超微粉碎泥炭发酵产生物甲烷的研究

马力通，路亚楠，郝思雯

(1.内蒙古科技大学化学与化工学院，内蒙古 包头 014010；2.生物煤化工综合利用内蒙古自治区工程研究中心，内蒙古 包头 014010)

泥炭主要成分为有机质和腐植酸，由植物残体堆积形成[1]，目前主要作为园艺基质和有机肥，广泛应用于农作物种植、花卉园艺、土壤改良等领域。泥炭中的植物残体部分含有纤维素、半纤维素，可经微生物转化为甲烷。研究[2]发现，微生物种群可迅速适应变暖的环境，在北极地区利用泥炭可以高速率持续产甲烷。但泥炭资源转化为生物甲烷的研究却鲜有报道。张英等[3]研究发现，与藻类、水生草本植物、陆生草本植物相比，泥炭产生物甲烷能力最弱，并且在一定时间内，藻类有机质的生物转化率最高，泥炭最低。Ghosh等[4]研究发现，接种 50%Vs(volatile solids，挥发性固体)的厌氧活性污泥，泥炭在35 ℃的甲烷产量可达 0.137 m3·(kg Vs)-1，降低污泥对泥炭的 Vs 比值，会使甲烷产量显著下降。泥炭的生物甲烷产量不高可能是由于泥炭有机质的生物可降解性低。因此探索改进泥炭生物可降解性的途径[5]，可提高生物甲烷产量。

超微粉碎是利用机械方法将物料粉碎到 10 μm 以下[6]，所得产品具有大比表面积、高孔隙率、高表面能、高流动性、高溶解性、高吸附性等独特的物化性质，在食品、中药、能源等领域呈现出良好的发展前景[7]。目前未见超微粉碎处理泥炭，改善泥炭有机质生物可降解性，进而实现泥炭资源化利用产生物甲烷的相关报道。为探索泥炭资源化利用的绿色、环保新途径，实现泥炭高效率产生物甲烷，作者采用超微粉碎对泥炭进行预处理，研究超微粉碎泥炭的粒度分布，测定泥炭发酵产生物甲烷过程中的日产气量、总产气量及发酵体系的pH值、还原糖含量和挥发性脂肪酸(VFA)含量，研究超微粉碎预处理对泥炭发酵产生物甲烷的影响；并采用透射电镜分析发酵前后超微粉碎泥炭的形貌，解析超微粉碎对泥炭发酵产生物甲烷的影响机理，为实现泥炭资源低成本、高效率转化生物甲烷奠定基础。

1 实验

1.1 材料与仪器

泥炭，Ts(总固体) 8.03%,Vs 4.07%，吉林省敦化市吉祥泥炭开发有限责任公司；活性污泥，取自包头鹿城水务有限公司，厌氧驯化后保存于实验室 4 ℃冰箱，Ts 0.66%,Vs 0.38%。

AMPTSⅡ型全自动产甲烷潜力测试系统；Beckman Coulter LS 230 型激光粒度仪；JEM-2100 型透射电镜；YB-2000A 型高速多功能粉碎机；HMB-701型分体式超微粉碎机；雷磁 PHS-25型pH 计。

1.2 方法

1.2.1 超微粉碎预处理

取风干泥炭，粉碎过 200 目(75 μm)筛；取一半泥炭粉末备用，另一半继续进行超微粉碎，得超微粉碎泥炭。

1.2.2 粒径测定

将超微粉碎泥炭溶于无水乙醇中，采用激光粒度仪测定粒径。

1.2.3 泥炭发酵产生物甲烷

分别称取 40 g超微粉碎泥炭、200 目泥炭，放入全自动产甲烷潜力测试系统的发酵瓶中；加入厌氧驯化的 200 mL 活性污泥，补充蒸馏水至 400 mL，调节 pH 值为 7.0， 50 ℃下进行发酵。每日测定日产气量，每3 d测定pH值、还原糖含量、VFA含量，发酵结束后计算总产气量。采用排水集气法测定日产气量，采用pH计测定发酵体系pH值，采用DNS 比色法测定还原糖含量，采用比色法测定 VFA含量。每组实验做 3 个平行，取平均值。

1.2.4 透射电镜分析

将超微粉碎泥炭分散于无水乙醇中，制成悬浮液，滴于覆盖有支持膜的电镜载网上，干燥后放入透射电镜中进行观察。

2 结果与讨论

2.1 超微粉碎泥炭的粒度分布(图 1)

由图1可知，超微粉碎泥炭粒径主要分布在0.214～43.670 μm之间，平均粒径为9.334 μm，接近1 340目(10 μm)，满足实验要求。

2.2 超微粉碎对泥炭发酵日产气量的影响(图2)

由图2可知，超微粉碎泥炭和200目泥炭发酵的日产气量均呈先升高后降低的趋势，超微粉碎预处理对泥炭日产气量有促进作用。在发酵第 7～20 d、第 22～30 d超微粉碎泥炭日产气量比200目泥炭的多；发酵第3 d，超微粉碎泥炭发酵日产气量达到 112 mL，高于200 目泥炭发酵日产气量(99.7 mL)；200 目泥炭在发酵第35 d停止产生物甲烷，而超微粉碎泥炭的发酵周期则为 48 d，明显优于200 目泥炭。表明超微粉碎预处理泥炭，能够促使泥炭化学成分以可溶性物质的形式释放，满足不产甲烷菌的营养需要，延长菌群的动态演替时间[8]，延长生物甲烷生产时间，提高总产气量。

图2 超微粉碎对泥炭发酵日产气量的影响Fig.2 Effect of superfine grinding on daily biomethane production of peat

2.3 超微粉碎对泥炭发酵总产气量的影响

实验发现，200目泥炭发酵总产气量为579.7 mL，超微粉碎泥炭发酵总产气量为805.7 mL，提高了 38.98%。表明超微粉碎能够促进泥炭发酵产生物甲烷，可能是泥炭在超微粉碎过程中发生了机械化学反应[9]，引起泥炭的微观结构和表面化学性质发生明显变化，促进了产甲烷菌对泥炭的分解、转化，从而提高了泥炭发酵产生物甲烷性能。

2.4 超微粉碎对泥炭发酵体系 pH值的影响(图3)

图3 超微粉碎对泥炭发酵体系 pH值的影响Fig.3 Effect of superfine grinding on pH value of peat fermentation system

由图3可知，超微粉碎泥炭发酵体系起始 pH 值是 7.0，在为期 48 d 的发酵过程中，pH值呈先减小后波动中增大的趋势。泥炭有机质厌氧分解产生VFA导致pH值减小，发酵第 6 d，200 目泥炭发酵体系pH值达到6.70，超微粉碎泥炭发酵体系pH值达到最小值，为6.66；此后 VFA因生成 CH4减少，导致 pH 值缓慢增大，最后稳定在 7.01～7.18。其中，超微粉碎泥炭发酵体系pH 值在第 6～36 d 一直在7.0以下波动，延长了泥炭发酵周期，提高了泥炭的总产气量。

2.5 超微粉碎对泥炭发酵体系还原糖含量的影响(图4)

图4 超微粉碎对泥炭发酵体系还原糖含量的影响Fig.4 Effect of superfine grinding on reducing sugar content of peat fermentation system

由图4可知，超微粉碎有助于提高泥炭发酵体系的还原糖含量。在泥炭发酵过程中，还原糖含量整体呈先升高后降低的趋势，其中超微粉碎泥炭发酵体系的还原糖含量整体比200 目泥炭发酵体系的高。发酵前期，泥炭有机质如纤维素、半纤维素先分解为还原糖，所以在发酵前期还原糖含量升高。发酵第 27 d，200 目泥炭发酵体系还原糖含量达到最高，为 0.02030%；发酵第 24 d，超微粉碎泥炭发酵体系还原糖含量达到最高，为0.02467%，表明超微粉碎能够促进还原糖的溶出[10]。随着发酵过程中还原糖等转化为VFA，进而转化为 CH4，导致还原糖含量逐渐降低。

2.6 超微粉碎对泥炭发酵体系VFA 含量的影响(图 5)

图5 超微粉碎对泥炭发酵体系VFA 含量的影响Fig.5 Effect of superfine grinding on VFA content of peat fermentation system

由图5可知，在发酵过程中，超微粉碎泥炭和200 目泥炭发酵体系的 VFA 含量整体上均呈先升高后降低的趋势，这与泥炭发酵过程中，有机质分解转化为VFA，VFA转化为CH3COOH，进而生成 CH4的理论相吻合。发酵初期，超微粉碎泥炭发酵体系、200 目泥炭发酵体系的VFA 含量分别为0.274 g·L-1、0.285 g·L-1；随着发酵的进行，泥炭分解有机质为 VFA， VFA 开始累积进入产酸阶段[11-12]，在第36 d,超微粉碎泥炭发酵体系VFA 含量达到最高，为1.432 g·L-1,在第 30 d ，200 目泥炭发酵体系VFA 含量达到最高，为1.122 g·L-1，表明有更多的还原糖转化为 VFA；此后产甲烷菌生长代谢，将 VFA 转化为CH4，导致发酵体系 VFA 含量在波动中下降，在第 48 d，超微粉碎泥炭发酵体系VFA含量降至0.742 g·L-1，在第 36 d，200 目泥炭发酵体系VFA 含量降至0.743 g·L-1。

2.7 超微粉碎泥炭的透射电镜分析(图6)

图6 超微粉碎泥炭发酵前(a)后(b)的 TEM 照片Fig.6 TEM images of superfine grinded peat before(a) and after(b) fermentation

由图6可知，发酵前,超微粉碎泥炭是完整颗粒；发酵后，超微粉碎泥炭边缘出现裂痕、缝隙，显现碎片化趋势。揭示超微粉碎泥炭发酵产生物甲烷过程中，厌氧微生物对泥炭的降解。

3 结论

研究了超微粉碎预处理对泥炭产生物甲烷的影响。结果表明：超微粉碎处理能提高泥炭生化可降解性，是一种有效的泥炭预处理方式；超微粉碎泥炭发酵总产气量为805.7 mL，较200 目泥炭发酵总产气量(579.7 mL)提高了38.98%，说明超微粉碎预处理能够提高泥炭的生物甲烷产量；超微粉碎泥炭产生物甲烷的发酵周期为48 d，比200 目泥炭的发酵周期延长了 13 d，增加了总产气量。