堿性過氧化氫預(yù)處理對醋渣厭氧消化性能的影響

師楊蕾 蔡凡凡 寧志芳 朱 哲 劉廣青 陳 暢

(北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 北京 100029)

引 言

醋渣(vinegar residue, VR)是工業(yè)制醋的主要副產(chǎn)物，我國每年醋渣產(chǎn)生量超過300萬噸[1]。醋渣中水分含量較高，不利于直接焚燒處理，同時還具有一定的酸性和腐蝕性，直接填埋會造成土壤與水質(zhì)污染。醋渣主要成分為麩皮、稻殼等，木質(zhì)纖維素含量占其干重的60%以上，同時含有少量的粗蛋白及粗脂肪[2]。目前，醋渣主要用于生產(chǎn)無土栽培基質(zhì)、飼料、肥料等[2-4]。宋夏夏[4]將醋渣與蛭石、草炭按一定比例混合配制水果型黃瓜的無土栽培基質(zhì)，有效提升了產(chǎn)量與果實品質(zhì)。然而，以上方法成本較高，處理量小，無法大批量處理醋渣，不足以解決醋渣造成的環(huán)境污染問題，因此還需探索更加高效的醋渣處理和利用關(guān)鍵技術(shù)。

厭氧消化指微生物在厭氧條件下，利用環(huán)境中的糖類、蛋白質(zhì)等有機(jī)物，合成自身生命活動所需物質(zhì)，同時生成甲烷、氫氣和二氧化碳的過程[5]。該技術(shù)成本較低，可以將醋渣轉(zhuǎn)化為沼氣等清潔能源，從而實現(xiàn)醋渣減量化和資源化處理[6-7]。然而，醋渣中富含的木質(zhì)纖維素為木質(zhì)素包裹纖維素和半纖維素，并相互間作用形成致密結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在厭氧消化中難以被微生物快速分解利用[8]。預(yù)處理技術(shù)是改善木質(zhì)纖維素生物降解能力的一種重要手段，目前常用的預(yù)處理技術(shù)包括物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、生物預(yù)處理等[9-10]。近年來，因兼具堿性和氧化性，堿性過氧化氫 (alkaline hydrogen peroxide, AHP) 預(yù)處理被認(rèn)為是一種高效、經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的預(yù)處理技術(shù)[11]。黃炳碩等[11]利用AHP預(yù)處理稻草秸稈，發(fā)現(xiàn)稻桿的纖維素結(jié)晶度和木質(zhì)素含量均有所下降，并促進(jìn)了隨后的酶水解過程。然而，當(dāng)前利用AHP預(yù)處理醋渣的相關(guān)研究較少。

本文以醋渣為厭氧消化底物，研究H2O2濃度、預(yù)處理溫度、預(yù)處理時間3個因素對AHP預(yù)處理效果的影響，確定了最佳的AHP預(yù)處理條件以及醋渣的最大甲烷產(chǎn)量。

1 實驗部分

1.1 原料與接種物

醋渣取自山西晉城某制醋廠，保存于4 ℃冰箱中以防變質(zhì)。接種物取自北京市東華山沼氣站的中溫(35 ℃)厭氧活性污泥，靜置沉降后取下層使用。醋渣和接種物的性質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 醋渣與接種物性質(zhì)

a—以樣本總重為基準(zhǔn)；b—以樣本干重為基準(zhǔn)；c—以樣本揮發(fā)性固體含量為基準(zhǔn)；TS—總固體；VS—揮發(fā)性固體；NA—未分析；TMMY—最大理論甲烷產(chǎn)量。

1.2 實驗方法

1.2.1醋渣堿性過氧化氫預(yù)處理實驗

堿性過氧化氫預(yù)處理操作方法為：將質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的過氧化氫溶液與一定量水混合，加入醋渣，控制預(yù)處理系統(tǒng)的含水率為90%，調(diào)節(jié)pH為11.5，含水率計算公式如式(1)所示[12]，所有預(yù)處理均在1 L塑料盒中進(jìn)行。

(1)

式中，MC為預(yù)處理系統(tǒng)含水率，%；m0為醋渣干重，g；m1為醋渣總重，g；m2為過氧化氫溶液質(zhì)量，g；m3為添加水的質(zhì)量，g。

1.2.2單因素實驗

本文采用單因素法研究了過氧化氫濃度、預(yù)處理溫度和預(yù)處理時間這3個因素對AHP預(yù)處理效果的影響，3個因素的水平條件設(shè)計如表2所示。

表2 各因素選取的不同水平

1.2.3厭氧消化實驗

實驗進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷為10 g/L(基于VS)，醋渣與接種物之比(基于VS)為1，每組設(shè)兩個平行，同時設(shè)置兩個不含醋渣的純污泥對照空白組。首先，將醋渣和接種物依次加入500 mL厭氧消化反應(yīng)器中，加水至工作體積為200 mL，用0.1 MPa的純氮?dú)獯祾呒s3 min以排盡反應(yīng)器中的氧氣，將密封的反應(yīng)器放置在37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中厭氧消化35 d。

1.2.4分析方法

總固體(total solid, TS)和揮發(fā)性固體(volatile solid, VS)含量通過美國公共衛(wèi)生協(xié)會(APHA)標(biāo)準(zhǔn)方法測定[13]。C、H、N、S元素的含量(基于TS)由元素分析儀(Vario EL cube，德國Elementar Analysensysteme GmbH公司)測得；O元素含量根據(jù)C、N、H、O元素含量之和為99.5%(基于VS)計算得出[14]。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量參考Van Soest方法[15]采用纖維素分析儀(ANKOM 2000，美國ANKOM公司)測定。反應(yīng)器內(nèi)壓力用壓力計(3151WAL- BMP- Test，德國WAL Messund Regelsysteme GmbH公司)測得，并根據(jù)式(2)計算沼氣產(chǎn)量[16]。

(2)

式中，Vbiogas為每日沼氣產(chǎn)量，mL；Δp為厭氧反應(yīng)器放氣前后兩次測得的壓力差，kPa；Vhead為厭氧反應(yīng)器中頂空體積，L；C為摩爾體積，22.41 L/mol；R為理想氣體常數(shù)，8.314 kPa/(K·mol)；T為絕對溫度，K。沼氣中甲烷含量由裝有熱導(dǎo)檢測器(thermal conductivity detector, TCD)的氣相色譜儀(Agilent 7890B，美國Agilent公司)測定[17]。

預(yù)處理前后醋渣的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化由Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀(FT- IR)(美國Nicolet公司)測定，波數(shù)范圍400～4 000 cm-1。預(yù)處理前后醋渣纖維素結(jié)晶度變化由D8 ADVANCE衍射儀(德國Bruker AXS公司)在40 kV、40 mA條件下進(jìn)行X-射線衍射分析(X-ray diffraction, XRD)得到，掃描角度5°～60°。纖維素的結(jié)晶度指數(shù)R由式(3)計算得出[18]。

(3)

式中，I002為002面最大衍射強(qiáng)度；IAM為衍射角2θ=18°時的衍射強(qiáng)度，即無定形區(qū)衍射強(qiáng)度。

1.2.5動力學(xué)分析

采用修正的Gompertz模型(式(4))、Cone模型(式(5))和一階動力學(xué)模型(式(6))對厭氧消化產(chǎn)甲烷過程進(jìn)行動力學(xué)分析[16]。

(4)

(5)

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

(6)

式中，B為擬合的累積甲烷產(chǎn)量，mL/g(基于VS，下同)；B0為擬合的最大甲烷產(chǎn)量，mL/g；μm為最大甲烷產(chǎn)率，mL/(g·d)；λ為產(chǎn)甲烷停滯期，d；k為水解速率常數(shù)，d-1；t為反應(yīng)時間，d。

2 結(jié)果分析

2.1 甲烷產(chǎn)量影響因素及條件優(yōu)化

2.1.1H2O2濃度

圖1為不同H2O2濃度時，AHP預(yù)處理后醋渣的累積甲烷產(chǎn)量 (CMY)。從圖中可以看出，未預(yù)處理醋渣的累積甲烷產(chǎn)量為195.6 mL/g，并計算得到其生物降解率為45.3%[18]。經(jīng)不同濃度AHP預(yù)處理后，醋渣厭氧消化累積甲烷產(chǎn)量和生物降解率均顯著提升(p<0.01)，且隨著AHP預(yù)處理濃度的增加，提升效果逐漸增強(qiáng)。然而，表3的差異性分析結(jié)果表明，4%和5%AHP預(yù)處理后，醋渣累積甲烷產(chǎn)量之間并無顯著性差異(p>0.05)，因此認(rèn)為4% H2O2是AHP預(yù)處理的最佳濃度條件。此條件下，醋渣厭氧消化累積甲烷產(chǎn)量為267.9 mL/g，生物降解率提升至62.0%，與未預(yù)處理相比提高了37.0%。

2.1.2預(yù)處理溫度

圖2為不同預(yù)處理溫度下醋渣厭氧消化甲烷產(chǎn)量的變化趨勢?？梢钥闯觯S著預(yù)處理溫度升高，醋渣厭氧消化的累積甲烷產(chǎn)量先升高后下降。當(dāng)預(yù)處理溫度為40 ℃時，累積甲烷產(chǎn)量最高，達(dá)280.9 mL/g，生物降解率高達(dá)65.0%，相比未預(yù)處理提升了43.6%。差異性分析結(jié)果(表4)表明，此條件下累積甲烷產(chǎn)量與未預(yù)處理累積甲烷產(chǎn)量之間存在極顯著性差異(p<0.01)。而當(dāng)預(yù)處理溫度升高至50 ℃時，累積甲烷產(chǎn)量降低，這可能是因為H2O2在高溫條件下不穩(wěn)定、易分解，導(dǎo)致預(yù)處理效果較差。

表3 不同H2O2濃度下累積甲烷產(chǎn)量顯著性差異分析

N.S.—非顯著性差異 (p>0.05); S.—顯著性差異 (p<0.05); V.S.—極顯著性差異(p<0.01)。

表4 不同預(yù)處理溫度下醋渣累積甲烷產(chǎn)量顯著性差異分析

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

實驗組差異性分析結(jié)果未預(yù)處理20℃30℃40℃50℃未預(yù)處理-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.—非顯著性差異(p>0.05); S.—顯著性差異 (p<0.05); V.S.—極顯著性差異 (p<0.01)。

2.1.3預(yù)處理時間

不同預(yù)處理時間下，甲烷產(chǎn)量變化趨勢如圖3所示。預(yù)處理時間為12 h時，累積甲烷產(chǎn)量最高，為265.9 mL/g，生物降解率為61.6%，相比未預(yù)處理提升了35.9%。另外從表5可以看出，12 h預(yù)處理與6 h預(yù)處理和未預(yù)處理相比，均存在極顯著性差異(p<0.01)。而當(dāng)預(yù)處理時間提升至18 h和24 h時，累積甲烷產(chǎn)量較12 h均降低，說明AHP預(yù)處理的主要作用時間在6～12 h，而延長預(yù)處理時間可能會造成有機(jī)質(zhì)流失，導(dǎo)致累積甲烷產(chǎn)量減少。Zhang等[18]對AHP預(yù)處理棉花秸稈的浸出液成分分析發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)處理時間的延長，預(yù)處理浸出液中可溶性糖和蛋白質(zhì)等有機(jī)組分含量明顯升高，該發(fā)現(xiàn)與本文實驗結(jié)論一致。

表5 不同預(yù)處理時間下醋渣厭氧消化累積甲烷產(chǎn)量顯著性差異分析

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

實驗組差異性分析結(jié)果未預(yù)處理6h12h18h24h未預(yù)處理-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.—非顯著性差異 (p>0.05); S.—顯著性差異 (p<0.05); V.S.—極顯著性差異 (p<0.01)。

2.1.4AHP預(yù)處理條件優(yōu)化

AHP最佳預(yù)處理條件下(4% H2O2/40 ℃/12 h)醋渣的累積甲烷產(chǎn)量如圖4所示。從圖中可以看出，此條件下預(yù)處理后醋渣的厭氧消化產(chǎn)甲烷性能顯著提升，累積甲烷產(chǎn)量為302.0 mL/g，生物降解率提升至70.0%，較未預(yù)處理提升了54.4%。最佳條件下預(yù)處理后的醋渣累積甲烷產(chǎn)量相較于4%H2O2濃度以及12 h預(yù)處理時間等單因素最優(yōu)條件，均有顯著性提升(p<0.05)，說明4% H2O2/40 ℃/12 h的最佳預(yù)處理條件對醋渣累積甲烷產(chǎn)量的提升效果更好。

2.2 預(yù)處理前后木質(zhì)纖維素變化

2.2.1木質(zhì)纖維素含量

AHP預(yù)處理前后醋渣的木質(zhì)纖維素含量見表6?？梢钥闯觯煌瑮l件下預(yù)處理后木質(zhì)纖維素組分均發(fā)生了明顯變化。預(yù)處理后醋渣的木質(zhì)素含量均低于未預(yù)處理，說明木質(zhì)素被有效去除，纖維素與半纖維素暴露出來，更易于被微生物利用；預(yù)處理后半纖維素含量也有所降低，說明半纖維素在AHP溶液中部分溶出并降解。其中，4%H2O2/40 ℃/12 h條件下預(yù)處理對木質(zhì)素和半纖維素的降解效果最為明顯，木質(zhì)素的去除率為46.5%，半纖維素的降解率為56.9%。

表6 預(yù)處理前后醋渣木質(zhì)纖維素含量

*以樣本VS為基準(zhǔn)。

2.2.2木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)

利用XRD和FT- IR對未預(yù)處理以及4% H2O2/40 ℃/12 h預(yù)處理后醋渣的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。根據(jù)圖5的XRD圖譜以及式(3)計算可得，未預(yù)處理醋渣的纖維素結(jié)晶度指數(shù)為43.5%，預(yù)處理后醋渣的纖維素結(jié)晶度指數(shù)降低為34.7%，說明纖維素的非晶型結(jié)構(gòu)所占比例上升，纖維素可及性增加。

預(yù)處理前后醋渣的FT- IR譜圖如圖6所示?？梢钥闯?，AHP預(yù)處理后，各特征峰的透過率降低。其中，纖維素及半纖維素與木質(zhì)素連接的酯鍵對應(yīng)于1 166 cm-1處的特征峰在預(yù)處理后減弱，說明AHP預(yù)處理打破了木質(zhì)素包裹纖維素和半纖維素的致密結(jié)構(gòu)；3 425 cm-1處對應(yīng)于羥基伸縮振動峰，該峰經(jīng)AHP預(yù)處理后明顯減弱，說明木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)中的氫鍵遭到破壞，纖維素結(jié)晶區(qū)被破壞。

木質(zhì)纖維素含量變化以及結(jié)構(gòu)表征分析結(jié)果表明，預(yù)處理后醋渣的纖維素結(jié)晶度下降，纖維素可及性增大，半纖維素和木質(zhì)素被部分降解或破壞。

2.3 動力學(xué)模型擬合

對H2O2濃度、預(yù)處理溫度、預(yù)處理時間3個因素的優(yōu)化條件以及4% H2O2/40 ℃/12 h預(yù)處理條件下醋渣厭氧消化產(chǎn)甲烷過程進(jìn)行了動力學(xué)分析，擬合結(jié)果如表7所示?？梢钥闯?，修正的Gompertz模型和Cone模型擬合所得的R2明顯高于一階動力學(xué)模型，說明修正的Gompertz模型和Cone模型更適用于擬合預(yù)處理醋渣的厭氧消化產(chǎn)甲烷過程。

表7 修正的Gompertz模型、Cone模型和一階動力學(xué)模型分析

B0—擬合的最大甲烷產(chǎn)量；μm—最大甲烷產(chǎn)率；λ—遲滯期；R2—相關(guān)性系數(shù)；CMY—累積甲烷產(chǎn)量；BD—生物降解率, CMY與TMMY的比值, TMMY 取431.9 mL/g；k—水解速率常數(shù)。

基于修正的Gompertz模型擬合結(jié)果，遲滯期和最大甲烷產(chǎn)率共同反映微生物對底物的水解速率。一般而言，遲滯期越短，最大甲烷產(chǎn)率越大，水解速率也越大[17]。從表7可以看出，預(yù)處理有效降低了反應(yīng)遲滯期，提升了最大甲烷產(chǎn)率。其中，4% H2O2/40 ℃/12 h預(yù)處理條件下的遲滯期最短，最大甲烷產(chǎn)率最高，且該預(yù)處理條件獲得了最高的累積甲烷產(chǎn)量，說明在此條件下預(yù)處理效果最好，醋渣厭氧消化水解速率及累積甲烷產(chǎn)量均獲得提升。

基于Cone模型的擬合結(jié)果，水解速率常數(shù)k值越大，意味著水解速率越大。不同條件預(yù)處理后，k值均不同程度地得到提升。預(yù)處理條件為4%H2O2/40 ℃/12 h時k值最大，這與修正的Gompertz模型的擬合結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論

(1)最優(yōu)的預(yù)處理條件為H2O2濃度4%、預(yù)處理溫度40 ℃和預(yù)處理時間12 h。最優(yōu)預(yù)處理條件下醋渣累積單位甲烷產(chǎn)量可達(dá)302.0 mL/g，生物降解率達(dá)70.0%，較未預(yù)處理提升了54.4%。

(2)XRD和FT- IR分析結(jié)果表明，預(yù)處理后纖維素可及性增大，半纖維素和木質(zhì)素被部分降解或去除。同時，通過修正的Gompertz模型和Cone模型的動力學(xué)擬合分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理提高了醋渣在厭氧消化過程中的水解速率。