添加微量元素對(duì)褐鐵礦強(qiáng)化的秸稈牛糞厭氧干發(fā)酵過(guò)程的影響

仇 植, 許立峰, 王 進(jìn), 岳正波, 彭書(shū)傳

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

厭氧干發(fā)酵通常因傳質(zhì)障礙和有機(jī)負(fù)荷高等原因,導(dǎo)致其甲烷產(chǎn)率和有機(jī)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(jī)廢棄物混合發(fā)酵、對(duì)木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理[2-3],另外,利用高溫(50～60 ℃)條件替代常溫(35～40 ℃),也會(huì)達(dá)到更高的反應(yīng)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(jī)物厭氧發(fā)酵體系中以提高產(chǎn)甲烷性能和反應(yīng)器穩(wěn)定性被廣泛研究[5-6]。鐵氧化物作為一種廉價(jià)易得的礦物,添加于厭氧反應(yīng)體系中能夠促進(jìn)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(duì)產(chǎn)甲烷階段也起著重要的調(diào)控作用[10]。其對(duì)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(xiàn)[11]研究鐵、鈷、鎳對(duì)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(shí),鈷和鎳或鐵、鈷和鎳組合添加時(shí)甲烷產(chǎn)量最高。文獻(xiàn)[12]研究表明,當(dāng)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(shí),可提高厭氧發(fā)酵過(guò)程中關(guān)鍵酶活性,以促進(jìn)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(duì)厭氧發(fā)酵起重要作用的其他微量元素(如鈷和鎳),對(duì)于該問(wèn)題前人關(guān)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(duì)其厭氧干發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)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(fēng)干、研磨后,過(guò)40目篩,用于厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)；牛糞取自安徽宿州市蕭縣某養(yǎng)牛場(chǎng);接種物為發(fā)酵沼液,取自安徽宿州市蕭縣一農(nóng)戶(hù)家中。褐鐵礦來(lái)自安徽銅陵市新橋鎮(zhèn),經(jīng)研磨后過(guò)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(jiàn)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(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用250 mL血清瓶作為反應(yīng)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(jì)),秸稈、牛糞與沼液通過(guò)人工攪拌均勻后裝入反應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)體系中加入CaCO3固體作為緩沖物,用以調(diào)節(jié)發(fā)酵過(guò)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(shí)驗(yàn)分組、底物、接種物、褐鐵礦及微量元素添加量見(jiàn)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?jǐn)?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(chēng)其質(zhì)量。所有反應(yīng)器置于(35±1) ℃恒溫培養(yǎng)箱中,每5天進(jìn)行一次排氣及反應(yīng)器稱(chēng)重,并測(cè)定產(chǎn)氣量和甲烷的量;每15天拆瓶1次,測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)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(biāo)測(cè)試

TS和VS采用標(biāo)準(zhǔn)方法[13]測(cè)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(guó))測(cè)定。反應(yīng)開(kāi)始后,產(chǎn)氣量采用排水集氣法測(cè)定,并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)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(cè)定。沼渣提取液的總氮和總有機(jī)碳(total organic carbon,TOC)含量采用TOC分析儀(multi N/C?3100,德國(guó))測(cè)定,氨氮采用可見(jiàn)分光光度計(jì)(MF J7200,龍尼柯(上海)儀器有限公司)測(cè)定,鹽酸可提取態(tài)Fe2+濃度根據(jù)文獻(xiàn)[14]方法測(cè)定,pH值采用pH計(jì)(pHS-3C,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)測(cè)定。沼渣中半纖維素、纖維素及木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用范氏(van Soest)洗滌纖維分析法[15]測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 微量元素添加對(duì)甲烷產(chǎn)生的影響

微量元素添加對(duì)甲烷產(chǎn)生的影響如圖1所示。

圖1 微量元素添加對(duì)累積甲烷產(chǎn)量和底物降解率的影響

由圖1a可知,所有實(shí)驗(yàn)體系自反應(yīng)開(kāi)始便有較大量甲烷產(chǎn)生,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)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(jìng)爭(zhēng)與互營(yíng)作用,促使產(chǎn)酸產(chǎn)氫及產(chǎn)甲烷反應(yīng)快速進(jìn)行。在僅褐鐵礦添加的實(shí)驗(yàn)體系中,甲烷累積產(chǎn)量逐漸增大,說(shuō)明褐鐵礦的添加對(duì)秸稈和牛糞厭氧干發(fā)酵具有促進(jìn)作用。發(fā)酵結(jié)束后,對(duì)照組(無(wú)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(shí)驗(yàn)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(bào)道,在厭氧消化體系中,Fe (Ⅲ)/Fe (Ⅲ)-Fe (Ⅱ)氧化物的補(bǔ)充可以促進(jìn)復(fù)雜物質(zhì)的分解,其機(jī)制是Fe (Ⅲ)/Fe (Ⅲ)-Fe (Ⅱ)氧化物可以富集鐵還原菌,通過(guò)異化鐵還原參與復(fù)雜有機(jī)物的分解[16-17]。本實(shí)驗(yàn)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(jìn)了復(fù)雜底物的水解酸化,為后續(xù)產(chǎn)甲烷階段提供充足營(yíng)養(yǎng)及物質(zhì)來(lái)源。另外,Fe元素不僅能夠參與厭氧微生物體內(nèi)細(xì)胞色素的合成,激活多種酶的活性,而且能夠充當(dāng)胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)的電子載體[10,18],促進(jìn)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(guān)重要[10]。自第5天開(kāi)始,有Co、Ni添加實(shí)驗(yàn)組的甲烷產(chǎn)量開(kāi)始顯著增加,發(fā)酵結(jié)束后,添加Co及Ni實(shí)驗(yàn)組的最終累積甲烷產(chǎn)量為(1 950±158) mL,褐鐵礦及同時(shí)添加Co、Ni實(shí)驗(yàn)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(guò)程中酶F420的活性,促進(jìn)微生物細(xì)胞的生物合成和產(chǎn)甲烷過(guò)程[10,19]。Ni是產(chǎn)甲烷菌細(xì)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(guò)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(shí)添加Co、Ni的作用效果要強(qiáng)于其單獨(dú)作用效果之和,也說(shuō)明了微量元素在厭氧干發(fā)酵過(guò)程中的重要作用。

由圖1b可知,褐鐵礦及Co、Ni的添加對(duì)底物降解率無(wú)明顯影響,所有實(shí)驗(yàn)體系中的底物降解率均在40%～42%之間。無(wú)褐鐵礦添加實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)體系中,褐鐵礦的添加對(duì)甲烷產(chǎn)率有促進(jìn)作用,甲烷產(chǎn)率提高了11.5%。Co及Ni的添加對(duì)甲烷產(chǎn)率也有促進(jìn)作用,甲烷產(chǎn)率提高了11.6%;褐鐵礦及同時(shí)添加Co、Ni實(shí)驗(yàn)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(jìn)行厭氧干發(fā)酵時(shí),適量添加微量元素可提高甲烷產(chǎn)率。微量元素的添加對(duì)底物的降解量并無(wú)影響,但能提高甲烷產(chǎn)率,這說(shuō)明微量元素的添加可促進(jìn)底物中可溶性有機(jī)物轉(zhuǎn)化成甲烷的效率。

2.2 發(fā)酵過(guò)程中pH值及底物中TOC變化

實(shí)驗(yàn)體系pH值變化情況如圖2a所示,發(fā)酵初期,由于復(fù)雜有機(jī)物的水解,大量有機(jī)酸產(chǎn)生,導(dǎo)致體系pH值迅速下降;當(dāng)實(shí)驗(yàn)體系中的產(chǎn)甲烷過(guò)程占主導(dǎo),有機(jī)酸被逐漸分解,pH值開(kāi)始逐漸升高。由變化趨勢(shì)可見(jiàn),對(duì)照組pH值達(dá)到最低值的時(shí)間要長(zhǎng)于其他3個(gè)實(shí)驗(yàn)體系,說(shuō)明褐鐵礦及微量元素的添加可促進(jìn)底物的水解及產(chǎn)酸過(guò)程。

微量元素對(duì)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(shì),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(dǎo)致有機(jī)酸、碳水化合物等可溶性有機(jī)物的積累;當(dāng)體系開(kāi)始以產(chǎn)甲烷占主導(dǎo),底物中可溶有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣的速率增大,TOC則開(kāi)始逐漸下降。

圖2 微量元素添加對(duì)體系pH值及底物中TOC的影響

從TOC的變化趨勢(shì)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(dá)到峰值,而對(duì)照組TOC在第15天以后達(dá)到峰值,這說(shuō)明褐鐵礦及微量元素的添加可提高底物中復(fù)雜有機(jī)物的水解速率。發(fā)酵結(jié)束后,褐鐵礦及微量元素添加實(shí)驗(yàn)體系中TOC要顯著低于對(duì)照組,說(shuō)明褐鐵礦及微量元素的添加促進(jìn)了底物中可溶性有機(jī)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(shí)添加Co、Ni實(shí)驗(yàn)組的TOC最低,說(shuō)明在褐鐵礦強(qiáng)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(jìn)一步提高可溶性底物轉(zhuǎn)化效率。

2.3 發(fā)酵過(guò)程中氨氮及總氮質(zhì)量的變化

發(fā)酵過(guò)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(duì)底物中氨氮及總氮質(zhì)量的影響

由圖3可知，4個(gè)實(shí)驗(yàn)體系中氨氮及總氮質(zhì)量變化趨勢(shì)類(lèi)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)體系中,氨氮及總氮質(zhì)量均高于對(duì)照組,說(shuō)明褐鐵礦及微量元素的添加可促進(jìn)底物中含氮物質(zhì)的降解,且兩者同時(shí)添加時(shí)促進(jìn)作用更強(qiáng)。有研究表明,厭氧發(fā)酵過(guò)程中,氨氮積累對(duì)產(chǎn)甲烷過(guò)程有抑制作用[22]。本實(shí)驗(yàn)過(guò)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(huì)促進(jìn)氨的釋放,但并未影響產(chǎn)甲烷過(guò)程,體系營(yíng)養(yǎng)均衡。

2.4 發(fā)酵過(guò)程中Fe2+質(zhì)量的變化

在前人研究中,Fe元素對(duì)厭氧發(fā)酵影響的研究較多,因?yàn)镕e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(shí)驗(yàn)體系中Fe2+的質(zhì)量在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中有顯著的變化，如圖4所示,因?yàn)槌跏及l(fā)酵底物中可能含有微量Fe元素,所以無(wú)Fe元素添加實(shí)驗(yàn)組中Fe2+質(zhì)量在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中也有略微波動(dòng)。

圖4 底物中Fe2+質(zhì)量的變化

2.5 微量元素添加對(duì)木質(zhì)纖維素降解的影響

底物木質(zhì)纖維素質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)分別為39.11%、17.98%和9.15%。在所有實(shí)驗(yàn)體系中,半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù),說(shuō)明褐鐵礦及微量元素的添加可促進(jìn)底物中半纖維素的降解。木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?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(dǎo)致其質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)增加。褐鐵礦及微量元素的添加對(duì)纖維素的降解無(wú)影響,所有實(shí)驗(yàn)體系的纖維素降解率均在43%～46%之間,當(dāng)Fe、Co、Ni元素同時(shí)添加時(shí),可顯著提高半纖維素的降解率,其降解率超過(guò)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?jǐn)?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(jìn)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(jìn)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(jìn)半纖維素的降解,其降解率超過(guò)90%,對(duì)纖維素的降解無(wú)影響。