CN113030053A - 一种厌氧消化稳定度判定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种厌氧消化稳定度判定方法，将少量不同厌氧消化时间的消化液稀释后过滤，得到厌氧消化液溶解性有机物；对厌氧消化液溶解性有机物进行三维荧光光谱分析，并对采集的三维荧光光谱进行标准化处理；将斯托克斯位移图谱与不同采集时间的厌氧消化液溶解性有机物的标准化三维荧光光谱叠加，计算荧光强度在不同斯托克斯位移的分布；当荧光强度的斯托克斯位移分布曲线在0.85~1.15μm‑1处出现峰，即可认为厌氧消化已经达到稳定。本发明具有分析速度快、样品量小、不使用任何化学试剂等优点，可作为作物秸秆厌氧消化过程控制的有效监测手段。

Description

一种厌氧消化稳定度判定方法
技术领域
本发明属于环境技术领域，具体涉及一种基于荧光强度斯托克斯位移分布的厌氧消化稳定度判定方法。
背景技术
全球气候变化和能源安全等原因，近年来促使了可再生能源(尤其是生物质能)的迅速发展。在生物质的众多选项中，规模庞大的木质纤维素材料，特别是作物秸秆，是一个富有吸引力的来源。厌氧消化(Anaerobic digestion，AD)被广泛认为是生物质能源转化的重要途径，是一种有前景、发展中的作物秸秆综合利用技术。
厌氧消化，是利用微生物在厌氧条件下生物降解有机物，以获得的物质和能量来满足自身生长繁殖，同时将大部分物质转化为甲烷和二氧化碳的过程。厌氧消化过程包括三个阶段：1)水解、酸化阶段；2)产氢产乙酸阶段；3)产甲烷阶段。在水解、酸化阶段，复杂聚合物先由水解菌水解成单一或较复杂的化合物，然后由酸化菌进一步将单一或较复杂的化合物降解，生成各种挥发性有机酸。在产氢产乙酸阶段，主要有两大阶段：产乙酸阶段，即产酸菌进一步将各种挥发性有机酸降解为乙酸、二氧化碳和氢气，其中乙酸为主要产物；在同型产乙酸阶段，主要由同型产乙酸菌将氢气与二氧化碳转化为甲烷。在产甲烷阶段，产甲烷菌主要利用乙酸、氢气、二氧化碳、甲酸、甲醇及甲基胺等简单的物质产生甲烷和合成自身的细胞物质。
厌氧消化的三个阶段并没有明显的界限，上一阶段的产物是下一阶段的底物。在厌氧消化过程，如何判定厌氧消化过程是否顺利完成，即稳定(stabilization)，显然具有十分重要的意义。在厌氧消化过程中，溶解性有机物(DOM)是关键成分，因为微生物的新陈代谢发生在水溶性相中。DOM由输入有机物的溶解成分和微生物过程的中间体组成，与颗粒有机物相比，它们被认为是微生物的直接同化碳源。因此，通过DOM表征来判定厌氧消化过程的稳定性具有很大的潜力。三维荧光激发发射矩阵光谱(EEM)是表征DOM的强大技术。三维荧光信息包括峰强度、峰位置和分布，光谱分解(例如PARAFAC、PCA、PFFCA)以及与能量有关的信息(例如斯托克斯位移、激发态的能级)。
目前，厌氧消化的稳定性判定很多还是依靠传统经验，比如厌氧消化时间或者沼气的产生速率、pH等，由于产甲烷菌等微生物在厌氧消化过程的动态变化，这些指标的可靠性存在明显不足。而通过挥发性脂肪酸(VFAs)和总有机碳TOC等指标存在过程繁琐且消耗化学试剂。中国专利CN110129409A公开了一种厌氧消化过程进入稳定阶段的判定方法，包括：启动厌氧消化过程至少3天后，每间隔预设时间从所述反应体系中取一定量液态反应物并测量所取液态反应物中的甲基辅酶M的含量；当至少连续15天内所取液态反应物中的甲基辅酶M的含量持续增加时，确定厌氧过程消化进入稳定阶段。该方法采用分析甲基辅酶M含量的方法，虽然测量气体稳定性更高，但是需要通过专用试剂盒进行测量。目前，亟待拓展新的监测指标以综合评判厌氧消化的稳定性。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于荧光强度斯托克斯位移分布的厌氧消化稳定度判定方法。本发明采用如下的技术方案：
一种厌氧消化稳定度判定方法，包括以下步骤：
(1)采集不同厌氧消化时间的消化液，稀释后过滤，得到厌氧消化液溶解性有机物；
(2)将厌氧消化液溶解性有机物进行三维荧光光谱分析，并对采集的三维荧光光谱进行标准化处理；
(3)将斯托克斯位移图谱与不同采集时间的厌氧消化液溶解性有机物的标准化三维荧光光谱叠加，计算不同斯托克斯位移的荧光强度分布；
(4)当荧光强度的斯托克斯位移分布曲线在0.85～1.15μm-1处出现峰，即判定厌氧消化已经达到稳定。
作为本发明的进一步改进，消化液采集体积为0.5～2mL。进一步的，消化液采用超纯水稀释；稀释比例为5～50倍。荧光检测灵敏度较高，厌氧消化液溶解性有机物(DOM)浓度会影响荧光强度，过高或过低都会影响检测的准确性，在限定的范围内可以获得较准确的结果。
作为本发明的进一步改进，稀释消化液的过滤孔径为0.45～0.70微米；优选0.70微米。
作为本发明的进一步改进，三维荧光光谱分析的激发波长Ex范围为240～600nm，发射波长Em范围为250～600nm。
作为本发明的进一步改进，所述的三维荧光光谱标准化处理包括去除拉曼散射、消除一级和二级瑞丽散射和内滤效应校正，并将测得的荧光强度除以Ex＝350nm处超纯水的拉曼峰强度，将荧光强度转换为拉曼单位(R.U.)。
作为本发明的进一步改进，所述斯托克斯位移指激发频率与发射频率之间的差，即斯托克斯位移＝1/λEx-1/λEm，其中λEx和λEm分别是激发波长和发射波长。
作为本发明的进一步改进，所述的厌氧消化为作物秸秆的液相厌氧消化。
本发明提出一种基于三维荧光光谱能量信息的判定厌氧消化稳定性的方法，即结合斯托克斯位移和三维荧光光谱信息，基于消化液DOM芳香性和π共轭体系等变化特征对荧光光谱和斯托克斯位移的影响，以特定范围内斯托克斯位移的荧光强度峰作为判定方法。通过跟踪不同作物秸秆(包括油菜、水稻、棉花、花生、大豆、玉米、小麦、高粱等)厌氧消化液DOM的斯托克斯位移分布规律，并耦合产酸性能、产甲烷性能、挥发性脂肪酸(VFAs)和总有机碳TOC等指标变化规律，发现当厌氧消化已经达到稳定时，DOM的芳香性和π共轭体系使荧光强度的斯托克斯位移分布曲线在0.85～1.15μm-1处出现峰值。
本发明提出的方法具有分析速度快、样品量小、不使用任何化学试剂等优点，可作为作物秸秆厌氧消化过程控制的有效监测手段。
附图说明
图1是典型作物秸秆厌氧消化的三维荧光光谱。
图2是斯托克斯位移图谱。
图3是典型作物秸秆厌氧消化过程的斯托克斯位移荧光强度分布。
图4是消化液60d内产气规律。
图5是消化液60d内挥发性脂肪酸降解规律。
具体实施方式
实施例1
厌氧消化采用500mL反应瓶，置于37℃恒温水浴(±0.1℃)中，并配有0～160rpm电动搅拌单元。作物秸秆采用小麦秸秆，含水率为10.3％，挥发性固体含量为89.1％，纤维素、半纤维素和木质素含量分别为42.59％、23.6％和9.01％。小麦秸秆研磨至<0.15mm，厌氧消化的底物浓度为12gVS L-1，搅拌速率为80rpm，接种物为厌氧污泥，接种比为3:1(底物：接种物，以VS计)，厌氧消化时间为60d。
每隔10d，采集0.5mL的厌氧消化液，稀释15倍并通过0.70μm微孔滤膜过滤，得到厌氧消化液溶解性有机物(DOM)；将厌氧消化液DOM，进行三维荧光光谱分析。三维荧光光谱(three-dimensional excitation emission matrix，3D-EEM)采用吸收和三维荧光扫描光谱仪(Aqualog,HORIBAInstruments INC.,USA)分析，配以1cm×1cm石英荧光样品池。荧光扫描光谱仪以氙气灯为激发光源，信噪比>20000：1。激发波长(Ex)范围从240～600nm。发射波长(Em)范围从250～600nm。对测得的三维荧光光谱，进行标准化数据处理，包括利用超纯水去除拉曼散射，消除一、二级瑞丽散射，并同时测量UV-Vis吸光光谱校正内滤效应。内滤效应的校正如式1所示。
Figure BDA0002988433020000031
其中Fobs和Fideal分别为测量和校正后的荧光强度，AbsEx和AbsEm分别为激发波长和发射波长的吸光度。测得的荧光强度除以Ex＝350nm处超纯水的拉曼峰强度，将荧光强度转换为拉曼单位(R.U.)。典型作物秸秆厌氧消化的三维荧光光谱，如图1所示。将斯托克斯位移(Stokes shift)图谱(如图2所示)，与不同采集时间的厌氧消化液DOM的标准化三维荧光光谱叠加，计算不同斯托克斯位移的荧光强度分布，如图3所示。由图3可以看出，在厌氧消化0-30d，荧光强度的斯托克斯位移分布曲线在0.85～1.15μm-1均未出现峰，这显示该阶段作物秸秆的厌氧消化还未稳定，而经过40～60d的厌氧消化后，荧光强度的斯托克斯位移分布曲线在0.956、0.956、1.071μm-1处出现峰，显示该阶段的作物秸秆的厌氧消化已稳定。
采用产气量和挥发性脂肪酸的方法进行厌氧消化稳定度判断，该方法为厌氧消化稳定度的通用判别方法(如State indicators for monitoring the anaerobicdigestion process,Water Research,2010,44(20),5973-5980；厌氧消化系统过程稳定性研究和进展,化学工程师，2015,7)，分析消化液60d内产气规律和挥发性脂肪酸降解规律(图4和图5)发现，在40～60时厌氧消化达到稳定，和本发明的判断一致。
实施例2
本实施例2与实施例1相比，区别仅在于：采用的秸秆为高粱秸秆，厌氧消化的底物浓度为15gVS L-1。在厌氧消化0-40d，荧光强度的斯托克斯位移分布曲线在0.85～1.15μm-1均未出现峰，这显示该阶段作物秸秆的厌氧消化还未稳定，而经过50～60d的厌氧消化后，荧光强度的斯托克斯位移分布曲线在0.996、1.103μm-1处出现峰，显示该阶段的作物秸秆的厌氧消化已稳定。采用产气量和挥发性脂肪酸的方法进行厌氧消化稳定度判断，分析消化液60d内产气规律/挥发性脂肪酸降解规律发现，在50～60d时厌氧消化达到稳定，和本发明的判断一致。

Claims (8)

1.一种厌氧消化稳定度判定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集不同厌氧消化时间的消化液，稀释后过滤，得到厌氧消化液溶解性有机物；
(2)将厌氧消化液溶解性有机物进行三维荧光光谱分析，并对采集的三维荧光光谱进行标准化处理；
(3)将斯托克斯位移图谱与不同采集时间的厌氧消化液溶解性有机物的标准化三维荧光光谱叠加，计算不同斯托克斯位移的荧光强度分布；
(4)当荧光强度的斯托克斯位移分布曲线在0.85～1.15μm-1处出现峰，即判定厌氧消化已经达到稳定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，消化液采集体积为0.5～2mL。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，消化液采用超纯水稀释；稀释比例为5～50倍。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，稀释消化液的过滤孔径为0.45～0.70微米；优选0.70微米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，三维荧光光谱分析的激发波长Ex范围为240～600nm，发射波长Em范围为250～600nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的三维荧光光谱标准化处理包括去除拉曼散射、消除一级和二级瑞丽散射和内滤效应校正，并将测得的荧光强度除以Ex＝350nm处超纯水的拉曼峰强度，将荧光强度转换为拉曼单位。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述斯托克斯位移指激发频率与发射频率之间的差，即斯托克斯位移＝1/λEx-1/λEm，其中λEx和λEm分别是激发波长和发射波长。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的厌氧消化为作物秸秆的液相厌氧消化。
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