氨水与冻融复合改性玉米秸秆对其高温厌氧消化过程的影响

2020-05-17左晓宇袁海荣李秀金

中国沼气 2020年5期

李娟，左晓宇，袁海荣，李秀金

(1.北京化工大学环境科学与工程系，北京 100029；2.北京市环境保护监测中心，北京 100048)

我国是世界上最大的农业国家之一，平均每年可产生十亿吨作物秸秆，其中玉米秸秆年均产量可达到2.20亿吨[1]。如果玉米秸秆处理不当，容易造成严重的环境污染问题，通过厌氧消化技术将玉米秸秆转化为生物甲烷气体是解决秸秆问题的一项长久之计。

然而，玉米秸秆的内部木质纤维素结构很复杂，为了提高其生物利用率，需要采取适宜的方法对其进行改性破坏，常用的方法有物理法(机械粉碎、研磨、超声等)、化学法(酸、碱等)和生物法(白腐真菌等)。物理法如机械预处理，可以减少化学试剂的使用，但是处理设备成本很高，改性效果有限；化学法如氢氧化钠预处理，虽然可以破坏秸秆化学结构，但是会产生钠离子，对环境产生污染，造成土壤板结；生物预处理成本低，也不会对环境造成较大污染，但是预处理时间较长，应用性受限[2]。氨水作为一种低成本的化学试剂，既可以皂化木质素，同时也可以微生物提供氮源，还可以调节系统酸化现象，有利于提高系统的稳定性；氨水与冻融复合改性玉米秸秆可以同时破坏秸秆内部的化学结构和物理结构，进一步提高秸秆的生物可降解性。

提高生物质材料玉米秸秆生物利用率的另外一条道路就是：提高厌氧消化的温度。厌氧消化的适宜温度一般为中温(30℃～40℃)或高温(50℃～65℃)[3]。当厌氧消化温度上升到55℃时，玉米秸秆的产甲烷速率将会增加。高温消化比中温厌氧消化具有很多优点，比如耐毒性、产甲烷速率快、水力停留时间短和物质转换率高等[4]。同时，高温厌氧消化也有其本身的一些劣势，在高温厌氧消化反应器中很容易导致挥发性脂肪酸累积现象的发生，尤其是对于易水解物料来说更易发生此类现象[5]，除此之外，还会导致系统的稳定性受到影响。厌氧消化过程是一项复杂的生物转化过程，可通过化学需氧量(COD),总固体和挥发性固体去除率,TVFAs,氨氮,碱度,甲烷产量和产气率等一系列厌氧消化过程指标的变化，切实有效反映厌氧消化系统运行的状态[6]。

因此，为了研究氨水与冻融复合改性玉米秸秆对其高温厌氧消化的产气性能和系统稳定性，采用半连续式CSTR反应器进行试验,同时设置未处理组和水冻融组高温厌氧消化试验进行对照。

1 材料与方法

1.1 实验材料与接种物

本试验所用玉米秸秆取自北京顺义郊区，玉米秸秆经自然风干后通过粉碎机粉碎，然后过20目筛。试验所用接种物取自北京顺义地区某沼气站，该沼气站为常年正常运行的沼气工程。接种物取回后静置数日去除上层清液，然后密封置于4℃冰箱中冷藏备用，接种前进行高温驯化。玉米秸秆和接种物的基本性质见表1。

表1 厌氧消化原料和接种物的基本性质

1.2 实验装置

此实验采用3个半连续式高温CSTR厌氧消化反应器，有效容积为8 L，配有搅拌电机、循环水箱和湿式气体流量计。反应器内部设置上中下3层斜叶式搅拌桨，设定自动定时程序，每隔2 h搅拌10 min。反应器罐体采用双层设计，循环水箱将热水泵入外侧夹层对反应器保温。产生的沼气通过排气管导入湿式气体流量计，每天记录产气量。

1.3 实验方法

本研究采用复合法(水-冻融和氨-冻融)对玉米秸秆进行预处理改性，其中氨的浓度为2%，固液比为1∶6，冷冻12 h后解冻12 h为1 d，共处理5 d，冻融温度为±20°C。

3个半连续式CSTR厌氧消化反应器均以玉米秸秆65 gTS·L-1，接种污泥15 gMLSS·L-1的负荷启动，加水补充至工作体积8 L，温度设定为55℃，启动30 d后，开始进出料。所有的半连续式CSTR厌氧消化反应器均经历3个有机负荷(OLR)阶段(1.6，1.8和2.0 g·L-1d-1)，水力停留时间均为50 d。

1.4 分析方法

玉米秸秆、接种物和厌氧消化出料的TS，VS含量根据APHA标准方法测定；接种物中的悬浮固体浓度(MLSS)用重量法测定；采用F-20A型号的pH计测定厌氧反应体系pH(Thermo)；通过VaioEL cube型号元素分析测定仪测得玉米秸秆和接种物中C，N，S元素的百分含量。纤维素、半纤维素和木素的含量采用ANKOM-A2000I型纤维素测定仪测定。

乙醇以及挥发性脂肪酸(VFAs)采用GC-2014型号的岛津气相色谱测定；碱度和氨氮分别采用溴甲酚绿—甲基红指示剂滴定和凯氏定氮仪(KT260)来测定；溶解性化学需氧量(SCOD)实验厌氧消化过程产生的沼气气体成分采用配有TCD热导检测器的气相色谱检测(SP-2100，北分)。该仪器所用载气为氩气(Ar)，设定柱箱、检测器和进样口温度分别为140℃，150℃和150℃。

玉米秸秆的表面形态采用Hitachi S-4700型号SEM仪进行观察；X衍射分析(XRD)分析采用X-射线衍射仪进行分析，其型号为D/Max2500，秸秆的结晶度根据X-射线衍射仪测试数据结果用公式(1)进行计算[2]：

(1)

式中：I002值为秸秆在002面的峰强度；I18°值为秸秆在18.0°衍射角下的峰强度。

2 结果与讨论

2.1 日产气量与日产甲烷量

30 d的启动阶段后，未处理、水-冻融改性和氨-冻融改性玉米秸秆高温厌氧消化的日产气量和日产甲烷量如图1所示。

由图1可见，当OLR分别为1.6,1.8和2.0 g·L-1d-1时，未处理组(R1)的日产气量分别为6.15 L,6.53 L和6.93 L，水-冻融组(R2)的日产气量分别为6.37 L,6.98 L和7.5 L，比R1分别提高4.0%,6.9%和8.2%。氨-冻融组(R3)的日产气量分别为6.96 L,7.51 L和8.11 L，比R1分别提高13.2%,15.0%和17.0%。由图2可见，在3个OLR下，R1的日产甲烷量分别为3.09 L 3.34 L和3.58 L，R2的日产甲烷量分别为3.31 L 3.60 L和3.86 L，比R1分别提高7.1% 7.8%和7.8%。R3的日产甲烷量分别为3.60 L 3.98 L和4.39 L，比R1分别提高16.5%、19.2%和22.6%。结果表明氨-冻融对玉米秸秆可提高玉米秸秆的生物产气量和生物产甲烷量。

图1 不同高温厌氧消化系统日产气量

图2 不同高温厌氧消化系统日产甲烷量

2.2 甲烷含量和甲烷产量

3个高温厌氧消化系统的甲烷含量和甲烷产量如表2所示，随着OLR的增加，甲烷含量均呈上升趋势。在3个OLR下，R1的甲烷含量为50.3%～51.7%，R2的甲烷含量为51.9%～52.4%，R3的甲烷含量为52.0%～54.2%。而随着OLR增加，3个厌氧消化系统的甲烷产量均有微弱的下降趋势，这是因为随着负荷的增加，玉米秸秆水解形成的小分子物质也随之增加，导致厌氧消化系统内挥发性脂肪酸积累，系统的稳定性可能会受到一定的影响。但是氨-冻融组玉米秸秆的甲烷产量明显高于其他两组。

表2 3个系统的甲烷含量和甲烷产量

2.3 厌氧消化过程指标的变化

2.3.1 TVFAs和pH值的变化

稳定的TVFAs浓度可以表明水解/酸化与甲烷化之间的平衡状态，对于稳定进行的厌氧消化系统，酸化阶段产生的TVFAs可以在甲烷化阶段被消耗掉[7]。不同高温厌氧消化系统TVFAs和pH值的变化如图3和图4所示。

由图3可见，3个系统TVFAs值的趋势基本相似，都是随着OLR的增加而增加，提高负荷时，TVFAs值均有所上升，但随着时间的推移，TVFAs值又会缓慢下降，这是因为系统中产生的易利用的酸类物质逐渐被产甲烷菌消耗转化成了甲烷气体。在3个OLR条件下，R3的TVFAs值低于R1和R2，这是因为氨-冻融改性玉米秸秆大大破坏了玉米秸秆内部木质纤维素结构，提高其生物降解性，从而在厌氧消化阶段厌氧微生物对其产生的TVFAs利用率比较高。pH值是与TVFAs值相对应的一项指标，如图4所示，R3的pH值大约在7.69左右，比R1和R2高，R2的pH值大约在7.42左右，比R1的pH值高，结果与TVFAs呈现负相关性。

图3 不同高温厌氧消化系统TVFAs变化

图4 不同高温厌氧消化系统pH值变化

2.3.2 氨氮和碱度

氨氮是秸秆内部含氮物质转化而来的，氨氮包括游离氨和自由氨[6]。适宜的氨氮浓度是保证厌氧系统正常运行的必要条件，尤其是对于原料为氨处理后的秸秆。通常认为氨氮的抑制浓度在1700～1800 mg·L-1以上。不同高温厌氧消化系统氨氮和碱度值的变化如图5和图6所示。

由图5可见，R1和R2的氨氮浓度均在56～392 mg·L-1之间，显然没有达到氨氮的抑制浓度。对于R3，在第1个OLR期间，其氨氮浓度呈现上升趋势，从658 mg·L-1上升至1148 mg·L-1，这是因为氨-冻融预处理过程之中，携带了大量的氨进入系统中，因而导致系统的氨氮浓度值增加，但是在第一个负荷结束的时候，并未达到氨氮抑制浓度值，且随着OLR的增加，氨氮的浓度值有所下降，这是因为负荷增加，TVFAs的产生量也增加，为了系统的稳定性，部分氨氮与TVFAs发生了反应，从而导致氨氮的浓度值降低。另外，虽然在第3个OLR期间，R3的氨氮浓度有缓慢上升了一些，但是未达到1000 mg·L-1，不会抑制系统的正常运行。

图5 不同高温厌氧消化系统氨氮变化

碱度是评价系统稳定性的另一个重要指标[8]，它的浓度值与氨氮浓度值呈正相关性，由图6可见，3个系统中碱度值的大小顺序和氨氮浓度一致，为R3>R2>R1。

图6 不同高温厌氧消化系统碱度值的变化

2.3.3 SCOD和SCOD消耗值

SCOD值可作为厌氧消化工程中原料生物降解性的指标，SCOD消耗值可以直接反映玉米秸秆的产气状况[6]。图7说明了不同预处理方式对玉米秸秆SCOD值的不同影响，可以看出，3个系统中SCOD值的大小排序为：SCOD(R1) SCOD(R2)的消耗量，如图8所示。其原因在于氨-冻融预处理后形成的可溶性物质有机物比较多，比较容易被R3系统中的微生物利用，因而产生更高的甲烷气体总量。实际上，SCOD(R1)应等于SCOD(R2)和SCOD(R3)，但预处理后的SCOD(水-冻融)(31954 mg·L-1)

图7 不同高温厌氧消化系统SCOD的变化

图8 不同高温厌氧消化系统SCOD消耗值的变化

2.4 物质转化规律

生物沼气的产生来源于厌氧菌对木质纤维素等成分的降解[10]，3个厌氧消化系统下物质组分的变化如图9～12所示。TS和VS是表征玉米秸秆可降解成分的重要参数，因此TS和VS的变化情况直接影响着沼气的产生情况。3个半连续式CSTR反应器中物料TS和VS转化率分别达到了45.7%～47.6%，47.8%～49.2%，49.4%～51.3%和51.6%～56.6%，53.9%～57.7%，55.2%～59.5%。在R3系统中，高温厌氧消化的玉米秸秆TS和VS转换率高于R1和R2，与其产气量结果一致，说明氨-冻融改性玉米秸秆之后高温厌氧消化条件下物质的转换率更高。纤维素、半纤维素和木质素是玉米秸秆的主要组分，也是厌氧微生物的主要碳源，经过厌氧消化，玉米秸秆中的主要组分会被微生物降解转化为生物沼气。纤维素和半纤维素是易于降解的主要成分，R1，R2和R3这3个系统中的纤维素和半纤维素去除率分别为36.8%～43.7%，40.8%～47.2%，44.3%～51.5%和40.8%～48.8%，45.1%～51.9%，48.4%～55.6%。其去除率变化情况与各高温厌氧消化系统产沼气和产甲烷量的变化情况一致，说明玉米秸秆的生物降解性经过氨水与冻融的复合改性后得到了一定的提高。

图9 不同高温厌氧消化系统TS去除率的变化

2.5 扫描电镜和结晶度

为了更好地观察秸秆的结构变化，用扫描电镜(SEM)对未处理、水-冻融和氨-冻融改性的玉米秸秆进行了测试。从图13～15可以看出，未处理的玉米秸秆纤维结构完整且紧密，排列有序，部分纤维之间的连接清晰可见，无明显破坏。这些纤维层阻碍了后续厌氧消化系统内微生物对玉米秸的利用，造成消化反应速率慢，产气率低；而经过水-冻融后，玉米秸杆的纤维层结构出现一定程度破裂，被破坏的软组织和相邻的表皮细胞发生一定程度的脱离；经过氨-冻融改性的玉米秸秆部分纤维完全裸露，秸秆的表皮细胞结构被破坏，从而使其孔隙率和比表面积显著增加，进而增强厌氧菌对可生物降解组分的可及度。结构的破坏进一步促进微生物对秸秆的水解作用，使产气性能得以提升，进而提高厌氧消化效率。而且对比后可以发现，氨-冻融改性对秸秆结构破坏的效果更加显著。

图10 不同高温厌氧消化系统VS去除率的变化

图11 不同高温厌氧消化系统纤维素去除率的变化

图12 不同高温厌氧消化系统半纤维素去除率的变化

图13 未处理玉米秸秆的扫描电镜变化

高分子聚合物通常具有结晶区和非结晶区(或称无定形区)。结晶度是相对概念，代表结晶区的峰面积占整体的比重。结晶区的物质或结构在X射线的照射下能够形成具有特性的衍射图，结晶区是限制秸秆内部纤维素破坏的主要障碍，可以通过这个方法来研究物质的内部结构。表4计算了改性前后纤维素结晶度的变化。总体来看，相比未预处理秸秆，秸秆经过不同改性后的结晶度均有所降低，但是氨-冻融条件下，秸秆纤维素结晶区较未处理下降的比较多，可达7.7%，表明在改性过程中，氨-冻融对无定形区的水解能力和能力高于水-冻融的作用，从而破坏秸秆内部结构，提高其生物降解性。