趙晨菊,余薇薇,喻濤,楊碩,謝明揚(yáng),孫尉哲

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074)

隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)肉類產(chǎn)品需求日愈增加，集約化、規(guī)模化的畜禽養(yǎng)殖已成為必然發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)我國(guó)每年畜禽養(yǎng)殖廢水產(chǎn)量達(dá)38×108t， 其中高達(dá)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(dá)不到我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。若直接排放，將會(huì)造成土壤和水體污染；畜禽糞便在排出體外后，有機(jī)物被分解成H2S和NH3等惡臭氣體，對(duì)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(dāng)將會(huì)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(jì)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(guò)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(xì)菌和嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌[3-4]。因這些菌群最適生長(zhǎng)條件不同，使得溫度、pH、C/N、水力停留時(shí)間(HRT)和總固體濃度(TS)等影響因素控制著整個(gè)厭氧發(fā)酵效果[5-9]。但在實(shí)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(duì)微量元素強(qiáng)化厭氧發(fā)酵技術(shù)處理畜禽養(yǎng)殖廢水研究進(jìn)展進(jìn)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(qiáng)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(guò)自身的代謝實(shí)現(xiàn)對(duì)畜禽廢水中有機(jī)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(guò)程中，厭氧微生物種群繁多且生長(zhǎng)條件要求也不同，但是維持這些菌群的生長(zhǎng)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(jī)體中存在量很少，可作為電子導(dǎo)體參與細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移，是微生物生長(zhǎng)和酶促反應(yīng)必不可少的物質(zhì)。如在乙酸的形成過(guò)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(guò)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(guò)程中，微量元素的缺乏會(huì)影響厭氧微生物的正常生長(zhǎng)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(duì)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(jìn)厭氧消化產(chǎn)甲烷過(guò)程，還有利于氨氮的氧化，這對(duì)拮抗高氨氮毒害也有一定促進(jìn)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?yàn)镕e離子可以與H2S形成沉淀，緩解H2S對(duì)微生物產(chǎn)生毒害作用，增強(qiáng)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(dāng)添加410 mg/L的 FeSO4·7H2O時(shí)，與對(duì)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(duì)照分別提高了32.01%和51.48%，且出現(xiàn)低劑量促進(jìn)、高劑量抑制的現(xiàn)象。這是因?yàn)榉磻?yīng)基質(zhì)中有硫酸鹽存在時(shí)，F(xiàn)e能夠消除由硫酸鹽還原引起的硫化物對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用。劉旭東等[19]在研究Fe2+對(duì)厭氧發(fā)酵生物制氫的影響，發(fā)現(xiàn)Fe2+濃度為800 mg/L時(shí)對(duì)葡萄糖降解效率最快，VFA積累最多。這是因?yàn)榧?xì)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(jìn)、高劑量抑制現(xiàn)象。在厭氧發(fā)酵過(guò)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(jìn)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(gè)過(guò)程。Fe的補(bǔ)充促進(jìn)了揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生和提高了甲烷菌對(duì)乙酸的利用率。所以在一定范圍內(nèi)，F(xiàn)e濃度越高對(duì)厭氧發(fā)酵效果促進(jìn)越顯著。不同的發(fā)酵底物對(duì)于Fe元素需求量不同，在今后的研究中有必要進(jìn)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(shí)也是咕啉類物質(zhì)的組成成分[20]。所以厭氧發(fā)酵過(guò)程中缺乏Co元素會(huì)影響微生物的正常代謝，進(jìn)而影響整個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)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(duì)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(shí)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(duì)古菌的群落結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響，而Co2+濃度為0.1 mg/(L·d)時(shí)，發(fā)酵系統(tǒng)中梭菌和變形菌所占比例較高，說(shuō)明Co元素是對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程中的細(xì)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(qiáng)絡(luò)合物形態(tài)出現(xiàn)，而非游離態(tài)的Co無(wú)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(lái)提高Co元素的可生物利用性[22-23]。趙陽(yáng)等[24]通過(guò)添加鈷的配合物來(lái)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(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量，但是當(dāng)Co2+質(zhì)量濃度超過(guò)770 μg/L時(shí)，產(chǎn)甲烷菌的活性會(huì)降低50%[25]，且游離Co的濃度超過(guò)70 mg/L和總可溶性Co濃度超過(guò)280 mg/L都將完全抑制產(chǎn)甲烷過(guò)程[26]。

2.3 Ni元素

2.4 其他微量元素

除鐵、鈷和鎳外，針對(duì)補(bǔ)充單一元素對(duì)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(bǔ)充單一微量元素的相關(guān)和代表性文獻(xiàn)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(duì)甲烷的生成有著促進(jìn)作用。Evranos等[34]用玉米青貯飼料進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然厭氧發(fā)酵過(guò)程中較高產(chǎn)量的甲烷產(chǎn)生，但是添加Mo元素卻對(duì)固體化合物的去除有抑制作用。顯然，不同微量元素對(duì)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(jiǎn)單的基質(zhì)(牛糞、雞糞)對(duì)微量元素補(bǔ)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(huì)影響補(bǔ)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(guò)142.7 mg/kg和344.2 mg/kg時(shí)，將會(huì)抑制厭氧發(fā)酵效果(表3)。所以，在補(bǔ)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(guò)量添加而降低消化性能。再一個(gè)影響因素是溫度，Takashima等[39]研究表明在COD濃度相近時(shí)，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?yàn)楦邷貤l件下，微生物活性強(qiáng)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)素需求較高。pH也會(huì)影響微量元素在系統(tǒng)中存在的形式，當(dāng)發(fā)酵液呈酸性時(shí)，微量元素主要以有機(jī)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(bǔ)充可以有效地改善厭氧消化性能。因?yàn)樗鼈儏⑴c厭氧發(fā)酵過(guò)程重要酶的合成，進(jìn)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(guò)程會(huì)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(guò)程較為復(fù)雜，研究者們暫時(shí)還無(wú)法解釋每個(gè)元素的規(guī)律性和某些影響。對(duì)于實(shí)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(bǔ)充必需的微量元素必然會(huì)有助于提高厭氧消化性能。

表2 單一微量元素對(duì)厭氧發(fā)酵影響

3 綜合微量元素對(duì)厭氧發(fā)酵影響

上文對(duì)單一微量元素對(duì)厭氧發(fā)酵處理畜禽廢水影響程度進(jìn)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?yàn)槲⒘吭卦诖龠M(jìn)微生物的新陳代謝中的作用并非獨(dú)立的，缺乏某一微量元素，厭氧發(fā)酵仍會(huì)進(jìn)行，但速率會(huì)降低。Scherer等[41]研究表明，產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞中微量元素含量的順序?yàn)镕e>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(duì)于微量元素需求也不同，且只有當(dāng)Co的含量充足時(shí)，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(bǔ)充綜合微量元素對(duì)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(jìn)行，不同微量元素影響著不同菌群生理活性。微量元素的補(bǔ)充可維持水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷過(guò)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(shí)補(bǔ)充Fe、Co、Ni元素，可促使甲烷菌成為較優(yōu)勢(shì)菌種(即從甲烷八疊球菌取代甲烷絲菌成為較占優(yōu)勢(shì)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(bǔ)充會(huì)改變厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)菌群，進(jìn)而影響厭氧發(fā)酵效率；相同發(fā)酵底物，在較高溫度下補(bǔ)充微量元素對(duì)厭氧消化的影響較好。Pobeheim[43]以青貯玉米為發(fā)酵底物進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充Ni的促進(jìn)效果優(yōu)于Co，這是因?yàn)镃o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(duì)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(dú)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(duì)厭氧發(fā)酵影響

4 結(jié)論與展望

綜上所述，通過(guò)補(bǔ)充微量元素可有效改善厭氧消化過(guò)程的性能，提高有機(jī)物降解率，降低VFA濃度，提高沼氣產(chǎn)量且對(duì)氨氮的抑制有一定的拮抗作用，進(jìn)一步維持著厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的高效運(yùn)行。為了使我國(guó)畜禽糞便可產(chǎn)沼氣潛力化為可產(chǎn)沼氣量，對(duì)微量元素強(qiáng)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(bǔ)充綜合微量元素比單一微量元素的強(qiáng)化效果更好，但是發(fā)酵底物不同時(shí)，其微量金屬元素本身含有的種類和含量也不同，且對(duì)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(jī)制對(duì)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(dāng)某一微量元素超過(guò)某一濃度后都對(duì)菌群表現(xiàn)出抑制作用。所以對(duì)于微生物對(duì)微量元素的利用率和微量元素對(duì)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(bǔ)充微量元素對(duì)厭氧發(fā)酵技術(shù)處理畜禽養(yǎng)殖廢水的強(qiáng)化作用的同時(shí)，也應(yīng)清晰的認(rèn)識(shí)到微量元素的添加所帶來(lái)的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，所以對(duì)于補(bǔ)充微量元素的后續(xù)處理不容忽視。