低溫脅迫下微量重金屬元素對厭氧消化工藝的影響

盧玢宇， 裴占江， 劉 娣， 史風梅， 高亞冰， 左 辛， 劉 杰1，

(1．黑龍江省農業科學院博士后科研工作站， 哈爾濱 150086; 2．東華理工大學水資源與環境工程學院， 南昌 330013; 3．黑龍江省農業科學院農村能源與環保研究所 農業部種養循環重點實驗室 黑龍江省秸稈能源化重點實驗室， 哈爾濱 150086； 4.黑龍江省農業科學院， 哈爾濱 150086)

近年來，隨著農村經濟的發展和農業結構的調整，我國的畜牧養殖業快速發展，已成為世界第一養豬大國[1-2]，豬糞污中含有大量未被消化吸收的氮、 磷等營養成分，隨意排放不僅會破壞生態環境還會造成資源浪費。如何有效地處理這些糞污使其資源化，是社會發展中需要首要解決的問題[3-4]。厭氧消化處理豬糞污生產沼氣作為一種低成本、高效率的無害化處理方法，具有良好的應用前景[5-6]。但是，在我國東北地區，冬季漫長且寒冷，嚴重抑制了產甲烷菌的活性，也在一定程度上制約了沼氣能源的推廣[7-8]。因此，探究低溫條件下促進甲烷菌活性的方法，具有較強的現實意義。

研究表明，厭氧發酵體系中添加適量的金屬離子可提高系統穩定性、促進揮發性脂肪酸等大分子水解轉化，進而提高產沼氣性能[9-10]，Bayr[9]等在35℃時，以豬舍廢水為基質，添加適量Fe2+后發現，不僅系統能夠高效穩定運行而且沼氣產量也有所提高。Banks[11]等在常溫條件下以餐廚垃圾為基質，發現添加Co和Ni元素能夠緩解有機酸積累，提高沼氣產量。但不同發酵過程中底物不同，溫度不同，金屬離子的添加也會有所差異[12-15]。并且，金屬離子如果不合理添加會抑制微生物活性，降低沼氣產量[15-17]。因此，在厭氧發酵過程中合理添加適宜濃度及配比的金屬離子，是提高系統運行穩定性及提高產氣效率的有效途徑之一。但在低溫條件下，適宜濃度的金屬離子配比不僅能夠促進甲烷的產量，還能保證工藝穩定運行方面的研究還比較少[15]。因此，研究低溫條件下促進產甲烷過程的影響因素，使得理想的微生物菌群能夠在低溫條件下仍然處于優勢地位，保證整個工藝的穩定高效運行，具有重大意義[18]。本研究在本實驗室前期研究的基礎上，以北方最適經濟溫度(20.6℃為本實驗室經過長期大量實驗獲得的經濟溫度，即最大的產能與耗能的比值對應的厭氧消化溫度可視為最適經濟運行溫度，具體可見文獻[19])條件為基點，以豬糞為底物，利用二次回歸正交旋轉組合方法設計試驗，考察微量元素鐵、鈷、鎳對厭氧消化過程產甲烷特性的影響，以期為寒區豬糞厭氧消化的資源化利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

新鮮豬糞取自黑龍江省哈爾濱市某養殖場，采集后立即保存在4℃條件下并于3 天之內完成物化分析與接種。接種的活性污泥取自本實驗室長期馴化的污泥。試驗材料的基本理化性質如表1所示。

表1 試驗材料基本物化性質

1.2 試驗裝置

厭氧消化裝置如圖1所示，分別稱取適量豬糞和接種物于發酵瓶內，用去離子水調節使其總體積為400.0 mL，另設空白對照組和實驗對照組。瓶中充入氮氣，充分震蕩混勻。每組設3個重復試驗，于20.6℃下進行試驗，發酵周期設定為30 d。

1.3 試驗方案

試驗在前期單因素試驗基礎上[120]，采用二次回歸正交旋轉組合方法設計實驗[14，21]，以豬糞為底物，選擇以Fe2+，Ni2+和Co2+三因素為自變量，沼氣產氣量為響應值，對20.6℃(最適經濟溫度，具體可見文獻[19])下豬糞水厭氧消化微量元素進行優化，各因素編碼值見表2。

表1 試驗因素與水平

1.4 測定方法

本研究中總固體含量TS 采用烘干法測定[22]；揮發性固體含量(VS) 采用灼燒法測定[23]；總氮(TN) 采用凱氏定氮儀法[24]測定；總有機碳(TOC) 采用重鉻酸鉀氧化法[25]測定，沼氣產量采用排水法測定。

1.5 分析方法

通過DPS軟件處理累積產氣量數據，建立產氣數學模型，并對模型進行優化和降維分析，獲得最佳厭氧消化條件。

2 結果與分析

2.1 Box-Behnken 試驗結果的回歸分析

Box-Behnken 試驗各因素組合及其試驗結果見表3。以編碼值為自變量，總產氣量為響應值，構建數學模型。利用DPS 統計分析軟件，得到編碼空間內的回歸方程，如公式(1)：

Y=100.53248+31.6988x1+7.1206x2+27.8298x3-0.125x1x2+1.26289x1x3+0.25890x2x3-7.64923x12-0.23987x22-0.90098x32

(1)

表3 試驗方案及試驗結果

對該方程進行方差分析，結果表明該二次回歸模型的p值<0.01，試驗所選模型顯著。同時該模型的修訂決定系數為0.92，說明該模型的預測值與真實值的擬合性較好。而失擬項的F 值為0.53，且p>0.05，意味著失擬程度極不顯著，同時表明回歸方程擬合度較高，實驗誤差較小。模型的調整確定系數，可用于響應變量預測。

2.2 不同因素對沼氣發酵工藝的影響

2.2.1 單因素對原料產氣率的效應分析

為了分析單一因素對原料產氣率的影響，通過降維分析，可以把多元問題轉換為一元問題，即把模型中其他因素控制在相同的水平上，可得到單因素與原料產氣率的一元回歸模型[20]。圖2為在其他因素設定在零添加水平時，得到另一變化因素的一維模型曲線，由圖可知，3個因素均呈先升高后降低的趨勢，重金屬離子的濃度太高或太低，都會影響產甲烷菌的活性，從而影響產氣量，其中Fe2+濃度變化幅度最大，其次是Ni2+與Co2+濃度變化，說明在試驗設定的條件范圍內，Fe2+濃度在0.98～6.02 mg·L-1和Ni2+濃度在9.89～35.11 mg·L-1范圍內，對厭氧消化甲烷的產氣量影響波動較大，而Co2+濃度在8.18～41.82 mg·L-1范圍內，對厭氧消化甲烷的產氣量影響波動較小。由此說明對原料產氣量的結果影響較大的依次是Fe2+，Ni2+與Co2+，這與方差分析的結果是一致的。

2.2.2 因素交互作用對原料產氣量的效應分析

根據回歸方程得出的不同因子響應面分析及相應等值線圖，可直觀看出各因素交互作用對沼氣發酵原料產氣率的影響，如果曲線弧度越大，表明該因素對原料產氣率的影響越大，相應表現為響應值變化的大小[20,26]。圖3為Fe2+與Ni2+兩者交互對沼氣產氣量的影響，由圖可知，原料產氣量隨著Fe2+和Ni2+濃度的升高呈現逐漸增大，達到最大值后，呈緩慢下降的趨勢，當Fe2+濃度為5.0 mg·L-1，Ni2+濃度為22.5 μg·L-1時，其厭氧消化產沼氣量達到最大值538.17 mL。圖4為Fe2+與Co2+兩者交互對沼氣產氣量的影響，由圖可知，原料產氣量隨著Fe2+和Co2+濃度的升高呈現逐漸增大，達到最大值后，呈緩慢下降的趨勢，當Fe2+濃度為5.0 mg·L-1，Ni2+濃度為25 μg·L-1時，其厭氧消化產沼氣量達到最大值為545.32 mL。圖5為Ni2+與Co2+兩者交互對沼氣產氣量的影響，由圖可知，原料產氣量隨著Ni2+和Co2+濃度的升高呈現逐漸增大，達到最大值后，呈緩慢下降的趨勢，當Ni2+濃度為22.5μg·L-1，Co2+濃度為25 μg·L-1時，其厭氧消化產沼氣量達到最大值為487.25 mL。

2.3 模型優化

通過模型優化，得到最優工藝條件，即Fe2+濃度為5.0 mg·L-1，Ni2+濃度為22.5 μg·L-1，Co2+濃度為25.0 μg·L-1，為了驗證上述優化條件的準確性與可靠性，在上述最優的條件下進行沼氣發酵驗證試驗，得到的試驗數據平均值為572.64 mL，與預測值584.67 mL的相對誤差為2.1%，在允許范圍內，由此可見由響應面法所得模型能夠很好地優化厭氧消化工藝中生物強化的參數。

3 討論

試驗基于響應面法依靠Design-Express8.0.6軟件于低溫條件下對不同重金屬微量元素Fe2+，Ni2+和Co2+的不同配比濃度進行優化，以期提高厭氧消化系統的沼氣產量。通過試驗及響應面法分析發現在本試驗的3種重金屬微量元素對沼氣發酵影響中，影響程度由高到低為Fe2+>Ni2+>Co2+。通過兩兩交互分析，發現在Co2+濃度恒定時，厭氧消化系統的累積產氣量在一定范圍內會隨著Fe2+和Ni2+濃度的升高而升高，說明厭氧消化系統中Fe2+和Ni2+的適宜濃度對維持厭氧消化系統的運轉、保證厭氧消化的高效運行起著關鍵性的作用。同時王大蔚[15]優化了由鐵、鈷、鎳、猛、鋅、活性炭、纖維素酶等構成的寒區沼氣最佳促進劑配方，結果表明該促進劑幫助沼氣發酵系統在70天里增加了22.5%的沼氣產量，極大地提高了沼氣池的運行效率。本研究也得到了類似的研究結果，比較與王大蔚[15]的研究成果不同的原因，可能是由于溫度、底物、底物濃度以及外來因子添加的不同造成的，具體原因還需后續實驗研究。雖然本研究僅進行了實驗室小容量批次試驗，在大型的沼氣工程中各因素對厭氧消化產沼氣的影響是否與本試驗得出的結論一致，還需要通過連續沼氣工程進行擴大驗證試驗。而在大型沼氣工程運行過程中各因素對累積產氣量的影響是否能夠應用響應面法優化也值得進一步研究。

4 結論

本文采用響應面分析方法對低溫厭氧消化的生物強化因素參數進行了優化，結果表明:重金屬微量元素Fe2+和Ni2+是影響低溫條件下豬糞為底物的厭氧消化產氣效果的重要因素。證明用響應面分析Fe2+，Ni2+和 Co2+對厭氧消化的累積產氣量的優化條件是可行可靠的，篩選出3 者共同的最佳條件是Fe2+濃度為5.0 mg·L-1，Ni2+濃度為22.5 μg·L-1，Co2+濃度為25.0 μg·L-1，該條件下厭氧消化沼氣的產量為572.64 mL。