喬 瑋， 畢少杰， 齊向陽， 蘇 敏, 董仁杰,3

(1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083； 2.國家能源生物燃氣高效制備及綜合利用技術(shù)研發(fā)(實驗)中心(中國農(nóng)業(yè)大學)， 北京 100083； 3.中國農(nóng)業(yè)大學煙臺研究院， 山東 煙臺 264670)

據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部估算，中國每年產(chǎn)生畜禽糞污38億噸，綜合利用率不到60%；每年產(chǎn)生秸稈近9億噸，未利用的約2億噸[1]。目前我國正在積極“推進種養(yǎng)業(yè)廢棄物資源化利用”，并 “明確能源化、肥料化利用方向”。甲烷發(fā)酵是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化和能源化利用的主要途徑之一，具有處理廢物和回收清潔沼氣能源雙重特點[2]。

甲烷發(fā)酵過程中微生物細胞的合成代謝不僅需要大量元素C，N和P等，也需要多種微量元素Fe，Co，Ni，Cu，Zn和Se等[3]。Zandvoort[4]等指出，微量元素不僅參與合成厭氧微生物細胞，并且參與合成厭氧發(fā)酵過程中多種酶系統(tǒng)，其中Fe，Co和Ni對產(chǎn)甲烷菌尤為重要。Fe是產(chǎn)甲烷菌細胞合成和生理代謝的最主要元素之一，參與合成并激活產(chǎn)甲烷菌中CO脫氫酶和超氧化物歧化酶的活性，提高甲烷發(fā)酵系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性[5]。Co是轉(zhuǎn)甲基酶和CO脫氫酶的重要組成元素，對產(chǎn)甲烷菌、巴氏甲烷八疊球菌等的生物活性也具有重要作用[6]。Ni是脫氫酶、乙酰輔酶A等多種輔因子的重要組成成分，甲烷發(fā)酵的產(chǎn)氣性能與Ni的含量密切相關(guān)[7]。Pobeheim[8]等的研究結(jié)果表明，青貯玉米甲烷發(fā)酵系統(tǒng)中Ni濃度由0.6 mg·L-1增至0.8 mg·L-1，沼氣產(chǎn)量可以提高25%。同時，多種微量元素在甲烷發(fā)酵中具有協(xié)同促進作用。向城市有機生活垃圾厭氧發(fā)酵批次試驗中加入Fe，Co，Ni復(fù)合微量元素后，沼氣產(chǎn)量、甲烷濃度和化學需氧量(chemical oxygen demand, COD)去除率分別提高43.4%，5.1%和10.2%[9]。由此可見，甲烷發(fā)酵的轉(zhuǎn)化效率與微量元素水平密切相關(guān)。

近年來，我國大中型沼氣工程在數(shù)量及質(zhì)量上取得了矚目的成績[10]，然而目前針對沼氣工程中營養(yǎng)元素水平與原料甲烷發(fā)酵轉(zhuǎn)化效率的相關(guān)研究還較少。本研究試圖從添加微量元素制劑的角度入手，嘗試增強厭氧微生物產(chǎn)甲烷活性，進而提高沼氣工程甲烷發(fā)酵效率。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及處理方法

原料和厭氧污泥分別取自以雞糞、牛糞、豬糞和玉米秸稈為原料的沼氣工程，4座沼氣工程均位于北京郊區(qū)。取樣時，各沼氣工程均常年連續(xù)運行并穩(wěn)定產(chǎn)氣。表1提供了各沼氣工程發(fā)酵罐的基本運行參數(shù)。雞糞、牛糞、豬糞和玉米秸稈均為沼氣工程的進料樣品，取回后置于4℃冷庫中保存。厭氧污泥均為沼氣工程的新鮮出料，取回后分別置于35℃±1℃(雞糞、牛糞和豬糞)或55℃±1℃(玉米秸稈)恒溫水箱(HH-60)中保存。原料和厭氧污泥的性質(zhì)如表2所示。

1.2 甲烷發(fā)酵動力學分析

采用批次實驗分析各原料(雞糞，牛糞，豬糞，玉米秸稈)甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣動力學。試驗設(shè)計如表3所示，試驗流程見圖1。試驗分為2組，分別為原料+微量元素和微量元素(對照)，原料和空白(對照)，每組設(shè)置兩個平行。厭氧污泥、原料和微量元素加入到120 mL玻璃發(fā)酵瓶后，充入氮氣2 min，形成厭氧環(huán)境。采用水浴(HH-60)保持35℃±1℃(雞糞、牛糞和豬糞)或55℃±1℃(玉米秸稈)恒溫。試驗進行了53天，前25天每天測定產(chǎn)氣量和甲烷含量，25天后每隔3天測定1次產(chǎn)氣量和甲烷含量。文中給出的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)均為去除對照后的結(jié)果。

采用一級動力學模型和二階段模型分析各原料甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣動力學[11]。甲烷發(fā)酵的一級動力學模型如公式(1)所示：

(1)

式中:Ymax為最大產(chǎn)氣量，mLCH4·g-1VS;Ys為最大產(chǎn)氣量減去t時刻的累積產(chǎn)氣量，mLCH4·g-1VS;K為速率常數(shù)，d-1；t為產(chǎn)氣時間，d。

圖1 批次試驗流程

甲烷發(fā)酵的兩階段模型如公式(2)所示：

Y=Ymax1-pe-K1t-1-pe-K2t

(2)

式中:Y為t時刻的累積產(chǎn)氣量，mLCH4·g-1VS；Ymax為最大產(chǎn)氣量，mLCH4·g-1VS；K1為快速產(chǎn)氣期的一階速率常數(shù)，d-1；K2為慢速產(chǎn)氣期的一階速率常數(shù)，d-1；t為發(fā)酵時間，d；P為易降解物質(zhì)的成分比例，%；e為自然常數(shù)。

1.3 比產(chǎn)甲烷活性測試

厭氧污泥的比產(chǎn)甲烷活性指污泥所具有的去除COD或生成甲烷的能力，是反映污泥品質(zhì)和表征產(chǎn)甲烷菌活性的重要參數(shù)之一[12]。乙酸是產(chǎn)甲烷菌的最主要前體物質(zhì)，約70%的甲烷通過乙酸裂解途徑產(chǎn)生。因此，以乙酸鈉(最終乙酸濃度為2000 mg·L-1)為基質(zhì)，采用批次試驗測試添加微量元素對接種污泥比產(chǎn)甲烷活性(specific methanogenic activity，SMA)的影響。厭氧污泥處理和試驗過程同1.2。試驗進行了24小時，每3小時測定產(chǎn)氣量和甲烷含量。每種厭氧污泥進行3輪實驗，選取后兩輪實驗產(chǎn)氣結(jié)果計算產(chǎn)甲烷活性。

表1 發(fā)酵罐的基本運行參數(shù)

表2 原料和厭氧污泥特性

注：()：厭氧污泥的特性；TS：總固體(total solid)；VS：揮發(fā)性固體(Volatile Solid)；VSS：揮發(fā)性懸浮固體(Volatile suspended solid)；/：未檢出。

表3 批次實驗設(shè)計

注：a：稱取0.7g玉米秸稈，加蒸餾水至10 mL；b：微量元素在發(fā)酵瓶中的終濃度見表4。

比產(chǎn)甲烷活性計算采用Wandera[13]研究中所用的方法，計算公式如公式(3)所示：

(3)

式中：V(CH4)為累積產(chǎn)甲烷量，mLCH4；VR為血清瓶中添加的污泥量，L；f為COD與甲烷產(chǎn)量的轉(zhuǎn)化系數(shù)，350 mLCH4·g-1COD；VSS為所用厭氧污泥的懸浮性揮發(fā)固體含量，gVSS·L-1；t為時間，d。

1.4 分析方法

1.4.1 化學分析方法

TS，VS和VSS采用重量法測定。pH值采用Orion 5-Star pH計測定。C，H，O，S和N的元素質(zhì)量分數(shù)采用Vario Macro型元素分析儀測定。Na，K，Ca，Mg，B，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，Mn，Zn，Se和Mo等金屬元素含量采用Thermo IRIS測定。氨氮采用水楊酸一次氯酸鹽光度法測定。沼氣成分由島津GC-8A氣相色譜儀測定，色譜柱為Φ10 m × 2 mm不銹鋼色譜柱，甲烷檢測條件：氫氣分壓為 0.6 MPa，流速為20 mL·min-1，進樣口溫度、柱溫及檢測器(TCD)溫度分別為 120℃，50℃，120℃，進樣為 0.5 mL。

1.4.2 統(tǒng)計分析方法

以origin 8.0軟件進行單因素方差分析(p<0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料和厭氧污泥中微量元素分析

表2列出了雞糞、牛糞、豬糞和玉米秸稈沼氣工程中原料和厭氧污泥的金屬組成。添加微量元素可以提高甲烷發(fā)酵效率，斯皮思[14]等和Banks[15]等整理了甲烷發(fā)酵過程中所必需的金屬元素及其需求量。4種原料中普遍缺乏一些特定的金屬元素，包括Co，Mo和Se。Co在雞糞和牛糞中的含量分別為0.6和0.3 mg·L-1，在玉米秸稈中未檢出。Se在4中原料中的含量均在0.1 mg·L-1以內(nèi)。Mo在雞糞、牛糞和豬糞中的質(zhì)量濃度分別為0.3，0.02和0.4 mg·L-1，低于斯皮思[14]等和Banks[15]等報道的濃度。4座沼氣工程厭氧污泥中(見表2)，Co，Mo和Se等金屬元素依然缺乏，質(zhì)量濃度分別低于0.1,0.6和0.1 mg·L-1。隨著甲烷發(fā)酵的進行，厭氧污泥中Cu和Zn等金屬元素濃度也不斷變低。以上微量元素的缺失或不足直接影響產(chǎn)甲烷菌的活性，可能會導致甲烷發(fā)酵的速率及效率的下降。因此，本文根據(jù)斯皮思[14]等所列的理想狀態(tài)下甲烷發(fā)酵對于元素的需求，在借鑒前人的研究基礎(chǔ)上[16-17]，結(jié)合沼氣工程的實際情況，制定了適合試驗沼氣工程使用的金屬元素添加濃度(見表4)。

表4 微量元素濃度 (mg·L-1)

2.2 添加微量元素制劑對雞糞、牛糞、豬糞和玉米秸稈甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣動力學的影響

2.2.1 甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣一級動力學模型

圖2～圖5和表5為各原料甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣的一級動力學模擬結(jié)果。雞糞(添加和未添加微量元素制劑)產(chǎn)甲烷動力學常數(shù)均為0.02 d-1(見表5和圖2)，約5天后，雞糞開始正常產(chǎn)氣，添加微量元素制劑的雞糞動力學常數(shù)為0.10 d-1，低于添加微量元素制劑的0.11 d-1。牛糞甲烷發(fā)酵呈現(xiàn)一階段產(chǎn)氣特征(見表5和圖3)，添加和未添加微量元素制劑的動力學常數(shù)均為0.08 d-1，添加微量元素制劑對牛糞的產(chǎn)氣速率無影響。豬糞甲烷發(fā)酵呈現(xiàn)二階段產(chǎn)氣特征(見表5和圖4)，但添加微量元素制劑對豬糞的產(chǎn)氣速率無明顯影響?？焖俸吐佼a(chǎn)氣期的動力學常數(shù)均為0.14和0.05 d-1。添加微量元素制劑改變了玉米秸稈的產(chǎn)氣動力學特性，未添加處理的玉米秸稈產(chǎn)氣無明顯二階段特性，產(chǎn)氣動力學常數(shù)為0.12 d-1，而添加處理的玉米秸稈產(chǎn)氣呈現(xiàn)明顯二階段特性，K1和K2分別為0.18和0.08 d-1(見表5和圖5)。基于一級動力學模擬結(jié)果，添加微量元素制劑后僅玉米秸稈的產(chǎn)氣速率有提高。

表5 雞糞、牛糞、豬糞和玉米秸稈甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣一級動力學模型參數(shù)

注：K1：二階段產(chǎn)氣中第一階段產(chǎn)氣期一級動力學常數(shù)；K2：二階段產(chǎn)氣中第二階段產(chǎn)氣期一級動力學常數(shù)； t*：二階段產(chǎn)氣中第一階段產(chǎn)氣的持續(xù)時間。

雞糞等固體廢物甲烷發(fā)酵的產(chǎn)氣過程需要通過兩階段的動力學表征，人為劃分快速產(chǎn)氣期和慢速產(chǎn)氣期具有隨機性。因此，本文采用了兩階段模型對一級動力學的模擬結(jié)果進行了印證。

2.2.2 甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣二階段模型

采用二階段模型分析了各原料甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣的動力學特性，結(jié)果見圖6～圖9和表6。添加微量元素制劑后，雞糞的甲烷產(chǎn)率由447增至497 mLCH4·g-1VS，增加了11.2%(p<0.05)。雞糞甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣的二階段特性不明顯(見圖6和表6)，添加和未添加微量元素制劑處理的動力學常數(shù)分別為0.07和0.06 d-1，表明添加微量元素制劑導致雞糞的產(chǎn)氣速率下降，但不明顯(p>0.05)。

圖2 雞糞甲烷發(fā)酵一級動力學模型

圖3 牛糞甲烷發(fā)酵一級動力學模型

圖4 豬糞甲烷發(fā)酵一級動力學模型

圖5 玉米秸稈甲烷發(fā)酵一級動力學模型

表6 雞糞、牛糞、豬糞和玉米秸稈甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣二階段模型參數(shù)

注：Yp：快速發(fā)酵期間的甲烷產(chǎn)率；t* ：快速發(fā)酵期持續(xù)時間。

添加微量元素制劑后，牛糞的甲烷產(chǎn)率由245增至305 mLCH4·g-1VS，增加了24.3%(p<0.05)。牛糞甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣呈現(xiàn)明顯的快速產(chǎn)氣期和慢速產(chǎn)氣期兩階段特征(見圖7和表6)，在快速產(chǎn)氣期添加和未添加微量元素制劑處理的動力學常數(shù)分別為0.27和0.21 d-1，分別在第2.7和4.1天進入慢速產(chǎn)氣期。在慢速產(chǎn)氣期，添加微量元素制劑處理的動力學常數(shù)(0.07 d-1)仍高于未添加處理(0.06 d-1)。因此，添加微量元素制劑不僅能夠提高牛糞的產(chǎn)甲烷量，還能提高牛糞的產(chǎn)甲烷速率。

添加微量元素制劑使豬糞的甲烷產(chǎn)率達到234 mLCH4·g-1VS，比未添加的提高了10.4%(p<0.05)。與牛糞一樣，豬糞甲烷發(fā)酵也呈現(xiàn)出明顯的兩階段特性(見圖8和表6)。添加和未添加微量元素制劑處理的雞糞在快速和慢速產(chǎn)氣期的動力學常數(shù)均相同。表明添加微量元素制劑對雞糞的產(chǎn)氣速率無明顯影響。

添加微量元素制劑后玉米秸稈的甲烷產(chǎn)率由254降至243 mLCH4·g-1VS，降低了4.2%(p>0.05)(見圖9和表6)。添加微量元素制劑改變了玉米秸稈的產(chǎn)氣動力學特性，未添加處理的玉米秸稈產(chǎn)氣無明顯二階段特性，產(chǎn)氣動力學常數(shù)為0.12 d-1，而添加處理的玉米秸稈產(chǎn)氣呈現(xiàn)明顯二階段特性，K1和K2分別為0.22和0.06 d-1。

未添加微量元素制劑的處理中，雞糞的甲烷產(chǎn)率最高，為447mL CH4·g-1VS；牛糞的產(chǎn)氣動力學常數(shù)最大，為0.21 d-1。添加微量元素制劑后牛糞的甲烷產(chǎn)率提高最顯著(24.3%)。玉米秸稈的產(chǎn)氣速率增加最明顯，產(chǎn)氣動力學常數(shù)K1由0.12 d-1增至0.22 d-1。

圖6 雞糞甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣二階段模型

圖7 牛糞甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣二階段模型

2.3 添加微量元素制劑對厭氧污泥比產(chǎn)甲烷活性的影響

表7匯總了各沼氣工程厭氧污泥(添加和未添加微量元素)的比產(chǎn)甲烷活性。4座沼氣工程中，雞糞沼氣工程厭氧污泥的SMA最低，這可能與厭氧污泥中的高氨氮濃度有關(guān)。Niu[18]等研究表明，氨氮濃度達到4000～5000 mg·L-1，雞糞中溫和高溫甲烷發(fā)酵將會受到抑制，導致沼氣產(chǎn)量的降低。本文雞糞沼氣工程中的氨氮濃度達到了6014 mg·L-1，超過報道的抑制濃度[12,19]。經(jīng)過3輪活性試驗，雞糞沼氣工程的厭氧污泥活性明顯提高。第3輪試驗時，添加和未添加微量元素的雞糞沼氣工程的厭氧污泥SMA分別增至38.97和38.03 mgCOD·g-1VSS·d-1，較第1輪分別提高了106.3%(p<0.05)和76.6%(p<0.05)。添加微量元素對雞糞沼氣工程厭氧污泥的SMA促進效果更加明顯。

圖8 豬糞甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣二階段模型

圖9 玉米秸稈甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣二階段模型

添加和未添加微量元素的秸稈沼氣工程的SMA分別為112.66和123.20 mgCOD·g-1VSS·d-1，添加微量元素后SMA提高了8.6%(p<0.05)。添加微量元素后，牛糞沼氣工程的厭氧污泥的SMA沒有明顯變化，豬糞沼氣工程厭氧污泥的SMA提高了2.4%(p>0.05)，提高效果不明顯。

3 結(jié)論

本文調(diào)研的雞糞、牛糞、豬糞和玉米秸稈沼氣工程的厭氧污泥和原料中均缺少產(chǎn)甲烷菌必需的Co，Mo和Se，為此，本文提供了具有高溶解度的微量元素制劑。通過添加微量元素制劑，雞糞、牛糞和豬糞的甲烷產(chǎn)率分別顯著提高了11.2%,24.6%和10.4%；雞糞、豬糞和玉米秸稈沼氣工程厭氧污泥的比甲烷速率分別提高了3.5%,2.4%和8.6%。由此可見，添加供試的微量元素制劑能夠提高農(nóng)業(yè)沼氣工程的產(chǎn)甲烷速率。

表7 添加微量元素制劑對比產(chǎn)甲烷活性的影響

注：括號內(nèi)數(shù)值的單位為mLCH4·g-1VSS·d-1。