城市生活垃圾厭氧消化中木聚糖酶活與產(chǎn)氣量關(guān)系的研究*

李建昌， 袁亞閣， 王強(qiáng)， 徐銳

(1.云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650092；2.昆明理工大學(xué) 固體廢棄物資源化國(guó)家工程中心，云南 昆明 650031)

在厭氧消化中，水解性細(xì)菌分泌的水解酶是催化底物水解最為關(guān)鍵的酶，與底物的降解和沼氣的產(chǎn)生存在著諸多聯(lián)系[1-3].為此，有學(xué)者以水解酶為研究對(duì)象，在厭氧消化過(guò)程中加入水解酶[4-6]，或采用水解酶預(yù)處理的方法[7-10]，均能提高沼氣的產(chǎn)氣效率.因此對(duì)厭氧消化水解酶的研究，在促進(jìn)底物降解和提高沼氣產(chǎn)氣效率方面具有十分重要的意義.

在城市生活垃圾中，半纖維素或木聚糖類物質(zhì)的含量較高，它們的水解對(duì)厭氧消化產(chǎn)氣效率有著重要的影響.能催化這類物質(zhì)水解的酶主要是木聚糖酶.朱崇淼等[11]從牛胃中、劉士清等[12]在厭氧消化體系中均分離出了具有產(chǎn)木聚糖酶能力的菌株.研究表明這些細(xì)菌所分泌的木聚糖酶在催化半纖維素類物質(zhì)的水解過(guò)程中起著重要作用[13].單純的半纖維素或木聚糖往往比纖維素更容易降解，但是在植物組織中，木聚糖通常存在于纖維素之間，緊密地與之交織在一起而難于降解[14-15].因此，它們的水解對(duì)城市生活垃圾厭氧消化有著重要的影響.本文以城市生活垃圾為原料，采用批量中溫厭氧消化工藝，研究木聚糖酶活變化與產(chǎn)氣量之間的關(guān)系，以及木聚糖酶對(duì)厭氧消化的影響.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 厭氧消化原料

消化原料來(lái)源于農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)垃圾收集站，通過(guò)手工分選出其中的有機(jī)組分，破碎混勻后，測(cè)定有機(jī)垃圾的總固體含量為31.6%，揮發(fā)性固體含量為24.39%.然后再經(jīng)烘干、粉碎，測(cè)定垃圾中的部分成分，如表1所示.厭氧消化實(shí)驗(yàn)時(shí)，以經(jīng)過(guò)上述物理處理后的城市生活垃圾為原料，其中總固體(Total Solid)用TS表示，揮發(fā)性固體(Volatile Solid)用VS表示.

表1 處理后城市生活垃圾的部分組成成分

1.1.2 接種物

接種物取自本實(shí)驗(yàn)室厭氧反應(yīng)器中的厭氧活性污泥，接種啟動(dòng)時(shí)測(cè)定污泥的TS為11.71%，VS為7.95%，pH值為6.8.

1.2 方法

在恒溫35 ℃、VS濃度為6%和VS料種比為2.5∶1下，采用批量厭氧消化工藝對(duì)物理處理后的城市垃圾進(jìn)行厭氧消化.

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

發(fā)酵瓶為250 mL的血清瓶.在完全相同的條件下同時(shí)啟動(dòng)66個(gè)發(fā)酵瓶，其中的3個(gè)用于測(cè)量垃圾厭氧消化的產(chǎn)氣量和甲烷含量，取其平均值；其余的用于測(cè)定垃圾厭氧消化過(guò)程中木聚糖酶活的變化.當(dāng)厭氧消化到達(dá)預(yù)定的時(shí)間時(shí)，每次取3個(gè)發(fā)酵瓶置于低溫冰箱中停止消化，然后測(cè)定消化液中的木聚糖酶活.在測(cè)定時(shí)，樣品經(jīng)解凍、過(guò)濾和離心分離，離心液轉(zhuǎn)入樣品管，保存于低溫冰箱中，每次精確汲取1 mL，按木聚糖酶活分析方法測(cè)量消化液的木聚糖酶活[16].

實(shí)驗(yàn)設(shè)置分布如表2

表2 城市生活垃圾厭氧消化實(shí)驗(yàn)設(shè)置分布

1.2.2 啟動(dòng)與投料

啟動(dòng)時(shí)，原料和接種物的量，由以下公式計(jì)算[16]：

式中CVS——厭氧消化的VS濃度(%)；

W0——厭氧消化的總量(g)；

W1——原料的投料量(g)

W2——接種物的投料量(g)；

VS1——原料的VS濃度(%)；

VS2——接種物的VS濃度(%).

1.3 分析測(cè)試方法

1.3.1 原料分析

(1)總固體(TS)和揮發(fā)性固體(VS)，采用沼氣發(fā)酵常規(guī)分析法[17]；

(2)可溶性物質(zhì)(Soluable Matter)，采用水溶出法；

(3)還原糖含量，采用DNS法；

(4)木聚糖含量，參照張強(qiáng)等木聚糖酶降解玉米秸稈的工藝研究[18].

1.3.2 酶活分析

酶活定義：在40 ℃、pH值為4.8的條件下，每分鐘從濃度為5 mg/mL的木聚糖溶液中降解釋放1 μmol還原糖所需要的酶量為一個(gè)酶活力單位，以U/g表示.

測(cè)定原理和方法：參照GB/T23874-2009飼料添加劑木聚糖酶活力的測(cè)定.

1.3.3 日產(chǎn)氣量和甲烷含量

(1)日產(chǎn)氣量，采用排水集氣法，表示mL/d；

(2)甲烷含量，采用KOH吸收法測(cè)定.

2 結(jié)果及分析

2.1 厭氧消化產(chǎn)氣曲線

厭氧消化產(chǎn)氣曲線如圖1.

圖1 日產(chǎn)氣量的變化

從圖1可知，城市垃圾厭氧消化，在投料啟動(dòng)期(0-3 d)，產(chǎn)氣量比較低，盡管在第1天時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)高峰，但并不是沼氣，而是“雜氣”.在第3天過(guò)后，產(chǎn)氣量快速增長(zhǎng)，逐漸進(jìn)入產(chǎn)氣高峰期，日產(chǎn)氣量從第3天的60 mL/d開始，迅速增加到第6天和第7天的365 mL/d.隨后產(chǎn)氣量逐漸降低，當(dāng)降至第12天的145 mL/d后，又有所回升出現(xiàn)次產(chǎn)氣高峰期.而后又繼續(xù)降低，直至第20天時(shí)停止產(chǎn)氣.產(chǎn)氣曲線與文獻(xiàn)報(bào)道的相符，表明本次實(shí)驗(yàn)并未出現(xiàn)異常情況，可以利用產(chǎn)氣曲線與酶活進(jìn)行比較[16].

2.2 木聚糖酶活與產(chǎn)氣量的關(guān)系

根據(jù)表2，取樣分析城市垃圾厭氧消化過(guò)程中木聚糖酶活，并與產(chǎn)氣量進(jìn)行比較，如圖2.

圖2 木聚糖酶活及產(chǎn)氣量隨消化時(shí)間的變化

從圖2中木聚糖酶活和產(chǎn)氣量的變化趨勢(shì)可以看出，消化過(guò)程中的木聚糖酶活和產(chǎn)氣量具有明顯的相關(guān)性.在投料啟動(dòng)期木聚糖酶活和產(chǎn)氣量相對(duì)較低.在啟動(dòng)過(guò)后的產(chǎn)氣高峰期，由于厭氧消化體系內(nèi)的水解性微生物迅速生長(zhǎng)繁殖并分泌大量的水解酶，因此隨著消化的進(jìn)行，木聚糖酶活和產(chǎn)氣量快速增加.在此期間，特別是第8天，木聚糖酶活最高達(dá)8.64 μmol木糖/(mL·min)，相應(yīng)的日產(chǎn)氣量也達(dá)到最高為365 mL/d.產(chǎn)氣高峰過(guò)后，木聚糖酶活和產(chǎn)氣量均有不同程度的降低，但酶活仍比較高.在次產(chǎn)氣高峰期，木聚糖酶略有回升后，又明顯的降低.其原因可能是厭氧消化體系內(nèi)容易降解的原料成分被微生物大量利用后，轉(zhuǎn)而利用較為難降解的半纖維素等物質(zhì)成分，因此即便是在次產(chǎn)氣高峰期，也具有較高的木聚糖酶活.從第16 天起，產(chǎn)氣量逐漸減小，直到第20天停止產(chǎn)氣.此時(shí)原料已基本消耗殆盡，水解性微生物失去了原料供給，生長(zhǎng)停滯，相應(yīng)的酶活也降至啟動(dòng)時(shí)的水平.

上述木聚糖酶活與產(chǎn)氣量間的變化趨勢(shì)可能與厭氧消化的三階段，即水解、產(chǎn)氫產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷有關(guān)[12,19].就成分復(fù)雜的城市生活垃圾來(lái)說(shuō)，底物水解既是厭氧消化的開始，同時(shí)也是厭氧消化的限速步驟，水解速度對(duì)整個(gè)厭氧消化起著決定性的作用，而水解速度的又取決于水解酶[16]，因此厭氧消化過(guò)程中木聚糖酶活水平越高，半纖維素類物質(zhì)的水解速度也越快，相應(yīng)的產(chǎn)氣量也越高.

3 結(jié) 論

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了城市生活垃圾厭氧消化過(guò)程中木聚糖酶活變化與產(chǎn)氣量間的關(guān)系：

在城市生活垃圾厭氧消化中，日產(chǎn)氣量隨木聚糖酶活升高而增加，酶活降低而減少.在厭氧消化啟動(dòng)期和衰竭停止產(chǎn)氣期，木聚糖酶活和產(chǎn)氣量均較低，而在產(chǎn)氣高峰期，當(dāng)木聚糖酶活水平最高達(dá)8.64 μmol木糖/(mL·min)時(shí)，相應(yīng)的日產(chǎn)氣量也最高為365mL/d.

參 考 文 獻(xiàn):

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