低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系對沼氣酸化液pH及產(chǎn)甲烷活性的影響

王玥婷，徐鳳花，李 金，趙忠寶，郭建全

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

在沼氣發(fā)酵時，普遍存在易酸化、不產(chǎn)氣或產(chǎn)氣率低等問題[6]，需將酸化液調(diào)至6.8～7.5范圍內(nèi)，產(chǎn)甲烷菌才能很好的生長與產(chǎn)氣。目前主要通過添加石灰、KHCO3類物質(zhì)調(diào)節(jié)酸化液的pH，如果一口8 m3沼氣池需要1.5～2.5 kg，不僅增加了成本，而且對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生一定的抑制作用。黑龍江省年低溫期長達(dá)5～6個月，低溫影響氨化細(xì)菌的增殖，使氨化效率明顯下降。因此，在酸化液中加入低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系，加快含氮有機物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的速度，在調(diào)節(jié)pH的同時還為產(chǎn)甲烷菌提供了生長所需要的氨態(tài)氮，促進(jìn)了低溫產(chǎn)甲烷菌復(fù)合系增殖，使沼氣啟動時間提前，并為甲烷的形成提供了CO2前提物質(zhì)[1-5]。本試驗主要對低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系對沼氣酸化液pH及產(chǎn)甲烷活性的影響進(jìn)行研究。然而目前，國內(nèi)外對低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系的報道甚少，因此，低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系的研究為沼氣發(fā)酵提供了重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料來源

自然發(fā)酵酸化液:新鮮牛糞∶水=1∶1，30℃培養(yǎng)箱內(nèi)自然發(fā)酵而成。

KHCO3調(diào)試的酸化液:由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院提供。

1.1.2 菌群來源

本實驗室選育效果良好的低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系和低溫產(chǎn)甲烷復(fù)合菌系。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 酸氮含量化液氨態(tài)及pH變化的研究

本試驗設(shè)2個處理組和1個對照組，每組3次重復(fù)。

處理1:自然發(fā)酵的酸化液加入KHCO3。

處理2:自然發(fā)酵的酸化液加入本實驗室選育效果良好的低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系。

對照:自然發(fā)酵酸化液。

1.2.2 產(chǎn)甲烷活性的研究

本試驗設(shè)2個處理組和1個對照組,每組3次重復(fù)，將實驗室選育的低溫產(chǎn)甲烷復(fù)合菌系接入3組酸化液中，接菌時酸化液的pH均為6.89。

處理1′:處理1加入低溫產(chǎn)甲烷復(fù)合菌系。

處理2′:處理2加入低溫產(chǎn)甲烷復(fù)合菌系。

對照′:對照加入低溫產(chǎn)甲烷復(fù)合菌系。

1.3 測定方法

1.3.1 酸化液氨態(tài)氮含量及pH的測定

將3組酸化液置于（14±0.5）℃下培養(yǎng)，每2 d用蒸餾滴定法（GB/T3595-2000）測定氨態(tài)氮的含量，用玻璃電極法（PHS-25）測定酸化液pH的變化[6]。

1.3.2 產(chǎn)甲烷活性的測定

將3組酸化液置于（14±0.5）℃下培養(yǎng)30 d，每5 d測定產(chǎn)氣量和甲烷含量。用排水法測定產(chǎn)氣量，再根據(jù)每5 d產(chǎn)氣量累積計算30 d的總產(chǎn)氣量（mL）；采用島津14C氣相色譜測定甲烷含量[7-8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系對酸化液氨態(tài)氮含量的影響

由圖1可以看出，3組酸化液氨態(tài)氮均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，發(fā)酵前期由于低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系快速分解酸化液中的含氮有機物，使處理2的氨態(tài)氮含量迅速增加，且一直高于處理1和CK。5 d時達(dá)到高峰，高峰期較處理1和CK提前2 d，氨態(tài)氮含量為400.20 mg·L-1，較處理1和CK提高了34.08%和28.12%。發(fā)酵后期，由于含氮有機物減少，氨態(tài)氮含量下降，但處理2下降速度緩慢。處理1在整個發(fā)酵過程中氨態(tài)氮的含量均最低，且發(fā)酵后期氨態(tài)氮迅速下降，說明KHCO3對微生物的活性有一定的抑制作用，含氮有機物分解速度緩慢，為產(chǎn)甲烷菌提供的可利用氨態(tài)氮量減少。

圖1 低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系對酸化液中氨態(tài)氮含量的影響Fig.1 Effects of ammonia nitrogen of biogas acidizing fluid on low-temperature protein ammoniation composite strains

2.2 低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系對酸化液pH的影響

一般非產(chǎn)甲烷微生物對酸堿度的適應(yīng)范圍較廣，而產(chǎn)甲烷菌只有在pH 6.8～7.5的環(huán)境中才能正常生長代謝[9]。從圖2可以看出，由于低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系加快含氮有機物轉(zhuǎn)化成氨態(tài)氮速度，使處理2的pH迅速升高，5 d時達(dá)到沼氣發(fā)酵適宜的pH范圍，7 d時pH穩(wěn)定在7.00左右。而CK的pH上升緩慢，8 d時才達(dá)到沼氣發(fā)酵適宜的pH范圍。處理1中微生物分解含氮有機物產(chǎn)生的氨態(tài)氮量少因而pH變化不明顯，一直穩(wěn)定在初始的6.88左右。說明低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系可加快調(diào)節(jié)酸化液pH的速度，縮短達(dá)到適宜時間。

圖2 低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系對酸化液pH的影響Fig.2 Effects of pH of biogas acidizing fluid on low-temperature protein ammoniation composite strains

2.3 低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系對產(chǎn)甲烷活性的影響

2.3.1 產(chǎn)氣量的變化動態(tài)

在厭氧消化過程中，非產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌之間相互依賴，互為對方創(chuàng)造與維持生命活動所需要的良好環(huán)境條件，但它們之間又互相制約，在發(fā)酵過程中處于平衡狀態(tài)[10]。

由圖3可見，由于低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系在調(diào)節(jié)pH的同時，還為產(chǎn)甲烷菌提供生長所需要的氨態(tài)氮，使處理2′的產(chǎn)氣量在整個發(fā)酵過程有明顯增高。15 d時處理2′的產(chǎn)氣量為80mL，達(dá)到產(chǎn)氣高峰，較處理1′和CK′提高了45.45%和77.78%。處理1′20 d時達(dá)到產(chǎn)氣高峰，較處理2′晚5 d，產(chǎn)氣量為65mL，而處理2′的產(chǎn)氣量雖較高峰時略有下降，但仍較處理1′和CK′提高了10.29%和50.00%。CK′25 d才達(dá)到產(chǎn)氣高峰，較處理2′晚10 d，且產(chǎn)氣量僅50mL。在整個發(fā)酵周期中處理2′的總產(chǎn)氣量為 292mL，處理 1′為 221mL，而 CK′僅為 204mL，處理2′的總產(chǎn)氣量較處理1′和CK′分別提高了32.13%和43.14%。由此說明低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系可提高產(chǎn)甲烷菌的活性，使發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣量增加。

圖3 3組酸化液產(chǎn)氣量的變化動態(tài)Fig.3 Dynamic change of the biogas production in three groups of different processing acidification liquid

2.3.2 甲烷含量的變化動態(tài)

從表1看出，由于處理2′中的低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系分解酸化液中的含氮有機物，為產(chǎn)甲烷復(fù)合菌系提供了生長所需的氨態(tài)氮，提高了產(chǎn)甲烷菌的活性，促進(jìn)甲烷生成，從而使處理2′甲烷含量在發(fā)酵各階段均最高，20 d高峰時較處理1′和CK′提高10.27%和24.08%。綜合圖4～6看出，20 d時處理2′的CO2含量也較處理1′和CK′提高7.13%和14.29%，說明低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系在分解含氮有機物的同時，還釋放CO2為甲烷形成提供前體物質(zhì)，使甲烷含量提高。

表1 3組酸化液發(fā)酵過程中甲烷含量的變化Table1 Change of methane content in three groups of different processing acidification liquid through fermentation process

圖4 CK′的甲烷及CO2含量（20 d）Fig.4 The methane and CO2content of CK′(20 d)

圖5 處理1′的甲烷及CO2含量（20 d）Fig.5 The methane and CO2content of the first processing acidification liquid(20 d)

圖6 處理2′的甲烷及CO2含量（20 d）Fig.6 The methane and CO2content of the second processing acidification liquid(20 d)

3 討論

低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系在沼氣發(fā)酵過程中即可調(diào)節(jié)酸化液的pH,又可為產(chǎn)甲烷菌提供生長所需要的氨態(tài)氮，使沼氣啟動時間提前，并為甲烷的形成提供了CO2前提物質(zhì)，具有著很高的實際應(yīng)用價值。

低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系主要針對北方的特殊低溫環(huán)境進(jìn)行研究，低溫會影響到氨化細(xì)菌的增殖，使氨化效率明顯下降，從而導(dǎo)致沼氣池產(chǎn)氣率低或者不產(chǎn)氣。因此，低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系的研究可有效地彌補北方氣候的不足，具有可觀的經(jīng)濟價值。

沼氣發(fā)酵中不同微生物組成的菌群對提高產(chǎn)氣率的影響差異較大，本試驗只對酸化液中接入的低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系和低溫產(chǎn)甲烷菌復(fù)合系進(jìn)行了研究，而酸化液中還存在著纖維素分解菌，產(chǎn)酸菌等多種有益微生物，需進(jìn)一步對低溫氨化細(xì)菌、低溫產(chǎn)甲烷菌復(fù)合系與其他微生物的協(xié)同作用進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

本試驗主要對低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系對3組不同處理酸化液的pH及產(chǎn)甲烷活性的影響進(jìn)行研究?？梢缘贸?，接低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系的酸化液中氨態(tài)氮含量高峰時較KHCO3調(diào)試的酸化液和自然發(fā)酵酸化液提前2 d，且高峰時氨態(tài)氮含量分別提高了34.08%和28.12%，pH也在5 d時達(dá)到沼氣發(fā)酵適宜的pH范圍，7 d時pH變化穩(wěn)定。接低溫產(chǎn)甲烷菌復(fù)合系后，可以明顯看出，接低溫蛋白質(zhì)氨化復(fù)合菌系的酸化液的產(chǎn)氣量為最高，15 d達(dá)到產(chǎn)氣高峰時產(chǎn)氣量較KHCO3調(diào)試的酸化液和自然發(fā)酵酸化液提高了45.45%和77.78%，總產(chǎn)氣量提高了32.13%和43.14%。；同時CO2和甲烷含量也分別提高7.13%、14.29%和10.27%、24.08%。由此可見，低溫氨化細(xì)菌在沼氣發(fā)酵過程中具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。

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