木质生物炭对厌氧发酵产甲烷性能的影响

肖生苓, 荆勇,, 冯晶, 申瑞霞*, 赵立欣, 王全亮, 张迎

(1.东北林业大学工程技术学院，哈尔滨 150036；2.农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所，农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京 100125)

厌氧发酵可产生可再生能源沼气，发酵剩余物(沼渣、沼液)经过有效处理可作肥料还田，不仅解决了环境污染问题，而且实现了有机废物的高效利用[1]，是当前处理农林废弃物、畜禽粪便等不同类型有机废物的重要技术。然而，厌氧发酵技术仍面临很大的挑战，如厌氧发酵底物的理化性质与微生物的生理和代谢需求不匹配[2-3]，中间代谢产物(氨氮、有机酸等)累积影响微生物活性[3-4]，导致底物降解缓慢、沼气生产效率低，发酵稳定性不足等问题。

生物炭作为一种新兴炭材料，是农林废弃物热解炭化或水热炭化的产物，具有比表面积大、孔隙结构复杂、灰分、碱土金属元素及表面活性基团丰富、导电性强等特性[5-6]。近年来，许多生物炭类型被用于厌氧发酵研究，例如，活性污泥生物炭[7-8]、各种粪便生物炭[9-11]、各种农副产物制备的生物炭[11-13]、木屑生物炭[14-18]等。生物炭的添加能提高厌氧发酵过程的稳定性，并使微生物得到富集[16]，提高厌氧发酵过程中有机废弃物的水解速率，缩短延滞期，促进产气[14-15]。除生物炭类型外，生物炭灰分对厌氧发酵也有显著影响，灰分中丰富的碱土金属元素及各种有机盐有助于提升厌氧发酵系统的缓冲能力和稳定性[1,5,19-20]，促进微生物生长，适当调节灰分含量有利于厌氧发酵的进行。

由于木质生物炭原料来源广泛，木质素含量高，热解形成的生物炭碳含量高、空隙复杂、结构稳定[20-21]，较秸秆生物炭更利于维持厌氧发酵系统的稳定和甲烷的产生[15]。当前，关于木质生物炭强化厌氧发酵的研究甚少，且生物炭灰分对厌氧发酵的产甲烷特性、缓冲作用等影响的研究也较为欠缺。另外，对厌氧发酵系统的分析与评价较少。因此，本研究以木质生物炭作为添加剂进行厌氧发酵试验，利用AMPTS全自动甲烷潜力测试系统作为批式厌氧发酵平台，以玉米秸秆、牛粪为底物，通过改变木质生物炭的种类、粒径、生物炭灰分含量等因素，研究木质生物炭对厌氧发酵的影响规律，同时利用First-Order水解模型、修正的 Gompertz 模型作进一步的分析与评价，以期为生物炭强化厌氧发酵的工艺及机理研究提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究采用3种木质生物炭：灌木生物炭、混合木屑生物炭、杨木生物炭。灌木生物炭购于河南环盛炭业有限公司；混合木屑生物炭、杨木生物炭为实验室自制(采用生物质连续炭化内加热热解装置，在热解温度700 ℃、停留时间40 min条件下，制得混合木屑生物炭、杨木生物炭。杨木生物炭灰分在马弗炉中经550 ℃、保持180 min制得)。杨木、混合木屑(加工剩余物)均取自东北林业大学实验林场。根据试验需要，生物炭按粒径尺寸分别筛分为<0.5、0.5～1和1～2 mm 3种，且均在105 ℃条件下烘干24 h备用。厌氧发酵底物为玉米秸秆和牛粪。其中，玉米秸秆取自河北省张家口市崇礼县某农场，粉碎至粒径<1 mm备用；牛粪取自河北省三河市某农场。沼液作为接种物，取自农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室。

1.2 试验装置及仪器设备

AMPTS全自动甲烷潜力测试系统主要由样品消化单元(包括恒温水浴锅、搅拌装置和玻璃发酵瓶)、CO2固定单元和气体体积测定装置组成。其中，发酵瓶体积为600 mL。生物炭元素采用CHNS/O元素分析仪[EA 2400 Ⅱ，珀金埃尔默企业管理(上海)有限公司]进行分析；总固含量(total solid，TS)、固体挥发性物质(volatile solid，VS)、灰分及挥发分含量采用节能箱式电炉(SX-G16102，天津市中环实验电炉有限公司)进行测定；比表面积采用比表面及孔径分析仪(JW-BK112，北京精微高博科学技术有限公司)进行测定；甲烷产量采用AMPTS全自动甲烷潜力测试系统(bioprocess control Sweden AB)计量；pH采用便携式 pH 计(SX-610，上海三信)测定。

1.3 试验设计

保持厌氧发酵温度(38±1)℃、转速36 r·min-1，底物配比秸秆：牛粪为9∶1(基于TS)，底物与接种物配比为1∶1(基于TS)。在厌氧发酵底物TS为6%的条件下，研究3种生物炭(灌木生物炭、杨木生物炭和混合木屑生物炭)对厌氧发酵产甲烷性能的影响。再基于上述试验优化结果，研究3种不同粒径(<0.5、0.5～1和1～2 mm)杨木生物炭对厌氧发酵产甲烷性能的影响。基于不同生物炭种类、粒径试验结果，将不同灰分含量(0、1.3、2.6、3.9 g·L-1)的杨木生物炭添加于发酵瓶，在厌氧发酵底物TS为8%、底物配比为1∶1的条件下，研究杨木生物炭灰分含量对厌氧发酵产气及系统稳定性的影响。同时设置反应器中不添加任何生物炭的处理作为对照，每组3次重复，运行周期约为24 d。

1.4 计算方法

厌氧发酵过程水解速率常数利用First-Order水解模型拟合[22-23]，预测水解速率，计算公式如下。

(1)

式中，Kh为水解速率常数；Ht为t时刻的甲烷累积产量；A为产甲烷潜力。

利用修正的 Gompertz 模型对厌氧发酵产甲烷过程进行拟合，预测体系甲烷最大产量、最大甲烷日产率和延滞期，计算公式如下[11,24]。

(2)

式中，A为产甲烷潜力；μmax为最大甲烷日产率；λ为延滞期。

1.5 数据处理

采用Microsoft Office 2016、Origin 9.0等软件进行数据统计分析和软件作图(甲烷产量、产率均基于VS)。

2 结果与分析

2.1 木质生物炭种类对厌氧发酵产甲烷性能的影响

图1显示了不同生物炭下甲烷累积产量和甲烷日产率。结果表明，添加灌木生物炭、杨木生物炭和混合木屑生物炭的厌氧发酵系统甲烷累积产量分别为 134.4、134.3和132.9 mL·g-1，均高于对照组(128.1 mL·g-1)。各系统甲烷日产率均在第2 d达最大值，其中杨木生物炭系统最大甲烷日产率最高(17.5 mL·g-1·d-1)，其次是混合木屑生物炭(16.7 mL·g-1·d-1)和灌木生物炭(15.6 mL·g-1·d-1)，均高于对照组(14.7 mL·g-1·d-1)。此外，对照组甲烷日产率在第7 d达到二次峰值11.1 mL·g-1·d-1，添加生物炭系统甲烷日产率均在第6 d达到二次峰值，其中杨木生物炭系统性能仍最佳，峰值可达 12.8 mL·g-1·d-1，较对照组高15.0%。添加生物炭不仅提高了甲烷累积产量4.90%，提高了底物有机质的利用效率，而且使甲烷日产率峰值提前1 d，缩短了厌氧发酵时间。由于厌氧发酵前期接种物活性相对较低，生物炭中含有丰富的碱土金属元素，能有效提升厌氧发酵系统的缓冲特性[4,12,25]，杨木生物炭碳含量(75.20%)与混合木屑生物炭(76.34%)差异不大，而杨木生物炭比表面积及Ca、Mg、Na、K等元素含量均高于混合木屑生物炭(表1)，所以促进厌氧发酵效果较混合木屑生物炭效果好。杨木生物炭C、Ca、Mg、Na等元素含量及比表面积均高于灌木生物炭，其中碳含量远高于灌木生物炭，尽管灰分含量远低于灌木生物炭，但对厌氧发酵的影响效果更强。因此，杨木生物炭对厌氧发酵具有更好的促进作用，更利于维持系统的稳定、强化产气和缩短发酵周期。

表1 不同生物炭理化特性Table 1 Physical and chemical properties of different biochar

2.2 杨木生物炭粒径对厌氧发酵产甲烷性能的影响

图2显示了杨木生物炭不同粒径下甲烷累积产量和甲烷日产率。结果表明，添加1～2、0.5～1和<0.5 mm 3种粒径生物炭的厌氧发酵系统甲烷累积产量分别为 128.1、129.5和132.7 mL·g-1。这表明，甲烷累积产量与生物炭粒径大小呈负相关，粒径越小，甲烷累积产量越高。各厌氧发酵系统甲烷日产率均出现两次峰值，分别于厌氧发酵的第2 d和第6 d。其中，粒径<0.5 mm的生物炭系统甲烷日产率均最大(17.3、12.2 mL·g-1·d-1)，其次是粒径为0.5 ～1 mm的生物炭系统(16.7、11.2 mL·g-1·d-1)和1～2 mm的生物炭系统(16.2、11.1 mL·g-1·d-1)。厌氧发酵系统的甲烷累积产量、底物有机质的利用效率、厌氧发酵时间等均与生物炭粒径呈负相关，粒径越小，甲烷累积产量及最大甲烷日产率越高，发酵时间越短。

2.3 杨木生物炭灰分含量对厌氧发酵产甲烷性能的影响

图3结果表明，杨木生物炭灰分含量处理中，灰分含量为2.6 g·L-1时，甲烷累积产量最高(107.4 mL·g-1)；其次是灰分含量为3.9 g·L-1(106.9 mL·g-1)；灰分含量为1.3 g·L-1时，甲烷累积产量最低(104.7 mL·g-1)。这表明，仅添加生物炭或灰分均能有效提升甲烷累积产量，灰分含量为2.6 g·L-1时最佳。各系统甲烷日产率均出现两次峰值，其中灰分含量为2.6、3.9 g·L-1的系统均于厌氧发酵的第6 d达二次峰值，灰分含量为1.3 g·L-1系统和对照组均于厌氧发酵的第7 d达二次峰值，各系统两次峰值对应的甲烷日产率均高于对照组。厌氧发酵初期仅添加灰分的系统产气效果最好，最大日产气率为15.2 mL·g-1·d-1。厌氧发酵前期接种物活性相对较低，灰分含有丰富的Ca、Mg等碱土金属元素，且多以氧化物的形式存在，能有效提高含生物炭溶液的pH和碱度[15]，灰分中的碳、氮化合物和无机盐等为微生物生长提供一定的营养物质，促进了甲烷的产生。从第4 d起，灰分含量为2.6 g·L-1的系统产甲烷能力逐渐超越其他系统，在二次峰值时甲烷日产率最高(10.3 mL·g-1·d-1)，较灰分含量为1.3、3.9 g·L-1系统和对照组分别高10.4%、7.9%和16.1%，且达二次峰值时间较灰分含量为1.3 g·L-1系统和对照组提前1 d。研究表明，除生物炭灰分为厌氧发酵系统提供一定的营养物质、提升系统的缓冲能力外，生物炭极高的碳含量和复杂的孔隙结构等对厌氧发酵起到了更好的促进作用，即杨木生物炭在灰分含量为2.6 g·L-1时，更利于厌氧发酵系统甲烷的产生。

2.4 木质生物炭对厌氧发酵产甲烷系统性能影响的分析

采用一级动力学First-Order水解模型与Gompertz 模型预测分析木屑生物炭强化批式湿法厌氧发酵的水解及甲烷产生过程。根据表2中各参数可知，方程的相关系数R2均在 0.990 1～0.998 7之间，说明动力学模型拟合效果较好，与试验数据具有极高的一致性[4,22]。

根据表2中水解速率常数对应线性回归曲线的斜率可知，受生物炭种类、粒径、灰分含量的影响，杨木生物炭对水解速率影响最大，提高了15.6%，其次是混合木屑生物炭(10.7%)和灌木生物炭(2.6%)。水解速率也受生物炭粒径的限制，且与生物体粒径成负相关，粒径越小，水解速率提升越大。当生物炭粒径<0.5 mm时，对应的水解速率最大，较对照组提升约14.4%。生物炭和生物炭灰分对厌氧发酵水解速率也有比较大的影响，通过不同含量灰分的添加，提升水解速率7.2%～15.5%。其中，生物炭灰分含量为2.6 g·L-1时，底物降解最快，水解速率最高。根据修正的 Gompertz拟合参数可知，生物炭种类、粒径及灰分对厌氧发酵系统的产甲烷能力有一定的影响。添加生物炭各系统产甲烷潜力均高于对照组，其中添加杨木生物炭系统产气潜力尽管略低于灌木生物炭系统，但有效提升了厌氧发酵系统的甲烷产率，且最大甲烷日产率最高(13.42±0.53 L·kg-1·d-1)。厌氧发酵系统的产甲烷潜力及最大甲烷日产率均与杨木生物炭粒径成负相关，粒径越小，对应的产甲烷潜力及最大甲烷日产率越高，而延滞期与杨木生物炭粒径成正相关，粒径越小，延滞期越短。不同灰分含量的添加，有效提升了产甲烷潜力及最大甲烷日产率。其中，灰分含量为2.6 g·L-1的系统效果最好，对应的产甲烷潜力(103.84±0.83 L·kg-1)及最大甲烷日产率(9.92±0.37 L·kg-1·d-1)最高，最大甲烷日产率较对照组提升了14.4%，对应的延滞期最低，较对照组缩短了11.8%。同时发现，拟合中最大甲烷日产率与厌氧发酵系统中二次峰值相对应。

表2 厌氧发酵的First-Order水解模型和修正的Gompertz模型Table 2 First-Order hydrolysis model and modified Gompertz model for anaerobic fermentation

研究结果表明，生物炭的添加促进了底物的降解，提高了系统的甲烷累积产量和日产率。其中，杨木生物炭对厌氧发酵系统的影响最大，且粒径越小，底物水解越快，甲烷累积产量和日产率越高[14]。此外，适当提升灰分含量能提高厌氧发酵系统的缓冲能力和稳定性[26]，促进甲烷的生成。

3 讨论

木质生物炭对厌氧发酵有一定的促进作用，生物炭应用于厌氧发酵系统加快了厌氧发酵底物的水解，提升了甲烷累积产量、最大甲烷日产率，缩短了甲烷日产率二次峰值的到达周期，有效调节厌氧发酵过程中易挥发性有机酸的积累，并有效缩短厌氧发酵的延滞期[4,13]。其中，添加杨木生物炭对厌氧发酵系统影响最大，有效提升了厌氧发酵系统的甲烷累积产量(4.9%)、最大甲烷日产率(15.0%)、水解速率(15.6%)，其次是混合木屑生物炭、灌木生物炭。因为杨木生物炭挥发分及C、Ca、Mg、Na等元素含量均较灌木生物炭和混合木屑生物炭高，拥有较高的pH，能有效提高厌氧发酵系统的缓冲能力。有研究发现,生物炭中Na、K、Mg、Ca 等碱土金属元素常以氧化物或炭酸盐形式存在，溶于水后呈微碱性，具有一定的酸碱缓冲特性[27]。生物炭具有一定的微生物载体作用，丰富的孔隙结构促进微生物的定殖，表层微量的营养元素能进一步加快水解、酸化和产甲烷阶段微生物的增殖[17,28]。Shen等[1]在不同生物炭强化厌氧发酵和微生物群落特性的研究中也得出同类结果。生物炭对厌氧发酵缓冲能力以及生物炭对发酵过程中挥发性有机酸的变化、微生物群落演变等的影响，在即将开展的连续式厌氧发酵试验中将会做进一步的探究。

杨木生物炭粒径对厌氧发酵也具有比较大的影响，一般粒径越小，甲烷累积产量越高，甲烷日产率峰值越大，其中粒径<0.5 mm产气效果最好，对应底物水解越快，延滞期越短。Luo等[14]的研究结果与此一致。因为生物炭粒径越小，对应pH越大，孔隙结构越复杂，比表面积越大，表层营养元素、基团等与厌氧发酵系统的接触越广泛[25]，更利于微生物的附着与生长[1,14]。从而加快底物水解，进一步提升甲烷产量和最大甲烷日产率。

杨木生物炭灰分含量对厌氧发酵的甲烷产量、产率及系统缓冲能力有一定影响。研究发现，生物炭灰分中含有丰富的碱土金属元素，能有效提高厌氧发酵系统的缓冲能力[12,27]。当灰分含量为2.6 g·L-1时，对厌氧发酵系统影响最强，提升厌氧发酵系统的缓冲能力、最大甲烷日产率(14.4%)的同时，也缩短了延滞期(11.8%)。灰分含量过高(3.9 g·L-1)，反而不利于厌氧发酵产气。另有研究显示，生物炭的高导电性在一定程度上能增强互营菌与产甲烷菌之间的电子交换[29-31]，实现直接种间电子转移的潜在增强[28]，从而提升甲烷的产量和生成速率。可能过高的灰分使生物炭含量相对偏低或过高的碱土金属元素对微生物代谢起到一定的负面影响，具体原因需要进一步探索。因此，适当的生物炭及其灰分含量更利于强化厌氧发酵。