陳 彪，郭紹英，陳 芳，黃 婧，肖艷春,*

（1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究所，福州 350003；2.武夷學(xué)院福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 武夷山354300；3.福建技術(shù)師范學(xué)院近海流域環(huán)境測(cè)控治理福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福清 350300）

隨著我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)集約化、規(guī)模化的快速發(fā)展，畜禽糞便產(chǎn)量逐年增加，已成為主要的農(nóng)業(yè)污染源之一，直接影響農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全，正確處理和利用養(yǎng)殖廢棄物已成為養(yǎng)殖業(yè)健康良性發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。作為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化和能源化利用處理主要手段之一的厭氧發(fā)酵技術(shù)，具有處理廢物和回收清潔沼氣能源的雙重特點(diǎn)[2-4]。但是厭氧發(fā)酵效率及運(yùn)行穩(wěn)定性受到多個(gè)因素的影響，其中微量元素的缺乏能夠?qū)е庐a(chǎn)甲烷菌生物活力下降，有機(jī)物降解不完全，進(jìn)而影響整個(gè)厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行效果和穩(wěn)定性等[5-6]。

目前，已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了微量元素對(duì)厭氧發(fā)酵的積極作用。Zandvoort等[7]指出，微量元素不僅參與合成厭氧微生物，而且還參與合成和激活厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程中的多種酶系統(tǒng)，對(duì)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)甲烷階段起著重要調(diào)控作用。張萬(wàn)欽等[8]歸納了微量元素在以“乙酸、H2及CO2和甲基化合物”為原料的3種甲烷生物合成途徑中的作用，綜述了Fe、Co、Ni等單一微量元素及多元素組合對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程中的積極影響。Zhang等[9]研究了Zn對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵過(guò)程中沼氣產(chǎn)量的影響，添加125 mg·L-1（低濃度）和1250 mg·L-1（高濃度）Zn的豬糞沼氣產(chǎn)量分別比不添加Zn的對(duì)照組增加51.2%和56.0%。丁福貴等[10]研究了微量元素（Fe、Co、Ni、Mo、Zn、Mn、W）及生長(zhǎng)因子對(duì)寒區(qū)豬糞沼氣發(fā)酵的影響，篩選了以Fe、Co、Ni和酵母粉為化學(xué)促進(jìn)劑的最佳優(yōu)化組合。陳琳等[11]研究了豬糞中Cu含量對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程中水解酶活性及產(chǎn)氣進(jìn)程的影響，結(jié)果表明，中、高濃度的重金屬Cu對(duì)水解酶活性有顯著的抑制效應(yīng)。由此可見(jiàn)，不同學(xué)者圍繞Fe、Co、Ni等關(guān)鍵微量元素在以乙酸為原料的甲烷生物合成主要途徑中的作用機(jī)制進(jìn)行了較為深入的研究，但是在構(gòu)成整個(gè)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)不可或缺的以H2及CO2為底物的甲烷生物合成路徑中，微量元素Se、W對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)酸的互營(yíng)氧化效應(yīng)以及產(chǎn)甲烷作用機(jī)制的影響尚未引起普遍關(guān)注，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)也鮮有報(bào)道。

本試驗(yàn)在前期研究[12-14]的基礎(chǔ)上，采用批式厭氧發(fā)酵方式，以豬糞為發(fā)酵底物，在溫度、pH等因素和運(yùn)行正常的條件下，開(kāi)展微量元素Se、W對(duì)厭氧發(fā)酵的影響研究，尤其從厭氧產(chǎn)酸階段的總揮發(fā)性脂肪酸（TVFAs）和產(chǎn)甲烷階段的甲烷產(chǎn)率變化視角，應(yīng)用一級(jí)動(dòng)力學(xué)和Gompertz模型擬合探析Se、W對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程甲烷產(chǎn)率的影響效應(yīng)，以提高畜禽糞污等有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵的生物產(chǎn)甲烷效率（BDA），有效提升厭氧發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用水平，為厭氧發(fā)酵過(guò)程中微量元素Se、W的功能效應(yīng)提供基礎(chǔ)的技術(shù)支持和科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

新鮮豬糞和接種污泥分別取自福建莆田、南平、平潭、漳州等養(yǎng)殖區(qū)養(yǎng)豬場(chǎng)。鮮豬糞取回后置于4℃冰箱中保存。接種污泥取回后置于（35±1）℃恒溫箱中保存。鮮豬糞和接種污泥的特性分析在樣品取回3 d之內(nèi)完成，檢測(cè)的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1，微量元素及需求量見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)裝置

采用升流式厭氧污泥床（UASB）發(fā)酵裝置進(jìn)行批式試驗(yàn)。該裝置材質(zhì)為有機(jī)玻璃，有效容積5 L，內(nèi)置水浴加熱、溫度和壓力傳感器，具有數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)自動(dòng)校正功能，示意圖見(jiàn)圖1。料液由進(jìn)料口加進(jìn)后密封，通N210 min保持厭氧發(fā)酵環(huán)境，生物氣從頂部的出氣孔導(dǎo)出記錄體積、收集并監(jiān)測(cè)氣體成分。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由表2可知，與需求量相比，試驗(yàn)豬糞和接種污泥中含有較高本底值的關(guān)鍵微量元素Fe、Co、Ni、Mo、Cu、Zn，滿(mǎn)足厭氧發(fā)酵需求[15-17]，而影響產(chǎn)甲烷途徑關(guān)鍵酶生物活性的微量元素Se、W缺乏。本試驗(yàn)在綜合前人[8，15-18]試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，借鑒 Feng等[18]通過(guò)添加微量元素Se、W對(duì)食品工業(yè)廢棄物厭氧發(fā)酵影響的研究結(jié)果，探析微量元素Se、W在該濃度范圍內(nèi)對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。以鮮豬糞為原料，每組總進(jìn)料量5 kg，其中豬糞1 225 g，接種物1 000 g（接種量20%），加去離子水調(diào)節(jié)TS約8%，將物料混勻后備用。將不同濃度梯度的Se、W組合與備用料液攪拌均勻通過(guò)蠕動(dòng)泵導(dǎo)入U(xiǎn)ASB發(fā)酵裝置?？瞻捉M為只添加接種物和去離子水；CK組為對(duì)照組，不添加微量元素Se、W；L組為添加低濃度Se、W（0.4 mg·L-1和0.9 mg·L-1）；M組為添加中濃度Se、W（0.8 mg·L-1和1.8 mg·L-1）；H組為添加高濃度Se、W（1.2 mg·L-1和2.7 mg·L-1）。進(jìn)料結(jié)束后向厭氧裝置中通入N2，調(diào)節(jié)溫度（35±1）℃，每個(gè)處理組重復(fù)3次，每日定時(shí)測(cè)定產(chǎn)氣量、氣體成分和發(fā)酵液中的VFA濃度。

表1 豬糞及接種物的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic properties of the pigmanure and the inoculated sludge

表2 豬糞及接種物中主要微量元素含量及相應(yīng)的厭氧發(fā)酵需求量（mg·L）Table 2 Contents of main trace elements in pig manure and inoculated sludge and their demand for anaerobic fermentation（mg·L-1）

1.4 試驗(yàn)方法

TS、VS分別采用烘干法和灼燒減重法測(cè)定[19]，測(cè)定溫度分別為105℃和600℃；C、H、O、N、S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用元素分析儀測(cè)定[20]；樣品經(jīng)HNO3-HClO4消煮后，采用等離子體發(fā)射光譜儀（ICP–AES）分析測(cè)定Fe、Cu、Zn、Ni、Mo、Se、W、Co微量元素[21]含量；采用氣相色譜儀檢測(cè)VFA質(zhì)量濃度，用5%的硫酸溶液調(diào)節(jié) pH 值＜3.0，10 000 r·min-1離心 10 min，上清液經(jīng)0.45μm硝酸纖維素膜過(guò)濾后用丙酮稀釋5倍，進(jìn)樣口、檢測(cè)器溫度均為200℃，載氣流量8.00 mL·min-1，M12毛細(xì)管柱（30 m×0.53 mm×1 μm，Thermo）[22]；沼氣日產(chǎn)氣量使用濕式流量計(jì)測(cè)定；沼氣中甲烷含量采用氣相色譜儀測(cè)定，色譜柱為Φ10 m×2 mm不銹鋼色譜柱，甲烷檢測(cè)條件：氫氣分壓為0.6 MPa，流速為20 mL·min-1，進(jìn)樣口溫度、柱溫及檢測(cè)器（TCD）溫度分別為120、50℃和120℃，進(jìn)樣為0.5 mL[19]。

圖1 UASB發(fā)酵裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the UASBfermentation reactor

1.5 數(shù)據(jù)分析

1.5.1 發(fā)酵原料理論產(chǎn)甲烷潛力值

發(fā)酵原料的理論產(chǎn)甲烷潛力值是指在適宜的厭氧發(fā)酵條件下，單位質(zhì)量的某原料在一個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)所能產(chǎn)生的甲烷總量，可作為發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)評(píng)估的重要科學(xué)依據(jù)[23]。目前，比較有效的發(fā)酵原料理論產(chǎn)甲烷潛力值的計(jì)算方法是在元素分析的基礎(chǔ)上，用Bus?well方程[24]計(jì)算理論氣體組成：

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 3 Experimental design

進(jìn)而通過(guò)方程式（2）便可估算出發(fā)酵原料的理論產(chǎn)甲烷潛力值Xe（mL·g-1TS）：

1.5.2 發(fā)酵底物產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)

應(yīng)用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（公式3）和Gompertz模型（公式4）擬合厭氧發(fā)酵過(guò)程并計(jì)算動(dòng)力學(xué)反應(yīng)常數(shù)[25]，根據(jù)決定系數(shù)R2對(duì)模型的擬合度進(jìn)行比較，文中涉及的甲烷產(chǎn)率均是相對(duì)于豬糞中VS含量。

一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程如下：

式中：X∞為整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)豬糞甲烷產(chǎn)率，mL·g-1；Xt為t時(shí)刻豬糞甲烷產(chǎn)率，mL·g-1；k為反應(yīng)速率常數(shù)，d-1；t為發(fā)酵時(shí)間，d。

式中：Rm為產(chǎn)甲烷速率，mL·g-1·d-1；e為常數(shù)，2.718 282；λ為遲滯時(shí)間，d。

1.5.3 發(fā)酵底物生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷效率

以不同時(shí)間段甲烷累積產(chǎn)量與整個(gè)發(fā)酵周期甲烷總產(chǎn)量的比值表示發(fā)酵過(guò)程甲烷產(chǎn)率比（Methane production ratio，MPR）[27]。

底物厭氧發(fā)酵的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷效率[28]（Biode?gradability，BDA）通過(guò)下式計(jì)算：

式中：Xt為t時(shí)刻VS的甲烷產(chǎn)率，mL·g-1；Xe為VS的理論甲烷產(chǎn)率，mL·g-1。

1.5.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及方差分析（顯著性水平設(shè)置為0.05），采用Origin 8.0軟件進(jìn)行繪圖及方程擬合。對(duì)照組和試驗(yàn)組的沼氣產(chǎn)氣量、甲烷體積分?jǐn)?shù)及VFA的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均扣除了空白組的影響且為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加微量元素Se、W對(duì)沼氣產(chǎn)氣量的影響

圖2為厭氧發(fā)酵過(guò)程中沼氣日產(chǎn)氣量曲線(xiàn)圖。各組的產(chǎn)氣啟動(dòng)期均較短，沒(méi)有明顯的遲滯期，這是由于試驗(yàn)接種污泥取自運(yùn)行良好的沼氣工程厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，且經(jīng)過(guò)進(jìn)一步馴化并富含生物活性顯著的功能微生物。在厭氧發(fā)酵進(jìn)程中，沼氣日產(chǎn)氣量總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，各組均出現(xiàn)3個(gè)產(chǎn)氣高峰，與已有研究報(bào)道保持一致[29]。其中，CK組的產(chǎn)氣高峰分別出現(xiàn)在第4、10 d和21 d，添加微量元素Se、W的3個(gè)處理組（L、M和H）的產(chǎn)氣高峰均分別出現(xiàn)在第3、7 d和12～15 d，與CK組相比，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣高峰均提前；產(chǎn)氣速率在厭氧發(fā)酵前期迅速增大，表4顯示各組間最高日產(chǎn)氣量差異顯著（P＜0.05），最佳M組在第7 d產(chǎn)生的最高日產(chǎn)氣量（12 712 mL）比CK組在第10 d產(chǎn)生的最高日產(chǎn)氣量（11 253 mL）增加13.0%。圖3反映了累積沼氣產(chǎn)氣量變化規(guī)律，各組間差異顯著（P＜0.05）。M組的累積沼氣產(chǎn)氣量最大（177 001 mL），與最小的 CK 組（160 595 mL）相比提高了10.2%；L、H組的累積沼氣產(chǎn)氣量分別比CK組提高了4.9%和8.8%。試驗(yàn)結(jié)果表明：添加Se、W微量元素對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼過(guò)程均有不同程度的積極作用，表現(xiàn)為產(chǎn)氣速率加快、產(chǎn)氣量提高和產(chǎn)氣峰值提前。已有研究[8，18]報(bào)道顯示Se、W是構(gòu)成甲基呋喃脫氫酶和甲酸鹽脫氫酶活性中心的關(guān)鍵元素，其生物有效性與脫氫酶的活性、產(chǎn)沼效應(yīng)呈正相關(guān)。本試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了適量Se、W的加入能夠促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼進(jìn)程，提高沼氣產(chǎn)氣量。

圖2 沼氣日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間變化曲線(xiàn)Figure 2 Variation curve of daily biogas production

圖3 累積沼氣產(chǎn)氣量Figure 3 Cumulative gas production

表4 沼氣產(chǎn)氣量差異顯著性分析Table 4 Significant analysis of differences of daily and cumulative biogas production

2.2 產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)分析

2.2.1 添加微量元素Se、W對(duì)VFA的影響

揮發(fā)性脂肪酸（VFA）是衡量厭氧發(fā)酵過(guò)程微生物代謝狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)[22]。從圖4a、圖4b可以看出，乙酸占TVFAs的60%左右，各組變化規(guī)律基本一致，均是先上升后下降，最后趨于平穩(wěn)。在發(fā)酵初始階段水解速率大于產(chǎn)甲烷速率，TVFAs濃度迅速升高，CK組在第3 d達(dá)到產(chǎn)酸高峰，L、M和H組比CK組提前1 d達(dá)到產(chǎn)酸高峰，這可能是因?yàn)槲⒘吭豐e、W在水解酸化階段生成的金屬螯合物提高了產(chǎn)酸菌的活性，縮短了產(chǎn)酸相的反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致產(chǎn)酸峰值提前；隨后，TVFAs和乙酸濃度迅速下降，至發(fā)酵結(jié)束，L、M和H組的TVFAs和乙酸累積量明顯低于CK組，表5顯示各組間的TVFAs和乙酸累積量均差異顯著（P＜0.05），其中，M組積累最少，比CK組分別降低57.6%和41.4%。這表明適量添加微量元素Se、W可能改變了發(fā)酵產(chǎn)酸菌的群落結(jié)構(gòu)[30]，直接影響發(fā)酵系統(tǒng)中VFA的濃度；產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌的互營(yíng)共生關(guān)系，間接影響產(chǎn)甲烷菌菌群的多樣性及菌群豐度[31]，促進(jìn)產(chǎn)甲烷活動(dòng)的發(fā)生。因此，添加適量Se、W能起到緩解TVFAs積累的作用，促進(jìn)產(chǎn)甲烷進(jìn)程。

圖4 TVFAs、乙酸和丙酸質(zhì)量濃度變化Figure 4 Variations of concentrations of TVFAs,acetic acid and propionic acid

丙酸是最易積累且最難被降解的一種脂肪酸[22]。由圖4c可知，CK組的丙酸濃度并未隨TVFAs濃度的降低而降低，而是在高濃度2 356～2 484 mg·L-1區(qū)間內(nèi)維持14 d（第3～16 d）后逐漸下降，L、M和H組在第2 d到達(dá)峰值后迅速下降，發(fā)酵結(jié)束時(shí)丙酸累積量明顯低于CK組，表5顯示各組間丙酸差異顯著（P＜0.05），其中，M組積累最少，比CK組降低91.9%。Se、W是合成甲酸鹽脫氫酶（Se參與）、甲基呋喃脫氫酶（W參與）和氫化酶（Se參與）必需的輔因子，催化丙酸轉(zhuǎn)化生成CO2的系列化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)以CO2和H2為底物合成甲烷的產(chǎn)甲烷菌活性，促進(jìn)程度為M＞H＞L＞CK。其他相關(guān)學(xué)者的研究[14，32-33]也證實(shí)了 Se、W能夠通過(guò)調(diào)節(jié)電子轉(zhuǎn)移，促進(jìn)丙酸降解，緩解丙酸積累。本試驗(yàn)也得到類(lèi)似結(jié)果。

2.2.2 添加微量元素Se、W對(duì)甲烷產(chǎn)率的影響

圖5 沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)Figure 5 Variation curve of methane volume fraction in biogas

甲烷產(chǎn)率是單位質(zhì)量的有機(jī)物經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷的體積，主要用于表征有機(jī)物轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷的能力[34]，反映厭氧發(fā)酵過(guò)程TVFAs轉(zhuǎn)化為甲烷的效率。由圖5可知，甲烷體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)先快速增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。CK組的穩(wěn)定期為14 d（第6～19 d），從第20 d開(kāi)始呈波動(dòng)式下降；L組的穩(wěn)定期為26 d（第4～29 d），從第30 d開(kāi)始呈震蕩式下降；M組和H組的穩(wěn)定期為32 d（第4～35 d）。L、M組和H組穩(wěn)定期明顯優(yōu)于CK組。由表6可知，各組間平均甲烷體積分?jǐn)?shù)及甲烷產(chǎn)率均差異顯著（P＜0.05），L（66.2%）、M（68.3%）和H（67.2%）組的平均甲烷體積分?jǐn)?shù)分別比CK組（62.2%）提高6.4%、9.8%和8%；M組的累積甲烷產(chǎn)率最高（398.3 mL·g-1），與CK組（328.1 mL·g-1）比提高21.4%。Gerhard等[35]向培養(yǎng)基中加入能刺激產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)的微量元素Se、W，CO2轉(zhuǎn)化為甲烷和生物量的效率提高了25%。研究結(jié)果表明，適量添加Se、W能夠促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和激活酶的活性，豐富產(chǎn)甲烷菌的多樣性，提高合成甲烷的前體物質(zhì)（包括乙酸及CO2、H2等）的利用率，對(duì)提高甲烷產(chǎn)率和保障厭氧發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性均有顯著的促進(jìn)作用。

2.2.3 甲烷產(chǎn)率動(dòng)力學(xué)模型

試驗(yàn)采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和Gompertz模型擬合各組厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程，表7列出了2種模型的擬合參數(shù)。

從擬合結(jié)果可以看出，Gompertz模型的決定系數(shù)R2均大于0.998，擬合精確度高，而且甲烷產(chǎn)率的擬合值與實(shí)測(cè)值接近，最大差值僅為1.0%，說(shuō)明該模型可以較為準(zhǔn)確地反映各組產(chǎn)甲烷過(guò)程。一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的決定系數(shù)R2均小于0.978，且擬合值與實(shí)測(cè)值偏差較大，說(shuō)明不適合用此模型擬合厭氧發(fā)酵過(guò)程。Gompertz模型中，CK組的產(chǎn)甲烷速率最?。?9.1 mL·g-1·d-1），M組的產(chǎn)甲烷速率最大（31.0 mL·g-1·d-1），與CK組比提高62.3%，H、L組次之（28.6、24.5 mL·g-1·d-1），與CK組比分別提高49.7%和28.3%。另外，M組的遲滯期最短（1.13 d），與CK組（1.93 d）比縮短41.5%。由此可見(jiàn)，向缺乏某一種或幾種微量元素厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中補(bǔ)充相應(yīng)的微量元素利于產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖，產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的乙酸、丙酸等揮發(fā)性脂肪酸作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能源及時(shí)地被產(chǎn)甲烷菌代謝生成甲烷，同時(shí)也促進(jìn)了水解反應(yīng)的正向進(jìn)行。因此，添加適量的微量元素Se、W能夠促進(jìn)產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌快速建立平衡狀態(tài)，提高揮發(fā)性脂肪酸互營(yíng)氧化效率，促進(jìn)產(chǎn)甲烷進(jìn)程，表現(xiàn)為產(chǎn)甲烷速率提高和遲滯期縮短。

表5 發(fā)酵過(guò)程中累積產(chǎn)生的總揮發(fā)性脂肪酸、乙酸和丙酸的差異顯著性分析Table 5 Significant analysis of differences of TVFAs，acetic acids and propionic acids duringfermentation

表6 平均甲烷體積分?jǐn)?shù)與甲烷產(chǎn)率差異顯著性分析Table 6 Significant analysis of differences of average percentage and yield of CH 4

2.3 微量元素Se、W對(duì)厭氧發(fā)酵生物產(chǎn)甲烷效率的影響

根據(jù)發(fā)酵原料（表1）元素分析結(jié)果可知豬糞的化學(xué)組成為C105H110O58N8S1，通過(guò)方程（2）和VS/TS計(jì)算豬糞的理論產(chǎn)甲烷潛力為566.7 mL·g-1，高于M?ller等[36]通過(guò)豬糞中碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪等通用分子式計(jì)算獲得的理論產(chǎn)甲烷潛力516 mL·g-1。表8為各組在不同發(fā)酵時(shí)間的BDA和MPR值。BDA為衡量原料甲烷轉(zhuǎn)化是否徹底的重要參數(shù)。由表可知，發(fā)酵進(jìn)行到第17 d時(shí)，L、M組和H組的BDA比CK分別提高16.7%、37.6%和31.1%，其中M組在第13 d的BDA值（56.6%）與CK組第26 d的BDA（56.5%）接近；發(fā)酵結(jié)束時(shí)L、M組和H組的BDA分別達(dá)到64.9%、70.3%和68.2%，明顯高于CK組的BDA（57.9%）。MPR可作為確定水力停留時(shí)間（HRT）的重要依據(jù)，本研究中以MPR等于90%表示厭氧發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程結(jié)束[37]。各試驗(yàn)組的厭氧發(fā)酵結(jié)束時(shí)間分別為18.92、16.23 d和17.01 d，其中M處理的HRT最短，比CK組（20.23 d）縮短了4 d。試驗(yàn)結(jié)果表明，添加微量元素Se、W可提升發(fā)酵底物的轉(zhuǎn)化效率并大大縮短發(fā)酵水力停留時(shí)間，在實(shí)際應(yīng)用中，BDA的提高和HRT的縮短意味著更高的發(fā)酵反應(yīng)器有效容積利用率，利于成本降低。

3 結(jié)論

（1）添加外源微量元素Se、W在調(diào)控?fù)]發(fā)性脂肪酸積累和提高產(chǎn)氣量、甲烷體積分?jǐn)?shù)、產(chǎn)甲烷速率及甲烷產(chǎn)率等方面均有不同程度的積極作用，其中中濃度M組（Se 0.8 mg·L-1、W 1.8 mg·L-1）對(duì)厭氧發(fā)酵效率的促進(jìn)效應(yīng)最為顯著，累積產(chǎn)氣量（177 001 mL）、平均甲烷體積分?jǐn)?shù)（68.3%）和BDA（70.3%）比CK組分別提高了10.2%、6.1%和21.4%，厭氧發(fā)酵過(guò)程的促進(jìn)效應(yīng)及其變化規(guī)律符合Gompertz模型。

表7 擬合方程對(duì)各處理組甲烷產(chǎn)率曲線(xiàn)的擬合結(jié)果Table 7 Model-fitting for methane production curves

表8 厭氧發(fā)酵過(guò)程部分時(shí)間點(diǎn)的MPR和BDATable 8 Methane production ratio and biodegradability at some points of the anaerobic fermentation process

（2）甲烷產(chǎn)率與TVFAs質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)，隨微量元素添加量的增加先增加后降低。微量元素Se、W能夠促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌和酶的活性，加快揮發(fā)性脂肪酸轉(zhuǎn)化為甲烷的反應(yīng)速率，促進(jìn)產(chǎn)甲烷進(jìn)程，其中對(duì)丙酸降解效應(yīng)尤為顯著。M組效果最佳，呈現(xiàn)出最低TVFAs累積量（809 mg·L-1）、最大產(chǎn)甲烷速率（31.0 mL·g-1·d-1）和最短水力停留時(shí)間（16.23 d）和遲滯期（1.13 d），表明添加微量元素Se、W可提高豬糞厭氧發(fā)酵效率（T90）、縮短厭氧發(fā)酵遲滯期。對(duì)于易發(fā)生酸敗現(xiàn)象的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，建議添加適量微量元素Se、W，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌互營(yíng)氧化效率恢復(fù)運(yùn)行。研究結(jié)果可為厭氧發(fā)酵技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用提供技術(shù)參考和借鑒。