仇 植, 許立峰, 王 進, 岳正波, 彭書傳

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009)

厭氧干發(fā)酵通常因傳質(zhì)障礙和有機負荷高等原因,導致其甲烷產(chǎn)率和有機物降解效率降低[1]。因此,在提高甲烷產(chǎn)率和改善發(fā)酵工藝穩(wěn)定性方面有了較多研究。如利用不同有機廢棄物混合發(fā)酵、對木質(zhì)纖維素原料預處理[2-3],另外,利用高溫(50～60 ℃)條件替代常溫(35～40 ℃),也會達到更高的反應速率和產(chǎn)甲烷效率[4]。

鐵元素作為一種外源添加劑,添加到有機物厭氧發(fā)酵體系中以提高產(chǎn)甲烷性能和反應器穩(wěn)定性被廣泛研究[5-6]。鐵氧化物作為一種廉價易得的礦物,添加于厭氧反應體系中能夠促進生物質(zhì)底物的水解效率[7],提高沼氣和甲烷產(chǎn)量[8]。有研究表明[9],在農(nóng)業(yè)廢棄物混合厭氧干發(fā)酵體系中添加鐵氧化物可提高甲烷產(chǎn)率和甲烷產(chǎn)生速率。

微量元素(如Co、Ni等)作為厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中輔酶、輔基及輔因子的重要成分,對產(chǎn)甲烷階段也起著重要的調(diào)控作用[10]。其對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定及工藝性能的改善有很大幫助。文獻[11]研究鐵、鈷、鎳對餐廚垃圾在高固體含量下厭氧發(fā)酵的影響表明,在第8批次結(jié)束時,鈷和鎳或鐵、鈷和鎳組合添加時甲烷產(chǎn)量最高。文獻[12]研究表明,當微量元素Fe2+、Ni2+及Co2+的質(zhì)量濃度分別為5.00 mg/L、21.40 μg/L和28.82 μg/L時,可提高厭氧發(fā)酵過程中關鍵酶活性,以促進產(chǎn)氣。

鐵氧化物可作為外源添加劑提高厭氧干發(fā)酵的產(chǎn)氣性能,但是其缺乏對厭氧發(fā)酵起重要作用的其他微量元素(如鈷和鎳),對于該問題前人關注并不多。因此,本研究主要考察了以水稻秸稈和牛糞作為混合底物,褐鐵礦及鈷、鎳微量元素添加對其厭氧干發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程的影響。

1 材料與方法

1.1 原料與接種物

水稻秸稈取自安徽合肥市肥西縣花崗鎮(zhèn)農(nóng)田,經(jīng)風干、研磨后,過40目篩,用于厭氧發(fā)酵實驗；牛糞取自安徽宿州市蕭縣某養(yǎng)牛場;接種物為發(fā)酵沼液,取自安徽宿州市蕭縣一農(nóng)戶家中。褐鐵礦來自安徽銅陵市新橋鎮(zhèn),經(jīng)研磨后過40目篩,其主要組成的氧化物為Fe2O3(61.65%)、SiO2(16.45%)及Al2O3(4.09%),主要組成的微量元素為Cu(0.036 2%)、Zn(1.278 1%)、Pb(0.032 3%)、Ni(0.002 1%)、Mn(3.646 6%)及As(0.037 3%)。發(fā)酵原料稻草、牛糞和沼液的基本性質(zhì)見表1所列。表1中，TS表示總固體；VS表示揮發(fā)性固體；TC表示總碳；TN表示總氮。

表1 沼液、秸稈和牛糞的基本性質(zhì)

1.2 實驗方法

實驗采用250 mL血清瓶作為反應器,秸稈、牛糞及沼液的總VS質(zhì)量為13 g,添加比例為1∶1∶0.6(以VS質(zhì)量計),秸稈、牛糞與沼液通過人工攪拌均勻后裝入反應器。實驗體系中加入CaCO3固體作為緩沖物,用以調(diào)節(jié)發(fā)酵過程中的堿度,添加量0.3 g。褐鐵礦添加量為0.1 g,每g VS中添加Co和Ni的量分別為1.6 μg。實驗分組、底物、接種物、褐鐵礦及微量元素添加量見表2所列。秸稈、牛糞與沼液混合后的質(zhì)量比在20∶1左右,總固體質(zhì)量分數(shù)為24.8%。發(fā)酵物裝瓶后,鼓氬氣1.5 min,立即用軟膠塞和鋁薄皮密封,然后稱其質(zhì)量。所有反應器置于(35±1) ℃恒溫培養(yǎng)箱中,每5天進行一次排氣及反應器稱重,并測定產(chǎn)氣量和甲烷的量;每15天拆瓶1次,測定體系pH值及底物中氨氮、總氮、TOC和鹽酸可提取態(tài)Fe2+的量。每組實驗設置16組平行樣。

表2 底物、沼液、褐鐵礦及微量元素添加量

注:Fe (1%)表示褐鐵礦添加量為秸稈牛糞總VS質(zhì)量的1%;TE表示微量元素Co、Ni。

1.3 指標測試

TS和VS采用標準方法[13]測定。發(fā)酵原料的C、N元素采用元素分析儀分析(vario EL cube,德國)測定。反應開始后,產(chǎn)氣量采用排水集氣法測定,并轉(zhuǎn)換為標準狀況下體積。甲烷采用氣相色譜(SP6890,山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)測定。沼渣提取液的總氮和總有機碳(total organic carbon,TOC)含量采用TOC分析儀(multi N/C?3100,德國)測定,氨氮采用可見分光光度計(MF J7200,龍尼柯(上海)儀器有限公司)測定,鹽酸可提取態(tài)Fe2+濃度根據(jù)文獻[14]方法測定,pH值采用pH計(pHS-3C,上海儀電科學儀器股份有限公司)測定。沼渣中半纖維素、纖維素及木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)采用范氏(van Soest)洗滌纖維分析法[15]測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 微量元素添加對甲烷產(chǎn)生的影響

微量元素添加對甲烷產(chǎn)生的影響如圖1所示。

圖1 微量元素添加對累積甲烷產(chǎn)量和底物降解率的影響

由圖1a可知,所有實驗體系自反應開始便有較大量甲烷產(chǎn)生,說明實驗體系中微生物活性較高,且產(chǎn)甲烷菌與脂肪酸氧化菌存在穩(wěn)定的競爭與互營作用,促使產(chǎn)酸產(chǎn)氫及產(chǎn)甲烷反應快速進行。在僅褐鐵礦添加的實驗體系中,甲烷累積產(chǎn)量逐漸增大,說明褐鐵礦的添加對秸稈和牛糞厭氧干發(fā)酵具有促進作用。發(fā)酵結(jié)束后,對照組(無褐鐵礦添加)的最終累積甲烷產(chǎn)量為(1 680±115) mL,僅褐鐵礦添加實驗組為(1 906±182) mL,最終累積甲烷產(chǎn)量提高了13.4%。水解酸化是厭氧發(fā)酵限速步驟,據(jù)報道,在厭氧消化體系中,Fe (Ⅲ)/Fe (Ⅲ)-Fe (Ⅱ)氧化物的補充可以促進復雜物質(zhì)的分解,其機制是Fe (Ⅲ)/Fe (Ⅲ)-Fe (Ⅱ)氧化物可以富集鐵還原菌,通過異化鐵還原參與復雜有機物的分解[16-17]。本實驗中甲烷產(chǎn)量因褐鐵礦添加而增加,可能是鐵氧化物的添加促進了復雜底物的水解酸化,為后續(xù)產(chǎn)甲烷階段提供充足營養(yǎng)及物質(zhì)來源。另外,Fe元素不僅能夠參與厭氧微生物體內(nèi)細胞色素的合成,激活多種酶的活性,而且能夠充當胞內(nèi)氧化還原反應的電子載體[10,18],促進甲烷產(chǎn)量的增加。

除Fe元素外,Co及Ni在甲烷合成途徑中的作用也至關重要[10]。自第5天開始,有Co、Ni添加實驗組的甲烷產(chǎn)量開始顯著增加,發(fā)酵結(jié)束后,添加Co及Ni實驗組的最終累積甲烷產(chǎn)量為(1 950±158) mL,褐鐵礦及同時添加Co、Ni實驗組的最終累積甲烷產(chǎn)量為(2 445±181) mL,最終累積甲烷產(chǎn)量分別提高了16.1%和45.5%。Co是酶F420的重要金屬成分,可激活厭氧發(fā)酵過程中酶F420的活性,促進微生物細胞的生物合成和產(chǎn)甲烷過程[10,19]。Ni是產(chǎn)甲烷菌細胞中甲基輔酶還原酶的活性酶(F430因子)的重要組成元素[20]。Co和Ni都參與一氧化碳脫氫酶的合成,該酶在乙酸形成過程中起重要作用[21]。由最終甲烷累積產(chǎn)量可以發(fā)現(xiàn),褐鐵礦及同時添加Co、Ni的作用效果要強于其單獨作用效果之和,也說明了微量元素在厭氧干發(fā)酵過程中的重要作用。

由圖1b可知,褐鐵礦及Co、Ni的添加對底物降解率無明顯影響,所有實驗體系中的底物降解率均在40%～42%之間。無褐鐵礦添加實驗組的甲烷產(chǎn)率為每g VS產(chǎn)甲烷(323.7±22.3) mL,在僅褐鐵礦添加實驗體系中,褐鐵礦的添加對甲烷產(chǎn)率有促進作用,甲烷產(chǎn)率提高了11.5%。Co及Ni的添加對甲烷產(chǎn)率也有促進作用,甲烷產(chǎn)率提高了11.6%;褐鐵礦及同時添加Co、Ni實驗組的甲烷產(chǎn)率為每g VS產(chǎn)甲烷(449.8±44.3) mL,甲烷產(chǎn)率提高了39.0%。因此,在以秸稈與牛糞為混合底物進行厭氧干發(fā)酵時,適量添加微量元素可提高甲烷產(chǎn)率。微量元素的添加對底物的降解量并無影響,但能提高甲烷產(chǎn)率,這說明微量元素的添加可促進底物中可溶性有機物轉(zhuǎn)化成甲烷的效率。

2.2 發(fā)酵過程中pH值及底物中TOC變化

實驗體系pH值變化情況如圖2a所示,發(fā)酵初期,由于復雜有機物的水解,大量有機酸產(chǎn)生,導致體系pH值迅速下降;當實驗體系中的產(chǎn)甲烷過程占主導,有機酸被逐漸分解,pH值開始逐漸升高。由變化趨勢可見,對照組pH值達到最低值的時間要長于其他3個實驗體系,說明褐鐵礦及微量元素的添加可促進底物的水解及產(chǎn)酸過程。

微量元素對底物中TOC的影響如圖2b所示,底物中TOC呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢,這是由于在發(fā)酵產(chǎn)酸階段,微生物大量分解底物中的大分子物質(zhì),導致有機酸、碳水化合物等可溶性有機物的積累;當體系開始以產(chǎn)甲烷占主導,底物中可溶有機物轉(zhuǎn)化為沼氣的速率增大,TOC則開始逐漸下降。

圖2 微量元素添加對體系pH值及底物中TOC的影響

從TOC的變化趨勢可以看出,有褐鐵礦及微量元素添加體系的TOC在第15天左右達到峰值,而對照組TOC在第15天以后達到峰值,這說明褐鐵礦及微量元素的添加可提高底物中復雜有機物的水解速率。發(fā)酵結(jié)束后,褐鐵礦及微量元素添加實驗體系中TOC要顯著低于對照組,說明褐鐵礦及微量元素的添加促進了底物中可溶性有機物的轉(zhuǎn)化效率,這與圖1b中的結(jié)果相符。此外,褐鐵礦及同時添加Co、Ni實驗組的TOC最低,說明在褐鐵礦強化的秸稈與牛糞厭氧干發(fā)酵體系中,添加適量Co、Ni元素可進一步提高可溶性底物轉(zhuǎn)化效率。

2.3 發(fā)酵過程中氨氮及總氮質(zhì)量的變化

發(fā)酵過程中氨氮及總氮質(zhì)量的變化如圖3所示。

圖3 微量元素添加對底物中氨氮及總氮質(zhì)量的影響

由圖3可知，4個實驗體系中氨氮及總氮質(zhì)量變化趨勢類似。發(fā)酵初期,體系中氮質(zhì)量的下降,可能是微生物大量生長繁殖消耗氮元素所致；之后,因固相中含氮物質(zhì)的大量降解,氨氮及總氮質(zhì)量逐漸上升；發(fā)酵結(jié)束后,添加褐鐵礦及微量元素的實驗體系中,氨氮及總氮質(zhì)量均高于對照組,說明褐鐵礦及微量元素的添加可促進底物中含氮物質(zhì)的降解,且兩者同時添加時促進作用更強。有研究表明,厭氧發(fā)酵過程中,氨氮積累對產(chǎn)甲烷過程有抑制作用[22]。本實驗過程中并未出現(xiàn)甲烷生成抑制現(xiàn)象,盡管褐鐵礦及微量元素添加會促進氨的釋放,但并未影響產(chǎn)甲烷過程,體系營養(yǎng)均衡。

2.4 發(fā)酵過程中Fe2+質(zhì)量的變化

在前人研究中,Fe元素對厭氧發(fā)酵影響的研究較多,因為Fe元素在厭氧發(fā)酵體系中具有高需求性[23],Fe在合成產(chǎn)甲烷菌組織的金屬元素中含量最高[10]。添加褐鐵礦的實驗體系中Fe2+的質(zhì)量在整個發(fā)酵過程中有顯著的變化，如圖4所示,因為初始發(fā)酵底物中可能含有微量Fe元素,所以無Fe元素添加實驗組中Fe2+質(zhì)量在整個發(fā)酵過程中也有略微波動。

圖4 底物中Fe2+質(zhì)量的變化

2.5 微量元素添加對木質(zhì)纖維素降解的影響

底物木質(zhì)纖維素質(zhì)量分數(shù)及其降解率如圖5所示。由圖5可知，發(fā)酵初始體系中,纖維素、半纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)分別為39.11%、17.98%和9.15%。在所有實驗體系中,半纖維素的質(zhì)量分數(shù)有顯著的變化,且褐鐵礦及微量元素的添加可降低底物中半纖維素質(zhì)量分數(shù),說明褐鐵礦及微量元素的添加可促進底物中半纖維素的降解。木質(zhì)素的質(zhì)量分數(shù)皆有略微的提高,這是由于木質(zhì)素生物降解性很低,而半纖維素和纖維素大量降解,從而導致其質(zhì)量分數(shù)相對增加。褐鐵礦及微量元素的添加對纖維素的降解無影響,所有實驗體系的纖維素降解率均在43%～46%之間,當Fe、Co、Ni元素同時添加時,可顯著提高半纖維素的降解率,其降解率超過90%,這與圖1中的甲烷產(chǎn)生結(jié)果一致。

圖5 底物木質(zhì)纖維素質(zhì)量分數(shù)及木質(zhì)纖維素降解率

3 結(jié) 論

(1) 褐鐵礦及微量元素的添加可顯著促進甲烷產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)率,甲烷產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)率分別為(2 445±181) mL和每g VS(449.8±44.3) mL(基于降解VS),分別提高了45.5%和39.0%。

(2) 褐鐵礦及微量元素的添加可顯著降低底物中TOC,且增加氨氮及總氮質(zhì)量,從而促進了含氮物質(zhì)的降解。

(3) 褐鐵礦及微量元素的添加可顯著促進半纖維素的降解,其降解率超過90%,對纖維素的降解無影響。