微量元素對(duì)厭氧發(fā)酵過程影響研究進(jìn)展

劉一銘，黃 濤，栗 健

(西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756)

1 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市固體廢棄物產(chǎn)生量不斷增加[1]。近年來，固體廢棄物呈現(xiàn)出比較明顯的增長趨勢(shì)[1-2]。因此，如何有效地處置固體廢棄物，使其資源化利用成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[3～5]。

厭氧發(fā)酵技術(shù)作為固體廢棄物資源化利用的一種方式，是指在厭氧條件下，利用厭氧菌或兼性菌等的代謝轉(zhuǎn)化作用，將廢棄物中復(fù)雜的有機(jī)成分轉(zhuǎn)化為有機(jī)物和無機(jī)物，產(chǎn)生生物燃?xì)馊缯託膺M(jìn)而用于發(fā)電供能等行業(yè)[6]。厭氧發(fā)酵技術(shù)不僅解決了固體廢棄物的處置難題，而且實(shí)現(xiàn)了廢物再利用，可以最大程度地節(jié)約資源，緩解當(dāng)前能源緊缺的局面[4-5]。然而厭氧發(fā)酵技術(shù)在實(shí)現(xiàn)過程中受到很多因素的影響，如水力停留時(shí)間、溫度，pH，碳氮比等，只有在發(fā)酵過程中合理地控制影響因子的變化，才能保證發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，否則系統(tǒng)將面臨阻滯甚至崩潰[7]。微量元素作為影響發(fā)酵過程的一種重要因子，近年來受到很多學(xué)者的關(guān)注。很多研究均表明發(fā)酵過程在缺少微量元素的情況下，會(huì)導(dǎo)致pH異常，發(fā)酵系統(tǒng)無法正常進(jìn)行，影響發(fā)酵效果[8-9]。因此，為更深入地了解微量元素的作用，為實(shí)際沼氣工程中微量元素投加量提供依據(jù)，本文將針對(duì)微量元素對(duì)厭氧發(fā)酵過程影響的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2 微量元素在厭氧發(fā)酵過程中的作用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究學(xué)者對(duì)于厭氧發(fā)酵的過程先后提出了兩階段、三階段以及四階段理論[10]。目前被廣泛使用的是三階段論，即厭氧發(fā)酵過程可分為水解，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸以及產(chǎn)甲烷三個(gè)階段[6]。水解過程即大分子化合物如脂肪、纖維素等在微生物的作用下被分解為脂肪酸、單糖等小分子物質(zhì)的過程。該過程的主要催化劑為厭氧微生物分泌的各類水解酶。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段主要是第一階段的水解單體產(chǎn)物進(jìn)一步被降解為短鏈有機(jī)酸以及二氧化碳、氫氣等，產(chǎn)乙酸菌則利用氫氣和二氧化碳合成乙酸，作為第三階段生成甲烷的底物[6]。產(chǎn)甲烷階段則是在厭氧條件下，產(chǎn)甲烷菌利用乙酸、二氧化碳和氫氣等生成甲烷的過程，不同的產(chǎn)甲烷菌所利用的底物也不同[11]。

厭氧發(fā)酵過程的每個(gè)階段都有多種酶的參與，而許多微量元素正是通過影響酶的合成及活性來調(diào)節(jié)厭氧發(fā)酵過程[12]。Cu、Zn參與氫化酶的構(gòu)成，氫化酶能夠催化氫氣的氧化或者質(zhì)子的還原這一可逆反應(yīng)[13]。Fe、Co、Ni參與構(gòu)成CO脫氫酶，脫氫酶是一類催化物質(zhì)氧化還原反應(yīng)的酶，在第二階段產(chǎn)乙酸過程中起重要作用[13-14]。Zerkle A L等[12]研究發(fā)現(xiàn)厭氧發(fā)酵第三階段產(chǎn)甲烷階段是有最多金屬酶參與的生化反應(yīng)階段之一。Mo、W、Se和Zn參與構(gòu)成甲酸鹽脫氫酶，能夠促使產(chǎn)甲烷菌利用CO2和H2合成甲烷[13]。

除此之外，許多微量元素是厭氧發(fā)酵過程中微生物如產(chǎn)甲烷菌的重要成分。Fe、Ni、Cu、Zn都是產(chǎn)甲烷菌體內(nèi)必不可少的微量金屬元素，產(chǎn)甲烷菌在第三階段以CO2和H2為底物合成甲烷的過程中起到重要的作用[15]。產(chǎn)甲烷菌中微量元素含量從大到小的排列順序?yàn)镕e>Zn>Ni>Cu[16]，其中Fe是產(chǎn)甲烷菌中含量最高的金屬元素，參與產(chǎn)甲烷菌體內(nèi)細(xì)胞色素、細(xì)胞氧化酶的合成，同時(shí)也是胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)的電子載體[17-18]。

3 微量元素對(duì)厭氧發(fā)酵過程影響的現(xiàn)狀研究

3.1 微量元素對(duì)單一發(fā)酵底物厭氧發(fā)酵過程的影響研究

有機(jī)質(zhì)含量較高的底物如禽畜糞便、餐廚垃圾以及秸稈類物質(zhì)等可以單獨(dú)進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣[19-20]。然而這種單一底物發(fā)酵系統(tǒng)具有產(chǎn)氣效率低、系統(tǒng)不穩(wěn)定等弊端[21]。針對(duì)此問題，近年來國內(nèi)外學(xué)者嘗試在該類發(fā)酵系統(tǒng)中添加適量微量元素以達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)、促進(jìn)產(chǎn)氣的功效。

對(duì)于以禽畜糞便為發(fā)酵底物的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，適量地添加微量元素可以提高產(chǎn)氣量、維持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。樊麗等[22]研究了低溫條件下(<17℃)Mn元素對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)錳的存在可以加速低溫條件下牛糞厭氧發(fā)酵的啟動(dòng)。但添加單質(zhì)Mn時(shí)發(fā)酵的產(chǎn)氣量低于添加電解錳渣時(shí)的產(chǎn)氣量，在一定程度上說明錳以及其他金屬元素的共同作用能夠更加有效促進(jìn)低溫下的牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣。賈麗娟等[23]同樣以牛糞為底物進(jìn)行厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加微量元素Fe2+5.00mg/L、Ni2+21.4μg/L、Co2+28.82μg/L時(shí)，可將沼氣產(chǎn)量提高30%。這是由于Fe2+、Ni2+是構(gòu)成厭氧微生物細(xì)胞以及多種酶的重要成分，可促進(jìn)微生物新陳代謝，激發(fā)酶的活性。Molaey R等[24]以雞糞為底物，添加單一元素Se、混合元素Co、Mo、Ni、Se和Wu進(jìn)行長期厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)添加單一元素Se不足以長時(shí)間維持甲烷生成的穩(wěn)定狀態(tài)，混合元素的添加能夠促進(jìn)甲烷菌的生長，而該菌種對(duì)氨氮的耐受性能較強(qiáng)，可以有效維持系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。

微量元素的添加對(duì)于以餐廚垃圾為底物的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)也有類似的促進(jìn)作用。國內(nèi)的餐廚垃圾以淀粉類、脂肪類等有機(jī)質(zhì)為主要成分，具有高固體含量、高油脂、易生物降解等特點(diǎn)，是厭氧發(fā)酵過程常用的底物之一[25]。吳樹彪等[26]在中溫37℃的條件下探究Fe、Co、Mo、Se、Ni、W對(duì)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為3g/(L·d)時(shí)，添加微量元素處理組和未處理的對(duì)照組差別不大；但當(dāng)有機(jī)負(fù)荷增加至4g/(L·d)時(shí)，對(duì)照組甲烷體積分?jǐn)?shù)下降19.5%，而處理組穩(wěn)定在60%左右，且對(duì)照組pH下降到5.24，厭氧發(fā)酵失敗，而處理組pH保持在7.2左右。Zhang W[27]同樣以餐廚垃圾為底物，添加適量的金屬離子，進(jìn)行厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)金屬離子的添加有效地緩解了發(fā)酵過程中揮發(fā)性脂肪酸的抑制效應(yīng)，能夠維持pH的穩(wěn)定。

類似的，纖維素類底物厭氧發(fā)酵過程也會(huì)受到微量元素的影響。葉小梅等[28]對(duì)水葫蘆厭氧發(fā)酵過程的影響因素進(jìn)行了研究，其中微量元素的添加提高了發(fā)酵前7天的總產(chǎn)氣量，且對(duì)厭氧發(fā)酵影響力的排序?yàn)镕e2+>Co2+>Ni2+。Pobeheim H等[29]研究了Ni和Co的添加對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵過程穩(wěn)定性和沼氣產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明Ni和Co的缺失導(dǎo)致了厭氧發(fā)酵進(jìn)程的不穩(wěn)定，而當(dāng)Ni和Co的添加量分別增加到0.6mg/kg和0.05mg/kg時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性逐漸恢復(fù)；但繼續(xù)增加Ni和Co的量，并沒有觀察到沼氣產(chǎn)量的明顯增加。趙玲等[30]同樣以玉米秸稈為發(fā)酵底物，研究Fe、Co和Ni 3種元素的添加頻次對(duì)沼氣產(chǎn)量以及輔酶F420的影響。發(fā)酵實(shí)驗(yàn)設(shè)置A～F共6組，其中A組為對(duì)照組，B～F組分別設(shè)置微量元素混合液不同的添加頻次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微量元素添加頻次最多的B組(每天添加微量元素混合液)的沼氣產(chǎn)量最高，比A組提高23%，且輔酶F420含量高峰值顯著提高，表示產(chǎn)甲烷菌的活性得到明顯增強(qiáng)。李坤等[31]對(duì)于中溫條件微量元素影響蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)添加微量元素Fe、Co、Ni至0.22mg/L、0.22mg/L和0.44mg/L后，沼氣產(chǎn)量增加了37.11%，甲烷百分含量提高了40.34%。孫娟等[32]同樣以蔬菜廢棄物為發(fā)酵底物，在中溫35℃條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。當(dāng)有機(jī)負(fù)荷率增大時(shí)，沼氣中甲烷含量會(huì)逐漸下降；但在連續(xù)添加一段時(shí)間微量元素Fe、Co、Ni后甲烷含量會(huì)迅速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明微量元素的添加可有效提高蔬菜廢棄物厭氧消化的穩(wěn)定性，能夠快速恢復(fù)失穩(wěn)的系統(tǒng)。

3.2 微量元素對(duì)混合協(xié)同發(fā)酵過程影響研究

混合協(xié)同發(fā)酵是指兩種或兩種以上底物共同進(jìn)行發(fā)酵的過程。多種底物協(xié)同發(fā)酵在一定程度上能提高產(chǎn)氣效率，維持系統(tǒng)穩(wěn)定，但微量元素作為系統(tǒng)中不可或缺的一部分，仍起著不可替代的作用[33]。

Qiang H等[34]將高固含量的餐廚垃圾與污泥混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程分為3個(gè)階段：不添加微量元素(Fe、Co、Ni)、間歇性添加微量元素、在基底中加入微量元素。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第一階段沼氣產(chǎn)生速率比較低，反應(yīng)器的運(yùn)行不穩(wěn)定；當(dāng)在第69天添加10 mg/L Fe2+、1 mg/L Ni2+、1 mg/L Co2+時(shí)，沼氣產(chǎn)生速率明顯提高，甲烷含量穩(wěn)定在大于50%的水平，但在第108～114d間，產(chǎn)氣速率迅速下降，這可能是由于加入的微量元素被消耗導(dǎo)致的。類似的，F(xiàn)acchin V等[35]針對(duì)微量元素可提高餐廚垃圾和活性污泥協(xié)同厭氧發(fā)酵效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明金屬M(fèi)o和Se的含量分別在3～12mg/kg和10mg/kg時(shí)，可提高甲烷產(chǎn)率30%～40%；當(dāng)加入混合微量元素Mo、Se、Ni、Se和W時(shí)，甲烷產(chǎn)率增加45%～65%。裴占江等[36]為了提高餐廚垃圾與牛糞聯(lián)合厭氧發(fā)酵效率，向發(fā)酵體系中加入微量元素Fe、Co、Ni。結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加微量元素的實(shí)驗(yàn)組總產(chǎn)氣量比對(duì)照組增加55%，平均甲烷含量比對(duì)照組增加20%。同時(shí)實(shí)驗(yàn)組在發(fā)酵過程中未出現(xiàn)酸累積或者氨抑制現(xiàn)象，發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性高。范信生[37]將豬糞和稻稈按照1∶5質(zhì)量比混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵，通過添加不同劑量的Fe2(SO4)3比較其對(duì)發(fā)酵效果的影響。結(jié)果顯示添加3% Fe2(SO4)3的發(fā)酵組產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量最大，比對(duì)照組分別提高了32.03%和51.92%，而更高劑量的Fe2(SO4)3(6%、9%)則對(duì)產(chǎn)氣起到了抑制作用。Zhang H等[38]將餐廚垃圾和水稻秸稈以3∶1的比例混合，進(jìn)行厭氧發(fā)酵，分別加入Co、Ni以及Co和Ni的混合物，觀察其對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，同時(shí)加入Co和Ni可以明顯地將甲烷含量提高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預(yù)處理對(duì)水稻秸稈厭氧發(fā)酵的影響后發(fā)現(xiàn)，金屬離子的添加對(duì)沼氣產(chǎn)量的提升效果并不明顯；但經(jīng)過NaOH預(yù)處理的水稻秸稈的發(fā)酵效果有了很大的提高，將沼氣產(chǎn)量提高了21.4%，這可能是由于經(jīng)過預(yù)處理后的秸稈細(xì)胞壁被破壞，與底物接觸充分導(dǎo)致發(fā)酵效果較好。

微量元素不僅可以有效提高沼氣產(chǎn)量，對(duì)于硫化物的去除也有顯著影響，近年來也有部分學(xué)者對(duì)此開展了研究。黃黎等[40]研究了金屬離子對(duì)沼氣發(fā)酵效果的影響以及發(fā)酵過程中是否可以有效減少硫化氫的排放，研究以紅薯和馬鈴薯(1∶1)為發(fā)酵原料，與厭氧發(fā)酵液混合進(jìn)行發(fā)酵，同時(shí)加入濃度不同的氯化鎂和氯化鎳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明添加劑量為250～500mg/kg的氯化鎳和氯化鎂不僅對(duì)沼氣發(fā)酵有明顯的促進(jìn)作用，提高沼氣中的甲烷含量；還可以在源頭上降低硫化氫氣體的產(chǎn)生，達(dá)到最佳的脫硫效果。

3.3 微量元素對(duì)其他底物厭氧發(fā)酵過程的影響

厭氧發(fā)酵技術(shù)不僅適用于常見固體廢棄物如餐廚垃圾、禽畜糞便等的資源化利用，對(duì)于其他物質(zhì)厭氧發(fā)酵過程也具有一定的促進(jìn)作用。例如，Takashima M等[41]研究了葡萄糖在中溫和高溫兩種條件厭氧發(fā)酵時(shí)對(duì)微量元素Fe、Ni、Zn、Co的最小需求量。高溫條件下(55℃)，對(duì)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；而在中溫條件下(35℃)，其需求量為1.9 mg/L、0.061 mg/L、0.47 mg/L和0.16 mg/L。可以看出，高溫條件下厭氧發(fā)酵對(duì)微量金屬的需求量更高，大約是中溫條件下的2.2～7.8倍。Huiliir C等[42]在熱電廠煙煤燃燒過程中用以除塵的靜電除塵器內(nèi)取用飛灰，并將其作為微量金屬的來源添加進(jìn)污泥發(fā)酵過程中。通過實(shí)驗(yàn)分析得出，在厭氧的條件下增加飛灰(微量元素)的劑量，甲烷產(chǎn)率的提高可達(dá)56%，在該實(shí)驗(yàn)中所添加的劑量下沒有發(fā)現(xiàn)對(duì)甲烷產(chǎn)率的抑制現(xiàn)象。而經(jīng)過好氧處理的污泥，當(dāng)加入飛灰的量高于250mg/L時(shí)，甲烷產(chǎn)率則會(huì)有11%的下降。Bougrier C等[43]以啤酒糟為單一底物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，研究微量元素對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)微量元素的添加可以有效地維持發(fā)酵系統(tǒng)平衡，避免發(fā)生抑制導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。其中COD的去除率達(dá)到60%～65%，生物降解率達(dá)到65%～70%，甲烷產(chǎn)量可達(dá)到285～350 NL·kg-1VS。Braga A F M等[44]利用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理生活廢水，研究不同金屬元素對(duì)于發(fā)酵效率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ba和Mn在所研究的濃度范圍內(nèi)，對(duì)厭氧發(fā)酵的抑制作用較大，體現(xiàn)出明顯的毒性；而Se和Cu則顯示出對(duì)甲烷產(chǎn)量的激發(fā)效果。

4 微量元素在厭氧發(fā)酵工程的應(yīng)用展望

綜上所述，厭氧發(fā)酵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物綜合利用和深度開發(fā)的重要途徑之一，能夠?yàn)榍菪蠹S便、餐廚垃圾等生物質(zhì)的無害化處理和循環(huán)利用提供便利。厭氧發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響沼氣的產(chǎn)生效率，而微量元素作為影響厭氧發(fā)酵系統(tǒng)必要的因素之一，對(duì)沼氣產(chǎn)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性都起著至關(guān)重要的作用。目前已有許多沼氣工程通過添加微量元素制劑來保證沼氣池中穩(wěn)定的微量元素來源，而實(shí)驗(yàn)證明對(duì)于定期添加微量元素制劑的沼氣池產(chǎn)生的沼氣量明顯提高[45]。但在目前關(guān)于微量元素影響厭氧發(fā)酵過程的眾多研究中還存在以下欠缺：

(1)目前對(duì)于單個(gè)微量元素影響厭氧發(fā)酵過程的研究已較為深入，而對(duì)于多種微量元素協(xié)同作用還有待進(jìn)一步研究。雖有許多實(shí)驗(yàn)可證明同時(shí)添加多種微量元素對(duì)厭氧發(fā)酵過程的促進(jìn)作用更加明顯，但對(duì)于微量元素之間的相互作用對(duì)發(fā)酵過程的影響尚不明確。

(2)不同含量的微量元素對(duì)于同一發(fā)酵過程的影響是不同的，而目前對(duì)于微量元素添加量的臨界值還鮮有研究。因此在今后的研究中，可重點(diǎn)關(guān)注以上問題，以便于充分發(fā)揮微量元素在厭氧發(fā)酵過程中的作用。