α-淀粉酶對豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響及動力學(xué)分析

陳 彪, 黃 婧, 肖艷春,2

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究所， 福建 福州 350003; 2.福建技術(shù)師范學(xué)院 近海流域環(huán)境測控治理福建省高校重點實驗室， 福建 福清 350300)

利用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理畜禽糞便是目前世界范圍內(nèi)公認(rèn)的最為有效的處理方式之一。厭氧發(fā)酵技術(shù)可將生物質(zhì)等轉(zhuǎn)化為沼氣，在獲取能源物質(zhì)的同時，實現(xiàn)減少環(huán)境污染的目的[1-2]。2015年我國畜禽糞便資源總量為20.08億t，畜禽糞便資源總量約合2.87億t干物質(zhì)，具有963.77億m3沼氣潛力[3]。提升厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼潛力可有效促進厭氧發(fā)酵技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的工程實踐應(yīng)用與發(fā)展，尤其對規(guī)?；B(yǎng)殖污水的治理及其資源化利用具有十分重要的意義。

厭氧發(fā)酵過程可分為有機物的水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷3個階段，而發(fā)酵原料的不同性質(zhì)決定了限制階段的不同。豬糞中主要大分子復(fù)雜有機物是淀粉、蛋白質(zhì)和纖維素。因此，豬糞的水解階段是厭氧發(fā)酵過程的限速步驟。已有相關(guān)研究報道，利用水解酶提高發(fā)酵原料水解產(chǎn)物的濃度。水解酶是一類能夠催化促進有機物水解反應(yīng)的酶，包括淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶、脂肪酶等。Yang[4]等在厭氧發(fā)酵條件下添加淀粉酶和蛋白酶提高剩余污泥的生物水解效率，淀粉酶處理比蛋白酶處理具有更高的水解效率，淀粉酶處理比對照組顯著提高了54.24%；許美蘭[5]等利用α-淀粉酶和蛋白酶構(gòu)成的復(fù)合酶對豬糞進行處理，可溶性化學(xué)需氧量(SCOD)提高106.9%；王婷婷[6]等通過添加酶對釀酒廢糟進行干式厭氧發(fā)酵，提高甲烷產(chǎn)率達36.8%。目前關(guān)于水解酶對豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響的動力學(xué)方面的研究鮮見報道。本研究采用升流式厭氧污泥床(UASB)工藝，以豬糞為發(fā)酵原料，應(yīng)用Gompertz和一級動力學(xué)模型解析外源α-淀粉酶對厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響效應(yīng)，以期提升發(fā)酵原料的產(chǎn)甲烷潛力，提高厭氧發(fā)酵技術(shù)在養(yǎng)殖污水處理領(lǐng)域的工程實踐應(yīng)用效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 材料和裝置

鮮豬糞取自福建某養(yǎng)殖公司，接種污泥取自常年正常運行的沼氣發(fā)酵裝置，豬糞及接種污泥成分組成見表1。α-淀粉酶購自上海源葉生物科技有限公司，酶活≥4000 U·g-1，pH值范圍為5.5～7.5，最適溫度為50℃～70℃。試驗采用UASB工藝，裝置示意見圖1。

表1 豬糞及接種污泥的成分

1.三相分離器； 2.水封瓶； 3.氣體流量計； 4.出水口； 5.取樣口； 6.水泵； 7.蠕動泵； 8.恒溫水浴箱； 9.廢水進水池圖1 UASB發(fā)酵裝置示意

1.2 試驗方法

試驗設(shè)置1個對照組(CK組)、1個空白組和4個試驗組，每組設(shè)置3個重復(fù)，厭氧發(fā)酵周期為35 d。每組取豬糞1225 g，以未添加α-淀粉酶的處理為CK組，以只添加接種污泥與蒸餾水的處理為空白組，4個試驗組按照豬糞的總固體(TS)重量每克分別加入α-淀粉酶(酶添加量參考相關(guān)文獻[5, 7])10，20，30，40 mg，加入α-淀粉酶攪拌均勻后在50℃水浴鍋中恒溫震蕩處理4 h，充分發(fā)揮α-淀粉酶活性，待豬糞冷卻至常溫后每組接入1 L的接種污泥，經(jīng)調(diào)配后發(fā)酵料液總體積為5 L(不足部分用蒸餾水補足、TS約為8%)，料液通過蠕動泵導(dǎo)入UASB發(fā)酵裝置，進料結(jié)束后向發(fā)酵裝置中通N210 min保持厭氧環(huán)境，調(diào)節(jié)裝置溫度為35℃。厭氧發(fā)酵過程中每日定時測定沼氣產(chǎn)氣量、甲烷體積分?jǐn)?shù)。

豬糞及接種物的TS、揮發(fā)性固體(VS)采用差重法測定；C，H，O，N，S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用元素分析儀(Vario EL III，Elementar，德國)測定；沼氣日產(chǎn)氣量使用濕式流量計(LML-1，長春汽車濾清器有限責(zé)任公司)測定；沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)和總揮發(fā)性脂肪酸濃度采用氣相色譜法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 發(fā)酵原料理論產(chǎn)甲烷潛力值

目前，發(fā)酵原料理論產(chǎn)甲烷潛力值的計算是通過分析物料中的C，H，O，N，S等元素含量進行估算，碳水化合物、蛋白質(zhì)等有機物可用CxHyOzNnSs表示，通過方程式(1)估算出發(fā)酵原料的理論產(chǎn)甲烷潛力值Xe[8]。該研究中的甲烷產(chǎn)率均是基于豬糞中揮發(fā)性固體(VS)含量計算。

(1)

式中：Xe為發(fā)酵原料的理論產(chǎn)甲烷潛力值，mL·g-1；x，y，z，n，s分別代表了發(fā)酵原料C，H，O，N，S元素含量與C，H，O， N，S元素相對原子質(zhì)量的比值(取整數(shù))。

1.3.2 發(fā)酵底物產(chǎn)甲烷動力學(xué)

應(yīng)用一級動力學(xué)和Gompertz模型擬合厭氧發(fā)酵過程并計算動力學(xué)反應(yīng)常數(shù)，根據(jù)決定系數(shù)R2及均方根誤差RMSE對模型的擬合度進行評估。

一級動力學(xué)方程：

xt=x∞[1-exp(-kt)]

(2)

式中：X∞為整個發(fā)酵周期內(nèi)豬糞甲烷產(chǎn)率，mL·g-1；Xt為t時刻豬糞甲烷產(chǎn)率，mL·g-1；k為反應(yīng)速率常數(shù)，d-1。

Gompertz模型：

(3)

式中：Rm為產(chǎn)甲烷速率，mL·g-1·d-1；e為常數(shù)，2.718282；λ為遲滯時間，d。

1.3.3 發(fā)酵底物生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷效率

以不同時刻甲烷累積產(chǎn)量與整個發(fā)酵周期甲烷總產(chǎn)量的比值表示發(fā)酵過程甲烷產(chǎn)率比(MPR)。以厭氧發(fā)酵不同時刻實際甲烷產(chǎn)率與理論甲烷產(chǎn)率的比值表示底物的生物產(chǎn)甲烷效率(BDA)，計算公式：

(4)

式中：Xt為t時刻實際甲烷產(chǎn)率，mL·g-1；Xe為理論甲烷產(chǎn)率，mL·g-1。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)處理及方差分析，采用Origin 9.1軟件進行繪圖及方程擬合。各試驗組的總揮發(fā)性脂肪酸濃度、沼氣產(chǎn)氣量、甲烷體積分?jǐn)?shù)取3次重復(fù)試驗的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 α-淀粉酶對總揮發(fā)性脂肪酸的影響

厭氧發(fā)酵過程各試驗組總揮發(fā)性脂肪酸(TVFAs)的濃度變化如圖2所示。由圖2可見：各試驗組和CK組的變化規(guī)律一致，均呈先升后降，最后趨于平穩(wěn)的特征。CK組在第3天達到產(chǎn)酸高峰(TVFAs質(zhì)量濃度為7030 mg·L-1)；α-淀粉酶添加量為20，30，40 mg·g-1的試驗組均比CK組提前1天達到產(chǎn)酸高峰，其中添加量為40 mg·g-1的產(chǎn)酸峰值最大(8986 mg·L-1)，比CK組提高了27.8%；其次是添加量為30 mg·g-1的試驗組(8308 mg·L-1)，比CK組提高了18.2%。在厭氧發(fā)酵后期，各試驗組進入穩(wěn)定期，至發(fā)酵結(jié)束時各試驗組的TVFAs累積量均低于CK組，其累積顯著度為30 mg·g-1<40 mg·g-1<20 mg·g-1<10 mg·g-1

圖2 總揮發(fā)性脂肪酸濃度變化曲線

2.2 α-淀粉酶對沼氣產(chǎn)氣性能的影響

2.2.1 α-淀粉酶對日產(chǎn)沼氣量的影響

各試驗組日產(chǎn)沼氣量變化情況見圖3，從圖3可以看出，在厭氧發(fā)酵的進程中，沼氣日產(chǎn)氣量總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。各試驗組的產(chǎn)氣啟動期均較短，在較短時間內(nèi)就達到產(chǎn)氣高峰，這應(yīng)與本試驗的接種污泥取自運行良好的沼氣工程厭氧發(fā)酵裝置，接種污泥中的功能微生物豐富且活躍有關(guān)。CK組，10 mg·g-1，20 mg·g-1和40 mg·g-1試驗組均出現(xiàn)了3個產(chǎn)氣高峰，CK組產(chǎn)氣高峰分別出現(xiàn)在第4，9，16天，30 mg·g-1試驗組只在第6天出現(xiàn)1個產(chǎn)氣高峰，峰值期比CK組提前3 d。日產(chǎn)氣峰值最大值(13829 mL)出現(xiàn)在30 mg·g-1試驗組，與CK組(11710 mL)相比增加了18.1%。

有研究表明[9]，乙酸是沼氣發(fā)酵過程中重要的中間代謝產(chǎn)物。由于微生物優(yōu)先利用小分子糖類及淀粉類等易降解的有機物，水解作用生成的葡萄糖在厭氧條件下經(jīng)糖酵解(EMP)途徑生成丙酮酸，丙酮酸是合成乙酸等揮發(fā)性脂肪酸的主要中間產(chǎn)物，生成的甲烷三分之二來源于乙酸，試驗組添加的α-淀粉酶促進了溶解性多糖濃度的增加[10]，它可將淀粉類物質(zhì)酶解成糊精、麥芽糖、葡萄糖等這些容易被產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸或耗氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌利用的營養(yǎng)底物，進而為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供了大量的乙酸鹽，CO2，氫等物質(zhì)，促進沼氣產(chǎn)氣量提高，因此添加了α-淀粉酶的試驗組比CK組更快達到產(chǎn)氣峰值。而后產(chǎn)氣速率下降，出現(xiàn)下1個產(chǎn)氣高峰，這是因為容易降解的底物被消耗后，沼氣發(fā)酵微生物不得不利用纖維素等較難降解有機物，產(chǎn)氣峰值不如前期。由此，α-淀粉酶的適量添加有利于產(chǎn)氣峰值的提前到達。

圖3 沼氣日產(chǎn)氣量變化曲線

2.2.2 α-淀粉酶對甲烷體積分?jǐn)?shù)的影響

圖4為沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖，該體積分?jǐn)?shù)的變化是厭氧發(fā)酵過程中不同微生物菌群之間相互作用的結(jié)果。由圖4可以看出，甲烷體積分?jǐn)?shù)先呈現(xiàn)快速增長而后趨于穩(wěn)定，末期則逐步降低。在厭氧發(fā)酵的第2～3天，各試驗組甲烷體積分?jǐn)?shù)就已經(jīng)大于50%，均進入正常產(chǎn)氣狀態(tài)。CK組的甲烷體積分?jǐn)?shù)從第4天起就進入穩(wěn)定期，至第26天結(jié)束，共保持了23 d，甲烷體積分?jǐn)?shù)60.4%～70.4%；30 mg·g-1試驗組的穩(wěn)定期最長，從第3天持續(xù)到第29天，甲烷體積分?jǐn)?shù)61.6%～70.6%，比CK組略有增加，試驗組添加的α-淀粉酶使厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中可利用的糖類物質(zhì)增加，提高了系統(tǒng)中甲烷途徑中碳物質(zhì)濃度，促進最終產(chǎn)物甲烷體積分?jǐn)?shù)的提升。

圖4 沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)變化曲線

2.2.3 α-淀粉酶對甲烷產(chǎn)率的影響

圖5為各試驗組累積甲烷產(chǎn)率曲線圖。由圖5可知，CK組的累積甲烷產(chǎn)率最低(315.4 mL·g-1VS)。杜連柱[11]等研究發(fā)現(xiàn)在35℃條件下，TS為7.5%的豬糞進行厭氧發(fā)酵時，其甲烷產(chǎn)率為326 mL·g-1VS，與本試驗的結(jié)果較接近。隨著α-淀粉酶添加量從10 mg·g-1增加到30 mg·g-1時，甲烷產(chǎn)率亦隨之增加，在添加量為30 mg·g-1時達到最高的384.9 mL·g-1VS，比CK組提高了22.1%；而當(dāng)添加量繼續(xù)增至40 mg·g-1時，其對應(yīng)的甲烷產(chǎn)率相較30 mg·g-1試驗組反而降低。由此分析，與CK組相比，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)添加α-淀粉酶可以促進發(fā)酵料液中的淀粉水解為小分子糖類，即丙酮酸的前體物質(zhì)，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌將丙酮酸轉(zhuǎn)化為如乙酸、丙酸、丁酸、甲醇等揮發(fā)性有機酸，反應(yīng)底物的增加會提升產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化速率，提高甲烷產(chǎn)率；但過量添加的α-淀粉酶可導(dǎo)致過快的有機物水解及后續(xù)過快的揮發(fā)性有機酸的產(chǎn)生，一旦超過產(chǎn)甲烷菌甲烷轉(zhuǎn)化的速率，揮發(fā)性有機酸的過量積累將抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，此外，底物中部分細(xì)菌的新陳代謝活動獲取營養(yǎng)物質(zhì)的速度高于酶促反應(yīng)速度，導(dǎo)致可溶性物質(zhì)濃度下降，使甲烷產(chǎn)率下降。試驗結(jié)果表明，在豬糞厭氧發(fā)酵進程中，溶解性碳源物質(zhì)的濃度決定了厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)率，α-淀粉酶的添加閾值為30 mg·g-1。

圖5 累積甲烷產(chǎn)率曲線

2.3 擬合模型的動力學(xué)分析

本試驗采用經(jīng)典的一級動力學(xué)以及Gompertz模型對不同試驗組的累積甲烷產(chǎn)率曲線進行擬合，具體見圖6～圖10。表2列出了2種模型的擬合結(jié)果，其中，產(chǎn)甲烷動力學(xué)參數(shù)包括動力學(xué)常數(shù)(k)、產(chǎn)氣速率(Rm)、發(fā)酵遲滯期時長(λ)等。根據(jù)決定系數(shù)R2及均方根誤差RMSE對模型擬合的表現(xiàn)進行評估，從擬合結(jié)果可以看出，采用Gompertz模型擬合各試驗組產(chǎn)甲烷過程，擬合度較好，R2均大于0.998，模型擬合的累積甲烷產(chǎn)率最大值與實測值接近，說明該模型可以較為準(zhǔn)確的反應(yīng)各試驗組的產(chǎn)氣情況；一級動力學(xué)模型的擬合精確度較低，擬合結(jié)果與實測值存在偏離，因此，該模型不適用于本研究中產(chǎn)甲烷過程擬合。

從Gompertz模型的擬合結(jié)果可以看出，CK組的Rm最慢(26.18 mL·g-1d-1)，30 mg·g-1試驗組的Rm最快(32.63 mL·g-1d-1)，比CK組提高24.6%。隨著α-淀粉酶的增加λ隨之縮短，CK組λ最長(2.29 d)，40 mg·g-1試驗組λ較短(1.08 d)；30 mg·g-1試驗組λ遲滯期次之(1.52 d)。這是由于添加的酶增加了發(fā)酵底物中小分子糖類的濃度和可吸附位點數(shù)量，促進產(chǎn)甲烷微生物菌群繁殖生長，進而提升甲烷產(chǎn)率。試驗結(jié)果表明，α-淀粉酶的添加不僅可以縮短遲滯期，而且還能提高反應(yīng)速率。

圖6 CK組實測累積產(chǎn)甲烷及一級動力學(xué)， Gompertz模型擬合曲線

圖7 10 mg·g-1試驗組實測累積產(chǎn)甲烷及 一級動力學(xué)，Gompertz模型擬合曲線

圖8 20 mg·g-1試驗組實測累積產(chǎn)甲烷及 一級動力學(xué)，Gompertz模型擬合曲線

圖9 30 mg·g-1試驗組實測累積產(chǎn)甲烷及 一級動力學(xué)，Gompertz模型擬合曲線

圖10 40 mg·g-1試驗組實測累積產(chǎn)甲烷及 一級動力學(xué)，Gompertz模型擬合曲線

韓婭新、李超等對不同有機廢棄物的產(chǎn)甲烷過程進行動力學(xué)分析[8, 12-13]，不同發(fā)酵物料的性質(zhì)及接種比對動力學(xué)擬合模型的選擇有顯著性影響，一級動力學(xué)模型適用于擬合接種比大于3:1的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程，其他條件下適宜采用Gompertz模型進行擬合，與本研究的結(jié)果一致。

表2 擬合方程對試驗組累積甲烷產(chǎn)率曲線的擬合結(jié)果

2.4 α-淀粉酶對BDA的影響

表3為各試驗組厭氧發(fā)酵過程中MPR及BDA。本研究中以MPR等于90%表示厭氧發(fā)酵反應(yīng)過程結(jié)束，根據(jù)該指標(biāo)可以確定各試驗組的厭氧發(fā)酵水力停留時間(HRT)。CK組的HRT為17.9 d，30 mg·g-1試驗組的HRT最短(15.3 d)，比CK組縮短了14.5%。在工程實踐中，HRT的適當(dāng)縮短有利于降低厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的建設(shè)和運行成本，提高容積甲烷產(chǎn)率。

分析發(fā)酵原料的組成成分，得到豬糞的化學(xué)組成為C270H485O141N18S2，根據(jù)方程式(1)計算得出其理論產(chǎn)甲烷潛力值為552.3 mL·g-1。BDA是衡量發(fā)酵物料轉(zhuǎn)化產(chǎn)甲烷是否徹底的重要指標(biāo)，其值越高，說明生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的程度越高。適當(dāng)添加α-淀粉酶可以提高BDA，在第15～35天，各試驗組BDA值由大到小排序為30 mg·g-1﹥40 mg·g-1﹥20 mg·g-1﹥10 mg·g-1﹥CK組。30 mg·g-1試驗組在第13天的BDA值已超過CK組第35天的值；反應(yīng)結(jié)束時，與CK組相比提高了22.1%，說明α-淀粉酶的添加對BDA促進作用顯著。

表3 厭氧發(fā)酵過程部分時間點的MPR和BDA (%)

3 結(jié)論

(1)α-淀粉酶的適量添加有利于促進有機物厭氧發(fā)酵底物的水解，提高甲烷產(chǎn)率。當(dāng)α-淀粉酶添加量≤30 mg·g-1時，添加量與甲烷產(chǎn)率增加呈正相關(guān)。

(2)α-淀粉酶添加量為30 mg·g-1的試驗組對甲烷產(chǎn)率的促進作用最為顯著，其日產(chǎn)氣峰值、甲烷產(chǎn)率、BDA分別為13 829 mL，384.9 mL·g-1VS，69.69%，與對照組比分別提高了18.1%，22.1%，22.1%。

(3)添加α-淀粉酶的豬糞厭氧發(fā)酵過程比較符合Gompertz模型，添加量為30 mg·g-1的試驗組最大反應(yīng)速率為32.63 mL·g-1d-1，比CK組提高24.6%，決定系數(shù)R2為0.9995。