冉 昊 王立寧 韋新東#

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

隨著我國畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的不斷擴大，畜禽糞便污染也日益嚴重。畜禽糞便中有機質及營養(yǎng)鹽含量高，若畜禽糞便處理不當會對環(huán)境造成二次污染，并對人類健康產(chǎn)生巨大威脅[1-2]。厭氧消化技術是解決畜禽糞便污染的一種可行方案，厭氧消化能在實現(xiàn)畜禽糞便減量化、無害化的同時獲取有機質的能源物質如氫氣、甲烷、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)等[3]101。厭氧消化是一系列復雜的生物轉化過程，該過程需要各種功能微生物及關鍵酶參與[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，其主要構成為蒙脫石、方解石、石英及火山碎屑等雜質[6]247。Be具有2/1型結構，上下均為硅氧四面體而中間為鋁氧八面體。晶胞中高價陽離子極易被低價陽離子所取代，如Al3+易取代高價Si4+，而Mg2+、Fe2+極易取代Al3+，這使得Be具備過剩的負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]。在固體廢物處理領域，Be可提高食品垃圾厭氧消化潛能，且Be的存在有效促進了揮發(fā)性懸浮固體(VSS)的產(chǎn)氣效率，Be投加量為1.25%(質量分數(shù))時，產(chǎn)氣率提高約64%，pH緩沖能力較強[9]。此外，Be在土壤修復方面也具有較廣泛的應用，李吉進等[10]應用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可用于強化畜禽糞便厭氧消化產(chǎn)甲烷。然而，這一假設至今鮮有文獻報道，且其中畜禽糞便消化過程微生物對Be的響應也不明確。因此，本研究探究Be對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化特性，揭示Be對畜禽厭氧消化過程微生物的響應，以期為Be強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)模化處理提供技術支持。

表1 供試樣品及接種污泥主要特征

注：1)以質量分數(shù)計。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

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，豬糞及牛糞取自某畜牧站。樣品取回后風干去除雜質，用粉碎機粉碎至粒徑低于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%(質量分數(shù))。將處理好的雞糞、豬糞及牛糞等質量混合，為更好實現(xiàn)消化基質與接種污泥的充分接觸，本研究將干質混合后與自來水按體積比1∶5混合，該混合基質呈流動態(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 實驗設置

實驗在有效容積為1.0 L玻璃反應器內(nèi)進行，實驗裝置如圖1所示，反應器上方配有集氣袋，反應器內(nèi)部配有機械攪拌機，并控制轉速120～150 r/min。首先向實驗組的4個反應器中注入200 mL的接種污泥，再注入800 mL的畜禽糞便供試樣品，然后向反應器中添加適量Be并控制Be質量分數(shù)分別為0、1.5%、3.0%、4.5%。另一反應器注入200 mL接種污泥，并注入800 mL自來水，不添加Be，作空白組。所有反應器通過水浴加熱方式控制反應溫度為(30±1) ℃。最后向5個反應器中充入高純度氮氣以排凈氧氣保證嚴格厭氧環(huán)境。各反應器重復運行3次，取3次實驗的平均值及標準偏差。

圖1 實驗裝置示意圖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測定；pH根據(jù)《水質 pH值的測定 玻璃電極法》(GB 6920—86)測定；TOC采用TOC-1700在線型TOC分析儀測定；C及N元素采用Vario MACRO Cube型元素分析儀測定；蛋白質采用福林酚法[5]727測定；多糖采用蒽酮比色法[5]727測定；粗纖維采用酸性洗劑法[11]測定；甲烷采用Thermo Fisher Trace 1300型氣相色譜儀測定，檢測器為熱導檢測器(TCD)，色譜柱采用PP-Q填充不銹鋼柱，檢測口溫度200 ℃，載氣為氦氣；溶解性有機碳(DOC)采用耶拿N/C2100S分析儀測定；VFA采用Agilent 6980型氣相色譜儀測定；當各反應器運行至35 d時取樣，微生物群落及豐度采用454高通量測序，詳細測定方法見文獻[11]。

2 結果與討論

2.1 Be劑量對畜禽糞便厭氧消化性能的影響

由圖2可見，實驗組甲烷日產(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?？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的實驗組，消化前期，底料充足，產(chǎn)甲烷古菌活性強，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Be添加至畜禽糞便消化體系后，甲烷日產(chǎn)量變化趨勢未發(fā)生改變，但5～15 d甲烷日產(chǎn)量得到提高。當Be為1.5%時，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Be升高至3.0%、4.5%時，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，該結果與潘君廷等[6]248報道相似。

圖2 Be對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，實驗組單位質量VSS的甲烷累積產(chǎn)量隨時間呈現(xiàn)先上升后平穩(wěn)的趨勢。第40天，當Be為0時，甲烷累積產(chǎn)量為(216.3±5.6) mL/g；當Be升高至1.5%時，甲烷累積產(chǎn)量為(245.6±8.1) mL/g，較Be為0時提高約13.5%±0.3%；當Be進一步提高至3.0%時，甲烷累積產(chǎn)量為(289.3±9.2) mL/g，較Be為0時提高約33.7%±1.2%；當Be進一步升高至4.5%時，甲烷累積產(chǎn)量為(279.5±5.3) mL/g，低于Be為3.0%時，但仍高于Be為0時。這表明，適當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，這可能是因為高Be促進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對畜禽糞便厭氧水解過程的影響

有機固體廢物厭氧消化過程中有機物多以非溶解態(tài)存在，在水解酸化微生物及關鍵酶的調(diào)控下，顆粒狀有機固體廢物轉化為溶解態(tài)的過程為水解，該過程也被認定為消化的限速步驟[13]1219。由圖4可見，實驗組DOC隨時間先上升后下降。DOC上升是由于水解酸化微生物分泌水解酶促進有機物的溶解。當Be為0時，DOC最大值為(5 126±150) mg/L，且相應的時間為25 d；當Be升高至1.5%、3.0%時，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；當Be升高至4.5%時，DOC最大值為(5 269±145) mg/L，低于Be為3.0%時，但仍高于Be為0時。這表明，Be適當提高有助于畜禽糞便有機物的裂解，但過高Be對DOC具有一定抑制作用。之前研究表明，Be能促進餐廚垃圾中有機物裂解[14]，本實驗結果同樣證實Be能促進畜禽糞便厭氧消化過程中有機物釋放。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胞的通透性，加速物質之間的轉化，提高了厭氧微生物的活性[15]。

圖4 Be對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主要為蛋白質和多糖[6]246。如圖5所示，實驗組溶解性蛋白質呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。蛋白質在畜禽糞便中多以層疊狀存在[13]1216，Be中金屬元素促進微生物的活性，從而破壞蛋白質的結構導致液相中溶解性蛋白質含量增加。消化后期，溶解性蛋白質下降在于產(chǎn)甲烷古菌對溶解性蛋白質的消耗。當Be為0時，溶解性蛋白質由初期的(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Be升高至1.5%、3.0%時，溶解性蛋白質同樣由初期(315±32)mg/L分別升高至(2 456±125)、(3 015±118) mg/L，表明Be促進畜禽糞便中溶解性蛋白質增加；當Be進一步升高至4.5%時，溶解性蛋白質最大值為(2 456±225) mg/L，低于Be為3.0%時，但仍高于Be為0時。該實驗結果與DOC相一致。

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

Be對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，但多糖顯著低于溶解性蛋白質(p<0.05)，這與畜禽糞便的特性相關。多糖最大值出現(xiàn)在第30天。當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Be進一步升高至4.5%時，多糖略有下降。Be能促進有機物的溶出，這也為后續(xù)產(chǎn)甲烷古菌提供了充足的物質基礎。

2.3 Be對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，同時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種典型有機酸，因此本研究同樣探究了Be存在對這4種VFA質量濃度的影響。如圖6所示，乙酸、乳酸、丁酸和戊酸隨時間基本呈現(xiàn)先升后降的趨勢。VFA升高主要是由于酸化微生物利用消化液中水解產(chǎn)物生物轉化而來，而下降是由于VFA的消耗速率高于生物轉化速率。當Be為0、1.5%和3.0%時，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Be進一步升高至4.5%，乙酸最大值卻為(364±14) mg/L，相應的時間為第15天。過量Be的存在導致金屬元素含量過高從而對微生物的活性產(chǎn)生一定的抑制作用。此外，過高Be導致氨氮釋放，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酸，在整個消化過程，當Be為0、1.5%和4.5%時，戊酸略有起伏變化，但升高不顯著；當Be為3.0%時，戊酸最大值為(124±9) mg/L，顯著高于其他實驗組(p<0.05)，進一步說明Be存在促進畜禽糞便厭氧酸化過程，從而導致VFA的積累。

2.4 Be對畜禽糞便厭氧消化有機物減量的影響

畜禽糞便厭氧消化的兩個重要指標分別為產(chǎn)氣量和減量化。產(chǎn)氣量可直觀通過甲烷產(chǎn)量檢驗，而減量化是經(jīng)水解酸化菌作用將固相中有機物液相化，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，不同實驗組VSS減量率為16.5%～19.8%，且當Be為3.0%時VSS減量率最大；40 d時，VSS減量進一步加大。當Be為0時VSS減量率為23.6%±1.1%；當Be升高至1.5%和3.0%時，VSS減量率升高至24.6%±0.9%和31.2%±1.3%，較Be為0時提高4.2%±0.2%和32.2%±0.9%，說明Be為3.0%時對VSS減量率提高較大；當Be進一步升高至4.5%時，VSS減量率卻下降至28.6%±1.2%。畜禽糞便消化系統(tǒng)中適當提高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，強化微生物活性，從而導致畜禽糞便中固相有機物轉化至液相，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組分利用效率下降。

表2 Be對畜禽糞便多糖的影響

圖6 Be對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對畜禽糞便厭氧消化過程微生物生態(tài)學的影響分析

由圖8可見，在門級別上，厚壁菌門為優(yōu)勢菌群。當Be為0時，厚壁菌門相對豐度為54.2%，而當Be升高至1.5%和3.0%時，厚壁菌門相對豐度分別升高至59.5%和61.2%，Be的存在有利于厚壁菌門的相對豐度。厚壁菌門是有機物厭氧消化過程中重要的微生物，厚壁菌門能產(chǎn)生降解復雜有機物的纖維素酶、蛋白質酶及與多糖降解有關的關鍵酶，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，厚壁菌門相對豐度高達83%。相對豐度排序第2的為擬桿菌門。當Be為0時，擬桿菌門相對豐度為13.5%，當Be升高至1.5%時，擬桿菌門相對豐度同樣升高至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物，從而為產(chǎn)甲烷古菌提供充足基質[18]。Be為4.5%降低了厚壁菌門和擬桿菌門的相對豐度，分別降至58.6%和13.6%，低于Be為3.0%時，但仍高于Be為0時。

圖8 Be對畜禽糞便厭氧消化過程門級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)勢微生物，相對豐度分別為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Be為0時，甲烷中毒性球菌屬相對豐度升高至12.8%，成為優(yōu)勢微生物，而甲烷孢菌屬逐漸下降至10.3%，說明耗氫型產(chǎn)甲烷古菌相對豐度呈現(xiàn)下降趨勢。當Be進一步升高至1.5%和3.0%時，甲烷孢菌屬進一步下降至8.5%和4.2%，說明Be的存在降低了甲烷孢菌屬相對豐度，同時甲烷中毒性球菌屬相對豐度呈現(xiàn)上升趨勢。

圖9 Be對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 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；促進VFA含量升高，為產(chǎn)甲烷古菌提供底料。當Be為3.0%時，甲烷日產(chǎn)量最高至268.5 mL/d，第40天單位質量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豐度，當Be為3.0%時，厚壁菌門相對豐度為61.2%。