碱性过氧化氢预处理对醋渣厌氧消化性能的影响

师杨蕾 蔡凡凡 宁志芳 朱 哲 刘广青 陈 畅

(北京化工大学 化学工程学院， 北京 100029)

引 言

醋渣(vinegar residue, VR)是工业制醋的主要副产物，我国每年醋渣产生量超过300万吨[1]。醋渣中水分含量较高，不利于直接焚烧处理，同时还具有一定的酸性和腐蚀性，直接填埋会造成土壤与水质污染。醋渣主要成分为麸皮、稻壳等，木质纤维素含量占其干重的60%以上，同时含有少量的粗蛋白及粗脂肪[2]。目前，醋渣主要用于生产无土栽培基质、饲料、肥料等[2-4]。宋夏夏[4]将醋渣与蛭石、草炭按一定比例混合配制水果型黄瓜的无土栽培基质，有效提升了产量与果实品质。然而，以上方法成本较高，处理量小，无法大批量处理醋渣，不足以解决醋渣造成的环境污染问题，因此还需探索更加高效的醋渣处理和利用关键技术。

厌氧消化指微生物在厌氧条件下，利用环境中的糖类、蛋白质等有机物，合成自身生命活动所需物质，同时生成甲烷、氢气和二氧化碳的过程[5]。该技术成本较低，可以将醋渣转化为沼气等清洁能源，从而实现醋渣减量化和资源化处理[6-7]。然而，醋渣中富含的木质纤维素为木质素包裹纤维素和半纤维素，并相互间作用形成致密结构，该结构在厌氧消化中难以被微生物快速分解利用[8]。预处理技术是改善木质纤维素生物降解能力的一种重要手段，目前常用的预处理技术包括物理预处理、化学预处理、生物预处理等[9-10]。近年来，因兼具碱性和氧化性，碱性过氧化氢 (alkaline hydrogen peroxide, AHP) 预处理被认为是一种高效、经济且环保的预处理技术[11]。黄炳硕等[11]利用AHP预处理稻草秸秆，发现稻杆的纤维素结晶度和木质素含量均有所下降，并促进了随后的酶水解过程。然而，当前利用AHP预处理醋渣的相关研究较少。

本文以醋渣为厌氧消化底物，研究H2O2浓度、预处理温度、预处理时间3个因素对AHP预处理效果的影响，确定了最佳的AHP预处理条件以及醋渣的最大甲烷产量。

1 实验部分

1.1 原料与接种物

醋渣取自山西晋城某制醋厂，保存于4 ℃冰箱中以防变质。接种物取自北京市东华山沼气站的中温(35 ℃)厌氧活性污泥，静置沉降后取下层使用。醋渣和接种物的性质分析结果见表1。

表1 醋渣与接种物性质

a—以样本总重为基准；b—以样本干重为基准；c—以样本挥发性固体含量为基准；TS—总固体；VS—挥发性固体；NA—未分析；TMMY—最大理论甲烷产量。

1.2 实验方法

1.2.1醋渣碱性过氧化氢预处理实验

碱性过氧化氢预处理操作方法为：将质量分数30%的过氧化氢溶液与一定量水混合，加入醋渣，控制预处理系统的含水率为90%，调节pH为11.5，含水率计算公式如式(1)所示[12]，所有预处理均在1 L塑料盒中进行。

(1)

式中，MC为预处理系统含水率，%；m0为醋渣干重，g；m1为醋渣总重，g；m2为过氧化氢溶液质量，g；m3为添加水的质量，g。

1.2.2单因素实验

本文采用单因素法研究了过氧化氢浓度、预处理温度和预处理时间这3个因素对AHP预处理效果的影响，3个因素的水平条件设计如表2所示。

表2 各因素选取的不同水平

1.2.3厌氧消化实验

实验进料有机负荷为10 g/L(基于VS)，醋渣与接种物之比(基于VS)为1，每组设两个平行，同时设置两个不含醋渣的纯污泥对照空白组。首先，将醋渣和接种物依次加入500 mL厌氧消化反应器中，加水至工作体积为200 mL，用0.1 MPa的纯氮气吹扫约3 min以排尽反应器中的氧气，将密封的反应器放置在37 ℃恒温培养箱中厌氧消化35 d。

1.2.4分析方法

总固体(total solid, TS)和挥发性固体(volatile solid, VS)含量通过美国公共卫生协会(APHA)标准方法测定[13]。C、H、N、S元素的含量(基于TS)由元素分析仪(Vario EL cube，德国Elementar Analysensysteme GmbH公司)测得；O元素含量根据C、N、H、O元素含量之和为99.5%(基于VS)计算得出[14]。纤维素、半纤维素和木质素含量参考Van Soest方法[15]采用纤维素分析仪(ANKOM 2000，美国ANKOM公司)测定。反应器内压力用压力计(3151WAL- BMP- Test，德国WAL Messund Regelsysteme GmbH公司)测得，并根据式(2)计算沼气产量[16]。

(2)

式中，Vbiogas为每日沼气产量，mL；Δp为厌氧反应器放气前后两次测得的压力差，kPa；Vhead为厌氧反应器中顶空体积，L；C为摩尔体积，22.41 L/mol；R为理想气体常数，8.314 kPa/(K·mol)；T为绝对温度，K。沼气中甲烷含量由装有热导检测器(thermal conductivity detector, TCD)的气相色谱仪(Agilent 7890B，美国Agilent公司)测定[17]。

预处理前后醋渣的化学结构变化由Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪(FT- IR)(美国Nicolet公司)测定，波数范围400～4 000 cm-1。预处理前后醋渣纤维素结晶度变化由D8 ADVANCE衍射仪(德国Bruker AXS公司)在40 kV、40 mA条件下进行X-射线衍射分析(X-ray diffraction, XRD)得到，扫描角度5°～60°。纤维素的结晶度指数R由式(3)计算得出[18]。

(3)

式中，I002为002面最大衍射强度；IAM为衍射角2θ=18°时的衍射强度，即无定形区衍射强度。

1.2.5动力学分析

采用修正的Gompertz模型(式(4))、Cone模型(式(5))和一阶动力学模型(式(6))对厌氧消化产甲烷过程进行动力学分析[16]。

(4)

(5)

B=B0[1-exp(-kt)]

(6)

式中，B为拟合的累积甲烷产量，mL/g(基于VS，下同)；B0为拟合的最大甲烷产量，mL/g；μm为最大甲烷产率，mL/(g·d)；λ为产甲烷停滞期，d；k为水解速率常数，d-1；t为反应时间，d。

2 结果分析

2.1 甲烷产量影响因素及条件优化

2.1.1H2O2浓度

图1为不同H2O2浓度时，AHP预处理后醋渣的累积甲烷产量 (CMY)。从图中可以看出，未预处理醋渣的累积甲烷产量为195.6 mL/g，并计算得到其生物降解率为45.3%[18]。经不同浓度AHP预处理后，醋渣厌氧消化累积甲烷产量和生物降解率均显著提升(p<0.01)，且随着AHP预处理浓度的增加，提升效果逐渐增强。然而，表3的差异性分析结果表明，4%和5%AHP预处理后，醋渣累积甲烷产量之间并无显著性差异(p>0.05)，因此认为4% H2O2是AHP预处理的最佳浓度条件。此条件下，醋渣厌氧消化累积甲烷产量为267.9 mL/g，生物降解率提升至62.0%，与未预处理相比提高了37.0%。

2.1.2预处理温度

图2为不同预处理温度下醋渣厌氧消化甲烷产量的变化趋势。可以看出，随着预处理温度升高，醋渣厌氧消化的累积甲烷产量先升高后下降。当预处理温度为40 ℃时，累积甲烷产量最高，达280.9 mL/g，生物降解率高达65.0%，相比未预处理提升了43.6%。差异性分析结果(表4)表明，此条件下累积甲烷产量与未预处理累积甲烷产量之间存在极显著性差异(p<0.01)。而当预处理温度升高至50 ℃时，累积甲烷产量降低，这可能是因为H2O2在高温条件下不稳定、易分解，导致预处理效果较差。

表3 不同H2O2浓度下累积甲烷产量显著性差异分析

N.S.—非显著性差异 (p>0.05); S.—显著性差异 (p<0.05); V.S.—极显著性差异(p<0.01)。

表4 不同预处理温度下醋渣累积甲烷产量显著性差异分析

Table 4 Statistical analysis of the CMY of AHP pretreated VR at different pretreating temperatures

实验组差异性分析结果未预处理20℃30℃40℃50℃未预处理-N.S.S.V.S.V.S.20℃N.S.-N.S.S.N.S.30℃S.N.S.-N.S.N.S.40℃V.S.S.N.S.-N.S.50℃V.S.N.S.N.S.N.S.-

N.S.—非显著性差异(p>0.05); S.—显著性差异 (p<0.05); V.S.—极显著性差异 (p<0.01)。

2.1.3预处理时间

不同预处理时间下，甲烷产量变化趋势如图3所示。预处理时间为12 h时，累积甲烷产量最高，为265.9 mL/g，生物降解率为61.6%，相比未预处理提升了35.9%。另外从表5可以看出，12 h预处理与6 h预处理和未预处理相比，均存在极显著性差异(p<0.01)。而当预处理时间提升至18 h和24 h时，累积甲烷产量较12 h均降低，说明AHP预处理的主要作用时间在6～12 h，而延长预处理时间可能会造成有机质流失，导致累积甲烷产量减少。Zhang等[18]对AHP预处理棉花秸秆的浸出液成分分析发现，随着预处理时间的延长，预处理浸出液中可溶性糖和蛋白质等有机组分含量明显升高，该发现与本文实验结论一致。

表5 不同预处理时间下醋渣厌氧消化累积甲烷产量显著性差异分析

Table 5 Statistical analysis of the CMY of AHP pretreated VR with different pretreating times

实验组差异性分析结果未预处理6h12h18h24h未预处理-N.S.V.S.V.S.N.S.6hN.S-V.S.S.N.S.12hV.S.V.S.-N.S.S.18hV.S.S.N.S.-N.S.24hN.SN.S.S.N.S.-

N.S.—非显著性差异 (p>0.05); S.—显著性差异 (p<0.05); V.S.—极显著性差异 (p<0.01)。

2.1.4AHP预处理条件优化

AHP最佳预处理条件下(4% H2O2/40 ℃/12 h)醋渣的累积甲烷产量如图4所示。从图中可以看出，此条件下预处理后醋渣的厌氧消化产甲烷性能显著提升，累积甲烷产量为302.0 mL/g，生物降解率提升至70.0%，较未预处理提升了54.4%。最佳条件下预处理后的醋渣累积甲烷产量相较于4%H2O2浓度以及12 h预处理时间等单因素最优条件，均有显著性提升(p<0.05)，说明4% H2O2/40 ℃/12 h的最佳预处理条件对醋渣累积甲烷产量的提升效果更好。

2.2 预处理前后木质纤维素变化

2.2.1木质纤维素含量

AHP预处理前后醋渣的木质纤维素含量见表6。可以看出，不同条件下预处理后木质纤维素组分均发生了明显变化。预处理后醋渣的木质素含量均低于未预处理，说明木质素被有效去除，纤维素与半纤维素暴露出来，更易于被微生物利用；预处理后半纤维素含量也有所降低，说明半纤维素在AHP溶液中部分溶出并降解。其中，4%H2O2/40 ℃/12 h条件下预处理对木质素和半纤维素的降解效果最为明显，木质素的去除率为46.5%，半纤维素的降解率为56.9%。

表6 预处理前后醋渣木质纤维素含量

*以样本VS为基准。

2.2.2木质纤维素结构

利用XRD和FT- IR对未预处理以及4% H2O2/40 ℃/12 h预处理后醋渣的物理化学结构进行分析。根据图5的XRD图谱以及式(3)计算可得，未预处理醋渣的纤维素结晶度指数为43.5%，预处理后醋渣的纤维素结晶度指数降低为34.7%，说明纤维素的非晶型结构所占比例上升，纤维素可及性增加。

预处理前后醋渣的FT- IR谱图如图6所示。可以看出，AHP预处理后，各特征峰的透过率降低。其中，纤维素及半纤维素与木质素连接的酯键对应于1 166 cm-1处的特征峰在预处理后减弱，说明AHP预处理打破了木质素包裹纤维素和半纤维素的致密结构；3 425 cm-1处对应于羟基伸缩振动峰，该峰经AHP预处理后明显减弱，说明木质纤维素结构中的氢键遭到破坏，纤维素结晶区被破坏。

木质纤维素含量变化以及结构表征分析结果表明，预处理后醋渣的纤维素结晶度下降，纤维素可及性增大，半纤维素和木质素被部分降解或破坏。

2.3 动力学模型拟合

对H2O2浓度、预处理温度、预处理时间3个因素的优化条件以及4% H2O2/40 ℃/12 h预处理条件下醋渣厌氧消化产甲烷过程进行了动力学分析，拟合结果如表7所示。可以看出，修正的Gompertz模型和Cone模型拟合所得的R2明显高于一阶动力学模型，说明修正的Gompertz模型和Cone模型更适用于拟合预处理醋渣的厌氧消化产甲烷过程。

表7 修正的Gompertz模型、Cone模型和一阶动力学模型分析

B0—拟合的最大甲烷产量；μm—最大甲烷产率；λ—迟滞期；R2—相关性系数；CMY—累积甲烷产量；BD—生物降解率, CMY与TMMY的比值, TMMY 取431.9 mL/g；k—水解速率常数。

基于修正的Gompertz模型拟合结果，迟滞期和最大甲烷产率共同反映微生物对底物的水解速率。一般而言，迟滞期越短，最大甲烷产率越大，水解速率也越大[17]。从表7可以看出，预处理有效降低了反应迟滞期，提升了最大甲烷产率。其中，4% H2O2/40 ℃/12 h预处理条件下的迟滞期最短，最大甲烷产率最高，且该预处理条件获得了最高的累积甲烷产量，说明在此条件下预处理效果最好，醋渣厌氧消化水解速率及累积甲烷产量均获得提升。

基于Cone模型的拟合结果，水解速率常数k值越大，意味着水解速率越大。不同条件预处理后，k值均不同程度地得到提升。预处理条件为4%H2O2/40 ℃/12 h时k值最大，这与修正的Gompertz模型的拟合结果基本一致。

3 结论

(1)最优的预处理条件为H2O2浓度4%、预处理温度40 ℃和预处理时间12 h。最优预处理条件下醋渣累积单位甲烷产量可达302.0 mL/g，生物降解率达70.0%，较未预处理提升了54.4%。

(2)XRD和FT- IR分析结果表明，预处理后纤维素可及性增大，半纤维素和木质素被部分降解或去除。同时，通过修正的Gompertz模型和Cone模型的动力学拟合分析发现，预处理提高了醋渣在厌氧消化过程中的水解速率。