微量元素制剂提高厌氧产甲烷活性的研究

乔 玮， 毕少杰， 齐向阳， 苏 敏, 董仁杰,3

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发(实验)中心(中国农业大学)， 北京 100083； 3.中国农业大学烟台研究院， 山东 烟台 264670)

据农业农村部估算，中国每年产生畜禽粪污38亿吨，综合利用率不到60%；每年产生秸秆近9亿吨，未利用的约2亿吨[1]。目前我国正在积极“推进种养业废弃物资源化利用”，并 “明确能源化、肥料化利用方向”。甲烷发酵是农业废弃物资源化和能源化利用的主要途径之一，具有处理废物和回收清洁沼气能源双重特点[2]。

甲烷发酵过程中微生物细胞的合成代谢不仅需要大量元素C，N和P等，也需要多种微量元素Fe，Co，Ni，Cu，Zn和Se等[3]。Zandvoort[4]等指出，微量元素不仅参与合成厌氧微生物细胞，并且参与合成厌氧发酵过程中多种酶系统，其中Fe，Co和Ni对产甲烷菌尤为重要。Fe是产甲烷菌细胞合成和生理代谢的最主要元素之一，参与合成并激活产甲烷菌中CO脱氢酶和超氧化物歧化酶的活性，提高甲烷发酵系统的运行稳定性[5]。Co是转甲基酶和CO脱氢酶的重要组成元素，对产甲烷菌、巴氏甲烷八叠球菌等的生物活性也具有重要作用[6]。Ni是脱氢酶、乙酰辅酶A等多种辅因子的重要组成成分，甲烷发酵的产气性能与Ni的含量密切相关[7]。Pobeheim[8]等的研究结果表明，青贮玉米甲烷发酵系统中Ni浓度由0.6 mg·L-1增至0.8 mg·L-1，沼气产量可以提高25%。同时，多种微量元素在甲烷发酵中具有协同促进作用。向城市有机生活垃圾厌氧发酵批次试验中加入Fe，Co，Ni复合微量元素后，沼气产量、甲烷浓度和化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)去除率分别提高43.4%，5.1%和10.2%[9]。由此可见，甲烷发酵的转化效率与微量元素水平密切相关。

近年来，我国大中型沼气工程在数量及质量上取得了瞩目的成绩[10]，然而目前针对沼气工程中营养元素水平与原料甲烷发酵转化效率的相关研究还较少。本研究试图从添加微量元素制剂的角度入手，尝试增强厌氧微生物产甲烷活性，进而提高沼气工程甲烷发酵效率。

1 材料和方法

1.1 试验材料及处理方法

原料和厌氧污泥分别取自以鸡粪、牛粪、猪粪和玉米秸秆为原料的沼气工程，4座沼气工程均位于北京郊区。取样时，各沼气工程均常年连续运行并稳定产气。表1提供了各沼气工程发酵罐的基本运行参数。鸡粪、牛粪、猪粪和玉米秸秆均为沼气工程的进料样品，取回后置于4℃冷库中保存。厌氧污泥均为沼气工程的新鲜出料，取回后分别置于35℃±1℃(鸡粪、牛粪和猪粪)或55℃±1℃(玉米秸秆)恒温水箱(HH-60)中保存。原料和厌氧污泥的性质如表2所示。

1.2 甲烷发酵动力学分析

采用批次实验分析各原料(鸡粪，牛粪，猪粪，玉米秸秆)甲烷发酵产气动力学。试验设计如表3所示，试验流程见图1。试验分为2组，分别为原料+微量元素和微量元素(对照)，原料和空白(对照)，每组设置两个平行。厌氧污泥、原料和微量元素加入到120 mL玻璃发酵瓶后，充入氮气2 min，形成厌氧环境。采用水浴(HH-60)保持35℃±1℃(鸡粪、牛粪和猪粪)或55℃±1℃(玉米秸秆)恒温。试验进行了53天，前25天每天测定产气量和甲烷含量，25天后每隔3天测定1次产气量和甲烷含量。文中给出的产气数据均为去除对照后的结果。

采用一级动力学模型和二阶段模型分析各原料甲烷发酵产气动力学[11]。甲烷发酵的一级动力学模型如公式(1)所示：

(1)

式中:Ymax为最大产气量，mLCH4·g-1VS;Ys为最大产气量减去t时刻的累积产气量，mLCH4·g-1VS;K为速率常数，d-1；t为产气时间，d。

图1 批次试验流程

甲烷发酵的两阶段模型如公式(2)所示：

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

(2)

式中:Y为t时刻的累积产气量，mLCH4·g-1VS；Ymax为最大产气量，mLCH4·g-1VS；K1为快速产气期的一阶速率常数，d-1；K2为慢速产气期的一阶速率常数，d-1；t为发酵时间，d；P为易降解物质的成分比例，%；e为自然常数。

1.3 比产甲烷活性测试

厌氧污泥的比产甲烷活性指污泥所具有的去除COD或生成甲烷的能力，是反映污泥品质和表征产甲烷菌活性的重要参数之一[12]。乙酸是产甲烷菌的最主要前体物质，约70%的甲烷通过乙酸裂解途径产生。因此，以乙酸钠(最终乙酸浓度为2000 mg·L-1)为基质，采用批次试验测试添加微量元素对接种污泥比产甲烷活性(specific methanogenic activity，SMA)的影响。厌氧污泥处理和试验过程同1.2。试验进行了24小时，每3小时测定产气量和甲烷含量。每种厌氧污泥进行3轮实验，选取后两轮实验产气结果计算产甲烷活性。

表1 发酵罐的基本运行参数

表2 原料和厌氧污泥特性

注：()：厌氧污泥的特性；TS：总固体(total solid)；VS：挥发性固体(Volatile Solid)；VSS：挥发性悬浮固体(Volatile suspended solid)；/：未检出。

表3 批次实验设计

注：a：称取0.7g玉米秸秆，加蒸馏水至10 mL；b：微量元素在发酵瓶中的终浓度见表4。

比产甲烷活性计算采用Wandera[13]研究中所用的方法，计算公式如公式(3)所示：

(3)

式中：V(CH4)为累积产甲烷量，mLCH4；VR为血清瓶中添加的污泥量，L；f为COD与甲烷产量的转化系数，350 mLCH4·g-1COD；VSS为所用厌氧污泥的悬浮性挥发固体含量，gVSS·L-1；t为时间，d。

1.4 分析方法

1.4.1 化学分析方法

TS，VS和VSS采用重量法测定。pH值采用Orion 5-Star pH计测定。C，H，O，S和N的元素质量分数采用Vario Macro型元素分析仪测定。Na，K，Ca，Mg，B，Fe，Co，Ni，Cu，Mn，Zn，Se和Mo等金属元素含量采用Thermo IRIS测定。氨氮采用水杨酸一次氯酸盐光度法测定。沼气成分由岛津GC-8A气相色谱仪测定，色谱柱为Φ10 m × 2 mm不锈钢色谱柱，甲烷检测条件：氢气分压为 0.6 MPa，流速为20 mL·min-1，进样口温度、柱温及检测器(TCD)温度分别为 120℃，50℃，120℃，进样为 0.5 mL。

1.4.2 统计分析方法

以origin 8.0软件进行单因素方差分析(p<0.05)。

2 结果与讨论

2.1 原料和厌氧污泥中微量元素分析

表2列出了鸡粪、牛粪、猪粪和玉米秸秆沼气工程中原料和厌氧污泥的金属组成。添加微量元素可以提高甲烷发酵效率，斯皮思[14]等和Banks[15]等整理了甲烷发酵过程中所必需的金属元素及其需求量。4种原料中普遍缺乏一些特定的金属元素，包括Co，Mo和Se。Co在鸡粪和牛粪中的含量分别为0.6和0.3 mg·L-1，在玉米秸秆中未检出。Se在4中原料中的含量均在0.1 mg·L-1以内。Mo在鸡粪、牛粪和猪粪中的质量浓度分别为0.3，0.02和0.4 mg·L-1，低于斯皮思[14]等和Banks[15]等报道的浓度。4座沼气工程厌氧污泥中(见表2)，Co，Mo和Se等金属元素依然缺乏，质量浓度分别低于0.1,0.6和0.1 mg·L-1。随着甲烷发酵的进行，厌氧污泥中Cu和Zn等金属元素浓度也不断变低。以上微量元素的缺失或不足直接影响产甲烷菌的活性，可能会导致甲烷发酵的速率及效率的下降。因此，本文根据斯皮思[14]等所列的理想状态下甲烷发酵对于元素的需求，在借鉴前人的研究基础上[16-17]，结合沼气工程的实际情况，制定了适合试验沼气工程使用的金属元素添加浓度(见表4)。

表4 微量元素浓度 (mg·L-1)

2.2 添加微量元素制剂对鸡粪、牛粪、猪粪和玉米秸秆甲烷发酵产气动力学的影响

2.2.1 甲烷发酵产气一级动力学模型

图2～图5和表5为各原料甲烷发酵产气的一级动力学模拟结果。鸡粪(添加和未添加微量元素制剂)产甲烷动力学常数均为0.02 d-1(见表5和图2)，约5天后，鸡粪开始正常产气，添加微量元素制剂的鸡粪动力学常数为0.10 d-1，低于添加微量元素制剂的0.11 d-1。牛粪甲烷发酵呈现一阶段产气特征(见表5和图3)，添加和未添加微量元素制剂的动力学常数均为0.08 d-1，添加微量元素制剂对牛粪的产气速率无影响。猪粪甲烷发酵呈现二阶段产气特征(见表5和图4)，但添加微量元素制剂对猪粪的产气速率无明显影响。快速和慢速产气期的动力学常数均为0.14和0.05 d-1。添加微量元素制剂改变了玉米秸秆的产气动力学特性，未添加处理的玉米秸秆产气无明显二阶段特性，产气动力学常数为0.12 d-1，而添加处理的玉米秸秆产气呈现明显二阶段特性，K1和K2分别为0.18和0.08 d-1(见表5和图5)。基于一级动力学模拟结果，添加微量元素制剂后仅玉米秸秆的产气速率有提高。

表5 鸡粪、牛粪、猪粪和玉米秸秆甲烷发酵产气一级动力学模型参数

注：K1：二阶段产气中第一阶段产气期一级动力学常数；K2：二阶段产气中第二阶段产气期一级动力学常数； t*：二阶段产气中第一阶段产气的持续时间。

鸡粪等固体废物甲烷发酵的产气过程需要通过两阶段的动力学表征，人为划分快速产气期和慢速产气期具有随机性。因此，本文采用了两阶段模型对一级动力学的模拟结果进行了印证。

2.2.2 甲烷发酵产气二阶段模型

采用二阶段模型分析了各原料甲烷发酵产气的动力学特性，结果见图6～图9和表6。添加微量元素制剂后，鸡粪的甲烷产率由447增至497 mLCH4·g-1VS，增加了11.2%(p<0.05)。鸡粪甲烷发酵产气的二阶段特性不明显(见图6和表6)，添加和未添加微量元素制剂处理的动力学常数分别为0.07和0.06 d-1，表明添加微量元素制剂导致鸡粪的产气速率下降，但不明显(p>0.05)。

图2 鸡粪甲烷发酵一级动力学模型

图3 牛粪甲烷发酵一级动力学模型

图4 猪粪甲烷发酵一级动力学模型

图5 玉米秸秆甲烷发酵一级动力学模型

表6 鸡粪、牛粪、猪粪和玉米秸秆甲烷发酵产气二阶段模型参数

注：Yp：快速发酵期间的甲烷产率；t* ：快速发酵期持续时间。

添加微量元素制剂后，牛粪的甲烷产率由245增至305 mLCH4·g-1VS，增加了24.3%(p<0.05)。牛粪甲烷发酵产气呈现明显的快速产气期和慢速产气期两阶段特征(见图7和表6)，在快速产气期添加和未添加微量元素制剂处理的动力学常数分别为0.27和0.21 d-1，分别在第2.7和4.1天进入慢速产气期。在慢速产气期，添加微量元素制剂处理的动力学常数(0.07 d-1)仍高于未添加处理(0.06 d-1)。因此，添加微量元素制剂不仅能够提高牛粪的产甲烷量，还能提高牛粪的产甲烷速率。

添加微量元素制剂使猪粪的甲烷产率达到234 mLCH4·g-1VS，比未添加的提高了10.4%(p<0.05)。与牛粪一样，猪粪甲烷发酵也呈现出明显的两阶段特性(见图8和表6)。添加和未添加微量元素制剂处理的鸡粪在快速和慢速产气期的动力学常数均相同。表明添加微量元素制剂对鸡粪的产气速率无明显影响。

添加微量元素制剂后玉米秸秆的甲烷产率由254降至243 mLCH4·g-1VS，降低了4.2%(p>0.05)(见图9和表6)。添加微量元素制剂改变了玉米秸秆的产气动力学特性，未添加处理的玉米秸秆产气无明显二阶段特性，产气动力学常数为0.12 d-1，而添加处理的玉米秸秆产气呈现明显二阶段特性，K1和K2分别为0.22和0.06 d-1。

未添加微量元素制剂的处理中，鸡粪的甲烷产率最高，为447mL CH4·g-1VS；牛粪的产气动力学常数最大，为0.21 d-1。添加微量元素制剂后牛粪的甲烷产率提高最显著(24.3%)。玉米秸秆的产气速率增加最明显，产气动力学常数K1由0.12 d-1增至0.22 d-1。

图6 鸡粪甲烷发酵产气二阶段模型

图7 牛粪甲烷发酵产气二阶段模型

2.3 添加微量元素制剂对厌氧污泥比产甲烷活性的影响

表7汇总了各沼气工程厌氧污泥(添加和未添加微量元素)的比产甲烷活性。4座沼气工程中，鸡粪沼气工程厌氧污泥的SMA最低，这可能与厌氧污泥中的高氨氮浓度有关。Niu[18]等研究表明，氨氮浓度达到4000～5000 mg·L-1，鸡粪中温和高温甲烷发酵将会受到抑制，导致沼气产量的降低。本文鸡粪沼气工程中的氨氮浓度达到了6014 mg·L-1，超过报道的抑制浓度[12,19]。经过3轮活性试验，鸡粪沼气工程的厌氧污泥活性明显提高。第3轮试验时，添加和未添加微量元素的鸡粪沼气工程的厌氧污泥SMA分别增至38.97和38.03 mgCOD·g-1VSS·d-1，较第1轮分别提高了106.3%(p<0.05)和76.6%(p<0.05)。添加微量元素对鸡粪沼气工程厌氧污泥的SMA促进效果更加明显。

图8 猪粪甲烷发酵产气二阶段模型

图9 玉米秸秆甲烷发酵产气二阶段模型

添加和未添加微量元素的秸秆沼气工程的SMA分别为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，牛粪沼气工程的厌氧污泥的SMA没有明显变化，猪粪沼气工程厌氧污泥的SMA提高了2.4%(p>0.05)，提高效果不明显。

3 结论

本文调研的鸡粪、牛粪、猪粪和玉米秸秆沼气工程的厌氧污泥和原料中均缺少产甲烷菌必需的Co，Mo和Se，为此，本文提供了具有高溶解度的微量元素制剂。通过添加微量元素制剂，鸡粪、牛粪和猪粪的甲烷产率分别显著提高了11.2%,24.6%和10.4%；鸡粪、猪粪和玉米秸秆沼气工程厌氧污泥的比甲烷速率分别提高了3.5%,2.4%和8.6%。由此可见，添加供试的微量元素制剂能够提高农业沼气工程的产甲烷速率。

表7 添加微量元素制剂对比产甲烷活性的影响

注：括号内数值的单位为mLCH4·g-1VSS·d-1。