碎泥炭相比，產氫氣后的超微粉碎泥炭的孔隙率提高、孔隙尺寸增大，呈現破碎趨勢，揭示了在超微粉碎泥炭發酵產氫氣過程中，厭氧微生物對泥炭的降解造成形貌變化。

(a)超微粉碎泥炭 (b)產氫氣后的超微粉碎泥炭

2.7 超微粉碎泥炭的SEM分析(圖7、圖8)

(a)200目泥炭(×1500) (b)超微粉碎泥炭(×5000)

(a)×800 (b)×1000

由圖7可知，與200目泥炭顆粒相比，超微粉碎泥炭顆粒的粒徑更小，比表面積增大，與微生物之間的接觸面積增大，更容易發生反應。

由圖8可知，厭氧微生物作用于超微粉碎泥炭產氫氣后，泥炭的物理結構特性發生改變，孔隙率提高、孔隙尺寸增大，表明泥炭厭氧發酵產氫氣過程中泥炭表面特性如孔隙率改變能夠促進微生物定殖，對泥炭轉化為氫氣有強化作用。

3 結論

(1)TEM分析表明，泥炭經超微粉碎預處理后，粒徑更小，比表面積增大；SEM分析表明，超微粉碎泥炭發酵產氫氣后，泥炭的物理結構特性發生改變，孔隙率提高、孔隙尺寸增大。超微粉碎是一種有效的泥炭預處理方式。

(2)泥炭超微粉碎后厭氧發酵產氫氣，總產氫氣量為843 mL，較200目泥炭發酵總產氫氣量(500 mL)提高了68.6%，表明超微粉碎預處理能夠提高泥炭發酵產氫氣量。