低温胁迫下微量重金属元素对厌氧消化工艺的影响

卢玢宇， 裴占江， 刘 娣， 史风梅， 高亚冰， 左 辛， 刘 杰1，

(1．黑龙江省农业科学院博士后科研工作站， 哈尔滨 150086; 2．东华理工大学水资源与环境工程学院， 南昌 330013; 3．黑龙江省农业科学院农村能源与环保研究所 农业部种养循环重点实验室 黑龙江省秸秆能源化重点实验室， 哈尔滨 150086； 4.黑龙江省农业科学院， 哈尔滨 150086)

近年来，随着农村经济的发展和农业结构的调整，我国的畜牧养殖业快速发展，已成为世界第一养猪大国[1-2]，猪粪污中含有大量未被消化吸收的氮、 磷等营养成分，随意排放不仅会破坏生态环境还会造成资源浪费。如何有效地处理这些粪污使其资源化，是社会发展中需要首要解决的问题[3-4]。厌氧消化处理猪粪污生产沼气作为一种低成本、高效率的无害化处理方法，具有良好的应用前景[5-6]。但是，在我国东北地区，冬季漫长且寒冷，严重抑制了产甲烷菌的活性，也在一定程度上制约了沼气能源的推广[7-8]。因此，探究低温条件下促进甲烷菌活性的方法，具有较强的现实意义。

研究表明，厌氧发酵体系中添加适量的金属离子可提高系统稳定性、促进挥发性脂肪酸等大分子水解转化，进而提高产沼气性能[9-10]，Bayr[9]等在35℃时，以猪舍废水为基质，添加适量Fe2+后发现，不仅系统能够高效稳定运行而且沼气产量也有所提高。Banks[11]等在常温条件下以餐厨垃圾为基质，发现添加Co和Ni元素能够缓解有机酸积累，提高沼气产量。但不同发酵过程中底物不同，温度不同，金属离子的添加也会有所差异[12-15]。并且，金属离子如果不合理添加会抑制微生物活性，降低沼气产量[15-17]。因此，在厌氧发酵过程中合理添加适宜浓度及配比的金属离子，是提高系统运行稳定性及提高产气效率的有效途径之一。但在低温条件下，适宜浓度的金属离子配比不仅能够促进甲烷的产量，还能保证工艺稳定运行方面的研究还比较少[15]。因此，研究低温条件下促进产甲烷过程的影响因素，使得理想的微生物菌群能够在低温条件下仍然处于优势地位，保证整个工艺的稳定高效运行，具有重大意义[18]。本研究在本实验室前期研究的基础上，以北方最适经济温度(20.6℃为本实验室经过长期大量实验获得的经济温度，即最大的产能与耗能的比值对应的厌氧消化温度可视为最适经济运行温度，具体可见文献[19])条件为基点，以猪粪为底物，利用二次回归正交旋转组合方法设计试验，考察微量元素铁、钴、镍对厌氧消化过程产甲烷特性的影响，以期为寒区猪粪厌氧消化的资源化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

新鲜猪粪取自黑龙江省哈尔滨市某养殖场，采集后立即保存在4℃条件下并于3 天之内完成物化分析与接种。接种的活性污泥取自本实验室长期驯化的污泥。试验材料的基本理化性质如表1所示。

表1 试验材料基本物化性质

1.2 试验装置

厌氧消化装置如图1所示，分别称取适量猪粪和接种物于发酵瓶内，用去离子水调节使其总体积为400.0 mL，另设空白对照组和实验对照组。瓶中充入氮气，充分震荡混匀。每组设3个重复试验，于20.6℃下进行试验，发酵周期设定为30 d。

1.3 试验方案

试验在前期单因素试验基础上[120]，采用二次回归正交旋转组合方法设计实验[14，21]，以猪粪为底物，选择以Fe2+，Ni2+和Co2+三因素为自变量，沼气产气量为响应值，对20.6℃(最适经济温度，具体可见文献[19])下猪粪水厌氧消化微量元素进行优化，各因素编码值见表2。

表1 试验因素与水平

1.4 测定方法

本研究中总固体含量TS 采用烘干法测定[22]；挥发性固体含量(VS) 采用灼烧法测定[23]；总氮(TN) 采用凯氏定氮仪法[24]测定；总有机碳(TOC) 采用重铬酸钾氧化法[25]测定，沼气产量采用排水法测定。

1.5 分析方法

通过DPS软件处理累积产气量数据，建立产气数学模型，并对模型进行优化和降维分析，获得最佳厌氧消化条件。

2 结果与分析

2.1 Box-Behnken 试验结果的回归分析

Box-Behnken 试验各因素组合及其试验结果见表3。以编码值为自变量，总产气量为响应值，构建数学模型。利用DPS 统计分析软件，得到编码空间内的回归方程，如公式(1)：

Y=100.53248+31.6988x1+7.1206x2+27.8298x3-0.125x1x2+1.26289x1x3+0.25890x2x3-7.64923x12-0.23987x22-0.90098x32

(1)

表3 试验方案及试验结果

对该方程进行方差分析，结果表明该二次回归模型的p值<0.01，试验所选模型显著。同时该模型的修订决定系数为0.92，说明该模型的预测值与真实值的拟合性较好。而失拟项的F 值为0.53，且p>0.05，意味着失拟程度极不显著，同时表明回归方程拟合度较高，实验误差较小。模型的调整确定系数，可用于响应变量预测。

2.2 不同因素对沼气发酵工艺的影响

2.2.1 单因素对原料产气率的效应分析

为了分析单一因素对原料产气率的影响，通过降维分析，可以把多元问题转换为一元问题，即把模型中其他因素控制在相同的水平上，可得到单因素与原料产气率的一元回归模型[20]。图2为在其他因素设定在零添加水平时，得到另一变化因素的一维模型曲线，由图可知，3个因素均呈先升高后降低的趋势，重金属离子的浓度太高或太低，都会影响产甲烷菌的活性，从而影响产气量，其中Fe2+浓度变化幅度最大，其次是Ni2+与Co2+浓度变化，说明在试验设定的条件范围内，Fe2+浓度在0.98～6.02 mg·L-1和Ni2+浓度在9.89～35.11 mg·L-1范围内，对厌氧消化甲烷的产气量影响波动较大，而Co2+浓度在8.18～41.82 mg·L-1范围内，对厌氧消化甲烷的产气量影响波动较小。由此说明对原料产气量的结果影响较大的依次是Fe2+，Ni2+与Co2+，这与方差分析的结果是一致的。

2.2.2 因素交互作用对原料产气量的效应分析

根据回归方程得出的不同因子响应面分析及相应等值线图，可直观看出各因素交互作用对沼气发酵原料产气率的影响，如果曲线弧度越大，表明该因素对原料产气率的影响越大，相应表现为响应值变化的大小[20,26]。图3为Fe2+与Ni2+两者交互对沼气产气量的影响，由图可知，原料产气量随着Fe2+和Ni2+浓度的升高呈现逐渐增大，达到最大值后，呈缓慢下降的趋势，当Fe2+浓度为5.0 mg·L-1，Ni2+浓度为22.5 μg·L-1时，其厌氧消化产沼气量达到最大值538.17 mL。图4为Fe2+与Co2+两者交互对沼气产气量的影响，由图可知，原料产气量随着Fe2+和Co2+浓度的升高呈现逐渐增大，达到最大值后，呈缓慢下降的趋势，当Fe2+浓度为5.0 mg·L-1，Ni2+浓度为25 μg·L-1时，其厌氧消化产沼气量达到最大值为545.32 mL。图5为Ni2+与Co2+两者交互对沼气产气量的影响，由图可知，原料产气量随着Ni2+和Co2+浓度的升高呈现逐渐增大，达到最大值后，呈缓慢下降的趋势，当Ni2+浓度为22.5μg·L-1，Co2+浓度为25 μg·L-1时，其厌氧消化产沼气量达到最大值为487.25 mL。

2.3 模型优化

通过模型优化，得到最优工艺条件，即Fe2+浓度为5.0 mg·L-1，Ni2+浓度为22.5 μg·L-1，Co2+浓度为25.0 μg·L-1，为了验证上述优化条件的准确性与可靠性，在上述最优的条件下进行沼气发酵验证试验，得到的试验数据平均值为572.64 mL，与预测值584.67 mL的相对误差为2.1%，在允许范围内，由此可见由响应面法所得模型能够很好地优化厌氧消化工艺中生物强化的参数。

3 讨论

试验基于响应面法依靠Design-Express8.0.6软件于低温条件下对不同重金属微量元素Fe2+，Ni2+和Co2+的不同配比浓度进行优化，以期提高厌氧消化系统的沼气产量。通过试验及响应面法分析发现在本试验的3种重金属微量元素对沼气发酵影响中，影响程度由高到低为Fe2+>Ni2+>Co2+。通过两两交互分析，发现在Co2+浓度恒定时，厌氧消化系统的累积产气量在一定范围内会随着Fe2+和Ni2+浓度的升高而升高，说明厌氧消化系统中Fe2+和Ni2+的适宜浓度对维持厌氧消化系统的运转、保证厌氧消化的高效运行起着关键性的作用。同时王大蔚[15]优化了由铁、钴、镍、猛、锌、活性炭、纤维素酶等构成的寒区沼气最佳促进剂配方，结果表明该促进剂帮助沼气发酵系统在70天里增加了22.5%的沼气产量，极大地提高了沼气池的运行效率。本研究也得到了类似的研究结果，比较与王大蔚[15]的研究成果不同的原因，可能是由于温度、底物、底物浓度以及外来因子添加的不同造成的，具体原因还需后续实验研究。虽然本研究仅进行了实验室小容量批次试验，在大型的沼气工程中各因素对厌氧消化产沼气的影响是否与本试验得出的结论一致，还需要通过连续沼气工程进行扩大验证试验。而在大型沼气工程运行过程中各因素对累积产气量的影响是否能够应用响应面法优化也值得进一步研究。

4 结论

本文采用响应面分析方法对低温厌氧消化的生物强化因素参数进行了优化，结果表明:重金属微量元素Fe2+和Ni2+是影响低温条件下猪粪为底物的厌氧消化产气效果的重要因素。证明用响应面分析Fe2+，Ni2+和 Co2+对厌氧消化的累积产气量的优化条件是可行可靠的，筛选出3 者共同的最佳条件是Fe2+浓度为5.0 mg·L-1，Ni2+浓度为22.5 μg·L-1，Co2+浓度为25.0 μg·L-1，该条件下厌氧消化沼气的产量为572.64 mL。