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2022 , Vol. 10 >Issue 3: 225 - 232

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2022.03.006

Anaerobic Digestion Characteristic and Rare Earth Element Release of Pennisetum Hydridum

  • Xing-yu CHENG 1, 2 ,
  • Ying LI 2 ,
  • Liu-meng CHEN 2, 3 ,
  • Yong-ming SUN 1, 2 ,
  • Tao XING , †, 2
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  • 1. School of Energy Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Guangzhou 510640, China
  • 2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China
  • 3. Institute of Applied Agricultural Microorganism, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200, China

Received date: 2022-02-17

  Revised date: 2022-03-18

  Online published: 2022-06-30

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版权所有 © 《新能源进展》编辑部
Fold

Abstract

In order to explore the anaerobic digestion characteristic of Pennisetum hydridum grown for rare earth tailings remediation and the release of rare earth element during anaerobic digestion, batch anaerobic digestion experiments with different total solid (TS) concentration (2%, 4%, 6%, 8%, 10%) at mesophilic temperature (37±1oC) were carried out in this study. Results showed that the optimum digestion performance was obtained at TS of 4% with the daily methane yield and cumulative methane yield of 25.56 mL/g and 197.33 mL/g, respectively. By fitting the cumulative methane yield curve, it was concluded that the cumulative methane production of Pennisetum hydridum anaerobic digestion process could be appropriately described by the modified Gompertz equation. Besides, it was found that only a small part of rare earth element in Pennisetum hydridum dissolved out during anaerobic digestion, which mainly included La, Ce, Nd, Sc and Y. However, the concentration of rare earth elements did not exceed the inhibition concentration reported in previous literatures. Furthermore, the result of correlation analysis showed that release of rare earth element was negatively correlated with TS and chemical oxygen demand (COD) of the anaerobic digestion system, and positively correlated with pH value. This study may provide guidance for the biogas engineering application of Pennisetum hydridum grown for rare earth tailings remediation and fertilizer utilization of fermentation residue.

Key words： Pennisetum hydridum; anaerobic digestion; methane; rare earth element

Cite this article

Xing-yu CHENG , Ying LI , Liu-meng CHEN , Yong-ming SUN , Tao XING . Anaerobic Digestion Characteristic and Rare Earth Element Release of Pennisetum Hydridum[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2022 , 10(3) : 225 -232 . DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2022.03.006

0 引言

皇竹草（Pennisetum hydridum）由象草和美洲狼尾草杂交选育而成,是多年生直立丛生禾本科草本植物,年产量可达到60 ~ 80 t/hm2,远高于柳枝稷、芒草等能源植物,现已在我国广东、福建、云南、广西等地推广种植。皇竹草可以适应于盐碱地、尾矿区、沙地荒地等土壤退化地区,同时还具有一定的重金属富集能力,可应用于尾矿区生态修复。利用皇竹草修复尾矿区是一个长期的过程,期间会产生大量含稀土元素的生物质,植物残体如处置不当,不仅造成生物质资源的浪费,还易对环境产生潜在的二次危害。厌氧发酵制备生物燃气是处置修复植物安全而有效的方式之一。GOMES[1]和VAN GINNEKEN等[2]对土壤修复植物能源化进行了分析,认为植物修复周期长,修复植物能源化可以有效提高污染土壤修复的经济性。以稀土尾矿区植物修复过程中产出的皇竹草为原料进行厌氧发酵,其产出的生物燃气可进行能源利用,发酵剩余物还可进行肥料化利用,有助于提高修复过程的经济效益,达到生态修复可持续进行的目的。
目前,关于皇竹草厌氧发酵特性的研究多集中在产气量上。罗艳等[3]比较了生长期为35 d和68 d的皇竹草的发酵特性,结果表明不同生长期的皇竹草均适合厌氧发酵产沼气。鲁涛[4]研究了皇竹草、杂交狼尾草和猪粪混合厌氧发酵的产气性能,结果表明,三者按挥发性固体（volatile solid, VS）比为1.5:1.5:1进行混合发酵,比皇竹草单独发酵甲烷产率提升了12.30%。总固体（total solid, TS）浓度是厌氧发酵产气的主要影响因素之一。TS过高则原料不易分解,容易积累大量酸性物质,影响正常产气;TS过低则可利用物质少,不利于厌氧发酵设备的充分利用。目前鲜有有总固体浓度对皇竹草单独厌氧发酵特性影响的相关报道。此外,皇竹草对稀土元素具有一定的富集能力。据报道,稀土尾矿区皇竹草体内稀土元素含量（1 000 ~ 1 200 μg/kg）约是一般植物平均含量（343.48 μg/kg）的3 ~ 4倍[5]。皇竹草植株内的稀土元素会通过原料的降解进入厌氧发酵体系,对发酵产生作用,并残留在沼液、沼渣中。作为肥料还田是发酵剩余物的主要利用途径,而稀土元素含量高的发酵剩余物长期施用存在土壤二次污染风险。因此,在皇竹草的利用过程中不仅需要考虑发酵产气的性能,还需要考虑稀土元素的溶出情况和发酵剩余物安全利用。
本研究以稀土尾矿区种植的皇竹草为研究对象,进行中温（37±1℃）批式发酵,研究不同TS浓度对皇竹草厌氧发酵中pH、VFAs含量、氨氮浓度等过程参数和产甲烷率的影响,并追踪发酵液中稀土元素浓度的变化,讨论发酵过程中稀土溶出的影响因素,为稀土矿区皇竹草的能源化利用提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 实验原料

发酵底物选用江西省某稀土尾矿区种植的皇竹草。于2020年12月23日进行刈割,人工切割至2 ~ 3 cm左右后在粉碎机中粉碎1 min,粉碎后的原料置于 -20℃冰箱冷冻备用。接种物取自广州市从化区广州奶牛研究所奶牛场,37±1℃条件下以纤维素和蛋白胨为底物进行菌种培养。在厌氧实验启动前一个星期停止添加原料,以排除接种物对甲烷产率的影响。皇竹草和接种物的基本理化性质见表1。
Table 1 Basic characteristics of raw materials and inoculum

表1 原料及接种物的基本理化性质

项目 TS / % VS / % C / % N / % C/N 稀土元素 / (μg/kg)
皇竹草 21.32 19.47 42.86 1.50 28.52 8 573.82
接种物 1.05 0.53 / / / /

1.2 实验装置及操作

采用1.0 L玻璃发酵瓶,瓶子侧壁下端有取液样口,反应器上部为定时器控制的搅拌装置,搅拌装置的运行方式设置为开60 s/关600 s。出气口通过三通阀和乳胶管连接集气袋。每个反应器中加入600 mL接种物,分别按照TS为2%、4%、6%、8%、10%加入原料,共5个发酵浓度,每个浓度设置3个平行,另设只添加接种物组作为空白对照。装瓶完毕后通入氮气以排出反应器顶部的空气。将反应器置于37±1℃的水浴锅中,整个消化过程至无气体产出时结束实验,共运行70 d。每天测定产气量,前20天每2天进行取样,后每10天进行取样,测定氨氮含量、化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）、pH、挥发性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）等指标。

1.3 分析测试方法

原料TS和VS分别经105℃和550℃煅烧后测定。元素含量采用元素分析仪（Vario EL cube,德国Elementar公司）测定。
发酵液pH采用梅特勒-托利多pH计（FE28,瑞士Mettler Toledo公司）测定;氨氮含量和COD采用氨氮试剂（美国HACH公司）和COD试剂（美国HACH公司）测定。VFAs采用高效液相色谱（Waters 2695,美国Waters公司）测定,Bio-RAD柱,柱温50℃,流动相为0.005 mol/L的稀H2SO4（0.5 mL/min）。稀土元素浓度采用电感耦合等离子质谱仪（Agilent 7900,美国Agilent公司）测定。
产气量采用100 mL气筒测定,气体成分分析通过气相色谱仪（Agilent 7890A,美国Agilent 公司）测定,FID检测器（300℃）,载气为Ar（26 mL/min）,停留时间8 min。

1.4 数据分析和计算

1.4.1 累积产甲烷曲线拟合
对于批式厌氧发酵产甲烷过程,采用修正 Gompertz方程来模拟累积产甲烷曲线[6]：
$M\text{ = }{{P}_{\text{m}}}\times \exp \left\{ -\exp \left[ \frac{{{R}_{\text{m}}}\times \text{e}}{{{P}_{\text{m}}}\left( \lambda -t \right)}+1 \right] \right\}$ (1)
式中：M为发酵期间某一时间t的甲烷产率（以单位质量的VS计,下同）,mL/g;Pm为反应终止时的累积产甲烷率,mL/g;Rm为日最大甲烷产率,mL/(g∙d);λ为延滞时间,d;e为自然数,取2.71;Pm、Rm和λ通过指数回归分析获得。
1.4.2 数据处理
采用Excel 2013软件进行数据处理;采用 Origin 2021进行累计产甲烷曲线拟合、Pearson相关性分析以及绘图。

2 结果与讨论

2.1 产气性能分析

皇竹草批次厌氧发酵产甲烷情况见图1。由图可知,TS为4%条件下日产甲烷率和累积产甲烷率最高,分别为25.56 mL/g和197.33 mL/g,其对应甲烷体积分数也最高,为54.44%,说明4%是适合皇竹草单独厌氧发酵的TS条件。采用修正的Gompertz模型对获得数据进行拟合处理,算得Pm、Rm和λ等动力学参数见表2。结果显示R2均大于0.99,表明利用修正的Gompertz模型对皇竹草厌氧发酵拟合的效果较好。其中,反应延滞期随着TS的增大而延长,这与实验中观察到的产甲烷量变化一致。TS为10%条件下延滞期非常短的原因是反应器无法恢复产甲烷。郑泽慧[7]研究了柳枝稷在不同含固率下的发酵效果,发现3%为最佳TS浓度,更高的TS会使产甲烷过程不稳定。ABID等[8]对高固体浓度的牛粪发酵进行研究,发现TS为10%的产气率仅有TS为5%的83%,本研究的结果与该结论一致。
Fig. 1 Daily methane yield (a) and cumulative methane yield (b) in batch anaerobic digestion of Pennisetum hydridum with different TS

图1 不同TS下皇竹草批次厌氧发酵的日产甲烷率（a）和累积产甲烷率（b）

Table 2 Fitting of cumulative methane yield with different TS

表2 不同TS条件下累积产甲烷率的拟合

TS / % Pm / (mL/g) Rm / [mL/(d∙g)] λ / d R2
2 133.491 24.369 1.523 1.000
4 197.867 21.427 3.599 0.999
6 132.125 12.396 26.317 0.993
8 74.798 5.900 50.107 0.996
10 0.721 0.390 0.575 0.998

2.2 过程参数分析

不同TS条件下氨氮浓度的变化如图2a所示。除了TS为10%的反应器以外,其余反应器氨氮浓度变化总体一致,表现为发酵初始氨氮浓度快速升高,此时主要是皇竹草中的蛋白质、氨基酸及其他含氮有机物进行了分解。随着发酵过程进行,氨氮浓度逐渐降低。当反应结束时,反应器中氨氮浓度稳定在600 ~ 700 mg/L,与初始浓度相近,说明原料降解生成的氨氮作为氮源被微生物消耗。TS为10%条件下,反应结束时氨氮浓度达到978.1 mg/L,约为初始浓度的2倍。
Fig. 2 Changes of ammonia concentration (a) and COD (b) in batch anaerobic digestion of Pennisetum hydridum with different TS

图2 不同TS条件下皇竹草批式厌氧发酵的氨氮浓度（a）和COD（b）变化

COD与原料水解转化为可溶性有机物的过程密切相关。图2b是不同TS条件下COD值变化情况。COD值整体表现出随着TS提高而增加。各反应器COD值出现减少的时间各不相同,分别出现在第5 d（TS 2%）、第7 d（TS 4%）、第30 d（TS 6%）和第40 d（TS 8%）,下降阶段与产甲烷阶段重合,说明发酵体系中有机物被微生物利用,转化生成甲烷。
各反应器中pH和VFAs变化见图3,可以看出VFAs主要成分是乙酸,其次是丁酸和丙酸,其浓度与TS成正比。随着VFAs的积累,pH降低,进而影响微生物活性[9]。TS为2%的条件下,低浓度VFAs被微生物迅速利用,pH稳定在7.0 ~ 8.0之间。TS为4%时,发酵初期VFAs浓度上升,体系pH降低,但随即在第5 d VFAs浓度便下降,pH回升到7.0以上,说明此时微生物生长良好,将小分子挥发酸转化成甲烷。当TS为6%时,VFAs最高浓度达7.5 g/L以上,pH在发酵第5 d下降到6.0以下,抑制了微生物活性,直至第25 d,才恢复产甲烷。TS为8%和10%时,VFAs最高浓度达到10.0 g/L以上,体系酸化严重,但8%条件下,发酵体系经过46 d的延滞期恢复了一定的产甲烷能力,而TS为10%条件下则彻底酸化。由此可见,高浓度的固体含量会导致VFAs肪酸的积累,从而造成发酵体系酸化,微生物恢复活性所需的时间也越长,甚至发生彻底酸败[10]。
Fig. 3 Changes of pH and VFAs concentration in batch anaerobic digestion of Pennisetum hydridum with different TS

图3 不同TS下皇竹草批式厌氧发酵中pH和VFAs浓度变化

2.3 稀土元素溶出情况

反应结束时各反应器内沼液和沼渣中稀土元素含量如表3所示。随着发酵进行,发酵液中稀土元素浓度有所提高,说明在厌氧发酵中,皇竹草的稀土元素发生部分溶出,且TS越高,沼液中稀土元素浓度越大。溶出的稀土元素主要包括La、Ce、Nd、Sc、Y,其浓度总和占总稀土元素浓度的71% ~ 98%。鲁涛[4]考察了外源La3+ 对厌氧发酵的影响,发现10 μg/L La3+ 对发酵体系无影响,500 μg/L La3+ 表现促进作用,高于5 000 μg/L La3+ 则出现明显抑制作用。夏青等[11]的研究表明,低于10 μg/L的La3+ 和Ce3+ 对厌氧颗粒污泥产甲烷活性无明显影响,有促进作用的浓度范围为10 ~ 100 μg/L。本研究中,各发酵液中稀土元素浓度未超过上述研究抑制浓度,因此推测本实验中皇竹草溶出的稀土元素对厌氧发酵微生物活性和产甲烷过程无明显影响。
Table 3 Rare earth element content

表3 稀土元素含量

项目 TS / % Sc / 10-9 Y / 10-9 La / 10-9 Ce / 10-9 Pr / 10-9 Nd / 10-9 Sm / 10-9 Eu / 10-9 Gd / 10-9 Tb / 10-9 Dy / 10-9 Ho / 10-9 Er / 10-9 Tm / 10-9 Yb / 10-9 Lu / 10-9 Total / 10-9
皇竹草 / 187.79 ± 13.36 2 068.35 ± 51.66 2 189.15 ± 10.78 980.38 ± 11.31 366.15 ± 27.45 1 374.96 ± 57.36 282.15 ± 12.95 51.70 ± 4.12 338.64 ± 10.00 52.71 ± 6.56 303.19 ± 12.37 62.87 ± 7.69 170.10 ± 5.96 19.98 ± 0.55 107.71 ± 6.69 18.01 ± 0.01 8 573.82 ± 159.87
接种物 / 0.07 ± 0.01 0.46 ± 0.01 0.59 ± 0.01 0.12 ± 0.01 0.12 ± 0.01 0.04 ± 0.01 0.07 ± 0.01 0.03 ± 0.01 0.10 ± 0.01 0.02 ± 0.01 0.07 ± 0.01 0.01 ± 0.01 0.13 ± 0.01 0.01 ± 0.01 0.03 ± 0.01 0.01 ± 0.01 1.89 ± 0.50
沼液 2 7.10 ± 0.04 0.95 ± 0.01 1.77 ± 0.01 7.60 ± 0.02 0.30 ± 0.01 0.87 ± 0.10 0.23 ± 0.01 0.10 ± 0.01 0.27 ± 0.01 0.09 ± 0.01 0.21 ± 0.03 0.07 ± 0.01 0.27 ± 0.01 0.06 ± 0.01 0.12 ± 0.01 0.09 ± 0.01 20.10 ± 0.01
4 8.53 ± 0.06 7.79 ± 0.05 8.15 ± 0.01 10.64 ± 0.11 1.46 ± 0.01 5.46 ± 0.08 1.10 ± 0.01 0.29 ± 0.01 1.43 ± 0.01 0.24 ± 0.01 1.12 ± 0.01 0.29 ± 0.01 0.80 ± 0.03 0.14 ± 0.01 0.47 ± 0.01 0.15 ± 0.01 48.05 ± 4.13
6 8.69 ± 1.60 10.76 ± 1.22 12.72 ± 1.06 12.77 ± 1.24 2.28 ± 0.01 7.84 ± 1.33 1.75 ± 0.01 0.38 ± 0.01 1.95 ± 0.01 0.37 ± 0.01 1.79 ± 0.01 0.41 ± 0.01 1.17 ± 0.01 0.18 ± 0.01 0.68 ± 0.01 0.19 ± 0.01 63.91 ± 6.34
8 8.93 ± 0.01 15.09 ± 0.50 15.85 ± 0.06 12.17 ± 0.01 2.71 ± 0.01 9.93 ± 0.07 2.27 ± 0.01 0.45 ± 0.01 2.55 ± 0.01 0.45 ± 0.01 2.17 ± 0.01 0.51 ± 0.01 1.32 ± 0.01 0.20 ± 0.01 0.80 ± 0.01 0.22 ± 0.01 75.59 ± 8.64
10 10.80 ± 2.13 38.59 ± 3.49 10.99 ± 2.55 9.81 ± 1.36 2.65 ± 0.34 13.79 ± 3.03 3.97 ± 0.09 1.06 ± 0.15 6.76 ± 0.68 1.08 ± 0.01 7.03 ± 0.01 1.67 ± 0.01 4.77 ± 0.05 0.57 ± 0.10 2.95 ± 0.37 0.57 ± 0.04 117.05 ± 16.68
沼渣 2 103.48 ± 1.64 1 747.63 ± 117.76 1 920.48 ± 129.19 866.41 ± 29.90 319.17 ± 23.40 1 179.36 ± 79.09 244.61 ± 19.37 41.07 ± 3.57 281.64 ± 20.28 43.75 ± 3.83 262.86 ± 19.47 51.43 ± 3.83 136.33 ± 10.69 16.55 ± 1.00 86.10 ± 4.64 13.82 ± 1.14 7 314.68 ± 488.65
4 220.91 ± 21.13 1 645.55 ± 82.82 1 737.74 ± 20.87 1 018.92 ± 91.90 301.64 ± 5.77 1 115.02 ± 20.94 225.86 ± 1.41 43.71 ± 3.40 267.91 ± 9.85 42.05 ± 2.21 246.45 ± 9.21 49.58 ± 2.50 131.94 ± 8.15 16.33 ± 0.61 86.14 ± 7.24 15.00 ± 0.80 7164.74 ± 268.01
6 133.38 ± 10.34 1 864.76 ± 72.18 1 950.00 ± 129.21 996.38 ± 17.84 327.33 ± 12.39 1 208.98 ± 45.50 242.62 ± 13.25 45.88 ± 1.86 295.57 ± 9.71 46.87 ± 1.20 275.88 ± 11.61 54.97 ± 1.31 147.86 ± 3.10 17.42 ± 0.15 96.34 ± 0.03 14.95 ± 0.83 7 719.17 ± 106.02
8 223.22 ± 63.52 1 812.09 ± 37.24 1 920.44 ± 20.90 1 090.10 ± 66.28 334.73 ± 5.23 1 226.86 ± 12.65 253.26 ± 7.53 48.68 ± 1.99 296.58 ± 0.72 46.70 ± 0.12 273.99 ± 1.35 55.00 ± 0.03 147.06 ± 0.57 17.76 ± 0.24 92.70 ± 2.57 16.62 ± 1.18 7 855.80 ± 96.61
10 160.27 ± 4.67 1 928.38 ± 45.58 2 062.85 ± 0.03 1 062.82 ± 15.82 342.88 ± 11.00 1 278.68 ± 33.59 254.40 ± 6.12 47.52 ± 5.38 308.03 ± 10.57 49.00 ± 2.09 279.93 ± 7.86 57.09 ± 2.53 152.48 ± 7.58 18.51 ± 0.85 96.73 ± 4.67 17.32 ± 1.98 8 116.88 ± 38.26
反应结束时,各处理沼液中稀土元素浓度为20.10 ~ 117.05 μg/L,沼渣中稀土元素含量为7 164.74 ~ 8 116.88 μg/kg,说明大部分稀土元素在厌氧消化后残留在固体沼渣中。稀土元素与固态物质的亲和力更强,这与相关文献报道一致[12]。许多研究表明,合适浓度的稀土元素有利于植物生长[13],因此稀土元素含量较低的沼液可以通过稀释等简单处理后作为沼肥施用。而对于固体沼渣,其中稀土元素的潜在风险应引起更多的关注,尤其是形态变化、迁移率和生物利用度,考虑制成生物炭等高值利用替代还田处理,避免过多稀土元素积累造成土壤二次污染和食品安全问题。

2.4 过程参数对稀土元素溶出的影响

以发酵液稀土元素浓度与原料VS重量的比值来表示皇竹草稀土元素溶出情况,与pH、COD等过程参数进行相关性分析,讨论稀土元素溶出的影响因素。如图4所示,稀土元素溶出与TS浓度、COD呈显著负相关关系。植物吸收土壤中的自由离子态稀土元素,经过转运后主要贮存在果胶质和纤维素中[14]。本试验中,当反应器TS为4%以下时反应器正常运行,皇竹草作为原料被充分降解,稀土元素被释放。当反应器TS提高至6%及以上时,此时大量的皇竹草在反应初始降解生成大量挥发性有机酸,超出体系的缓冲能力,反应器无法正常运行,进而导致微生物对皇竹草中纤维素等物质的降解过程受到抑制,因此稀土元素溶出率减少。
Fig. 4 Correlation between rare earth element dissolution rate and process parameters

图4 稀土元素溶出率与过程参数的相关性分析

另一个显著影响稀土元素溶出的因素是pH。相关分析结果表明,稀土元素溶出与pH呈显著正相关。这是由于本研究中反应器pH范围在5.0 ~ 8.0,而6.5 ~ 8.0是适宜厌氧发酵体系微生物生长的pH范围[15]。因此当pH升高时,微生物活性强,降解作用增强,稀土元素溶出率也增大。该pH范围以外稀土元素的溶出情况还需进一步研究。
由此可见,在厌氧消化中稀土元素的溶出主要与皇竹草的降解程度相关。合适的发酵条件下微生物对皇竹草的降解作用较充分,储存在纤维素中的稀土元素被释放。因此,预处理等促进原料降解的技术在应用前需要谨慎评价,尤其沼液和沼渣的安全处理方面。

3 结论

（1）以稀土尾矿区种植的皇竹草为原料进行中温批式发酵,在TS浓度为2%、4%、6%、8%和10%的5组实验中,TS为4%条件下反应器运行最稳定,产气性能最好,日产甲烷率和累积产甲烷率分别为25.56 mL/g和197.33 mL/g。采用修正的Gompertz模型可对不同TS条件下皇竹草的产甲烷情况进行很好地拟合。
（2）随着TS提高,更大的皇竹草添加量使发酵液中氨氮和COD浓度增加,VFAs大量积累,pH下降。当TS提高到10%,氨氮浓度达到0.98 g/L,COD浓度达到27.28 g/L,VFAs浓度达到10.0 g/L以上,pH下降至5.16,反应体系严重酸化,产气失败。
（3）在发酵过程中,皇竹草中稀土元素发生溶出。溶出到沼液中的稀土元素约占皇竹草内源稀土元素的12% ~ 16%,大部分稀土元素残留在固体沼渣中。结果表明,稀土元素溶出率与发酵体系的TS、COD呈负相关,与pH呈正相关。

References

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