超微粉碎预处理泥炭产生物氢气的研究

孙慎光，李 珺，马力通,3*，赵寒冰

(1.内蒙古科技大学化学与化工学院，内蒙古 包头014010；2.内蒙古科技大学生命科学与技术学院，内蒙古 包头014010;3.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(peat)是由部分和完全腐烂的有机物在有限的氧气存在下形成的，其化学结构是由植物木质纤维素聚合而成[1]。

Girkin等[2]发现，泥炭在生成甲烷的过程中有两种途径，一种是由醋酸生成甲烷，另一种是氢气还原二氧化碳生成甲烷。在酸性沼泽和低温沼泽中，氢养型甲烷生成往往占优势，当阻断氢气还原二氧化碳这一代谢途径，泥炭由产甲烷转向产氢气。郝思雯等[3]发现，经过酸、碱、超声波或微波预处理的泥炭物理结构会发生变化，生物发酵产甲烷量增加，预处理有助于促进泥炭生物转化。超微粉碎(superfine grinding)是将物料破碎到20 μm以下[4]，从而使物料具有高溶解性、高反应活性。Ma等[5]将煤粉超微粉碎，发现煤粉的比表面积和间隙度增大，变得更易燃烧、更易发生反应；马力通等[6]发现，超微粉碎能够提高泥炭生物甲烷产量，延长泥炭甲烷发酵周期。氢气比温室气体甲烷更清洁无碳，目前尚未有超微粉碎泥炭产氢气的相关报道。

作者对泥炭进行超微粉碎，通过测定泥炭厌氧发酵过程中的日产氢气量、pH值、还原糖含量、挥发性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)含量及总产氢气量的变化，考察超微粉碎预处理对泥炭产氢气的影响，采用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)观察产氢气前后泥炭颗粒的形貌，为泥炭产氢气的利用奠定基础。

1 实验

1.1 材料与仪器

活性污泥(总固含量0.66%，挥发性固含量0.38%)，包头鹿城水务有限公司，将其厌氧驯化后保存在4 ℃冰箱中；草本泥炭(总固含量8.03%，挥发性固含量4.07%)，吉林敦化吉祥泥炭开发有限责任公司。

Beckman Coulter LS 230型激光粒度仪，JEM-2100型透射电镜，QUANTA-400型扫描电镜，YB-2000A型高速多功能粉碎机，WZJ-6BT型超微粉碎机，雷磁PHS-25型pH计，HH-8型数显恒温水浴锅，JM-A6002型电子天平，722型可见分光光度计。

1.2 方法

1.2.1 泥炭样品的预处理

取风干草本泥炭，经高速多功能粉碎机粉碎，过200目标准筛，得到200目泥炭样品，取出120 g作为对照；其余用超微粉碎机进行超微粉碎，得到超微粉碎泥炭样品。用激光粒度仪测定泥炭样品粒径。

1.2.2 泥炭发酵产氢气实验

称取200目泥炭样品40 g、超微粉碎泥炭样品40 g，分别置于500 mL发酵瓶中，分别加入200 mL煮沸0.5 h的厌氧活性污泥、180 mL蒸馏水，摇匀，调节初始pH值为7.0，置于50 ℃水浴锅中进行厌氧发酵。每日测定日产氢气量、pH值、还原糖含量、VFA含量及总产氢气量。

采用排水集气法测定日产氢气量[7]，采用pH计测定pH值，采用DNS法测定还原糖含量[8]，采用气相色谱法测定VFA含量[9]。每组设3个平行实验，结果取平均值。

1.2.3 TEM分析

将产氢气前后的超微粉碎泥炭研磨，溶于无水乙醇溶液中，用超声波分散器制成悬浮液，用滴管将悬浮液滴于覆盖有支持膜的电镜载网上，待其干燥后，采用TEM观察泥炭形貌。

1.2.4 SEM分析

选择导电性较好的锯条，将锯条双面粘上胶带，将产氢气后干燥的泥炭粉末粘在胶带上，镀金，采用SEM观察形貌。

2 结果与讨论

2.1 超微粉碎泥炭的粒径分布(图1)

图1 超微粉碎泥炭的粒径分布

由图1可知，超微粉碎泥炭的粒径主要分布在0.148～57.77 μm之间。

2.2 超微粉碎对泥炭发酵日产氢气量的影响(图2)

图2 超微粉碎对泥炭发酵日产氢气量的影响

由图2可知，随着发酵时间的延长，泥炭发酵的日产氢气量总体呈现先升高后降低的趋势。在第11～22 d、第30～46 d时，超微粉碎泥炭的日产氢气量明显高于200目泥炭的；在第11 d时，超微粉碎泥炭的日产氢气量达到最高，为79.5 mL；200目泥炭的日产氢气量在第2 d达到第一个日产氢气量高峰，为53.67 mL，并在 第10 d达到第二个日产氢气量高峰，为41.7 mL，均低于超微粉碎后的泥炭日产氢气量。表明，超微粉碎能提高泥炭日产氢气量、延长产气高峰期时间，对于泥炭产氢气具有促进作用。

2.3 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

微生物转化泥炭产氢气的生命活动与pH值之间具有密切联系，pH值是泥炭产氢气过程中重要的影响因素。由图3可知，随着发酵时间的延长，pH值呈先下降后上升的趋势；在初始pH值为7.0时，泥炭中的有机质被厌氧微生物分解进而产生VFA，pH值下降；在第7 d时，超微粉碎泥炭和200目泥炭发酵体系的pH值均下降到最低值，分别为5.95、6.36；随后VFA消耗产生氢气，pH值上升，最后稳定在6.90～7.08。在第7～43 d厌氧菌降解泥炭的过程中，超微粉碎泥炭发酵体系的pH值稳定在7.0以下，微生物活性更高，产氢气能力更强。

2.4 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

由图4可知，随着发酵时间的延长，超微粉碎泥炭发酵体系的还原糖含量总体高于200目泥炭的。超微粉碎能促进泥炭纤维素降解为葡萄糖等还原糖，随着进入产酸、产氢气阶段，产酸微生物不断消耗还原糖，还原糖转化为VFA，导致还原糖含量下降。在16 d内，超微粉碎泥炭发酵体系的还原糖含量稳定在0.00917%～0.01597%，200目泥炭发酵体系的还原糖含量稳定在0.00879%～0.00926%。

2.5 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

由图5可知，随着发酵时间的延长，VFA含量总体呈现先上升后缓慢下降的趋势。泥炭有机质如纤维素、半纤维素等在氢气发酵前期分解为还原糖，进而酸化产生VFA，导致VFA含量迅速上升，并且在第5 d时超微粉碎泥炭发酵体系的VFA含量达到最高，为2.374 83 g·L-1；随着VFA转化为乙酸进而转化为氢气，导致体系VFA含量下降，第5 d后微粉碎泥炭发酵体系的VFA含量总体开始呈现下降趋势，并在第43 d达到最低，为0.824 7 g·L-1。

2.6 超微粉碎对泥炭发酵总产氢气量的影响

实验结束，测得超微粉碎泥炭发酵总产氢气量为843 mL，200目泥炭发酵总产氢气量为500 mL，超微粉碎泥炭比200目泥炭的总产氢气量提高了68.6%，表明超微粉碎能够促进泥炭发酵产氢气。这是因为，超微粉碎处理增大了泥炭与微生物的接触面积，从而促进泥炭有机质降解产氢气。

2.7 超微粉碎泥炭的TEM分析(图6)

由图6可知，和产氢气前的超微粉碎泥炭相比，产氢气后的超微粉碎泥炭的孔隙率提高、孔隙尺寸增大，呈现破碎趋势，揭示了在超微粉碎泥炭发酵产氢气过程中，厌氧微生物对泥炭的降解造成形貌变化。

(a)超微粉碎泥炭 (b)产氢气后的超微粉碎泥炭

2.7 超微粉碎泥炭的SEM分析(图7、图8)

(a)200目泥炭(×1500) (b)超微粉碎泥炭(×5000)

(a)×800 (b)×1000

由图7可知，与200目泥炭颗粒相比，超微粉碎泥炭颗粒的粒径更小，比表面积增大，与微生物之间的接触面积增大，更容易发生反应。

由图8可知，厌氧微生物作用于超微粉碎泥炭产氢气后，泥炭的物理结构特性发生改变，孔隙率提高、孔隙尺寸增大，表明泥炭厌氧发酵产氢气过程中泥炭表面特性如孔隙率改变能够促进微生物定殖，对泥炭转化为氢气有强化作用。

3 结论

(1)TEM分析表明，泥炭经超微粉碎预处理后，粒径更小，比表面积增大；SEM分析表明，超微粉碎泥炭发酵产氢气后，泥炭的物理结构特性发生改变，孔隙率提高、孔隙尺寸增大。超微粉碎是一种有效的泥炭预处理方式。

(2)泥炭超微粉碎后厌氧发酵产氢气，总产氢气量为843 mL，较200目泥炭发酵总产氢气量(500 mL)提高了68.6%，表明超微粉碎预处理能够提高泥炭发酵产氢气量。