添加微量元素对褐铁矿强化的秸秆牛粪厌氧干发酵过程的影响

仇 植, 许立峰, 王 进, 岳正波, 彭书传

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

厌氧干发酵通常因传质障碍和有机负荷高等原因,导致其甲烷产率和有机物降解效率降低[1]。因此,在提高甲烷产率和改善发酵工艺稳定性方面有了较多研究。如利用不同有机废弃物混合发酵、对木质纤维素原料预处理[2-3],另外,利用高温(50～60 ℃)条件替代常温(35～40 ℃),也会达到更高的反应速率和产甲烷效率[4]。

铁元素作为一种外源添加剂,添加到有机物厌氧发酵体系中以提高产甲烷性能和反应器稳定性被广泛研究[5-6]。铁氧化物作为一种廉价易得的矿物,添加于厌氧反应体系中能够促进生物质底物的水解效率[7],提高沼气和甲烷产量[8]。有研究表明[9],在农业废弃物混合厌氧干发酵体系中添加铁氧化物可提高甲烷产率和甲烷产生速率。

微量元素(如Co、Ni等)作为厌氧发酵系统中辅酶、辅基及辅因子的重要成分,对产甲烷阶段也起着重要的调控作用[10]。其对厌氧发酵系统的稳定及工艺性能的改善有很大帮助。文献[11]研究铁、钴、镍对餐厨垃圾在高固体含量下厌氧发酵的影响表明,在第8批次结束时,钴和镍或铁、钴和镍组合添加时甲烷产量最高。文献[12]研究表明,当微量元素Fe2+、Ni2+及Co2+的质量浓度分别为5.00 mg/L、21.40 μg/L和28.82 μg/L时,可提高厌氧发酵过程中关键酶活性,以促进产气。

铁氧化物可作为外源添加剂提高厌氧干发酵的产气性能,但是其缺乏对厌氧发酵起重要作用的其他微量元素(如钴和镍),对于该问题前人关注并不多。因此,本研究主要考察了以水稻秸秆和牛粪作为混合底物,褐铁矿及钴、镍微量元素添加对其厌氧干发酵产甲烷过程的影响。

1 材料与方法

1.1 原料与接种物

水稻秸秆取自安徽合肥市肥西县花岗镇农田,经风干、研磨后,过40目筛,用于厌氧发酵实验；牛粪取自安徽宿州市萧县某养牛场;接种物为发酵沼液,取自安徽宿州市萧县一农户家中。褐铁矿来自安徽铜陵市新桥镇,经研磨后过40目筛,其主要组成的氧化物为Fe2O3(61.65%)、SiO2(16.45%)及Al2O3(4.09%),主要组成的微量元素为Cu(0.036 2%)、Zn(1.278 1%)、Pb(0.032 3%)、Ni(0.002 1%)、Mn(3.646 6%)及As(0.037 3%)。发酵原料稻草、牛粪和沼液的基本性质见表1所列。表1中，TS表示总固体；VS表示挥发性固体；TC表示总碳；TN表示总氮。

表1 沼液、秸秆和牛粪的基本性质

1.2 实验方法

实验采用250 mL血清瓶作为反应器,秸秆、牛粪及沼液的总VS质量为13 g,添加比例为1∶1∶0.6(以VS质量计),秸秆、牛粪与沼液通过人工搅拌均匀后装入反应器。实验体系中加入CaCO3固体作为缓冲物,用以调节发酵过程中的碱度,添加量0.3 g。褐铁矿添加量为0.1 g,每g VS中添加Co和Ni的量分别为1.6 μg。实验分组、底物、接种物、褐铁矿及微量元素添加量见表2所列。秸秆、牛粪与沼液混合后的质量比在20∶1左右,总固体质量分数为24.8%。发酵物装瓶后,鼓氩气1.5 min,立即用软胶塞和铝薄皮密封,然后称其质量。所有反应器置于(35±1) ℃恒温培养箱中,每5天进行一次排气及反应器称重,并测定产气量和甲烷的量;每15天拆瓶1次,测定体系pH值及底物中氨氮、总氮、TOC和盐酸可提取态Fe2+的量。每组实验设置16组平行样。

表2 底物、沼液、褐铁矿及微量元素添加量

注:Fe (1%)表示褐铁矿添加量为秸秆牛粪总VS质量的1%;TE表示微量元素Co、Ni。

1.3 指标测试

TS和VS采用标准方法[13]测定。发酵原料的C、N元素采用元素分析仪分析(vario EL cube,德国)测定。反应开始后,产气量采用排水集气法测定,并转换为标准状况下体积。甲烷采用气相色谱(SP6890,山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司)测定。沼渣提取液的总氮和总有机碳(total organic carbon,TOC)含量采用TOC分析仪(multi N/C®3100,德国)测定,氨氮采用可见分光光度计(MF J7200,龙尼柯(上海)仪器有限公司)测定,盐酸可提取态Fe2+浓度根据文献[14]方法测定,pH值采用pH计(pHS-3C,上海仪电科学仪器股份有限公司)测定。沼渣中半纤维素、纤维素及木质素质量分数采用范氏(van Soest)洗涤纤维分析法[15]测定。

2 结果与讨论

2.1 微量元素添加对甲烷产生的影响

微量元素添加对甲烷产生的影响如图1所示。

图1 微量元素添加对累积甲烷产量和底物降解率的影响

由图1a可知,所有实验体系自反应开始便有较大量甲烷产生,说明实验体系中微生物活性较高,且产甲烷菌与脂肪酸氧化菌存在稳定的竞争与互营作用,促使产酸产氢及产甲烷反应快速进行。在仅褐铁矿添加的实验体系中,甲烷累积产量逐渐增大,说明褐铁矿的添加对秸秆和牛粪厌氧干发酵具有促进作用。发酵结束后,对照组(无褐铁矿添加)的最终累积甲烷产量为(1 680±115) mL,仅褐铁矿添加实验组为(1 906±182) mL,最终累积甲烷产量提高了13.4%。水解酸化是厌氧发酵限速步骤,据报道,在厌氧消化体系中,Fe (Ⅲ)/Fe (Ⅲ)-Fe (Ⅱ)氧化物的补充可以促进复杂物质的分解,其机制是Fe (Ⅲ)/Fe (Ⅲ)-Fe (Ⅱ)氧化物可以富集铁还原菌,通过异化铁还原参与复杂有机物的分解[16-17]。本实验中甲烷产量因褐铁矿添加而增加,可能是铁氧化物的添加促进了复杂底物的水解酸化,为后续产甲烷阶段提供充足营养及物质来源。另外,Fe元素不仅能够参与厌氧微生物体内细胞色素的合成,激活多种酶的活性,而且能够充当胞内氧化还原反应的电子载体[10,18],促进甲烷产量的增加。

除Fe元素外,Co及Ni在甲烷合成途径中的作用也至关重要[10]。自第5天开始,有Co、Ni添加实验组的甲烷产量开始显著增加,发酵结束后,添加Co及Ni实验组的最终累积甲烷产量为(1 950±158) mL,褐铁矿及同时添加Co、Ni实验组的最终累积甲烷产量为(2 445±181) mL,最终累积甲烷产量分别提高了16.1%和45.5%。Co是酶F420的重要金属成分,可激活厌氧发酵过程中酶F420的活性,促进微生物细胞的生物合成和产甲烷过程[10,19]。Ni是产甲烷菌细胞中甲基辅酶还原酶的活性酶(F430因子)的重要组成元素[20]。Co和Ni都参与一氧化碳脱氢酶的合成,该酶在乙酸形成过程中起重要作用[21]。由最终甲烷累积产量可以发现,褐铁矿及同时添加Co、Ni的作用效果要强于其单独作用效果之和,也说明了微量元素在厌氧干发酵过程中的重要作用。

由图1b可知,褐铁矿及Co、Ni的添加对底物降解率无明显影响,所有实验体系中的底物降解率均在40%～42%之间。无褐铁矿添加实验组的甲烷产率为每g VS产甲烷(323.7±22.3) mL,在仅褐铁矿添加实验体系中,褐铁矿的添加对甲烷产率有促进作用,甲烷产率提高了11.5%。Co及Ni的添加对甲烷产率也有促进作用,甲烷产率提高了11.6%;褐铁矿及同时添加Co、Ni实验组的甲烷产率为每g VS产甲烷(449.8±44.3) mL,甲烷产率提高了39.0%。因此,在以秸秆与牛粪为混合底物进行厌氧干发酵时,适量添加微量元素可提高甲烷产率。微量元素的添加对底物的降解量并无影响,但能提高甲烷产率,这说明微量元素的添加可促进底物中可溶性有机物转化成甲烷的效率。

2.2 发酵过程中pH值及底物中TOC变化

实验体系pH值变化情况如图2a所示,发酵初期,由于复杂有机物的水解,大量有机酸产生,导致体系pH值迅速下降;当实验体系中的产甲烷过程占主导,有机酸被逐渐分解,pH值开始逐渐升高。由变化趋势可见,对照组pH值达到最低值的时间要长于其他3个实验体系,说明褐铁矿及微量元素的添加可促进底物的水解及产酸过程。

微量元素对底物中TOC的影响如图2b所示,底物中TOC呈现出先增大后减小的变化趋势,这是由于在发酵产酸阶段,微生物大量分解底物中的大分子物质,导致有机酸、碳水化合物等可溶性有机物的积累;当体系开始以产甲烷占主导,底物中可溶有机物转化为沼气的速率增大,TOC则开始逐渐下降。

图2 微量元素添加对体系pH值及底物中TOC的影响

从TOC的变化趋势可以看出,有褐铁矿及微量元素添加体系的TOC在第15天左右达到峰值,而对照组TOC在第15天以后达到峰值,这说明褐铁矿及微量元素的添加可提高底物中复杂有机物的水解速率。发酵结束后,褐铁矿及微量元素添加实验体系中TOC要显著低于对照组,说明褐铁矿及微量元素的添加促进了底物中可溶性有机物的转化效率,这与图1b中的结果相符。此外,褐铁矿及同时添加Co、Ni实验组的TOC最低,说明在褐铁矿强化的秸秆与牛粪厌氧干发酵体系中,添加适量Co、Ni元素可进一步提高可溶性底物转化效率。

2.3 发酵过程中氨氮及总氮质量的变化

发酵过程中氨氮及总氮质量的变化如图3所示。

图3 微量元素添加对底物中氨氮及总氮质量的影响

由图3可知，4个实验体系中氨氮及总氮质量变化趋势类似。发酵初期,体系中氮质量的下降,可能是微生物大量生长繁殖消耗氮元素所致；之后,因固相中含氮物质的大量降解,氨氮及总氮质量逐渐上升；发酵结束后,添加褐铁矿及微量元素的实验体系中,氨氮及总氮质量均高于对照组,说明褐铁矿及微量元素的添加可促进底物中含氮物质的降解,且两者同时添加时促进作用更强。有研究表明,厌氧发酵过程中,氨氮积累对产甲烷过程有抑制作用[22]。本实验过程中并未出现甲烷生成抑制现象,尽管褐铁矿及微量元素添加会促进氨的释放,但并未影响产甲烷过程,体系营养均衡。

2.4 发酵过程中Fe2+质量的变化

在前人研究中,Fe元素对厌氧发酵影响的研究较多,因为Fe元素在厌氧发酵体系中具有高需求性[23],Fe在合成产甲烷菌组织的金属元素中含量最高[10]。添加褐铁矿的实验体系中Fe2+的质量在整个发酵过程中有显著的变化，如图4所示,因为初始发酵底物中可能含有微量Fe元素,所以无Fe元素添加实验组中Fe2+质量在整个发酵过程中也有略微波动。

图4 底物中Fe2+质量的变化

2.5 微量元素添加对木质纤维素降解的影响

底物木质纤维素质量分数及其降解率如图5所示。由图5可知，发酵初始体系中,纤维素、半纤维素和木质素质量分数分别为39.11%、17.98%和9.15%。在所有实验体系中,半纤维素的质量分数有显著的变化,且褐铁矿及微量元素的添加可降低底物中半纤维素质量分数,说明褐铁矿及微量元素的添加可促进底物中半纤维素的降解。木质素的质量分数皆有略微的提高,这是由于木质素生物降解性很低,而半纤维素和纤维素大量降解,从而导致其质量分数相对增加。褐铁矿及微量元素的添加对纤维素的降解无影响,所有实验体系的纤维素降解率均在43%～46%之间,当Fe、Co、Ni元素同时添加时,可显著提高半纤维素的降解率,其降解率超过90%,这与图1中的甲烷产生结果一致。

图5 底物木质纤维素质量分数及木质纤维素降解率

3 结 论

(1) 褐铁矿及微量元素的添加可显著促进甲烷产量和甲烷产率,甲烷产量和甲烷产率分别为(2 445±181) mL和每g VS(449.8±44.3) mL(基于降解VS),分别提高了45.5%和39.0%。

(2) 褐铁矿及微量元素的添加可显著降低底物中TOC,且增加氨氮及总氮质量,从而促进了含氮物质的降解。

(3) 褐铁矿及微量元素的添加可显著促进半纤维素的降解,其降解率超过90%,对纤维素的降解无影响。