銅離子對(duì)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(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

近年來(lái)，廚余垃圾的處置已成為重要問(wèn)題。據(jù)北京環(huán)衛(wèi)集團(tuán)信息顯示，北京2019年平均每天清運(yùn)處理生活垃圾約2.8萬(wàn)噸，其中廚余垃圾清運(yùn)量為1.036萬(wàn)～1.54萬(wàn)噸，約占城市生活垃圾37%～55%，大約18天就可以堆滿一個(gè)水立方體育館[1]。廚余垃圾具有含水率高、含鹽分高、有機(jī)成分多、容易腐敗、有害成分少、資源化利用價(jià)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(diǎn)。但是廚余垃圾處理不當(dāng)時(shí)會(huì)引起許多嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)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(dāng)務(wù)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(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化成為沼氣，實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、減少溫室氣體排放和生產(chǎn)可再生能源等目標(biāo)。但是整個(gè)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(duì)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和活性至關(guān)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(dú)或以混合物形式)的添加會(huì)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(guò)程中的微量元素半抑制濃度發(fā)現(xiàn)毒性強(qiáng)度為：Cu>Zn>Cr>Cd>Ni，也已經(jīng)報(bào)道了微量元素過(guò)量使用的風(fēng)險(xiǎn)[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(guān)于刺激或抑制厭氧消化過(guò)程的銅濃度不是很確定，因此有待進(jìn)一步研究[8]。

由于Fe,Co和Ni等微量金屬元素的添加對(duì)于廚余垃圾厭氧消化過(guò)程的研究較為廣泛，但對(duì)于銅離子的添加研究較少，并考慮到廚余垃圾中常見(jiàn)的微量元素濃度(7～50 mg·L-1)[9]。因此，本試驗(yàn)選擇研究添加不同濃度(10，15，30和50 mg·L-1Cu2+)的銅離子對(duì)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(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

廚余垃圾樣品是從常州大學(xué)二食堂收集的，對(duì)其進(jìn)行分揀處理去除骨頭等不易分解的廢棄。對(duì)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(jìn)一步使用?；钚晕勰嗳∽猿Ｖ菔心澄鬯幚韽S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(duì)結(jié)果的影響[11]，具體理化性狀見(jiàn)表1。

表1 廚余垃圾基本性質(zhì) (%)

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)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(jì)量，在電熱恒溫振蕩箱中進(jìn)行間歇反應(yīng)，反應(yīng)溫度為35℃±l℃，機(jī)械攪拌強(qiáng)度為180 r·min-1，采用間歇式攪拌，攪拌30 min停30 min。

1.3 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前先將廚余垃圾提前取出恢復(fù)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(jìn)行超聲功率為720 W和超聲時(shí)間10 min的預(yù)處理[13]。

實(shí)驗(yàn)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(gè)處理重復(fù)兩次。

將接種混合好的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行間歇反應(yīng)。

1.4 分析方法

進(jìn)行了常規(guī)實(shí)驗(yàn)室分析。TS，VS采用重量法測(cè)定。pH值采用酸度計(jì)PHS-3C測(cè)定。C、N元素通過(guò)元素分析儀測(cè)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(cè)定。碳水化合物采用硫酸-苯酚法測(cè)定。

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

揮發(fā)性脂肪酸VFA，SCOD，TAN測(cè)定：高速微量離心機(jī)(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(guò)濾。取1 μL的上清液，注入到氣相色譜(安捷倫7890 B)中。FID檢測(cè)器，DB-5MS毛細(xì)管柱(30 mm×250 mm，0.25 um)，載氣為氦氣，進(jìn)樣口和檢測(cè)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(cè)儀測(cè)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(lái)測(cè)量的[15]。用分光光度法測(cè)定了β-葡萄糖苷酶的活性[16]。用紫外分光光度計(jì)定量測(cè)定輔酶F420[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅離子對(duì)廚余垃圾厭氧消化中過(guò)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(jì)甲烷產(chǎn)量曲線。由圖1可知，添加銅離子對(duì)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(gè)組的沼氣產(chǎn)量均高于CK組其中在第8天時(shí)S4組的沼氣產(chǎn)量最高(241 mL)，說(shuō)明銅離子對(duì)廚余垃圾厭氧消化有促進(jìn)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(shí)，日沼氣量都高于對(duì)照組，說(shuō)明低濃度時(shí)隨著銅濃度的增加會(huì)促進(jìn)整個(gè)消化過(guò)程，而銅濃度高于30 mg·L-1時(shí)，日沼氣量都低于對(duì)照組，說(shuō)明過(guò)高的銅濃度會(huì)抑制產(chǎn)氣，縮短產(chǎn)氣時(shí)間。由圖1可知，所有實(shí)驗(yàn)組的日產(chǎn)沼氣量均存在兩個(gè)峰值(第2天和第8～10天)。認(rèn)為第1個(gè)峰歸因于易降解有機(jī)物的快速降解，而第2個(gè)峰則歸因于可緩慢生物降解的有機(jī)物[18]。在厭氧消化過(guò)程中，所有組中的每日最大甲烷含量均達(dá)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(guò)程中日產(chǎn)沼氣量的變化

由圖2可知，在5個(gè)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(shí)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(jìn)了產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，增強(qiáng)了產(chǎn)甲烷活性。隨著厭氧消化的進(jìn)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(yùn)行，故S3和S4在10 d左右時(shí)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(duì)照CK組則出現(xiàn)了一致的甲烷產(chǎn)氣量變化，在25 d時(shí)甲烷產(chǎn)量迅速減小直至停止。

圖2 廚余垃圾厭氧消化過(guò)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(duì)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(shí)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(duì)厭氧消化起了消極的作用。因此，重金屬銅的濃度對(duì)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(duì)銅的耐受性或抗性將是一個(gè)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(yīng)中的關(guān)鍵酶，起催化厭氧反應(yīng)作用)的可能協(xié)同抑制作用也有影響[19]，還有金屬的化學(xué)形式以及與過(guò)程相關(guān)的環(huán)境因素[20]。

2.2 銅離子對(duì)廚余垃圾厭氧消化過(guò)程中pH值與VFAs含量變化影響

圖3和圖4為厭氧消化過(guò)程中pH值和VFAs的變化情況。由圖3可知，在初始階段每組實(shí)驗(yàn)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(guò)程中pH值的變化

圖4 廚余垃圾厭氧消化過(guò)程中VFAs的含量變化

在厭氧消化過(guò)程中，VFAs通過(guò)水解和酸化生成，然后通過(guò)甲烷產(chǎn)生生成消耗，是反映厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行和微生物菌群活性的重要參數(shù)[23]，也可以通過(guò)影響微生物菌群結(jié)構(gòu)間接影響抗生素的生物降解[24]。由圖4可知，每組實(shí)驗(yàn)的VFAs含量在液化階段開始上升在第5天達(dá)到最高值889.63 mg·L-1左右，且S4>S3>S2>S1>CK，說(shuō)明此時(shí)產(chǎn)酸菌群活性較強(qiáng)、數(shù)量較多產(chǎn)生了大量有機(jī)酸。5天后VFAs含量的含量開始下降，說(shuō)明此階段為甲烷化階段產(chǎn)甲烷菌群的活性較強(qiáng)、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(guò)對(duì)照，說(shuō)明銅離子促進(jìn)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(guò)氣質(zhì)聯(lián)用測(cè)定發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組中，乙酸濃度均呈先上升再下降的趨勢(shì)并在第5天達(dá)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(duì)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(qiáng)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(jī)酸，并且對(duì)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(shì)。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(duì)照組丙酸的累積峰值，表明銅離子還可以促進(jìn)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(duì)乙酸的利用高于丙酸[27]。

圖5 廚余垃圾厭氧消化過(guò)程中乙酸的含量變化

圖6 廚余垃圾厭氧消化過(guò)程中丙酸的含量變化

2.3 銅離子對(duì)廚余垃圾厭氧消化過(guò)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(guò)程中氨氮的含量變化

圖8 廚余垃圾空白對(duì)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(duì)廚余垃圾的COD去除率不同，隨著濃度的升高去除率也增長(zhǎng)，S1的COD去除率為69%，S2的COD去除率為73%最高，去除量達(dá)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(duì)厭氧顆粒污泥的影響，當(dāng)銅離子濃度為1～30 mg·L-1時(shí)COD去除率最高可達(dá)92.8 %，本次試驗(yàn)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(duì)廚余垃圾COD去除率的影響

2.4 銅離子對(duì)廚余垃圾厭氧消化過(guò)程中酶活性的影響

水解被認(rèn)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(shí)，添加銅離子實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(huì)增加系統(tǒng)中的β-葡萄糖苷酶活性，但是過(guò)量的銅離子會(huì)在消化過(guò)程中抑制該活性。

圖11 不同濃度銅離子對(duì)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(duì)于厭氧消化過(guò)程中的蛋白質(zhì)降解至關(guān)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?chǎng)螡齕34]研究發(fā)現(xiàn)隨銅離子濃度的升高，使細(xì)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(dǎo)致羧肽酶活性下降。表明添加銅離子可促進(jìn)細(xì)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(duì)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(guò)程中起著重要的作用，因其與沼氣的產(chǎn)量呈現(xiàn)正相關(guān)，所以可以作為判斷反應(yīng)體系中產(chǎn)甲烷菌群活性的指標(biāo)[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(duì)照組，該結(jié)果表明銅離子的添加促進(jìn)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(yīng)的進(jìn)行營(yíng)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(duì)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(jì)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(shí)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(duì)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(guò)程中銅離子對(duì)pH值的影響不大，整體變化趨勢(shì)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(shí)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(shí)添加銅離子組VFAs削減量超過(guò)對(duì)照可以看出，銅離子可以促進(jìn)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(duì)照組和50 mg·L-1實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組的熒光比對(duì)照組強(qiáng)，說(shuō)明50 mg·L-1實(shí)驗(yàn)組中還有蛋白質(zhì)沒(méi)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(dá)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(qiáng)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(huì)抑制蛋白酶的活性，從而影響了蛋白質(zhì)的水解。