重金屬鋅對雞糞厭氧消化產(chǎn)甲烷特性的影響

陳 芬， 余 高， 李筱梅， 卜玉山

(1.銅仁學(xué)院 烏江學(xué)院， 貴州 銅仁 554300； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 山西 太谷 030801)

隨著我國規(guī)模化種植養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，伴隨而來的是作物秸稈和畜禽糞便等有機(jī)固體廢棄物的大量產(chǎn)生，研究統(tǒng)計(jì)表明，我國每年產(chǎn)生7多億t的秸稈和60多億t 的畜禽糞便[1-3]，是我國環(huán)境的重要污染源之一，因此，對其進(jìn)行資源化利用已成為目前研究的熱點(diǎn)。厭氧消化處理不僅可以解決環(huán)境污染問題，而且可以得到甲烷清潔能源，同時(shí)沼液沼渣中含有豐富的氨基酸和微量元素，可以作為優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料[4-5]。

然而，由于經(jīng)濟(jì)效益的需求，養(yǎng)殖過程中大量使用了Cu和Zn等微量元素添加劑[6]，而畜禽對這些重金屬元素的吸收率很低，95%以上隨糞便排出，導(dǎo)致糞便中含有較高濃度的Cu和Zn等重金屬[7-8]。而高濃度的重金屬對厭氧消化產(chǎn)生嚴(yán)重的毒害作用[9]，且金屬元素種類不同，濃度各異，消化底物不同，對厭氧消化過程的影響也存在較大差別[10]。目前，關(guān)于重金屬對畜禽糞便厭氧消化影響的研究，主要集中于Cu對厭氧消化的影響，張婷[11]等研究結(jié)果表明，在剩余污泥和餐廚垃圾兩種有機(jī)廢棄物聯(lián)合發(fā)酵中添加Cu濃度為20.0 mg·kg-1時(shí)，可以有效提高厭氧消化潛力；陳琳[12]等研究結(jié)果表明，不同Cu濃度處理的豬糞小麥秸稈的累積產(chǎn)沼氣量從大到小順序?yàn)椋篊K(Cu含量為49.7 mg·kg-1)>L(349.7 mg·kg-1)>M(649.7 mg·kg-1)>H(949.7 mg·kg-1)；Yue[13]等研究結(jié)果表明Cu濃度低于413 mg·kg-1時(shí)可提高甲烷產(chǎn)量，高于1358 mg·kg-1時(shí)，則明顯抑制甲烷產(chǎn)量，而 Zn對厭氧消化影響的研究報(bào)道較少。有研究表明，在雞糞、豬糞、牛糞和羊糞等畜禽糞便中，雞糞中Zn濃度最高，為74.2～1503.4 mg·kg-1[13-14]，且由于雞糞中含有較高含量的蛋白質(zhì)，導(dǎo)致其C/N偏低，嚴(yán)重影響厭氧消化進(jìn)程[16]。

因此，本試驗(yàn)以雞糞為主要消化底物，玉米秸稈為調(diào)節(jié)劑，添加不同濃度Zn，并在高溫(55℃)條件下進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)，通過分析不同濃度Zn對厭氧消化過程中甲烷產(chǎn)生量、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量，pH值，水解酶活性的影響，同時(shí)分析了水解酶活性與累積甲烷產(chǎn)生量之間的關(guān)系，以期為提高有機(jī)廢棄物產(chǎn)甲烷率，實(shí)現(xiàn)其高效資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

雞糞取自山西應(yīng)縣文莊象豐種雞場，玉米秸稈取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)站，樣品風(fēng)干去雜粉碎后備用；接種物，取自山西省高平市農(nóng)村產(chǎn)氣良好的沼氣池，總固體質(zhì)量(total solid，TS)分?jǐn)?shù)為6%。雞糞、玉米秸稈及接種物主要成分及含量見表1。每個(gè)厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)加入反應(yīng)料液900 g，其中預(yù)處理后雞糞18.4 g，玉米秸稈26.1 g，接種物270 g，蒸餾水590 g。試驗(yàn)材料本身共含Zn 154.2 mg·kg-1(Zn含量以干物質(zhì)量計(jì)算)，其中雞糞含Zn 133.2 mg·kg-1，玉米秸稈含Zn 1.6 mg·kg-1，接種物含Zn 19.4 mg·kg-1。

表1 供試材料基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由3部分組成，分別為1 L的厭氧消化反應(yīng)器，1 L的0.5 mol·L-1NaOH溶液瓶[17-18]和1 L的集NaOH溶液瓶，集NaOH溶液瓶用于收集NaOH溶液瓶中排出來的NaOH，測定其體積以代表甲烷產(chǎn)生量[17-18]。消化裝置置于55℃高溫老化恒溫培養(yǎng)箱(140 cm×120 cm×170 cm)中，厭氧消化反應(yīng)器，NaOH溶液瓶和集NaOH溶液瓶瓶口均用橡膠塞塞緊，各部分均用乳膠管連接，所有接口處均用凡士林密封。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取預(yù)處理后的雞糞和玉米秸稈，根據(jù)雞糞、玉米秸稈和接種物的含水率及C/N加水調(diào)至總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，C/N=25∶1。根據(jù)畜禽糞便中Zn的含量狀況及本課題組前期試驗(yàn)結(jié)果[19]，本試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理(見表2)，即不添加外源Zn(CK)；添加外源Zn為干物質(zhì)量的100 mg·kg-1(Zn100)；添加外源Zn為干物質(zhì)量的200 mg·kg-1(Zn200)；添加外源Zn為干物質(zhì)量的300 mg·kg-1(Zn300)；添加外源Zn為干物質(zhì)量的400 mg·kg-1(Zn400)；添加外源Zn為干物質(zhì)量的500 mg·kg-1(Zn500)，將ZnSO4溶液與消化物料充分混勻后裝入消化反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)，3次重復(fù)，每天下午6:00記錄產(chǎn)甲烷量，分別在厭氧消化初期和末期取樣進(jìn)行TS，VFA，pH值、水解酶活性等相關(guān)指標(biāo)的測定。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)(以干物質(zhì)量計(jì)) (mg·kg-1)

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料TS含量采用烘干法[20]；總有機(jī)碳(TOC)含量采用重鉻酸鉀容量法(NY525-2012)；全氮(TN)含量采用凱氏定氮法[21]；C/N=TOC/TN；Zn含量采用硝酸-高氯酸消解—原子吸收分光光度法[19]；揮發(fā)性脂肪酸(VFA)總含量采用比色法測定[17]；pH值采用PHSJ-5型pH酸度計(jì)進(jìn)行測定；水解酶活性測定方法參照關(guān)松蔭的方法[22]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel2013和SPASS 20軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Zn處理厭氧消化甲烷生產(chǎn)量差異

由圖1可見，不同濃度的Zn處理均在試驗(yàn)的第1天即開始產(chǎn)甲烷，第30天停止，且在試驗(yàn)期間日甲烷產(chǎn)生量均先降低后升高再降低，直至停止產(chǎn)氣。CK處理日甲烷產(chǎn)生量在第1天就達(dá)到最大值，為845 mL，Zn100，Zn200，Zn300處理最大值出現(xiàn)在第8～9天，分別為795，893，871 mL，均與CK差異不顯著，而Zn400，Zn500處理最大值出現(xiàn)在第11～12天，分別為762，743 mL，較CK顯著降低9.8%，12.1%(p≤0.05)。結(jié)果表明，當(dāng)雞糞中的Zn≤454.2 mg·kg-1時(shí)可使日甲烷產(chǎn)生量較早出現(xiàn)最大值，而Zn≥554.2 mg·kg-1時(shí)可推遲日甲烷產(chǎn)生量最大值出現(xiàn)時(shí)間。

由圖2可見，在整個(gè)厭氧消化過程中CK，Zn100，Zn200，Zn300處理累積甲烷產(chǎn)生量分別為9622，9915，10368，10011 mL，Zn200處理顯著高于CK7.2%(p≤0.05)，Zn100，Zn300處理均高于CK，但二者均與CK差異不顯著，而Zn400，Zn500處理累積甲烷產(chǎn)生量分別為8866，8588 mL，較CK顯著降低7.9%，10.7%(p≤0.05)。結(jié)果表明，當(dāng)雞糞中Zn≤454.2 mg·kg-1時(shí)，促進(jìn)厭氧消化的進(jìn)行，而Zn≥554.2 mg·kg-1時(shí)，顯著抑制厭氧消化的進(jìn)行，降低累積甲烷產(chǎn)生量。這可能是因?yàn)榈蜐舛萙n對厭氧微生物活性具有一定的激活效應(yīng)，提高微生物群落對聚合物類碳源的轉(zhuǎn)化和利用能力，累積甲烷產(chǎn)生量升高，反之，累積甲烷產(chǎn)生量減少[19,23]。

圖1 不同濃度Zn處理甲烷日產(chǎn)量變化趨勢

圖2 不同濃度Zn處理累積甲烷產(chǎn)量的差異

2.2 不同濃度Zn處理厭氧消化前后沼液中VFA濃度變化分析

VFA是厭氧消化過程的重要中間產(chǎn)物，甲烷菌主要利用VFA形成甲烷[4]。由圖3可見，CK、添加Zn處理消化起始沼液中的VFA濃度分別為5866.7 mg·L-1和5906.7～5996.3 mg·L-1，添加Zn處理沼液中的VFA濃度均與CK差異不顯著，說明Zn對消化起始沼液中的VFA濃度影響不明顯。消化結(jié)束后，CK和添加Zn處理沼液中的VFA濃度均有不同程度的下降，分別下降到4273.3 mg·L-1和4276.7～4586.3 mg·L-1，除Zn100，Zn200處理與CK差異不顯著，其余加Zn處理均顯著高于CK(p≤0.05)，說明了添加Zn可提高消化末期沼液中的VFA濃度，此研究結(jié)果與李亞紅[24]等人研究結(jié)果一致。分析其原因，主要是因?yàn)楦邼舛萙n對甲烷菌產(chǎn)生較強(qiáng)的毒害作用，使甲烷菌活性降低，VFA分解率下降，并出現(xiàn)積累，導(dǎo)致沼液中VFA濃度升高。

圖3 厭氧消化前后沼液中VFA濃度變化

2.3 不同濃度Zn處理厭氧消化前后沼液pH值變化分析

一般認(rèn)為甲烷菌適宜的pH值為6.8～7.8，低于6.5或高于8.0都會(huì)對其產(chǎn)生明顯的抑制[25]。由圖4可見，不同處理厭氧消化起始pH值為7.2～7.7，有利于甲烷菌的生長，且添加Zn處理沼液pH值均與CK差異不顯著，說明Zn對消化起始沼液的pH值影響不明顯。消化結(jié)束后，CK和添加Zn處理沼液pH值均有不同程度的升高，分別升高到8.0和8.2～8.5，除Zn100處理與CK差異不顯著，其余加Zn處理均顯著低于CK(p≤0.05)，且沼液pH值隨Zn濃度的升高而降低，說明添加Zn會(huì)對沼液pH值產(chǎn)生明顯的影響。分析其原因，主要是因?yàn)楦邼舛鹊腪n導(dǎo)致沼液中VFA的積累(見圖3)，從而使其pH值下降。

圖4 厭氧消化始末沼液的pH值

2.4 不同濃度Zn對沼液中水解酶活性的影響

厭氧消化分為水解、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷3個(gè)階段[17]，其中，消化底物不同，工藝條件不同，厭氧消化的限速步驟也處在不同階段，有研究表明，以雞糞為消化底物時(shí)，水解階段是整個(gè)厭氧消化過程的限速步驟[26]，而纖維素酶、蔗糖酶、脲酶等水解酶活性高低又決定著水解的速度，因而水解酶活性與沼氣產(chǎn)量存在著直接的關(guān)系[19，27]。由圖5可見，CK，Zn100，Zn200，Zn300，Zn400，Zn500處理沼液中的纖維素酶活性分別為4.52，4.86，4.73，4.61，3.34，3.22 mg·g-1d-1，Zn100，Zn200，Zn300處理均高于CK，但差異不顯著，而Zn400，Zn500處理較CK顯著降低26.1%，28.8%(p≤0.05)。同樣，Zn100，Zn200，Zn300處理沼液中的蔗糖酶活性均高于CK，但差異不明顯，而Zn400，Zn500處理均顯著低于CK(p≤0.05)。對沼液中的脲酶活性而言，Zn100，Zn200，Zn300處理高于CK，Zn400，Zn500處理低于CK，但不同處理均與CK之間差異不明顯。結(jié)果表明，Zn濃度是影響沼液中水解酶活性高低的重要影響因素之一。當(dāng)雞糞中的Zn≤454.2 mg·kg-1時(shí)，Zn對沼液中的微生物存在刺激作用，改變微生物群落結(jié)構(gòu)及數(shù)量，有利于水解酶相關(guān)類群微生物的生長，提高纖維素酶和蔗糖酶活性[19,28]，當(dāng)Zn≥554.2 mg·kg-1時(shí)，Zn與水解酶活性中心的活性基團(tuán)結(jié)合，形成金屬螯合物或金屬絡(luò)合物，改變其正常的生理代謝功能，降低代謝強(qiáng)度，進(jìn)而對纖維素酶、蔗糖酶活性產(chǎn)生明顯的抑制作用[29]。

圖5 厭氧消化沼液中水解酶活性變化

2.5 沼液中水解酶活性與累積甲烷產(chǎn)生量的關(guān)系

由表3可見，不同濃度Zn處理沼液中的纖維素酶、蔗糖酶和脲酶活性與其累積甲烷產(chǎn)生量均呈顯著正相關(guān)(p≤0.05)。表明沼液中水解酶活性的高低會(huì)對其累積甲烷產(chǎn)生量產(chǎn)生明顯的影響，水解酶活性越高，其累積甲烷產(chǎn)生量越高，反之，其累積甲烷產(chǎn)生量越低，這與陳琳[12]，陳芬[19]等人的研究結(jié)果一致。主要是因?yàn)槔w維素、蔗糖和含氮有機(jī)物能為厭氧微生物的生長提供足夠的碳源、能源和氮源[30]，纖維素酶和蔗糖酶活性的提高，可有效降解沼液中的纖維素和蔗糖，加速反應(yīng)進(jìn)程，提高甲烷產(chǎn)生量[19]，同時(shí)，蛋白質(zhì)等含氮有機(jī)物在脲酶作用下轉(zhuǎn)化為氨氮是一個(gè)相對緩慢的過程，對甲烷產(chǎn)生的抑制作用很弱，主要表現(xiàn)為促進(jìn)甲烷的產(chǎn)生[31]。可見，在厭氧消化過程中，Zn對水解酶活性的影響是影響其累積甲烷產(chǎn)生量的因素之一。

表3 沼液中纖維素酶、蔗糖酶、脲酶活性與累積產(chǎn)甲烷量的相關(guān)系數(shù) (mg·g-1d-1)

注：*表示p≤0.05，**表示p≤0.01。

3 結(jié)論

(1)厭氧消化過程中，隨著雞糞中 Zn濃度的增加，累積甲烷產(chǎn)生量呈先升高后降低的趨勢，當(dāng)Zn≤454.2 mg·kg-1時(shí)可使日甲烷產(chǎn)生量最大值較早出現(xiàn)，并對厭氧消化有一定的促進(jìn)作用，當(dāng)Zn≥554.2 mg·kg-1時(shí)可推遲甲烷產(chǎn)生量最大值出現(xiàn)時(shí)間，并對厭氧消化產(chǎn)生明顯的抑制作用(p≤0.05)。

(2)Zn 對沼液中的 VFA濃度和 pH值產(chǎn)生明顯的影響。

(3)Zn 濃度是影響沼液中水解酶活性的重要影響因素之一，當(dāng) Zn≤454.2 mg·kg-1時(shí)，可提高纖維素酶和蔗糖酶活性，當(dāng)Zn≥554.2 mg·kg-1時(shí)，對纖維素酶和蔗糖酶活性產(chǎn)生明顯的抑制作用，但Zn 濃度對沼液中脲酶活性的影響不顯著。

(4)沼液中的纖維素酶、蔗糖酶和脲酶活性與其累積產(chǎn)甲烷產(chǎn)生量均呈顯著正相關(guān)(p≤0.05)。