微量元素強化厭氧發(fā)酵技術(shù)處理畜禽廢水進展研究

趙晨菊,余薇薇,喻濤,楊碩,謝明揚,孫尉哲

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院 水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074)

隨我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，人們對肉類產(chǎn)品需求日愈增加，集約化、規(guī)?；男笄蒺B(yǎng)殖已成為必然發(fā)展趨勢。現(xiàn)我國每年畜禽養(yǎng)殖廢水產(chǎn)量達38×108t， 其中高達40%沒有得到有效處理和利用[1]。從表1可以看出畜禽養(yǎng)殖廢水含有較高濃度的COD和NH3-N，未經(jīng)處理的畜禽廢水根本達不到我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)水污染物排放標準。若直接排放，將會造成土壤和水體污染；畜禽糞便在排出體外后，有機物被分解成H2S和NH3等惡臭氣體，對大氣造成污染；且畜禽養(yǎng)殖廢水伴隨著大量病原微生物、寄生蟲和蟲卵，處理不當將會成為疾病傳染源。厭氧發(fā)酵是一種具有良好生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和節(jié)能減排的處理畜禽糞便的方法[2]，被廣泛應(yīng)用于處理畜禽養(yǎng)殖廢水。在厭氧發(fā)酵過程中，功能微生物主要有水解發(fā)酵菌群、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群、同型產(chǎn)乙酸菌群、嗜乙酸產(chǎn)甲烷細菌和嗜氫產(chǎn)甲烷細菌[3-4]。因這些菌群最適生長條件不同，使得溫度、pH、C/N、水力停留時間(HRT)和總固體濃度(TS)等影響因素控制著整個厭氧發(fā)酵效果[5-9]。但在實際應(yīng)用中，這些影響因素都正常條件下，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性和產(chǎn)氣率還是不太理想，其首要原因在于微量金屬元素的缺乏[10-12]。所以本文對微量元素強化厭氧發(fā)酵技術(shù)處理畜禽養(yǎng)殖廢水研究進展進行綜述，以期為厭氧發(fā)酵技術(shù)處理畜禽養(yǎng)殖廢水和沼氣資源化利用提供借鑒。

表1 畜禽養(yǎng)殖廢水中污染物濃度(mg/L)

1 微量元素強化厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵是利用厭氧微生物在一定的水分、溫度和厭氧條件下通過自身的代謝實現(xiàn)對畜禽廢水中有機物(如人畜家禽糞便、秸稈、雜草等)的降解，并產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等可燃性混合氣體的一種處理污水的方法。在厭氧發(fā)酵過程中，厭氧微生物種群繁多且生長條件要求也不同，但是維持這些菌群的生長代謝和發(fā)酵酶系統(tǒng)的活性不僅需要C、N、P和S等大量元素，還需要Fe、Co和Ni等微量金屬元素。微量金屬元素在有機體中存在量很少，可作為電子導(dǎo)體參與細胞外電子轉(zhuǎn)移，是微生物生長和酶促反應(yīng)必不可少的物質(zhì)。如在乙酸的形成過程中起重要作用的一氧化碳脫氫酶(一類催化物質(zhì)氧化還原反應(yīng)的酶)的構(gòu)成離不開Fe、CO、Ni元素；Fe、Cu、Zn元素都參與超氧化物歧化酶組成；輔酶M甲基轉(zhuǎn)移酶的合成需要CO和Zn，此酶在次甲基八疊蝶呤甲基輔酶M還原酶的作用下生成甲烷；甲基輔酶合成酶的構(gòu)成需要Ni元素；能催化氫氣氧化的氫化酶需要Fe、Ni、Cu元素；甲酸鹽脫氫酶的構(gòu)成需要Zn、Se、Mo、W元素，此酶能氧化甲酸鹽生成CO2，為甲烷的生成提供原料；催化CO2合成甲烷的甲基呋喃脫氫酶合成需要W元素，W元素還可抑制硫酸鹽還原菌的代謝，限制硫化物生成。微量元素不僅參與厭氧發(fā)酵過程中重要酶構(gòu)成，其中Fe、Cu元素還是產(chǎn)甲烷菌的重要組成部分。所以在厭氧發(fā)酵過程中，微量元素的缺乏會影響厭氧微生物的正常生長代謝，使其產(chǎn)氣效果不理想，導(dǎo)致畜禽廢水得不到有效降解。

2 單一微量元素對厭氧發(fā)酵影響

2.1 Fe元素

Fe元素不僅參與合成CO脫氫酶和超氧化物歧化酶，NO還原酶、亞硝酸鹽還原酶和硝酸鹽還原酶的合成也離不開Fe[13]，這些酶不僅促進厭氧消化產(chǎn)甲烷過程，還有利于氨氮的氧化，這對拮抗高氨氮毒害也有一定促進作用[14]。Park等[15]證明了將1.25%(重量比)的Fe3+直接添加到污泥消化系統(tǒng)中，可去除引起異味的物質(zhì)副產(chǎn)品，有臭味和腐蝕性的H2S減少了65%以上。這是因為Fe離子可以與H2S形成沉淀，緩解H2S對微生物產(chǎn)生毒害作用，增強厭氧消化效果[16]。劉莉莉等[17]用TS為8.8%的牛糞作為發(fā)酵底物，當添加410 mg/L的 FeSO4·7H2O時，與對照組相比，厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣量提高了11.8%。這與范信生等[18]研究結(jié)果相似，他們以豬糞和稻稈作為混合發(fā)酵底物，發(fā)現(xiàn)添加3%Fe2(SO4)3后的產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量最高，相比對照分別提高了32.01%和51.48%，且出現(xiàn)低劑量促進、高劑量抑制的現(xiàn)象。這是因為反應(yīng)基質(zhì)中有硫酸鹽存在時，F(xiàn)e能夠消除由硫酸鹽還原引起的硫化物對產(chǎn)甲烷菌的抑制作用。劉旭東等[19]在研究Fe2+對厭氧發(fā)酵生物制氫的影響，發(fā)現(xiàn)Fe2+濃度為800 mg/L時對葡萄糖降解效率最快，VFA積累最多。這是因為細菌分解代謝速度變快。但是VFA和葡萄糖降解效率并不隨著Fe2+增加而增加，也出現(xiàn)低劑量促進、高劑量抑制現(xiàn)象。在厭氧發(fā)酵過程中水解和產(chǎn)酸反應(yīng)的剩余中間產(chǎn)物(如丙酸鹽和丁酸鹽)，在進行產(chǎn)甲烷反應(yīng)之前需要轉(zhuǎn)化為乙酸鹽，這些中間產(chǎn)物的積累將抑制厭氧消化的整個過程。Fe的補充促進了揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生和提高了甲烷菌對乙酸的利用率。所以在一定范圍內(nèi)，F(xiàn)e濃度越高對厭氧發(fā)酵效果促進越顯著。不同的發(fā)酵底物對于Fe元素需求量不同，在今后的研究中有必要進一步探討Fe元素在以不同底物的厭氧發(fā)酵中的添加量及生物有效性。

2.2 Co元素

Co元素參與構(gòu)成一氧化碳脫氫酶和轉(zhuǎn)甲基酶，同時也是咕啉類物質(zhì)的組成成分[20]。所以厭氧發(fā)酵過程中缺乏Co元素會影響微生物的正常代謝，進而影響整個反應(yīng)器的運行效果和穩(wěn)定性。鄒艷美[16]以牛糞為發(fā)酵底物，探究了Co2+對牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明Co2+在低濃度時能增加牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量和甲烷含量，最適合的添加濃度為0.1 mg/(L·d)。不同濃度Co2+對古菌的群落結(jié)構(gòu)無明顯影響，而Co2+濃度為0.1 mg/(L·d)時，發(fā)酵系統(tǒng)中梭菌和變形菌所占比例較高，說明Co元素是對厭氧發(fā)酵過程中的細菌作用而不是古菌。在厭氧環(huán)境中，Co被硫化物沉淀導(dǎo)致極低的溶解濃度，主要以強絡(luò)合物形態(tài)出現(xiàn)，而非游離態(tài)的Co無法被產(chǎn)甲烷菌所利用，所以Co元素具有一定的生物有效性[21]。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)可添加檸檬酸、草酸、酒石酸、EDTA和DTPA等螯合劑來提高Co元素的可生物利用性[22-23]。趙陽等[24]通過添加鈷的配合物來提高Co元素的生物有效性，研究結(jié)果表明，投加濃度為2 μmol/L絲氨酸-鈷最有利于甲烷發(fā)酵,使得產(chǎn)甲烷量比空白提高了60%，輔酶F420濃度比空白提高了37.6%，輔酶M濃度比空白提高了10.44%。雖然Co元素的投加能促進厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量，但是當Co2+質(zhì)量濃度超過770 μg/L時，產(chǎn)甲烷菌的活性會降低50%[25]，且游離Co的濃度超過70 mg/L和總可溶性Co濃度超過280 mg/L都將完全抑制產(chǎn)甲烷過程[26]。

2.3 Ni元素

2.4 其他微量元素

除鐵、鈷和鎳外，針對補充單一元素對厭氧發(fā)酵技術(shù)處理畜禽養(yǎng)殖廢水的影響的研究非常有限，表2列出了有關(guān)補充單一微量元素的相關(guān)和代表性文獻數(shù)據(jù)。從表中可以看出，Mo、Mn、Se、Cu和Zn在一定范圍濃度內(nèi)，微量元素對甲烷的生成有著促進作用。Evranos等[34]用玉米青貯飼料進行厭氧發(fā)酵時發(fā)現(xiàn)，雖然厭氧發(fā)酵過程中較高產(chǎn)量的甲烷產(chǎn)生，但是添加Mo元素卻對固體化合物的去除有抑制作用。顯然，不同微量元素對厭氧消化性能的影響程度存在很大差異。首先是發(fā)酵底物的類型，與具有復(fù)雜基質(zhì)的基質(zhì)(玉米青貯飼料[34])相比，較簡單的基質(zhì)(牛糞、雞糞)對微量元素補充的響應(yīng)更大[35-37]。其次是發(fā)酵基質(zhì)中自身含有的微量元素顯然會影響補充的影響。從陳芬等[38]的研究結(jié)果中觀察到，Cu、Zn濃度分別超過142.7 mg/kg和344.2 mg/kg時，將會抑制厭氧發(fā)酵效果(表3)。所以，在補充微量元素之前，要確定發(fā)酵底物的微量元素背景水平，以避免過量添加而降低消化性能。再一個影響因素是溫度，Takashima等[39]研究表明在COD濃度相近時，高溫系統(tǒng)所需要的微量元素是中溫系統(tǒng)2.2～7.8倍。這可能是因為高溫條件下，微生物活性強，對營養(yǎng)素需求較高。pH也會影響微量元素在系統(tǒng)中存在的形式，當發(fā)酵液呈酸性時，微量元素主要以有機物形態(tài)存在[40]。所以大多數(shù)微量元素中單一微量元素的補充可以有效地改善厭氧消化性能。因為它們參與厭氧發(fā)酵過程重要酶的合成，進而提高底物的降解效率，去除污染物(COD，固體)并最終提高沼氣/甲烷產(chǎn)氣量。但是厭氧發(fā)酵這一過程會受到許多因素的影響，例如發(fā)酵底物、溫度、pH、反應(yīng)器配制和總背景元素濃度等，所以厭氧發(fā)酵過程較為復(fù)雜，研究者們暫時還無法解釋每個元素的規(guī)律性和某些影響。對于實際應(yīng)用，因必需的微量元素的基本作用和功能，以最佳劑量補充必需的微量元素必然會有助于提高厭氧消化性能。

表2 單一微量元素對厭氧發(fā)酵影響

3 綜合微量元素對厭氧發(fā)酵影響

上文對單一微量元素對厭氧發(fā)酵處理畜禽廢水影響程度進行了綜述，可以觀察到多種微量元素的協(xié)同作用往往具有更好的性能。因為微量元素在促進微生物的新陳代謝中的作用并非獨立的，缺乏某一微量元素，厭氧發(fā)酵仍會進行，但速率會降低。Scherer等[41]研究表明，產(chǎn)甲烷菌細胞中微量元素含量的順序為Fe>Zn≥Ni>Co=Mo>Cu，且不同種類產(chǎn)甲烷菌的組成元素不同，即使是同種甲烷菌在不同環(huán)境下對于微量元素需求也不同，且只有當Co的含量充足時，Ni才能表現(xiàn)激活作用。因此微量元素之間的協(xié)同作用為維持厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定有著重要作用。表3例舉了補充綜合微量元素對厭氧發(fā)酵處理畜禽廢水影響研究，從表中我們可以看出微量元素產(chǎn)生的影響是相互關(guān)聯(lián)的，并且分階段進行，不同微量元素影響著不同菌群生理活性。微量元素的補充可維持水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷過程之間的平衡，特別是VFA含量應(yīng)以較高的速率降解(使發(fā)酵系統(tǒng)pH維持在6.5～7.5)以保持理想的微生物生存環(huán)境和消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Speece[42]指出，同時補充Fe、Co、Ni元素，可促使甲烷菌成為較優(yōu)勢菌種(即從甲烷八疊球菌取代甲烷絲菌成為較占優(yōu)勢菌種)，乙酸利用速率提高了3～5倍。由表3中也可看出，微量元素的補充會改變厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的優(yōu)勢菌群，進而影響厭氧發(fā)酵效率；相同發(fā)酵底物，在較高溫度下補充微量元素對厭氧消化的影響較好。Pobeheim[43]以青貯玉米為發(fā)酵底物進行厭氧發(fā)酵時，發(fā)現(xiàn)補充Ni的促進效果優(yōu)于Co，這是因為Co在抑制酸積累上的激活作用不如同濃度的Ni[44]。所以在不同發(fā)酵底物發(fā)酵系統(tǒng)中，不同微量元素對不同發(fā)酵原料的作用效果可能不同，微量元素也并不是獨自發(fā)揮特有的金屬屬性，它們之間存在著協(xié)同作用。

表3 綜合微量元素對厭氧發(fā)酵影響

4 結(jié)論與展望

綜上所述，通過補充微量元素可有效改善厭氧消化過程的性能，提高有機物降解率，降低VFA濃度，提高沼氣產(chǎn)量且對氨氮的抑制有一定的拮抗作用，進一步維持著厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的高效運行。為了使我國畜禽糞便可產(chǎn)沼氣潛力化為可產(chǎn)沼氣量，對微量元素強化厭氧發(fā)酵技術(shù)處理畜禽養(yǎng)殖廢水今后研究做出以下展望[48-49]：

(1)補充綜合微量元素比單一微量元素的強化效果更好，但是發(fā)酵底物不同時，其微量金屬元素本身含有的種類和含量也不同，且對于微量元素之間的協(xié)同與拮抗作用研究尚且不足。所以今后的研究應(yīng)深入探索微量金屬元素之間相互作用機制對厭氧發(fā)酵的影響。

(2)微量元素在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中都表現(xiàn)出生物有效性，當某一微量元素超過某一濃度后都對菌群表現(xiàn)出抑制作用。所以對于微生物對微量元素的利用率和微量元素對厭氧消化系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)作用還需深入研究。

(3)補充微量元素對厭氧發(fā)酵技術(shù)處理畜禽養(yǎng)殖廢水的強化作用的同時，也應(yīng)清晰的認識到微量元素的添加所帶來的潛在環(huán)境風(fēng)險，所以對于補充微量元素的后續(xù)處理不容忽視。