王粟 史風(fēng)梅 裴占江

摘要[目的]探究微量金屬元素對(duì)中低溫厭氧消化工藝的影響。[方法]通過(guò)向序批式反應(yīng)體系內(nèi)投放微量金屬元素（Fe、Co、Ni），研究不同溫度條件下，厭氧消化效率的差異。[結(jié)果]35 ℃條件下，厭氧發(fā)酵對(duì)底物消耗更為迅速，產(chǎn)氣效率更高，而20 ℃條件下，則更有利于刺激嗜冷產(chǎn)甲烷菌群的活性，各處理的pH多維持在6.5～7.0，更適宜厭氧發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行。其產(chǎn)生的沼氣，甲烷含量也相對(duì)更高，其中WP20處理平均甲烷含量可達(dá)52%。而投放微量金屬元素，對(duì)不同菌種的刺激效果存在一定差異，在20 ℃條件下，微量元素對(duì)W菌種厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率影響最為顯著；35 ℃條件下，微量元素對(duì)G1菌種影響較為明顯，G1P35累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)7 129 mL。[結(jié)論]該研究可為深入探討低溫條件下沼氣生物強(qiáng)化菌群的微生物特性、環(huán)境因子互作、菌群時(shí)空分布和種群動(dòng)力學(xué)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 厭氧消化；金屬元素；中低溫

中圖分類號(hào) S210.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）03-0049-03

Abstract[Objective] To explore effects of trace metal elements on middle and low temperature anaerobic digestion process.[Method] Effects of trace elements （Fe，Co，Ni） on anaerobic digestion system were investigated through batch experiments at 20 ℃ and 35 ℃.[Result] The results showed that the consuming velocity of substrate was faster by anaerobic digestion and the aerogenesis rate was higher at 35 ℃，while，the activity of psychrophilic methanogens was higher at 20 ℃.The pH of all treatment groups maintained from 6.5 to 7.0 which benefited the reactions of anaerobic fermentation.Especially，methane content was higher in biogas produced at 20 ℃ and relative average methane content in WP20 group reached to 52%.Meanwhile，the effects of adding trace metal elements on different strains of bacteria were also different.The effect was most significant in W group at 20 ℃，but in G1 group at 35 ℃，and the cumulative biogas yield of G1P35 group was up to 7 129 mL.[Conclusion] The study can provide the technical support for the further study on the microbial characteristics，environmental factors interaction，the temporal and spatial distribution of bacteria and the population dynamics in the low temperature condition.

Key words Anaerobic digestion；Metal element；Middle and low temperature

沼氣生產(chǎn)是一個(gè)由多種微生物聯(lián)合，具有交替作用的復(fù)雜生化過(guò)程，受多種環(huán)境因素影響[1]，在現(xiàn)有技術(shù)和裝備條件下，寒區(qū)沼氣生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)低下。目前仍缺乏能夠滿足這種需求的理論依據(jù)和實(shí)用技術(shù)。生物強(qiáng)化發(fā)酵技術(shù)是指在生物處理系統(tǒng)中，通過(guò)投加非生物外源添加劑或具有特定功能微生物來(lái)恢復(fù)反應(yīng)器功能或增強(qiáng)反應(yīng)器的處理效率的方法[2-3]。目前，生物強(qiáng)化技術(shù)在廢水處理耗氧消化、提高絮凝效果、降解特殊底物，尤其是在土壤和地下水生物修復(fù)中廣為應(yīng)用[4-5]。呂淑霞等[6]研究表明，發(fā)酵物（以TS計(jì)）添加3 g/kg固體纖維素酶，甲烷產(chǎn)率可提高52.10%；而添加一定的微量元素（如鉻、銅、鎳、鋅等）能夠提高沼氣發(fā)酵微生物尤其是產(chǎn)甲烷菌群的生物活性。Geets等[7]研究表明，2.5 mg/L Ni能夠增加54.00%的產(chǎn)氣量。Singer等[8]研究發(fā)現(xiàn)，奶牛糞便中添加Cu，在48 d滯留時(shí)間內(nèi)產(chǎn)氣率比對(duì)照提高22.22%。李亞新等[9]分別以醋酸鈣和乙醇為基質(zhì)，研究得出激活甲烷菌的最佳微量元素組合為Fe、Co、Ni，與對(duì)照相比，產(chǎn)氣量增加43.40%，甲烷含量提高了5.10%，COD去除率提高了10.20%。

沼氣發(fā)酵過(guò)程對(duì)溫度敏感，不僅影響產(chǎn)甲烷速率，還影響甲烷生成途徑[10-11]。低溫生境中甲烷主要通過(guò)乙酸為底物來(lái)合成，其在該途徑的貢獻(xiàn)率可達(dá)88.00%，而中溫條件下僅有33.00%的甲烷是由乙酸型產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生[12]，這也暗示著低溫下甲烷的合成途徑、生物強(qiáng)化工藝及效果不同于中溫生境。而前人研究也多集中于常溫條件下生物強(qiáng)化產(chǎn)甲烷過(guò)程，對(duì)于低溫條件下產(chǎn)甲烷過(guò)程研究較少。筆者通過(guò)向反應(yīng)體系內(nèi)投放微量金屬元素，研究在不同溫度條件下沼氣發(fā)酵菌群強(qiáng)化厭氧消化效率的差異，以期為指導(dǎo)寒區(qū)沼氣生產(chǎn)實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

厭氧發(fā)酵以牛糞為底物，采集于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)，烘干后用植物粉碎機(jī)（FZl02）將樣品粉碎，放入20 L塑料袋中，用純氮?dú)庵脫Q內(nèi)部空氣后，于4 ℃儲(chǔ)存于干燥器內(nèi)備用。

接種污泥取自全省不同生態(tài)區(qū)的典型生境[五大連池（W）、肇東（Z）、林甸（L）、依安（Y）、甘南（G1）、密山（M）]，通過(guò)富集培養(yǎng)，篩選出具有較高活性的低溫產(chǎn)甲烷菌群。試驗(yàn)前將接種污泥置于35 ℃、2 Hz搖床培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，以減少內(nèi)生甲烷氣體對(duì)結(jié)果的影響。具體理化性狀見(jiàn)表1。

1.2 裝置與方法

采用序批式厭氧發(fā)酵方法，隨機(jī)選取接種菌群，分別將W、Z、L 3組處理置于（20±1） ℃溫度下培養(yǎng)，記為W20、Z20、L20；將G1、Y、M置于（35±1） ℃溫度下培養(yǎng)，記為G135、Y35、M35。每組設(shè)3次重復(fù)。此外，另設(shè)6組處理，分別向上述各菌種厭氧發(fā)酵體系內(nèi)一次性加入微量金屬元素Fe3+、Co2+、Ni2+，記為WP20、ZP20、LP20、G1P35、YP35、MP35。微量金屬元素投入量為Fe3+ 1.00 mg/L、Co2+0.10 mg/L、Ni2+0.25 mg/L。

試驗(yàn)裝置采用自制1 L廣口瓶為反應(yīng)器，反應(yīng)體系600 mL，總固體含量（TS）為6%，接種時(shí)厭氧瓶?jī)?nèi)充入氮?dú)饬?00 mL/min，保持6 min以上，保證反應(yīng)體系處于嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。

試驗(yàn)周期為60 d，沼氣產(chǎn)量采用排飽和食鹽水法測(cè)定；甲烷含量采用氣相色譜儀（安捷倫7890A）分析測(cè)定，載氣為高純氮?dú)夂蜌錃猓錅囟?0 ℃，前進(jìn)樣口溫度125 ℃，檢測(cè)器溫度設(shè)為150 ℃，樣品停留時(shí)間8.5 min；pH 采用pH計(jì)法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣量變化

從圖1可以看出，20 ℃培養(yǎng)條件下，各處理在發(fā)酵初期（1～8 d）產(chǎn)氣量迅速上升，第9天產(chǎn)氣量逐漸減少，隨著發(fā)酵進(jìn)行，第25天，各處理逐步進(jìn)入產(chǎn)氣高峰，L20處理的產(chǎn)氣量最高，達(dá)470 mL。發(fā)酵第30天，各處理產(chǎn)氣量迅速下降，并逐步趨于穩(wěn)定。

從圖2可以看出，各處理累計(jì)產(chǎn)氣量從大到小依次為WP20、Z20、ZP20、L20、LP20、W20，可見(jiàn)，微量元素的投放對(duì)菌種Z和L菌種厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率影響不大，而WP20和W20累計(jì)產(chǎn)氣量分別達(dá)到5 840和4 758 mL，說(shuō)明微量金屬元素的投放對(duì)提高W菌群厭氧產(chǎn)氣效率具有顯著效果。

從圖3可以看出，由于溫度的升高，發(fā)酵前3 d便有大量氣體產(chǎn)生，并在第4天產(chǎn)氣量迅速下降，這可能是由于有機(jī)酸短期內(nèi)得到大量積累，產(chǎn)氣效率受到了抑制。但隨著產(chǎn)甲烷優(yōu)勢(shì)菌群活性的不斷增強(qiáng)，產(chǎn)氣量又再次升高，并在第6天進(jìn)入產(chǎn)氣高峰期，其中Y35處理的日最高產(chǎn)氣量達(dá)677 mL。隨著厭氧發(fā)酵的進(jìn)行，各處理日產(chǎn)氣量逐步呈下降趨勢(shì)，并在第38天開(kāi)始，日產(chǎn)氣量維持在150 mL以下。從圖4可以看出，35 ℃條件下，添加微量金屬元素，使菌群M和G1的產(chǎn)氣效率顯著提高， 其中，G1P35處理累計(jì)產(chǎn)氣量最高達(dá)7 129 mL。

2.2 pH及甲烷含量變化

從圖5可以看出，各處理pH 在試驗(yàn)過(guò)程中基本穩(wěn)定，pH 在厭氧發(fā)酵初期呈現(xiàn)一定下降后，于第9天開(kāi)始增加，并逐步趨于穩(wěn)定，說(shuō)明反應(yīng)體系甲烷菌群活性較高，大部分小分子酸得到及時(shí)分解利用。pH進(jìn)入穩(wěn)定期后，20 ℃條件下各處理pH均保持在6.5～7.0，而35 ℃各處理pH多維持在7.0左右（圖6），說(shuō)明20 ℃條件下各處理的pH最適宜厭氧發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行，有利于提高產(chǎn)沼氣的質(zhì)量。

從圖7、8可以看出，各處理在厭氧發(fā)酵前9 d，甲烷含量迅速增加，隨后逐步趨于穩(wěn)定，其中20 ℃條件下各處理甲烷含量均維持在51%左右，明顯高于35 ℃下各處理49%左右的甲烷含量。WP20處理平均甲烷含量最高，達(dá)到52%，其他各處理平均甲烷含量從大到小依次為L(zhǎng)P20、L20、W20、Z20、Y35、YP35、ZP35、G1P35、M35、G135、MP35，說(shuō)明20 ℃條件下各處理反應(yīng)體系中的產(chǎn)甲烷菌群活性更高。

20 ℃下各處理日產(chǎn)氣量低于35 ℃下各處理，而甲烷含量卻明顯高于35 ℃下各處理，未出現(xiàn)產(chǎn)氣量越高甲烷含量也越高的普遍現(xiàn)象。這可能是由于接種菌群均來(lái)自全省各典型低溫生境，厭氧發(fā)酵過(guò)程中，在相對(duì)低溫環(huán)境下，更有利于刺激嗜冷產(chǎn)甲烷菌群的活性，從而提高了沼氣中的甲烷含量。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)不同菌種在不同溫度條件下對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率的影響可知，35 ℃條件下，厭氧發(fā)酵對(duì)底物消耗更為迅速，產(chǎn)氣效率更高。

（2）20 ℃條件下，有利于刺激嗜冷產(chǎn)甲烷菌群的活性，各處理pH多維持在6.5～7.0，更適宜厭氧發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行。其產(chǎn)生的沼氣，甲烷含量也相對(duì)更高，其中WP20處理平均甲烷含量可達(dá)52%。

（3）投放微量金屬元素，對(duì)不同菌種的刺激效果存在一定差異，在20 ℃條件下，微量元素對(duì)W菌種厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率影響差異最為顯著；而在35 ℃條件下，微量元素對(duì)G1菌種影響較為明顯，G1P35累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)7 129 mL。

參考文獻(xiàn)

[1] METJE M，F(xiàn)RENZEL P.Methanogenesis and methanogenic pathways in a peat from subarctic permafrost[J].Environ Microbiol，2007，9（4）：954-964.

[2] HORN M A，MATTHIES C，KSEL K，et al.Hydrogenotrophic methanogenesis by moderately acid-tolerant methanogens of a methane-emitting acidic peat[J].Appl Environ Microbiol，2003，69（1）：74-83.

[3] CONNAUGHTON S，COLLINS G，O′FLAHERTY V.Psychrophilic and mesophilic anaerobic digestion of brewery effluent：A comparative study[J].Water Res，2006，40（15）：2503-2510.

[4] VAN LIMBERGEN H，TOP F M，VERSTRAETE W.Bioaugmentation in activated sludge：Current features and future perspectives[J].Applied microbiology and biotechnology，1998，50（1）：16-23.

[5] KNIGHT B，ZHAO F J，MCGRATH S P，et al.Zinc and cadmium uptake by the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens in contaminated soils and its effects on the concentration and chemical speciation of metals in soil solution[J].Plant and soil，1997，197（1）：71-78.

[6]呂淑霞，陳祖潔.纖維素酶應(yīng)用于酒精糟廢水厭氧消化中的研究[J].中國(guó)沼氣，1994（1）：1-5.

[7] GEETS G S，JAGADEESH K S，REDDY T K.Nic Heasall accelerator of biogas productionin water hyacineh，Eiehor nia erassipes Solns[J].Biomass，1990，21：157-161.

[8] SINGER A C，VAN DER GAST C J，THOMPSON I P.Perspectives and vision for strain selection in bioaugmentation[J].Trends in biotechnology，2005，23（2）：74-77.

[9]李亞新，楊建剛.微量金屬元素對(duì)甲烷菌激活作用的動(dòng)力學(xué)研究[J].中國(guó)沼氣 ，2000，18（2）：8-11.

[10] KOTSYURBENKO O R，F(xiàn)RIEDRICH M W，SIMANKOVA M V，et al.Shift from acetoclastic to H2-dependent methanogenesis in a West Siberian peat bog at low pH values and isolation of an acidophilic Methanobacterium strain[J].Appl Environ Microbiolj，2007，73（7）：2344-2348.

[11] DHAKED R K，SINGH P，SINGH L.Biomethanation under psychrophilic conditions[J].Waste Manag，2010，30（12）：2490-2496.

[12] CONRAD R.Contribution of hydrogen to methane production and control of hydrogen concentrations in methanogenic soils and sediments[J].FEMS Microbiol Ecol，1999，28（3）：193-202.