膨潤土強(qiáng)化畜禽糞便厭氧消化生產(chǎn)甲烷的探究*

冉 昊 王立寧 韋新東#

(1.吉林建筑大學(xué)發(fā)展規(guī)劃處，吉林 長春 130118；2.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

隨著我國畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的不斷擴(kuò)大，畜禽糞便污染也日益嚴(yán)重。畜禽糞便中有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)鹽含量高，若畜禽糞便處理不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，并對(duì)人類健康產(chǎn)生巨大威脅[1-2]。厭氧消化技術(shù)是解決畜禽糞便污染的一種可行方案，厭氧消化能在實(shí)現(xiàn)畜禽糞便減量化、無害化的同時(shí)獲取有機(jī)質(zhì)的能源物質(zhì)如氫氣、甲烷、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)等[3]101。厭氧消化是一系列復(fù)雜的生物轉(zhuǎn)化過程，該過程需要各種功能微生物及關(guān)鍵酶參與[4]。通常，厭氧消化包含4步連續(xù)生化過程：水解、酸化、同型產(chǎn)乙酸及甲烷化[5]724-733。

膨潤土(Be)為一類天然層狀硅酸鹽礦物質(zhì)，其主要構(gòu)成為蒙脫石、方解石、石英及火山碎屑等雜質(zhì)[6]247。Be具有2/1型結(jié)構(gòu)，上下均為硅氧四面體而中間為鋁氧八面體。晶胞中高價(jià)陽離子極易被低價(jià)陽離子所取代，如Al3+易取代高價(jià)Si4+，而Mg2+、Fe2+極易取代Al3+，這使得Be具備過剩的負(fù)電荷從而具有良好的離子交換能力[7]。研究表明，Be可用于吸附廢水中Pb2+、Cu2+等重金屬，且吸附效率較高[8]。在固體廢物處理領(lǐng)域，Be可提高食品垃圾厭氧消化潛能，且Be的存在有效促進(jìn)了揮發(fā)性懸浮固體(VSS)的產(chǎn)氣效率，Be投加量為1.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，產(chǎn)氣率提高約64%，pH緩沖能力較強(qiáng)[9]。此外，Be在土壤修復(fù)方面也具有較廣泛的應(yīng)用，李吉進(jìn)等[10]應(yīng)用Be降低氮素淋溶損失，并起到保水保肥的目的。鑒于Be具有的特殊性能，Be可用于強(qiáng)化畜禽糞便厭氧消化產(chǎn)甲烷。然而，這一假設(shè)至今鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，且其中畜禽糞便消化過程微生物對(duì)Be的響應(yīng)也不明確。因此，本研究探究Be對(duì)畜禽糞便厭氧消化性能的影響，分析Be影響下畜禽糞便中碳元素的轉(zhuǎn)化特性，揭示Be對(duì)畜禽厭氧消化過程微生物的響應(yīng)，以期為Be強(qiáng)化畜禽糞便高效厭氧消化提供數(shù)據(jù)支持及理論依據(jù)，并為畜禽糞便規(guī)模化處理提供技術(shù)支持。

表1 供試樣品及接種污泥主要特征

注：1)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用的畜禽糞便為雞糞、豬糞及牛糞的混合物。雞糞取自某籠式養(yǎng)雞場(chǎng)，豬糞及牛糞取自某畜牧站。樣品取回后風(fēng)干去除雜質(zhì)，用粉碎機(jī)粉碎至粒徑低于2 mm。接種污泥取自沼氣池消化污泥，該沼氣池產(chǎn)氣效率良好，VSS約為35.0%±0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。將處理好的雞糞、豬糞及牛糞等質(zhì)量混合，為更好實(shí)現(xiàn)消化基質(zhì)與接種污泥的充分接觸，本研究將干質(zhì)混合后與自來水按體積比1∶5混合，該混合基質(zhì)呈流動(dòng)態(tài)，充分混合攪拌后的樣品主要特征如表1所示。Be為鈣基Be，VSS為4.5%±0.2%，VSS/TSS為4.2%±0.8%，水溶液pH為7.9±0.5。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)在有效容積為1.0 L玻璃反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，反應(yīng)器上方配有集氣袋，反應(yīng)器內(nèi)部配有機(jī)械攪拌機(jī)，并控制轉(zhuǎn)速120～150 r/min。首先向?qū)嶒?yàn)組的4個(gè)反應(yīng)器中注入200 mL的接種污泥，再注入800 mL的畜禽糞便供試樣品，然后向反應(yīng)器中添加適量Be并控制Be質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1.5%、3.0%、4.5%。另一反應(yīng)器注入200 mL接種污泥，并注入800 mL自來水，不添加Be，作空白組。所有反應(yīng)器通過水浴加熱方式控制反應(yīng)溫度為(30±1) ℃。最后向5個(gè)反應(yīng)器中充入高純度氮?dú)庖耘艃粞鯕獗ＷC嚴(yán)格厭氧環(huán)境。各反應(yīng)器重復(fù)運(yùn)行3次，取3次實(shí)驗(yàn)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

1.3 分析方法

TSS、VSS采用重量灼燒法[3]102測(cè)定；pH根據(jù)《水質(zhì) pH值的測(cè)定 玻璃電極法》(GB 6920—86)測(cè)定；TOC采用TOC-1700在線型TOC分析儀測(cè)定；C及N元素采用Vario MACRO Cube型元素分析儀測(cè)定；蛋白質(zhì)采用福林酚法[5]727測(cè)定；多糖采用蒽酮比色法[5]727測(cè)定；粗纖維采用酸性洗劑法[11]測(cè)定；甲烷采用Thermo Fisher Trace 1300型氣相色譜儀測(cè)定，檢測(cè)器為熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)，色譜柱采用PP-Q填充不銹鋼柱，檢測(cè)口溫度200 ℃，載氣為氦氣；溶解性有機(jī)碳(DOC)采用耶拿N/C2100S分析儀測(cè)定；VFA采用Agilent 6980型氣相色譜儀測(cè)定；當(dāng)各反應(yīng)器運(yùn)行至35 d時(shí)取樣，微生物群落及豐度采用454高通量測(cè)序，詳細(xì)測(cè)定方法見文獻(xiàn)[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 Be劑量對(duì)畜禽糞便厭氧消化性能的影響

由圖2可見，實(shí)驗(yàn)組甲烷日產(chǎn)量總體呈現(xiàn)先上升后下降并平穩(wěn)、再次升高并下降的趨勢(shì)?？瞻捉M甲烷日產(chǎn)量均較低，1～9 d，消化底料充足，甲烷日產(chǎn)量維持在0～24.4 mL/d，之后甲烷日產(chǎn)量為3.5～5.6 mL/d。未添加Be的實(shí)驗(yàn)組，消化前期，底料充足，產(chǎn)甲烷古菌活性強(qiáng)，第7天甲烷日產(chǎn)量升高至231.5 mL/d，之后甲烷日產(chǎn)量逐漸下降并平穩(wěn)，第35天甲烷日產(chǎn)量再次升高至212.6 mL/d，甲烷日產(chǎn)量再次升高的原因在于前期積累的酸逐漸釋放，從而提高產(chǎn)甲烷古菌的活性。當(dāng)Be添加至畜禽糞便消化體系后，甲烷日產(chǎn)量變化趨勢(shì)未發(fā)生改變，但5～15 d甲烷日產(chǎn)量得到提高。當(dāng)Be為1.5%時(shí)，第1次甲烷日產(chǎn)量最大值(256.9 mL/d)出現(xiàn)在第7天，第2次甲烷日產(chǎn)量高峰(198.5 mL/d)出現(xiàn)在第35天。當(dāng)Be升高至3.0%、4.5%時(shí)，甲烷日產(chǎn)量第1次高峰期提前2 d，且日產(chǎn)量分別為268.5、251.3 mL/d。這表明，適量Be的存在能提高甲烷日產(chǎn)量并使甲烷日產(chǎn)量高峰期提前，該結(jié)果與潘君廷等[6]248報(bào)道相似。

圖2 Be對(duì)畜禽糞便厭氧消化甲烷日產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of Be on daily production of methane digested anaerobically from livestock manure

由圖3可見，實(shí)驗(yàn)組單位質(zhì)量VSS的甲烷累積產(chǎn)量隨時(shí)間呈現(xiàn)先上升后平穩(wěn)的趨勢(shì)。第40天，當(dāng)Be為0時(shí)，甲烷累積產(chǎn)量為(216.3±5.6) mL/g；當(dāng)Be升高至1.5%時(shí)，甲烷累積產(chǎn)量為(245.6±8.1) mL/g，較Be為0時(shí)提高約13.5%±0.3%；當(dāng)Be進(jìn)一步提高至3.0%時(shí)，甲烷累積產(chǎn)量為(289.3±9.2) mL/g，較Be為0時(shí)提高約33.7%±1.2%；當(dāng)Be進(jìn)一步升高至4.5%時(shí)，甲烷累積產(chǎn)量為(279.5±5.3) mL/g，低于Be為3.0%時(shí)，但仍高于Be為0時(shí)。這表明，適當(dāng)提高畜禽糞便厭氧消化系統(tǒng)中Be劑量有助于提升甲烷產(chǎn)量，但Be過高將降低畜禽糞便產(chǎn)甲烷的量，這可能是因?yàn)楦連e促進(jìn)畜禽糞便中氨氮釋放，過高氨氮反而抑制產(chǎn)甲烷古菌的活性，從而降低甲烷產(chǎn)量[12]。

圖3 Be對(duì)畜禽糞便厭氧消化甲烷累積產(chǎn)量的影響Fig.3 Effects of Be on accumulated methane production by anaerobic digestion of livestock manure

2.2 Be對(duì)畜禽糞便厭氧水解過程的影響

有機(jī)固體廢物厭氧消化過程中有機(jī)物多以非溶解態(tài)存在，在水解酸化微生物及關(guān)鍵酶的調(diào)控下，顆粒狀有機(jī)固體廢物轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)的過程為水解，該過程也被認(rèn)定為消化的限速步驟[13]1219。由圖4可見，實(shí)驗(yàn)組DOC隨時(shí)間先上升后下降。DOC上升是由于水解酸化微生物分泌水解酶促進(jìn)有機(jī)物的溶解。當(dāng)Be為0時(shí)，DOC最大值為(5 126±150) mg/L，且相應(yīng)的時(shí)間為25 d；當(dāng)Be升高至1.5%、3.0%時(shí)，DOC最大值分別升高至(5 460±125)、(5 985±142) mg/L，DOC的提高為后續(xù)酸化、產(chǎn)甲烷提供了充足的基質(zhì)；當(dāng)Be升高至4.5%時(shí)，DOC最大值為(5 269±145) mg/L，低于Be為3.0%時(shí)，但仍高于Be為0時(shí)。這表明，Be適當(dāng)提高有助于畜禽糞便有機(jī)物的裂解，但過高Be對(duì)DOC具有一定抑制作用。之前研究表明，Be能促進(jìn)餐廚垃圾中有機(jī)物裂解[14]，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣證實(shí)Be能促進(jìn)畜禽糞便厭氧消化過程中有機(jī)物釋放。Be具有多種金屬離子(如Ca2+、Fe2+等)，這些金屬元素的存在能改善微生物細(xì)胞的通透性，加速物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，提高了厭氧微生物的活性[15]。

圖4 Be對(duì)畜禽糞便厭氧消化中DOC的影響Fig.4 Effects of Be on DOC in livestock manure anaerobic digestion

畜禽糞便中DOC主要為蛋白質(zhì)和多糖[6]246。如圖5所示，實(shí)驗(yàn)組溶解性蛋白質(zhì)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。蛋白質(zhì)在畜禽糞便中多以層疊狀存在[13]1216，Be中金屬元素促進(jìn)微生物的活性，從而破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致液相中溶解性蛋白質(zhì)含量增加。消化后期，溶解性蛋白質(zhì)下降在于產(chǎn)甲烷古菌對(duì)溶解性蛋白質(zhì)的消耗。當(dāng)Be為0時(shí)，溶解性蛋白質(zhì)由初期的(256±35) mg/L逐漸升高至30 d的(1 745±121) mg/L，之后降至(1 256±102) mg/L；當(dāng)Be升高至1.5%、3.0%時(shí)，溶解性蛋白質(zhì)同樣由初期(315±32)mg/L分別升高至(2 456±125)、(3 015±118) mg/L，表明Be促進(jìn)畜禽糞便中溶解性蛋白質(zhì)增加；當(dāng)Be進(jìn)一步升高至4.5%時(shí)，溶解性蛋白質(zhì)最大值為(2 456±225) mg/L，低于Be為3.0%時(shí)，但仍高于Be為0時(shí)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與DOC相一致。

圖5 Be對(duì)畜禽糞便厭氧消化中溶解性蛋白質(zhì)的影響Fig.5 Effect of Be on soluble protein content in anaerobic digestion of livestock manure

Be對(duì)畜禽糞便多糖的影響如表2所示。多糖變化同DOC及溶解性蛋白質(zhì)，但多糖顯著低于溶解性蛋白質(zhì)(p<0.05)，這與畜禽糞便的特性相關(guān)。多糖最大值出現(xiàn)在第30天。當(dāng)Be由0升高至3.0%，多糖最大值由(914±37) mg/L升高至(1 061±56) mg/L，當(dāng)Be進(jìn)一步升高至4.5%時(shí)，多糖略有下降。Be能促進(jìn)有機(jī)物的溶出，這也為后續(xù)產(chǎn)甲烷古菌提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.3 Be對(duì)畜禽糞便厭氧酸化過程的影響

VFA是畜禽糞便厭氧消化的中間產(chǎn)物，其含量與種類是判定厭氧消化穩(wěn)定的重要指標(biāo)，同時(shí)VFA也是產(chǎn)甲烷古菌所利用的主要底料[16]。乙酸、乳酸、丁酸和戊酸是VFA中常分析的4種典型有機(jī)酸，因此本研究同樣探究了Be存在對(duì)這4種VFA質(zhì)量濃度的影響。如圖6所示，乙酸、乳酸、丁酸和戊酸隨時(shí)間基本呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。VFA升高主要是由于酸化微生物利用消化液中水解產(chǎn)物生物轉(zhuǎn)化而來，而下降是由于VFA的消耗速率高于生物轉(zhuǎn)化速率。當(dāng)Be為0、1.5%和3.0%時(shí)，乙酸在前10天急劇升高至最大值，分別為(341±12)、(365±13)、(385±10) mg/L；當(dāng)Be進(jìn)一步升高至4.5%，乙酸最大值卻為(364±14) mg/L，相應(yīng)的時(shí)間為第15天。過量Be的存在導(dǎo)致金屬元素含量過高從而對(duì)微生物的活性產(chǎn)生一定的抑制作用。此外，過高Be導(dǎo)致氨氮釋放，從而抑制產(chǎn)酸微生物的活性。乙酸是產(chǎn)甲烷古菌的主要消化底物，Be適量可促進(jìn)乙酸含量升高，這也為產(chǎn)甲烷古菌提供充足的底料。乳酸和丁酸變化與乙酸相似。戊酸是分子量較大的有機(jī)酸，在整個(gè)消化過程，當(dāng)Be為0、1.5%和4.5%時(shí)，戊酸略有起伏變化，但升高不顯著；當(dāng)Be為3.0%時(shí)，戊酸最大值為(124±9) mg/L，顯著高于其他實(shí)驗(yàn)組(p<0.05)，進(jìn)一步說明Be存在促進(jìn)畜禽糞便厭氧酸化過程，從而導(dǎo)致VFA的積累。

2.4 Be對(duì)畜禽糞便厭氧消化有機(jī)物減量的影響

畜禽糞便厭氧消化的兩個(gè)重要指標(biāo)分別為產(chǎn)氣量和減量化。產(chǎn)氣量可直觀通過甲烷產(chǎn)量檢驗(yàn)，而減量化是經(jīng)水解酸化菌作用將固相中有機(jī)物液相化，并被消化微生物所利用。畜禽糞便厭氧減量化可通過VSS的減量來表述。如圖7所示，20 d時(shí)，不同實(shí)驗(yàn)組VSS減量率為16.5%～19.8%，且當(dāng)Be為3.0%時(shí)VSS減量率最大；40 d時(shí)，VSS減量進(jìn)一步加大。當(dāng)Be為0時(shí)VSS減量率為23.6%±1.1%；當(dāng)Be升高至1.5%和3.0%時(shí)，VSS減量率升高至24.6%±0.9%和31.2%±1.3%，較Be為0時(shí)提高4.2%±0.2%和32.2%±0.9%，說明Be為3.0%時(shí)對(duì)VSS減量率提高較大；當(dāng)Be進(jìn)一步升高至4.5%時(shí)，VSS減量率卻下降至28.6%±1.2%。畜禽糞便消化系統(tǒng)中適當(dāng)提高Be含量有助于VSS減量，這可能在于Be為厭氧消化微生物提供了微量元素，強(qiáng)化微生物活性，從而導(dǎo)致畜禽糞便中固相有機(jī)物轉(zhuǎn)化至液相，最后被產(chǎn)甲烷微生物或異養(yǎng)微生物所利用，但高劑量Be同時(shí)引入一定量金屬，過量金屬存在致使微生物代謝活性降低從而造成有機(jī)組分利用效率下降。

表2 Be對(duì)畜禽糞便多糖的影響

圖6 Be對(duì)畜禽糞便厭氧消化過程中VFA的影響Fig.6 Effect of Be on VFA content in anaerobic fermentation of livestock manure

圖7 Be對(duì)畜禽糞便厭氧消化中VSS減量的影響Fig.7 Effect of Be on VSS reduction in anaerobic digestion of livestock manure

2.5 Be對(duì)畜禽糞便厭氧消化過程微生物生態(tài)學(xué)的影響分析

由圖8可見，在門級(jí)別上，厚壁菌門為優(yōu)勢(shì)菌群。當(dāng)Be為0時(shí)，厚壁菌門相對(duì)豐度為54.2%，而當(dāng)Be升高至1.5%和3.0%時(shí)，厚壁菌門相對(duì)豐度分別升高至59.5%和61.2%，Be的存在有利于厚壁菌門的相對(duì)豐度。厚壁菌門是有機(jī)物厭氧消化過程中重要的微生物，厚壁菌門能產(chǎn)生降解復(fù)雜有機(jī)物的纖維素酶、蛋白質(zhì)酶及與多糖降解有關(guān)的關(guān)鍵酶，并且在高氨氮環(huán)境下，多種乙酸氧化菌屬同樣屬于該門[17]。研究表明，在餐廚垃圾和屠宰廢棄物共發(fā)酵體系中，厚壁菌門相對(duì)豐度高達(dá)83%。相對(duì)豐度排序第2的為擬桿菌門。當(dāng)Be為0時(shí)，擬桿菌門相對(duì)豐度為13.5%，當(dāng)Be升高至1.5%時(shí)，擬桿菌門相對(duì)豐度同樣升高至15.2%。擬桿菌門中同樣包含部分水解、酸化微生物，該類微生物能加速分解畜禽糞便中難降解有機(jī)物，從而為產(chǎn)甲烷古菌提供充足基質(zhì)[18]。Be為4.5%降低了厚壁菌門和擬桿菌門的相對(duì)豐度，分別降至58.6%和13.6%，低于Be為3.0%時(shí)，但仍高于Be為0時(shí)。

圖8 Be對(duì)畜禽糞便厭氧消化過程門級(jí)別微生物群落的影響Fig.8 Effect of Be on phylum-level microbial community in anaerobic digestion of livestock and poultry feces

由圖9可知，空白組中，甲烷孢菌屬和嗜甲烷假絲酵母菌屬為優(yōu)勢(shì)微生物，相對(duì)豐度分別為16.5%和12.3%。甲烷孢菌屬能消耗氫氣和CO2合成甲烷，為耗氫型產(chǎn)甲烷古菌，而嗜甲烷假絲酵母菌屬能消耗消化液中VFA合成甲烷，為耗酸型產(chǎn)甲烷古菌。當(dāng)Be為0時(shí)，甲烷中毒性球菌屬相對(duì)豐度升高至12.8%，成為優(yōu)勢(shì)微生物，而甲烷孢菌屬逐漸下降至10.3%，說明耗氫型產(chǎn)甲烷古菌相對(duì)豐度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)Be進(jìn)一步升高至1.5%和3.0%時(shí)，甲烷孢菌屬進(jìn)一步下降至8.5%和4.2%，說明Be的存在降低了甲烷孢菌屬相對(duì)豐度，同時(shí)甲烷中毒性球菌屬相對(duì)豐度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖9 Be對(duì)畜禽糞便厭氧消化過程屬水平產(chǎn)甲烷古菌微生物群落的影響Fig.9 Effects of Be on the microbial community of Methanogenic Archaea during anaerobic digestion of livestock and poultry feces at genus level

3 結(jié) 論

(1) 適量的Be能提高畜禽糞便產(chǎn)甲烷效率；提高DOC，為后續(xù)酸化、產(chǎn)甲烷提供了充足的基質(zhì)；促進(jìn)VFA含量升高，為產(chǎn)甲烷古菌提供底料。當(dāng)Be為3.0%時(shí)，甲烷日產(chǎn)量最高至268.5 mL/d，第40天單位質(zhì)量VSS的甲烷累積產(chǎn)量為(289.3±9.2) mL/g，DOC最大值為(5 985±142) mg/L，溶解性蛋白質(zhì)為(3 015±118) mg/L，多糖最大值為(1 061±56) mg/L，乙酸在前10天急劇升高至(385±10) mg/L，戊酸最大值為(124±9) mg/L，VSS減量率為31.2%±1.3%。

(2) Be的存在有利于提高厚壁菌門相對(duì)豐度，當(dāng)Be為3.0%時(shí)，厚壁菌門相對(duì)豐度為61.2%。