過二硫酸鹽提升奶牛養(yǎng)殖廢水厭氧消化產(chǎn)甲烷性能研究

王婷婷，唐 鑫，孫 英

中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193

0 引言

奶牛養(yǎng)殖廢水作為奶牛養(yǎng)殖過程無可避免的副產(chǎn)物，產(chǎn)量巨大，含有氮磷以及大量的有機物。富含有機質(zhì)的養(yǎng)殖廢水具有較高的產(chǎn)甲烷潛質(zhì)，可以采用厭氧消化的方式進行處理。厭氧消化能夠利用產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌將養(yǎng)殖廢水中有機污染物轉(zhuǎn)化為甲烷，從而實現(xiàn)能源再生[1]。然而，傳統(tǒng)厭氧消化依賴于消化系統(tǒng)內(nèi)水解菌分泌胞外酶分解大分子有機物，水解過程較慢，限制了厭氧消化效率。鑒于此，一些學者在試驗條件下采用超聲、加熱、生物制劑、氧化處理等方式加速大分子有機物水解用以提升產(chǎn)甲烷效率，取得了良好效果[2～6]。但超聲、加熱等方式投入成本大，場地建設要求高，難以實現(xiàn)大規(guī)模的推廣應用[7]。還有一些學者考慮添加生物酶或生物菌劑的方式加快厭氧消化水解過程，然而，生物制劑對使用環(huán)境條件具有一定要求，生物制劑的安全性與穩(wěn)定性仍待考察[8，9]。此外，堿處理與氧化劑處理也是學者們的研究重點，堿處理能夠有效促進有機顆粒物溶脹，加速細胞破裂；氧化劑能夠破壞細胞結(jié)構(gòu)，也能促進難溶大分子有機物的降解[10]。堿處理后需調(diào)節(jié)原料pH值，才能進行正常厭氧消化，同時，處理過程會引入較多無機鹽[11]，抑制產(chǎn)甲烷過程。臭氧、芬頓試劑處理費用相對較高，使用時具有一定的安全風險[12，13]。過二硫酸鹽（Perdisulfate， PDS）價格低，穩(wěn)定性高，氧化性強，是提升厭氧消化產(chǎn)甲烷的理想氧化劑。研究學者已經(jīng)證實，PDS處理剩余污泥后，能夠增加污泥中溶解性有機物含量，提升揮發(fā)性脂肪酸含量[14，15]。目前，關(guān)于通過向養(yǎng)殖廢水中添加PDS提升厭氧消化效率的相關(guān)研究報道較少。

為比較不同劑量的PDS對奶牛場養(yǎng)殖廢水厭氧消化性能的影響，以添加不同劑量PDS的奶牛場養(yǎng)殖廢水為原料，通過監(jiān)測PDS處理后發(fā)酵沼液與微生物群落組成變化，分析PDS投加后對累積產(chǎn)甲烷量的影響，篩選出最佳PDS投加量，為奶牛場養(yǎng)殖廢水沼氣工程提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

奶牛養(yǎng)殖廢水來自寧夏自治區(qū)某奶牛養(yǎng)殖場，為奶牛場糞污和擠奶廳沖洗廢水的混合液體，養(yǎng)殖廢水的總懸浮固體（Total Suspended Solid， TSS）為34.0 g/L，揮發(fā)性懸浮固體（Volatile Suspended Solid， VSS），為24.3 g/L，化學需氧量（Chemical Oxygen Demand， COD）為30 620 mg/L，投加的PDS為過二硫酸鉀（分析純）。

1.2 試驗設計與分析方法

首先依據(jù)奶牛養(yǎng)殖廢水的TSS，分別按照PDS與奶牛養(yǎng)殖廢水TSS比值為0.1、0.2、0.3設立處理組，并分別將其命名為T1、T2、T3處理組，各處理組的PDS投加量依次為3.4 g/L、6.8 g/L、10.2 g/L。同時設置一個對照組（CK），對照組不添加PDS，其他試驗條件均與T1、T2、T3處理組一致。厭氧消化在容積為5 L的厭氧反應器中進行，其中奶牛養(yǎng)殖廢水含量為3.5 L。本試驗共設置了8 個反應器，對照組與處理組均設置2 個平行。向處理組厭氧反應器中投加設定的PDS劑量后，搖勻后靜置。反應器運行期間保證反應器與外界無空氣交換，以保證反應在厭氧條件下進行。試驗每5 天進行1 次取樣，取樣后樣品保存在-20 ℃冰箱內(nèi)。TSS與VSS指標測定使用恒重法[16]；蛋白質(zhì)測定采用考馬斯亮藍法[17]；多糖測定采用苯酚-硫酸法[18]；脂肪酸測定采用氣相色譜法[19]；沼氣總量測定使用排水集氣法與沼氣組成采用氣相色譜法[20]；使用高通量測序進行微生物群落分析；種子發(fā)芽指數(shù)（Germination Index，GI）[21]由沼液培養(yǎng)72 h的種子發(fā)芽率與根長確定；CODGI50為發(fā)酵液GI指數(shù)為50.00%時所對應COD值。

2 結(jié)果與分析

2.1 加速大分子水解為小分子有機物

試驗期間，測定CK、T1、T2、T3處理組第0、20、40、60 天的TSS、VSS、蛋白質(zhì)、多糖含量，并繪制其值相對其初始值的變化情況（圖1）。

由圖1可見，不同處理組的原料在進行厭氧消化過程中TSS、VSS、蛋白質(zhì)、多糖均表現(xiàn)出下降的趨勢。經(jīng)過60 天厭氧消化后，試驗結(jié)果表明TSS、VSS、蛋白質(zhì)、多糖減少量最多的組為T1處理組，T2與T3處理組的TSS、VSS、蛋白質(zhì)、多糖減少量相對較低。CK組大分子有機物降解高峰期發(fā)生在第20～40 天，而T1處理組的大分子水解過程則持續(xù)存在于20～60 天。T3處理組TSS降解率與VSS降解率不足10.00%，可能是由于PDS投加量過高，氧化作用破壞了水解菌細胞結(jié)構(gòu)，降低了水解菌的活性。

碳水化合物、蛋白質(zhì)是表征厭氧消化水解效率的有效指標。根據(jù)圖1（c）與圖1（d）的結(jié)果，T1處理組提高了蛋白質(zhì)與多糖的降解率，而T2與T3處理組則對蛋白質(zhì)與多糖的水解表現(xiàn)出抑制作用。T1處理組的蛋白質(zhì)降解率由CK組的58.00%提升至65.00%，多糖的降解率由30.00%提升至41.00%。因此，相較于蛋白質(zhì)，PDS在促進多糖降解方面表現(xiàn)更突出。當PDS過量時，可能會破壞細胞結(jié)構(gòu)導致大量的水解菌失活，因此，抑制了蛋白質(zhì)與多糖向小分子有機物轉(zhuǎn)化的水解過程。畢培等[14]以PDS處理剩余污泥時也觀察到了相似的變化，即適量的PDS投加有利于厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)大分子向小分子有機物的轉(zhuǎn)化，過量的PDS不利于蛋白質(zhì)與多糖的降解。

圖1 厭氧消化進程中各處理組TSS、VSS、蛋白質(zhì)、多糖隨時間的變化

2.2 提高揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty Acids，VFAs）產(chǎn)量

VFAs是厭氧消化過程中大分子有機物的水解產(chǎn)物，本試驗測定了第0、10、20、25、40、60天厭氧消化系統(tǒng)VFAs的組成與含量變化。如圖2所示，在0～60 天的反應過程內(nèi)，VFAs的總量呈現(xiàn)先升后降的趨勢，但各個處理組的產(chǎn)酸峰值時間與總量有所區(qū)別。CK、T1、T2、T3處理組產(chǎn)酸峰值分別為6 515 mg/L、6 977 mg/L、13 281 mg/L、12 370 mg/L。相較于CK組，T1處理組的產(chǎn)酸峰值略有提升，在反應的第25天，T1處理組仍有較高的VFAs含量，為產(chǎn)甲烷菌提供更多可利用的底物，提高養(yǎng)殖廢水的產(chǎn)甲烷性能。T2與T3產(chǎn)酸峰值出現(xiàn)在40 天，且峰值約是CK組的兩倍，過量的VFAs可能是抑制厭氧消化產(chǎn)甲烷[22]的原因（圖3）。PDS的投加也改變了T1、T2、T3處理組VFAs的組成，乙酸在其VFAs總量中占比更大，這一點與Luo等[23]研究結(jié)果一致。丙酸與丁酸經(jīng)產(chǎn)乙酸菌轉(zhuǎn)化為乙酸后，才能完成厭氧消化產(chǎn)甲烷[24]，乙酸含量的提高對于產(chǎn)甲烷提升有重要意義。

2.3 提升養(yǎng)殖廢水累積產(chǎn)甲烷量與植物可利用性

如圖3所示，CK，T1、T2、T3處理組累積產(chǎn)甲烷量分別為1 311 mL、3 092 mL、442 mL、19 mL。T2與T3處理組的甲烷產(chǎn)量顯著低于CK與T1處理組（p＜0.05，單側(cè)t-檢驗）。Yue等[25]在利用臭氧提升餐廚垃圾產(chǎn)甲烷量研究中也發(fā)現(xiàn)過量的氧化劑會降低甲烷產(chǎn)量。從累積甲烷產(chǎn)量來看，PDS/TSS為0.1時，可以獲得甲烷的最大產(chǎn)率。Song等[26]在研究PDS預處理提高藻類污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的潛力時發(fā)現(xiàn)，PDS/TSS為0.2時，發(fā)酵60 天后的累積甲烷產(chǎn)量最高。

圖3 各處理組的甲烷生成曲線

在0～15 天內(nèi)，CK與T1處理組甲烷產(chǎn)量均處于緩慢增加狀態(tài)，厭氧消化系統(tǒng)仍處于水解階段，微生物群落中產(chǎn)酸菌占優(yōu)勢（圖4）。15～45天是CK組的產(chǎn)甲烷高峰期，而T1處理組的產(chǎn)甲烷高峰期出現(xiàn)在30～55 天。對比圖2數(shù)據(jù)，適量的PDS投加能夠加快大分子水解產(chǎn)乙酸，為乙酸型甲烷菌的生長代謝提供更多可利用底物，最終實現(xiàn)甲烷產(chǎn)量的提高。

圖2 各處理組VFAs組成與含量

GI指數(shù)可以用來反映發(fā)酵后沼液對植物的毒害強度，當沼液的GI指數(shù)大于50.00%時，沼液對植物基本無毒害作用[27]。根據(jù)試驗結(jié)果（表1），60 天厭氧發(fā)酵后COD值從大到小依次是T3＞T2＞CK＞T1，而CODGI50從大到小依次是T3＞T2＞T1＞CK。在同等COD條件下，T3處理組沼液的植物可利用性最高，說明PDS的氧化后的沼液內(nèi)有機物更容易被植物吸收利用。但處理結(jié)束后，T3處理組的COD值最高，還田時需要更多的消納土地。綜合考慮COD降解與沼液的植物可利用性，T1處理組既能促進沼液COD降解，同時也提高了沼液植物可利用性。與CK組相比，T1處理組的沼液消納土地面積需求減少了20.20%。

表1 PDS處理對奶牛養(yǎng)殖廢水資源化利用的影響

2.4 對微生物群落影響

PDS作為強氧化劑投入?yún)捬跸到y(tǒng)后不僅會氧化分解有機物，也會對微生物群落結(jié)構(gòu)組成產(chǎn)生一定影響。根據(jù)圖4（a）與圖4（b），T1處理組的細菌chao1指數(shù)與古菌chao1指數(shù)高于CK、T2、T3處理組。在T1處理組的條件下，PDS促進有機物氧化分解為微生物提供了更多的養(yǎng)分，促使了微生物群落豐度的提高。而T2與T3處理組的大劑量的PDS，不僅氧化分解有機物，同時也實現(xiàn)了一部分的微生物的滅活，降低了厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)微生物群落活性。另外，PDS的投加降低了弓形桿菌（Arcobacter）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、不動桿菌屬（Acinetobacter）等致病菌的豐度，提高了沼液的安全性。

根據(jù)圖4（c），各處理組優(yōu)勢均屬豐度分布，T1處理組與對照組相比，假單胞菌屬（Pseudomonas），牦牛瘤胃菌屬（Proteiniclasticum）、海桿菌屬（Marinobacter）與理研菌屬（Petrimonas）的相對豐度有所提高。Proteiniclasticum與Marinobacter是可以降解難溶有機物，Petrimonas為中溫發(fā)酵細菌，能夠?qū)碗s的有機物轉(zhuǎn)化為乙酸鹽，氫氣和二氧化碳。Petrimonas相對豐度提高會促進厭氧消化水解及乙酸型發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程。

圖4 各處理組細菌與古菌的chao1與微生物群落組成

根據(jù)圖4（d），CK處理組中優(yōu)勢菌屬中甲烷粒菌屬（Methanocorpusculum）、產(chǎn)甲烷菌屬（Methanogenium）、海水甲烷泡菌（Methanofollis）以及甲烷短桿菌屬（Methanobrevibacter）屬均為氫型產(chǎn)甲烷菌；而甲烷鬃菌屬（Methanosaeta）則為乙酸型產(chǎn)甲烷菌。在厭氧消化過程中，氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌累積相對豐度處于36.28%～61.20%范圍內(nèi)，而乙酸型產(chǎn)甲烷菌相對豐度處于5.07%～13.13%，這表明了CK組的甲烷主要來源于氫型產(chǎn)甲烷過程。T1處理組優(yōu)勢古菌中氫型產(chǎn)甲烷菌包括Methanocorpusculum、甲烷囊菌屬（Methanoculleus）、甲烷微球菌屬（Methanimicrococcus），氫型產(chǎn)甲烷菌總相對豐度在35.16%～69.72%范圍內(nèi)；乙酸型產(chǎn)甲烷主要有Methanosaeta、甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina），乙酸型產(chǎn)甲烷菌相對豐度在10.09%～35.83%范圍變化。T1處理組乙酸型產(chǎn)甲烷菌與氫型產(chǎn)甲烷菌的相對豐度均有提升，乙酸型產(chǎn)甲烷菌相對豐度提升更為明顯。T2與T3處理組的產(chǎn)甲烷古菌的相對豐度較低，可能是由于過量的PDS破壞產(chǎn)甲烷菌細胞結(jié)構(gòu)[28]，抑制了產(chǎn)甲烷菌代謝活動。

2.5 處理成本比較

根據(jù)各處理組累積產(chǎn)氣量確定最佳PDS投加量為0.1 g/g TSS。在奶牛場養(yǎng)殖廢水TSS=34.0 g/L的條件下，每噸養(yǎng)殖廢水的PDS投加量為3.4 kg，PDS價格為20.4 元/m3，累積產(chǎn)甲烷量能夠?qū)崿F(xiàn)130.70%的增幅。表2集中比較了幾種常見處理方式的成本及其對產(chǎn)甲烷提升效果。其中，生物炭相對價格低廉，但生物炭[29]處理養(yǎng)殖廢水后，甲烷產(chǎn)量提升效果不明顯。而加熱、臭氧、超聲等物理方式需要投入設備成本與運行維護成本，每噸養(yǎng)殖廢水處理價格較高。與其他處理方式相比，PDS處理養(yǎng)殖廢水成本相對較低，且能夠有效提升甲烷產(chǎn)量。

表2 常見處理方式成本與甲烷產(chǎn)量增長率

3 總結(jié)與討論

采用PDS氧化處理養(yǎng)殖廢水投資成本低，操作簡單，不需要額外的建設成本與運行維護成本。PDS作為一種強氧化劑投加于養(yǎng)殖廢水中，能夠氧化分解蛋白質(zhì)、多糖等大分子有機物，提高VFAs的產(chǎn)生速率與甲烷產(chǎn)量。PDS提高了養(yǎng)殖廢水消化沼液的植物可利用性，能夠節(jié)約20.2%的消納土地面積需求。PDS處理每噸養(yǎng)殖廢水成本約為20.4 元，對于一般養(yǎng)殖場地，此處理方法成本較高，難以推廣應用。因此，在本試驗基礎(chǔ)上，可以考慮將其他一些廉價材料（如生物炭）與PDS聯(lián)用，共同提升奶牛場養(yǎng)殖廢水厭氧消化產(chǎn)甲烷。