李 芹， 黃 濤， 彭道平

(西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 成都 611756)

1 引 言

厭氧發(fā)酵是處理各種有機(jī)廢物最理想、最有前途的生物技術(shù)之一，不僅可以有效的處理有機(jī)廢物，而且產(chǎn)生的沼氣可作為潛在的可再生能源[1]。目前的研究多集中在厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的主要影響因素及其工藝優(yōu)化[2-3]、反應(yīng)機(jī)理[4]以及產(chǎn)氣效果評(píng)價(jià)[5]等方面，而微量金屬元素作為維持厭氧微生物生長代謝和酶活性的重要組成成分受到越來越多的關(guān)注[6]，其對厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行起著重要的作用；在厭氧發(fā)酵的其他影響因素都正常的條件下，微量金屬元素不足往往是導(dǎo)致厭氧發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和產(chǎn)氣量下降的首要原因[7]。

本文就微量金屬元素在厭氧發(fā)酵過程中的作用進(jìn)行歸納的基礎(chǔ)上，著重對國內(nèi)外Fe、Co、Ni、Cu、Zn等微量金屬元素對厭氧發(fā)酵影響的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，微量金屬元素不僅能夠提高甲烷產(chǎn)氣量、COD去除率以及揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)轉(zhuǎn)化效率，消除揮發(fā)性脂肪酸的累積現(xiàn)象，而且能夠拮抗鈉離子、氨氮等的抑制作用，進(jìn)一步維持厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行。然而有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵過程中對微量金屬元素需求量的研究還不健全，尤其是不同微量金屬元素之間的促進(jìn)與拮抗作用仍不明確，而且對當(dāng)前外源添加微量金屬元素所帶來的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不足。

2 微量金屬元素在厭氧發(fā)酵過程中的重要作用

微量金屬元素在厭氧發(fā)酵過程中起著重要作用，其參與了生物質(zhì)能的厭氧降解，是酶的重要輔助因子，如甲基輔酶M、一氧化碳脫氫酶(CODH)和輔酶M甲基轉(zhuǎn)移酶等[8-9]。有研究指出Fe、Co、Ni、Cu、Zn是厭氧發(fā)酵過程所需的重要微量金屬元素，F(xiàn)e 在合成產(chǎn)甲烷菌的過程中含量最高，而且能夠合成和激活CO脫氫酶、乙酰輔酶等多種酶的活性[10]，Co是酶F420的重要組成成分，促進(jìn)微生物細(xì)胞的生物合成和產(chǎn)甲烷過程，激活厭氧發(fā)酵過程中關(guān)鍵酶F420的活性[11]，Ni是能有效催化甲基輔酶生成甲烷的甲基輔酶還原酶的活性酶(F430因子)的重要組成元素，能有效促進(jìn)厭氧發(fā)酵的順利進(jìn)行[12]。Cu是超氧化物歧化酶和氫化酶的組成成分，其有效促進(jìn)合成產(chǎn)甲烷菌[13]。Zn參與構(gòu)成甲酸鹽脫氫酶，超氧化物歧化酶、氫化酶等[7]，這些都是多種產(chǎn)甲烷菌的組成成分?？梢姡⒘拷饘僭嘏c厭氧發(fā)酵存在密切聯(lián)系，是厭氧發(fā)酵過程中各種功能酶的關(guān)鍵因子。

3 微量金屬元素單獨(dú)補(bǔ)充對厭氧發(fā)酵性能的影響

眾多學(xué)者從不同角度就微量金屬元素對厭氧發(fā)酵的影響開展了相關(guān)研究，從各種微量金屬元素單獨(dú)補(bǔ)充產(chǎn)生的作用的角度出發(fā)，主要包括對產(chǎn)氣量、COD去除率、減少揮發(fā)性脂肪酸的積累以及對氨氮去除等方面[7,14]。微量金屬元素在厭氧發(fā)酵提高產(chǎn)氣量和經(jīng)濟(jì)效益方面具有很大的潛力，Shailendra等[15]用NaOH溶液預(yù)處理后的玉米秸稈作為厭氧發(fā)酵的底物時(shí)，發(fā)現(xiàn)加入濃度為200～1000mg/L的Fe離子溶液時(shí)，沼氣和甲烷產(chǎn)量提高的最大，分別為57%和56%。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)單獨(dú)添加Cu離子溶液也可以促進(jìn)產(chǎn)氣率的增加，如Singer等[16]在奶牛糞便中添加適量Cu，觀察48d時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)氣率，發(fā)現(xiàn)加入Cu離子溶液組比對照組提高了22.22%。對于微量金屬元素的添加量也有學(xué)者研究，Jin等[17]以乙酸鈉為厭氧發(fā)酵碳源，添加Co離子溶液及其螯合物，結(jié)果表明其產(chǎn)氣率并不會(huì)隨著微量金屬元素的添加量一直增加，其添加質(zhì)量濃度分別為0.06、0.58和5.8 μg/L的Co離子溶液時(shí)，甲烷產(chǎn)量分別增加了12.8%、40.4%和39.6%；但當(dāng)Co離子濃度超過0.58μg/L時(shí)，甲烷產(chǎn)量卻不再增加，這可能是由于Co離子溶液的生物有效性受到了限制，因此在厭氧發(fā)酵過程中探索微量金屬元素的最優(yōu)添加量是十分重要的。這與潘云鋒和李文哲[18]的研究結(jié)果相似，其發(fā)現(xiàn)在向以牛糞為原料的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中分別連續(xù)投加Fe，Co，Ni等微量金屬元素時(shí)，只有添加適量的微量金屬元素可以有效提高產(chǎn)氣量，當(dāng)加入過量微量金屬元素時(shí)，會(huì)抑制微生物活性及基質(zhì)的代謝從而造成產(chǎn)氣量降低，同時(shí)COD去除率也會(huì)降低。有關(guān)添加微量金屬元素對COD去除率的研究，Ruan等[19]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將廢鐵裝載到厭氧發(fā)酵反應(yīng)器時(shí)，可以提高COD去除率約1.5倍，但其研究未提及微量金屬元素的最優(yōu)添加量。Schmidt[20]通過麻風(fēng)樹種子提取出的大量麻風(fēng)樹濾餅作為生物氣生產(chǎn)的基質(zhì)，添加適量Fe元素提高了發(fā)酵系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷和運(yùn)行穩(wěn)定性，其也未提及Fe元素的最優(yōu)添加濃度。而盧菊儀等[21]研究了微量金屬元素的最優(yōu)投量，其研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加Fe離子質(zhì)量濃度在2～10mg/L時(shí)，可有效促進(jìn)顆粒污泥的發(fā)酵活性，且最優(yōu)投量為5mg/L，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)Fe離子質(zhì)量濃度超過100 mg/L就會(huì)產(chǎn)生抑制作用。

同時(shí)，有學(xué)者通過單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究比較不同微量金屬元素之間的作用，如Scherer等[22]測定了10種產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞中的微量金屬元素含量，研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞中微量金屬元素含量的順序?yàn)镕e>Zn≥Ni>Co=Mo>Cu，陳晉波[23]也指出不同種類的產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞的元素組成有所不同，即使同種產(chǎn)甲烷菌在不同的環(huán)境條件下微量金屬元素的含量和需求也有所不同。此結(jié)論也在Pobeheim等[24]的研究中得到證明，即不同微量金屬元素對某一發(fā)酵原料的作用效果可能不同。

綜上可知，單獨(dú)添加微量金屬元素在一定程度上能促進(jìn)厭氧發(fā)酵的效果，但是對于不同微量金屬元素的添加量及其效果的研究仍需要加強(qiáng)。

4 多種微量金屬元素的補(bǔ)充對厭氧發(fā)酵性能的影響

在不同底物厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，各微量金屬元素并非單獨(dú)發(fā)揮特有的金屬特性，不同微量金屬元素之間存在協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)[25]。近年來，許多學(xué)者對微量金屬元素之間的作用的研究越來越多。Liu等[26]在經(jīng)NaOH預(yù)處理后的厭氧發(fā)酵底物中同時(shí)加入濃度為1.0、0.4和0.4mg/(L·d)的Fe、Co、Ni后，發(fā)現(xiàn)同時(shí)添加后甲烷累積產(chǎn)量最高，且TS轉(zhuǎn)化率提高了41.8%和62.2%。李亞新等[27]的研究也得出了同樣的結(jié)論，其分別以醋酸鈣和乙醇為發(fā)酵底物，當(dāng)最優(yōu)微量金屬元素組合為Fe、Co、Ni時(shí)，產(chǎn)氣量和甲烷含量與對照組相比，增加最大，分別為43.4%和5.1%，同時(shí)COD去除率也提高了10.2%。而且Pobeheim等[28]、Somssich等[29]、Zhang等[30]也有類似的發(fā)現(xiàn)，其分別以玉米秸稈和餐廚垃圾為發(fā)酵底物，加入不同微量金屬元素，不僅可以提高甲烷產(chǎn)量，加快產(chǎn)氣速率，同時(shí)COD和氨氮的去除率也最大。與之相反，吳樹彪等[31]卻發(fā)現(xiàn)微量金屬元素對餐廚垃圾單相厭氧發(fā)酵的促進(jìn)效果不明顯，其以餐廚垃圾為發(fā)酵底物，添加微量金屬元素Fe、Co、Ni等處理組和未添加微量金屬元素的對照組相比，平均甲烷日產(chǎn)量分別為7.1L/d和6.7L/d，兩者的甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為62.7%和61.6%，兩者結(jié)果相差甚小，這說明不同微量金屬元素之間的作用不僅僅表現(xiàn)為促進(jìn)作用，不同微量金屬元素之間可能存在相互抑制作用。

有關(guān)微量金屬元素同時(shí)添加對厭氧發(fā)酵的影響，Pobeheim等[24]研究青貯玉米為發(fā)酵底物，同時(shí)添加Co和Ni，研究表明Ni的促進(jìn)效果優(yōu)于Co，而Lebuhn等[32]卻得到了相反的結(jié)論，其以青貯玉米為發(fā)酵原料的試驗(yàn)研究結(jié)果表明Co元素是最重要的微量金屬元素。張涵和李文哲[33]發(fā)現(xiàn)微量金屬元素的添加頻率也會(huì)影響厭氧發(fā)酵的效率，其每隔1、3、5、7d向牛糞厭氧發(fā)酵液中添加Fe、Co、Ni元素的混合液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每隔7d添加一次微量金屬元素的發(fā)酵組效果最優(yōu)，產(chǎn)氣率和總產(chǎn)氣量都最高，COD去除率也最高；而每隔1d添加一次的產(chǎn)氣量最低。Banks等[34]也發(fā)現(xiàn)負(fù)荷不同時(shí)系統(tǒng)對微量金屬元素的需求量也不同。

添加不同微量金屬元素對揮發(fā)性脂肪酸的積累作用的研究也有不少，F(xiàn)acchin等[35]指出，通過添加適量Co，Mo，Ni等微量金屬元素的混合物能加速VFAs的轉(zhuǎn)化效率。Moestedt等[36]也得到了類似的結(jié)論，其發(fā)現(xiàn)添加Fe，Co，Ni時(shí)，VFAs轉(zhuǎn)換效率可以有效提高。這與張萬欽等[6]、Zhang等[37]和Facchin等[38]的研究結(jié)果一致，發(fā)現(xiàn)微量金屬元素能起到緩解VFAs積累的作用，從而提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但均未提及微量金屬元素的最優(yōu)組合。對于最優(yōu)微量金屬元素投加量組合，在王健等[39]的研究中提及到，其在Fe、Mn離子投加量均為0.090 0%，Co、Zn離子投加量均為0.005 0%，Cu離子投加量為0.003 5%的組合優(yōu)化條件下，發(fā)現(xiàn)乙酸高達(dá)3 452mg/L，比優(yōu)化前提高了61.8%。當(dāng)乙酸負(fù)荷相對較低時(shí)，微量金屬元素優(yōu)化作用不大，與高乙酸負(fù)荷時(shí)相比較，優(yōu)化效果明顯減弱。

綜上說明，同時(shí)添加不同微量金屬元素對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量、COD去除率，減少VFAs的積累有很大作用，但是有關(guān)其最優(yōu)組合方面研究仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

5 有關(guān)數(shù)學(xué)模型研究不同微量金屬元素對厭氧發(fā)酵的影響效果

微量金屬元素是影響厭氧發(fā)酵效率最重要的影響因素之一，多種微量金屬元素之間的復(fù)合作用也極其重要，而使用恰當(dāng)有效的模型進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，不僅可以有效地避免大量的試驗(yàn)操作，而且可以為試驗(yàn)進(jìn)行理論指導(dǎo)[25]。前人對此的研究多集中于多元線性回歸模型、時(shí)間序列模型以及采用Matlab/Simulink建立仿真模型等，王健等[39]在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立可行的回歸模型，利用響應(yīng)面法對剩余污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)乙酸的微量金屬元素投加量組合條件進(jìn)行了優(yōu)化，確定了微量金屬元素促進(jìn)剩余污泥發(fā)酵生產(chǎn)乙酸的最優(yōu)組合條件，并且以最優(yōu)微量金屬元素投加量組合獲得的試驗(yàn)結(jié)果與二次響應(yīng)面回歸模型預(yù)測值擬合率高達(dá)99.34%。這與賈麗娟等[40]的研究相似，其以當(dāng)?shù)啬膛＜S為發(fā)酵底物，研究微量金屬元素、接種量、溫度等3種因素對中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣過程的影響，并運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化微量金屬元素的添加量，通過中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)曲面回歸分析確定得出，添加微量金屬元素Fe、Co、Ni離子質(zhì)量濃度分別為5.00mg/L、28.82μg/L和21.40μg/L時(shí)，可有效刺激厭氧發(fā)酵過程中的作用酶活動(dòng)以促進(jìn)產(chǎn)氣。張慶芳等[41]通過設(shè)計(jì)三因素四水平的正交試驗(yàn)，探究了4種微量金屬元素的投加組合對餐廚垃圾和剩余污泥混合原料厭氧發(fā)酵效率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)微量金屬元素Fe、Co、Ni、Mo的投加量分別為15、2.0、0.5、0.6mg/L時(shí)，厭氧發(fā)酵效率最高，但是這4種微量金屬元素的不同組合對VFAs的轉(zhuǎn)化效率、氨氮的去除率以及pH值等的影響存在差異。類似的，趙玲等[11]采用Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選用SASJMP8.0軟件對7種不同微量金屬元素進(jìn)行優(yōu)化篩選，以產(chǎn)氣效果為指標(biāo)，篩選對產(chǎn)氣量有重要影響的因子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微量金屬元素對秸稈厭氧干發(fā)酵有明顯的促進(jìn)作用，且通過PB試驗(yàn)證明了Ni，Mg，Mo對秸稈厭氧干發(fā)酵的產(chǎn)氣效果影響最大。

6 結(jié)論與展望

不同的微量金屬元素對以各種復(fù)雜原料為底物的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的作用不同，且多種微量金屬元素之間的促進(jìn)作用和拮抗作用的表現(xiàn)也不同。發(fā)酵底物不同時(shí)，其微量金屬元素本身存在的種類和含量差異也很大，這就決定了后期添加的種類和含量更是不同，找出不同底物發(fā)酵的最優(yōu)微量金屬元素組合以及最優(yōu)添加量就顯得極為重要。這同時(shí)也需要深入研究不同微量金屬元素對厭氧發(fā)酵的理論影響機(jī)制和內(nèi)在相互作用機(jī)制等。

同時(shí)，在充分認(rèn)識(shí)到微量金屬元素促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣作用的同時(shí)，也要清晰的認(rèn)識(shí)到微量金屬元素的添加所帶來的潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，在深入研究不同的發(fā)酵原料和發(fā)酵工藝，其微量金屬元素最優(yōu)組合和添加量的基礎(chǔ)上，盡可能的減少重金屬的累積，將可能產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)降到最小。