銅離子對廚余垃圾厭氧消化效率的影響研究

沈 欣, 馮俊生，劉康齊, 石舟翔, 張 鄆, 王曉紅, 周正偉

(常州大學 環(huán)境與安全工程學院，江蘇 常州 213164)

近年來，廚余垃圾的處置已成為重要問題。據(jù)北京環(huán)衛(wèi)集團信息顯示，北京2019年平均每天清運處理生活垃圾約2.8萬噸，其中廚余垃圾清運量為1.036萬～1.54萬噸，約占城市生活垃圾37%～55%，大約18天就可以堆滿一個水立方體育館[1]。廚余垃圾具有含水率高、含鹽分高、有機成分多、容易腐敗、有害成分少、資源化利用價值高[2]以及其中高含量的易于生物降解部分是厭氧消化的基質(zhì)等特點。但是廚余垃圾處理不當時會引起許多嚴重的環(huán)境問題，例如水，土壤，空氣的污染，從而威脅到食品安全和人類健康。因此有效處理和處置廚余垃圾已成為當務之急。

厭氧消化是廚余垃圾減量化和資源化有效手段之一，可以將有機廢棄物轉(zhuǎn)化成為沼氣，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護、減少溫室氣體排放和生產(chǎn)可再生能源等目標。但是整個厭氧環(huán)境十分的脆弱，沼氣的產(chǎn)量不高。Yazsanpanah[3]等研究發(fā)現(xiàn)一些微量元素如鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、硒(Se)和鉬(Mo)對產(chǎn)甲烷菌的生長和活性至關重要。Ariunbaatar[4]等發(fā)現(xiàn)在廚余垃圾厭氧消化期間，不同濃度的微量元素(單獨或以混合物形式)的添加會刺激了甲烷的產(chǎn)生。另一方面，LIN[5]研究厭氧消化產(chǎn)甲烷過程中的微量元素半抑制濃度發(fā)現(xiàn)毒性強度為：Cu>Zn>Cr>Cd>Ni，也已經(jīng)報道了微量元素過量使用的風險[6]。Wu[7]等發(fā)現(xiàn)銅(Cu)是參與甲烷生產(chǎn)的許多微生物酶和輔酶的輔助因子，但是關于刺激或抑制厭氧消化過程的銅濃度不是很確定，因此有待進一步研究[8]。

由于Fe,Co和Ni等微量金屬元素的添加對于廚余垃圾厭氧消化過程的研究較為廣泛，但對于銅離子的添加研究較少，并考慮到廚余垃圾中常見的微量元素濃度(7～50 mg·L-1)[9]。因此，本試驗選擇研究添加不同濃度(10，15，30和50 mg·L-1Cu2+)的銅離子對廚余垃圾厭氧消化性能的影響，為廚余垃圾厭氧消化的影響因素研究提供一定的技術支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

廚余垃圾樣品是從常州大學二食堂收集的，對其進行分揀處理去除骨頭等不易分解的廢棄。對樣品中大粒徑物品破碎至100 mm～200 mm，攤鋪在地面充分混合攪拌，再用四分法縮分2次，至1 kg～2 kg樣品[10]。并在-4℃的冰箱中保存，直至進一步使用。活性污泥取自常州市某污水處理廠二沉池污泥，在接種之前，將接種污泥置于35℃，2 Hz搖床上搖24 h，以減少內(nèi)生甲烷氣體對結(jié)果的影響[11]，具體理化性狀見表1。

表1 廚余垃圾基本性質(zhì) (%)

1.2 試驗裝置

本試驗采用250 mL三角錐形瓶瓶為發(fā)酵裝置，量取約180 g廚余垃圾和360 g活性污泥混合放置在錐形瓶中，錐形瓶采用帶有出氣孔的橡膠塞密閉[12]，產(chǎn)生的氣體量用排水法計量，在電熱恒溫振蕩箱中進行間歇反應，反應溫度為35℃±l℃，機械攪拌強度為180 r·min-1，采用間歇式攪拌，攪拌30 min停30 min。

1.3 試驗方法

實驗前先將廚余垃圾提前取出恢復至室溫備用。將廚余垃圾放入燒杯中在KQ-250DB型數(shù)控超聲波清洗器中進行超聲功率為720 W和超聲時間10 min的預處理[13]。

實驗依次添加銅離子濃度為10，15，30，50 mg·L-1分別記為S1～S4。CK為銅離子濃度0 mg·L-1，每個處理重復兩次。

將接種混合好的實驗錐形瓶中充入氬氣持續(xù)10 min以確保厭氧環(huán)境后放入電熱恒溫振蕩箱中進行間歇反應。

1.4 分析方法

進行了常規(guī)實驗室分析。TS，VS采用重量法測定。pH值采用酸度計PHS-3C測定。C、N元素通過元素分析儀測定。蛋白質(zhì)和脂肪濃度分別采用凱氏定氮法和酸水解法測定。碳水化合物采用硫酸-苯酚法測定。

沼氣的產(chǎn)量和成分分析：通過排飽和食鹽水法測量產(chǎn)生的沼氣量。沼氣量通過氣相色譜(安捷倫7890 B)分析：熱導檢測器TCD，氦氣是載氣在30 mL·min-1下，色譜柱溫度為70℃，進樣器和檢測器溫度分別為100℃和10℃[14]。

揮發(fā)性脂肪酸VFA，SCOD，TAN測定：高速微量離心機(TGL-16G)1000 r·min-1轉(zhuǎn)速離心10 min，取上清液，并用0.45 μm濾膜過濾。取1 μL的上清液，注入到氣相色譜(安捷倫7890 B)中。FID檢測器，DB-5MS毛細管柱(30 mm×250 mm，0.25 um)，載氣為氦氣，進樣口和檢測器的溫度分別為260℃和280℃。SCOD和TAN濃度采用6B-1800型水質(zhì)速測儀測定。

中性蛋白酶活性是根據(jù)蛋白質(zhì)向氨基酸的轉(zhuǎn)變來測量的[15]。用分光光度法測定了β-葡萄糖苷酶的活性[16]。用紫外分光光度計定量測定輔酶F420[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅離子對廚余垃圾厭氧消化中過程產(chǎn)氣量的影響

圖1和圖2顯示了不同濃度銅離子厭氧消化的每日產(chǎn)沼氣量和累計甲烷產(chǎn)量曲線。由圖1可知，添加銅離子對廚余垃圾厭氧消化的沼氣產(chǎn)率有明顯影響。在前10天內(nèi)，每個組的沼氣產(chǎn)量均高于CK組其中在第8天時S4組的沼氣產(chǎn)量最高(241 mL)，說明銅離子對廚余垃圾厭氧消化有促進作用而且銅離子濃度越高效果越好。在10天后，各組的產(chǎn)氣速率都開始下降，由S2>S1>CK>S3>S4可知，銅離子濃度在15 mg·L-1以下時，日沼氣量都高于對照組，說明低濃度時隨著銅濃度的增加會促進整個消化過程，而銅濃度高于30 mg·L-1時，日沼氣量都低于對照組，說明過高的銅濃度會抑制產(chǎn)氣，縮短產(chǎn)氣時間。由圖1可知，所有實驗組的日產(chǎn)沼氣量均存在兩個峰值(第2天和第8～10天)。認為第1個峰歸因于易降解有機物的快速降解，而第2個峰則歸因于可緩慢生物降解的有機物[18]。在厭氧消化過程中，所有組中的每日最大甲烷含量均達到約63%，并且甲烷濃度在10天內(nèi)穩(wěn)定在約60%。

圖1 廚余垃圾厭氧消化過程中日產(chǎn)沼氣量的變化

由圖2可知，在5個實驗組中，甲烷的累積生產(chǎn)曲線顯示出明顯的差異。銅離子濃度為15 mg·L-1組的累積甲烷產(chǎn)氣量最高(2125 mL)，其次是10 mg·L-1組,對照組和50 mg·L-1組，而30 mg·L-1組的累積甲烷產(chǎn)氣量最低。不同濃度銅離子組與對照組(CK)相比，甲烷產(chǎn)率提高了15.4%(S1)，31.5%(S2)，-3.5%(S3)和-0.9%(S4)。在產(chǎn)氣初期，每組的甲烷產(chǎn)氣量同時上升。其中，甲烷產(chǎn)氣量最高的同樣是S4組，原因是高濃度銅離子促進了產(chǎn)甲烷菌的生長，增強了產(chǎn)甲烷活性。隨著厭氧消化的進行，重金屬累積到潛在毒性作用后微生物的生命代謝受到抑制降低了產(chǎn)氣量甚至結(jié)束了厭氧消化的運行，故S3和S4在10 d左右時甲烷產(chǎn)氣量開始下降，直至產(chǎn)氣停止。而S1，S2組和空白對照CK組則出現(xiàn)了一致的甲烷產(chǎn)氣量變化，在25 d時甲烷產(chǎn)量迅速減小直至停止。

圖2 廚余垃圾厭氧消化過程中累積甲烷產(chǎn)氣量的變化

結(jié)果表明，不同濃度的銅離子對廚余垃圾厭氧消化的影響不同。其中15 mg·L-1濃度的銅離子效果最好可以實現(xiàn)最高的甲烷生產(chǎn)率，而高濃度的銅離子(30 mg·L-1和50 mg·L-1)則對厭氧消化起了消極的作用。因此，重金屬銅的濃度對微生物群落產(chǎn)生沼氣的有利或抑制作用有很大影響。微生物群落對銅的耐受性或抗性將是一個因素，其次是微生物中微量元素的可用性以及其他中間體(厭氧消化反應中的關鍵酶，起催化厭氧反應作用)的可能協(xié)同抑制作用也有影響[19]，還有金屬的化學形式以及與過程相關的環(huán)境因素[20]。

2.2 銅離子對廚余垃圾厭氧消化過程中pH值與VFAs含量變化影響

圖3和圖4為厭氧消化過程中pH值和VFAs的變化情況。由圖3可知，在初始階段每組實驗pH值均呈現(xiàn)快速下降且S4組pH值率先降低到最低值，其中pH值為S4

圖3 廚余垃圾發(fā)厭氧消化過程中pH值的變化

圖4 廚余垃圾厭氧消化過程中VFAs的含量變化

在厭氧消化過程中，VFAs通過水解和酸化生成，然后通過甲烷產(chǎn)生生成消耗，是反映厭氧消化系統(tǒng)運行和微生物菌群活性的重要參數(shù)[23]，也可以通過影響微生物菌群結(jié)構間接影響抗生素的生物降解[24]。由圖4可知，每組實驗的VFAs含量在液化階段開始上升在第5天達到最高值889.63 mg·L-1左右，且S4>S3>S2>S1>CK，說明此時產(chǎn)酸菌群活性較強、數(shù)量較多產(chǎn)生了大量有機酸。5天后VFAs含量的含量開始下降，說明此階段為甲烷化階段產(chǎn)甲烷菌群的活性較強、數(shù)量較多。其中消化的5～10天內(nèi)S4>S3>S2>S1>CK，VFAs削減量超過對照，說明銅離子促進了VFAs向甲烷化的轉(zhuǎn)化。

VFAs作為產(chǎn)甲烷菌群的底物，主要由乙酸(Hac)、丙酸(Hpr)、丁酸(Hbu)、戊酸(Hva)等組成。在通過氣質(zhì)聯(lián)用測定發(fā)現(xiàn)，實驗組產(chǎn)生的VFAs主要類型為乙酸和丙酸，這與Turker[25]等人的結(jié)果一致。由圖5和圖6可知，在所有實驗組中，乙酸濃度均呈先上升再下降的趨勢并在第5天達到最高值，然后連續(xù)降低至最小值。這可以很好地解釋甲烷的生產(chǎn)高峰出現(xiàn)在第8～10天。特別是，15 mg·L-1組的乙酸的累積峰值高于對照組和30 mg·L-1,50 mg·L-1組的乙酸，表明低濃度銅離子可以增強乙酸的產(chǎn)生。這可能是由于低濃度銅鹽中的氨基酸螯合，它也可以降解為有機酸，并且對酸原菌的毒性比高濃度銅低[26]。在丙酸濃度的變化中觀察到相同的趨勢。在第5天也獲得了丙酸的生產(chǎn)高峰，之后濃度一直下降到底部。由50 mg·L-1，30 mg·L-1，15 mg·L-1和10 mg·L-1銅離子組的丙酸的累積峰值高于對照組丙酸的累積峰值，表明銅離子還可以促進丙酸的產(chǎn)生。此外，丙酸的消耗速度明顯低于乙酸，這意味著產(chǎn)甲烷菌對乙酸的利用高于丙酸[27]。

圖5 廚余垃圾厭氧消化過程中乙酸的含量變化

圖6 廚余垃圾厭氧消化過程中丙酸的含量變化

2.3 銅離子對廚余垃圾厭氧消化過程中氨氮含量和COD去除效果的影響

圖7 廚余垃圾厭氧消化過程中氨氮的含量變化

圖8 廚余垃圾空白對照組的三維熒光色譜圖

圖9 廚余垃圾50 mg·L-1銅離子組的三維熒光色譜圖

由圖10可知，不同濃度銅離子對廚余垃圾的COD去除率不同，隨著濃度的升高去除率也增長，S1的COD去除率為69%，S2的COD去除率為73%最高，去除量達到18006 mg·L-1。CK組COD去除率為64%，S3為60%和S4為59%，可以看出去除率開始逐漸降低。鄧敏[32]等人研究了銅對厭氧顆粒污泥的影響，當銅離子濃度為1～30 mg·L-1時COD去除率最高可達92.8 %，本次試驗中15 mg·L-1的銅離子濃度COD去除率為73 %。

圖10 不同濃度銅離子對廚余垃圾COD去除率的影響

2.4 銅離子對廚余垃圾厭氧消化過程中酶活性的影響

水解被認為是廚余垃圾厭氧消化的限速步驟。由圖11可知，廚余垃圾厭氧消化中的β-葡萄糖苷酶活性在2.02～3.15 μmol·mg-1VS·h-1之間。第5天時，添加銅離子實驗組中的β-葡萄糖苷酶活性都高于空白樣品中的β-葡萄糖苷酶活性，其中在S4組中最大。這與Quinlan[33]等研究證明需要銅離子才能實現(xiàn)更高的活性糖苷水解酶家族61(GH61)的序列的結(jié)果非常吻合。在后面的時間中，S2組的β-葡萄糖苷酶活性變化不大，但是S3，S4組的活性卻突然下降。該結(jié)果表明，添加銅離子會增加系統(tǒng)中的β-葡萄糖苷酶活性，但是過量的銅離子會在消化過程中抑制該活性。

圖11 不同濃度銅離子對廚余垃圾厭氧消化中β-葡萄糖苷酶活性的影響

蛋白酶活性對于厭氧消化過程中的蛋白質(zhì)降解至關重要。由圖12可知，CK組的蛋白酶活性顯著高于添加銅離子組，且隨著銅離子濃度的增加蛋白酶的活性下降。張鑫濤[34]研究發(fā)現(xiàn)隨銅離子濃度的升高，使細胞內(nèi)抗體的賴氨酸變體含量和抗體堿性電荷變體含量上升，導致羧肽酶活性下降。表明添加銅離子可促進細胞內(nèi)抗體賴氨酸和抗體堿性電荷變體的含量增加，從而抑制了蛋白酶活性，降低蛋白質(zhì)的水解,減少氨氮的產(chǎn)生。

圖12 不同濃度銅離子對廚余垃圾厭氧消化中蛋白酶活性的影響

輔酶F420是產(chǎn)甲烷菌所特有的一種酶，在產(chǎn)甲烷過程中起著重要的作用，因其與沼氣的產(chǎn)量呈現(xiàn)正相關，所以可以作為判斷反應體系中產(chǎn)甲烷菌群活性的指標[7]。由圖13可知，輔酶F420的活性隨著消化而逐漸降低。圖中添加銅離子組的輔酶F420活性明顯高于對照組，該結(jié)果表明銅離子的添加促進了產(chǎn)甲烷菌活性，提高了H2和CO2轉(zhuǎn)化為CH4的速率[35]。隨著厭氧消化反應的進行營養(yǎng)物質(zhì)消耗，輔酶F420活性逐漸下降，但15 mg·L-1的銅離子組輔酶F420活性仍較高，所以15 mg·L-1的銅離子是可以提高甲烷產(chǎn)量的最適宜的濃度。

圖13 不同濃度銅離子對廚余垃圾厭氧消化中輔酶F420活性的影響

3 結(jié)論

(1)從累計甲烷產(chǎn)量曲線中S2>CK>S4可以看出，15 mg·L-1濃度的銅離子的厭氧消化產(chǎn)甲烷效率較好，產(chǎn)甲烷菌的活性較高，可以實現(xiàn)最高的甲烷生產(chǎn)率，而高濃度的銅離子(30 mg·L-1和50 mg·L-1)則對厭氧消化有消極的作用,抑制了甲烷的生產(chǎn)。

(2)從pH值變化曲線中可以看出，在厭氧消化過程中銅離子對pH值的影響不大，整體變化趨勢保持在最適pH值范圍內(nèi)。從VFAs含量變化曲線中,在0～5天時S4>S3>S2>S1>CK可以看出，銅離子可以提高厭氧消化中VFAs的含量；從5～10天時添加銅離子組VFAs削減量超過對照可以看出，銅離子可以促進VFAs向甲烷化的轉(zhuǎn)化。

(3)從氨氮含量變化曲線中CK>S4>S3>S2>S1可以看出，銅離子抑制了蛋白質(zhì)的水解，減少了氨氮1432.59 mg·L-1。從空白對照組和50 mg·L-1實驗組廚余垃圾樣品的三維熒光色譜圖中可以看出，50 mg·L-1實驗組的熒光比對照組強，說明50 mg·L-1實驗組中還有蛋白質(zhì)沒有水解。從COD去除率圖中可以看出，15 mg·L-1濃度的銅離子COD去除效果最好，可以達到73%。

(4)從β-葡萄糖苷酶和輔酶F420的活性，圖中可以看出，銅離子可以增強β-葡萄糖苷酶和輔酶F420的活性，加速水解的速度和提高厭氧消化中甲烷的產(chǎn)量；從蛋白酶的活性圖中可以看出，銅離子會抑制蛋白酶的活性，從而影響了蛋白質(zhì)的水解。