微量元素对厌氧发酵过程影响研究进展

刘一铭，黄 涛，栗 健

(西南交通大学 地球科学与环境工程学院，成都 611756)

1 引 言

随着我国经济的发展和城市化进程的不断推进，城市固体废弃物产生量不断增加[1]。近年来，固体废弃物呈现出比较明显的增长趋势[1-2]。因此，如何有效地处置固体废弃物，使其资源化利用成为众多学者关注的焦点[3～5]。

厌氧发酵技术作为固体废弃物资源化利用的一种方式，是指在厌氧条件下，利用厌氧菌或兼性菌等的代谢转化作用，将废弃物中复杂的有机成分转化为有机物和无机物，产生生物燃气如沼气进而用于发电供能等行业[6]。厌氧发酵技术不仅解决了固体废弃物的处置难题，而且实现了废物再利用，可以最大程度地节约资源，缓解当前能源紧缺的局面[4-5]。然而厌氧发酵技术在实现过程中受到很多因素的影响，如水力停留时间、温度，pH，碳氮比等，只有在发酵过程中合理地控制影响因子的变化，才能保证发酵系统的稳定运行，否则系统将面临阻滞甚至崩溃[7]。微量元素作为影响发酵过程的一种重要因子，近年来受到很多学者的关注。很多研究均表明发酵过程在缺少微量元素的情况下，会导致pH异常，发酵系统无法正常进行，影响发酵效果[8-9]。因此，为更深入地了解微量元素的作用，为实际沼气工程中微量元素投加量提供依据，本文将针对微量元素对厌氧发酵过程影响的研究进展进行综述。

2 微量元素在厌氧发酵过程中的作用

随着科学技术的发展，研究学者对于厌氧发酵的过程先后提出了两阶段、三阶段以及四阶段理论[10]。目前被广泛使用的是三阶段论，即厌氧发酵过程可分为水解，产氢产乙酸以及产甲烷三个阶段[6]。水解过程即大分子化合物如脂肪、纤维素等在微生物的作用下被分解为脂肪酸、单糖等小分子物质的过程。该过程的主要催化剂为厌氧微生物分泌的各类水解酶。产氢产乙酸阶段主要是第一阶段的水解单体产物进一步被降解为短链有机酸以及二氧化碳、氢气等，产乙酸菌则利用氢气和二氧化碳合成乙酸，作为第三阶段生成甲烷的底物[6]。产甲烷阶段则是在厌氧条件下，产甲烷菌利用乙酸、二氧化碳和氢气等生成甲烷的过程，不同的产甲烷菌所利用的底物也不同[11]。

厌氧发酵过程的每个阶段都有多种酶的参与，而许多微量元素正是通过影响酶的合成及活性来调节厌氧发酵过程[12]。Cu、Zn参与氢化酶的构成，氢化酶能够催化氢气的氧化或者质子的还原这一可逆反应[13]。Fe、Co、Ni参与构成CO脱氢酶，脱氢酶是一类催化物质氧化还原反应的酶，在第二阶段产乙酸过程中起重要作用[13-14]。Zerkle A L等[12]研究发现厌氧发酵第三阶段产甲烷阶段是有最多金属酶参与的生化反应阶段之一。Mo、W、Se和Zn参与构成甲酸盐脱氢酶，能够促使产甲烷菌利用CO2和H2合成甲烷[13]。

除此之外，许多微量元素是厌氧发酵过程中微生物如产甲烷菌的重要成分。Fe、Ni、Cu、Zn都是产甲烷菌体内必不可少的微量金属元素，产甲烷菌在第三阶段以CO2和H2为底物合成甲烷的过程中起到重要的作用[15]。产甲烷菌中微量元素含量从大到小的排列顺序为Fe>Zn>Ni>Cu[16]，其中Fe是产甲烷菌中含量最高的金属元素，参与产甲烷菌体内细胞色素、细胞氧化酶的合成，同时也是胞内氧化还原反应的电子载体[17-18]。

3 微量元素对厌氧发酵过程影响的现状研究

3.1 微量元素对单一发酵底物厌氧发酵过程的影响研究

有机质含量较高的底物如禽畜粪便、餐厨垃圾以及秸秆类物质等可以单独进行厌氧发酵产生沼气[19-20]。然而这种单一底物发酵系统具有产气效率低、系统不稳定等弊端[21]。针对此问题，近年来国内外学者尝试在该类发酵系统中添加适量微量元素以达到稳定系统、促进产气的功效。

对于以禽畜粪便为发酵底物的厌氧发酵系统，适量地添加微量元素可以提高产气量、维持系统运行的稳定。樊丽等[22]研究了低温条件下(<17℃)Mn元素对牛粪厌氧发酵产气量的影响，结果发现锰的存在可以加速低温条件下牛粪厌氧发酵的启动。但添加单质Mn时发酵的产气量低于添加电解锰渣时的产气量，在一定程度上说明锰以及其他金属元素的共同作用能够更加有效促进低温下的牛粪厌氧发酵产气。贾丽娟等[23]同样以牛粪为底物进行厌氧发酵实验，发现当添加微量元素Fe2+5.00mg/L、Ni2+21.4μg/L、Co2+28.82μg/L时，可将沼气产量提高30%。这是由于Fe2+、Ni2+是构成厌氧微生物细胞以及多种酶的重要成分，可促进微生物新陈代谢，激发酶的活性。Molaey R等[24]以鸡粪为底物，添加单一元素Se、混合元素Co、Mo、Ni、Se和Wu进行长期厌氧发酵实验时，发现添加单一元素Se不足以长时间维持甲烷生成的稳定状态，混合元素的添加能够促进甲烷菌的生长，而该菌种对氨氮的耐受性能较强，可以有效维持系统的稳态。

微量元素的添加对于以餐厨垃圾为底物的厌氧发酵系统也有类似的促进作用。国内的餐厨垃圾以淀粉类、脂肪类等有机质为主要成分，具有高固体含量、高油脂、易生物降解等特点，是厌氧发酵过程常用的底物之一[25]。吴树彪等[26]在中温37℃的条件下探究Fe、Co、Mo、Se、Ni、W对餐厨垃圾厌氧发酵的影响，发现当有机负荷为3g/(L·d)时，添加微量元素处理组和未处理的对照组差别不大；但当有机负荷增加至4g/(L·d)时，对照组甲烷体积分数下降19.5%，而处理组稳定在60%左右，且对照组pH下降到5.24，厌氧发酵失败，而处理组pH保持在7.2左右。Zhang W[27]同样以餐厨垃圾为底物，添加适量的金属离子，进行厌氧发酵实验。实验结果发现金属离子的添加有效地缓解了发酵过程中挥发性脂肪酸的抑制效应，能够维持pH的稳定。

类似的，纤维素类底物厌氧发酵过程也会受到微量元素的影响。叶小梅等[28]对水葫芦厌氧发酵过程的影响因素进行了研究，其中微量元素的添加提高了发酵前7天的总产气量，且对厌氧发酵影响力的排序为Fe2+>Co2+>Ni2+。Pobeheim H等[29]研究了Ni和Co的添加对玉米秸秆厌氧发酵过程稳定性和沼气产量的影响，结果表明Ni和Co的缺失导致了厌氧发酵进程的不稳定，而当Ni和Co的添加量分别增加到0.6mg/kg和0.05mg/kg时，系统稳定性逐渐恢复；但继续增加Ni和Co的量，并没有观察到沼气产量的明显增加。赵玲等[30]同样以玉米秸秆为发酵底物，研究Fe、Co和Ni 3种元素的添加频次对沼气产量以及辅酶F420的影响。发酵实验设置A～F共6组，其中A组为对照组，B～F组分别设置微量元素混合液不同的添加频次。实验结果表明微量元素添加频次最多的B组(每天添加微量元素混合液)的沼气产量最高，比A组提高23%，且辅酶F420含量高峰值显著提高，表示产甲烷菌的活性得到明显增强。李坤等[31]对于中温条件微量元素影响蔬菜废弃物厌氧发酵过程进行了研究，发现添加微量元素Fe、Co、Ni至0.22mg/L、0.22mg/L和0.44mg/L后，沼气产量增加了37.11%，甲烷百分含量提高了40.34%。孙娟等[32]同样以蔬菜废弃物为发酵底物，在中温35℃条件下进行厌氧发酵实验。当有机负荷率增大时，沼气中甲烷含量会逐渐下降；但在连续添加一段时间微量元素Fe、Co、Ni后甲烷含量会迅速恢复至稳定状态。本次实验的结果表明微量元素的添加可有效提高蔬菜废弃物厌氧消化的稳定性，能够快速恢复失稳的系统。

3.2 微量元素对混合协同发酵过程影响研究

混合协同发酵是指两种或两种以上底物共同进行发酵的过程。多种底物协同发酵在一定程度上能提高产气效率，维持系统稳定，但微量元素作为系统中不可或缺的一部分，仍起着不可替代的作用[33]。

Qiang H等[34]将高固含量的餐厨垃圾与污泥混合进行厌氧发酵实验，实验过程分为3个阶段：不添加微量元素(Fe、Co、Ni)、间歇性添加微量元素、在基底中加入微量元素。实验发现，第一阶段沼气产生速率比较低，反应器的运行不稳定；当在第69天添加10 mg/L Fe2+、1 mg/L Ni2+、1 mg/L Co2+时，沼气产生速率明显提高，甲烷含量稳定在大于50%的水平，但在第108～114d间，产气速率迅速下降，这可能是由于加入的微量元素被消耗导致的。类似的，Facchin V等[35]针对微量元素可提高餐厨垃圾和活性污泥协同厌氧发酵效率进行了实验研究，结果表明金属Mo和Se的含量分别在3～12mg/kg和10mg/kg时，可提高甲烷产率30%～40%；当加入混合微量元素Mo、Se、Ni、Se和W时，甲烷产率增加45%～65%。裴占江等[36]为了提高餐厨垃圾与牛粪联合厌氧发酵效率，向发酵体系中加入微量元素Fe、Co、Ni。结果发现添加微量元素的实验组总产气量比对照组增加55%，平均甲烷含量比对照组增加20%。同时实验组在发酵过程中未出现酸累积或者氨抑制现象，发酵系统稳定性高。范信生[37]将猪粪和稻秆按照1∶5质量比混合进行厌氧发酵，通过添加不同剂量的Fe2(SO4)3比较其对发酵效果的影响。结果显示添加3% Fe2(SO4)3的发酵组产气量和产甲烷量最大，比对照组分别提高了32.03%和51.92%，而更高剂量的Fe2(SO4)3(6%、9%)则对产气起到了抑制作用。Zhang H等[38]将餐厨垃圾和水稻秸秆以3∶1的比例混合，进行厌氧发酵，分别加入Co、Ni以及Co和Ni的混合物，观察其对甲烷产量的影响。结果表明，同时加入Co和Ni可以明显地将甲烷含量提高13.65%，高于只加入Co的6.45%和只加入Ni的8.36%。然而，Mancini G等[39]研究了Co、Ni、Se的添加以及NaOH预处理对水稻秸秆厌氧发酵的影响后发现，金属离子的添加对沼气产量的提升效果并不明显；但经过NaOH预处理的水稻秸秆的发酵效果有了很大的提高，将沼气产量提高了21.4%，这可能是由于经过预处理后的秸秆细胞壁被破坏，与底物接触充分导致发酵效果较好。

微量元素不仅可以有效提高沼气产量，对于硫化物的去除也有显著影响，近年来也有部分学者对此开展了研究。黄黎等[40]研究了金属离子对沼气发酵效果的影响以及发酵过程中是否可以有效减少硫化氢的排放，研究以红薯和马铃薯(1∶1)为发酵原料，与厌氧发酵液混合进行发酵，同时加入浓度不同的氯化镁和氯化镍。实验结果表明添加剂量为250～500mg/kg的氯化镍和氯化镁不仅对沼气发酵有明显的促进作用，提高沼气中的甲烷含量；还可以在源头上降低硫化氢气体的产生，达到最佳的脱硫效果。

3.3 微量元素对其他底物厌氧发酵过程的影响

厌氧发酵技术不仅适用于常见固体废弃物如餐厨垃圾、禽畜粪便等的资源化利用，对于其他物质厌氧发酵过程也具有一定的促进作用。例如，Takashima M等[41]研究了葡萄糖在中温和高温两种条件厌氧发酵时对微量元素Fe、Ni、Zn、Co的最小需求量。高温条件下(55℃)，对Fe、Ni、Zn、Co的最小需求是4.3 mg/L、0.46 mg/L、2.3 mg/L和0.51 mg/L；而在中温条件下(35℃)，其需求量为1.9 mg/L、0.061 mg/L、0.47 mg/L和0.16 mg/L。可以看出，高温条件下厌氧发酵对微量金属的需求量更高，大约是中温条件下的2.2～7.8倍。Huiliir C等[42]在热电厂烟煤燃烧过程中用以除尘的静电除尘器内取用飞灰，并将其作为微量金属的来源添加进污泥发酵过程中。通过实验分析得出，在厌氧的条件下增加飞灰(微量元素)的剂量，甲烷产率的提高可达56%，在该实验中所添加的剂量下没有发现对甲烷产率的抑制现象。而经过好氧处理的污泥，当加入飞灰的量高于250mg/L时，甲烷产率则会有11%的下降。Bougrier C等[43]以啤酒糟为单一底物进行厌氧发酵，研究微量元素对发酵系统的影响。研究结果发现微量元素的添加可以有效地维持发酵系统平衡，避免发生抑制导致系统崩溃。其中COD的去除率达到60%～65%，生物降解率达到65%～70%，甲烷产量可达到285～350 NL·kg-1VS。Braga A F M等[44]利用厌氧发酵技术处理生活废水，研究不同金属元素对于发酵效率的影响，结果发现Ba和Mn在所研究的浓度范围内，对厌氧发酵的抑制作用较大，体现出明显的毒性；而Se和Cu则显示出对甲烷产量的激发效果。

4 微量元素在厌氧发酵工程的应用展望

综上所述，厌氧发酵技术是实现有机废弃物综合利用和深度开发的重要途径之一，能够为禽畜粪便、餐厨垃圾等生物质的无害化处理和循环利用提供便利。厌氧发酵系统运行的稳定性直接影响沼气的产生效率，而微量元素作为影响厌氧发酵系统必要的因素之一，对沼气产量、系统稳定性都起着至关重要的作用。目前已有许多沼气工程通过添加微量元素制剂来保证沼气池中稳定的微量元素来源，而实验证明对于定期添加微量元素制剂的沼气池产生的沼气量明显提高[45]。但在目前关于微量元素影响厌氧发酵过程的众多研究中还存在以下欠缺：

(1)目前对于单个微量元素影响厌氧发酵过程的研究已较为深入，而对于多种微量元素协同作用还有待进一步研究。虽有许多实验可证明同时添加多种微量元素对厌氧发酵过程的促进作用更加明显，但对于微量元素之间的相互作用对发酵过程的影响尚不明确。

(2)不同含量的微量元素对于同一发酵过程的影响是不同的，而目前对于微量元素添加量的临界值还鲜有研究。因此在今后的研究中，可重点关注以上问题，以便于充分发挥微量元素在厌氧发酵过程中的作用。