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摘自《中國沼氣》2018第6期 陳芬 余高 李筱梅 

隨著我國規模化種植養殖業生產的迅速發展,  伴隨而來的是作物秸稈和畜禽糞便等有機固體廢棄  物的大量產生,研究統計表明,我國每年產生7多億  t的秸稈和60多億t的畜禽糞便-3),是我國環境

的重要污染源之一,因此,對其進行資源化利用已成為目前研究的熱點。紅泥膜沼氣池厭氧消化處理不僅可以解決環境污染問題,而且可以得到甲烷清潔能源,同時沼液沼渣中含有豐富的氨基酸和微量元素,可以作為優

質的有機肥料4

然而,由于經濟效益的需求,養殖過程中大量使  用了C1和Zn等微量元素添加劑,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  致糞便中含有較高濃度的Cu和zn等重金屬7。  而高濃度的重金屬對紅泥膜沼氣池厭氧消化產生嚴重的毒害作  用,且金屬元素種類不同,濃度各異,消化底物不  同,對紅泥膜沼氣池厭氧消化過程的影響也存在較大差別。目  前,關于重金屬對畜禽糞便紅泥膜沼氣池厭氧消化影響的研究,主  要集中于Cu對紅泥膜沼氣池厭氧消化的影響,張婷等研究結  果表明,在剩余污泥和餐廚垃圾兩種有機廢棄物聯  合發酵中添加Cu濃度為20.0mgkg時,可以有  效提高紅泥膜沼氣池厭氧消化潛力;陳琳等研究結果表明,不  同Cu濃度處理的豬糞小麥秸稈的累積產沼氣量從  大到小順序為:CK(Cu含量為49.7mgkg)>L  (349.7mg·kg)>M(649.7mgkg)>H(949.7

mgkg-);Yue等研究結果表明Cu濃度低于413  mgkg'時可提高甲烷產量,高于1358mg·kg時  則明顯抑制甲烷產量,而Zn對紅泥膜沼氣池厭氧消化影響的研  究報道較少。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  1034mgkg1,且由于雞糞中含有較高含量的蛋白質,導致其C/N偏低,嚴重影響紅泥膜沼氣池厭氧消化進程

因此,本試驗以雞糞為主要消化底物,玉米秸稈

為調節劑,添加不同濃度Zn,并在高溫(55℃)條件下進行紅泥膜沼氣池厭氧消化試驗,通過分析不同濃度Zn對紅泥膜沼氣池厭氧消化過程中甲烷產生量、揮發性脂肪酸(VFA)含量,pH值,水解酶活性的影響,同時分析了水解酶活性與累積甲烷產生量之間的關系,以期為提高有機廢棄物產甲烷率,實現其高效資源化利用提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

雞糞取自山西應縣文莊象豐種雞場,玉米秸稈取自山西農業大學資源環境學院試驗站,樣品風干去雜粉碎后備用;接種物,取自山西省高平市農村產氣良好的紅泥膜沼氣池紅泥膜沼氣池厭氧沼氣池,總固體質量( total solid,Ts)分數為6%。雞糞、玉米秸稈及接種物主要成分及含量見表1。每個紅泥膜沼氣池厭氧消化反應器內加入反應料液900其中預處理后雞糞18.4g,玉米秸稈26.1g,接種物270g,蒸餾水590g。試驗材料本身共含Zn  154.2mgkg(Za含量以干物質量計算),其中雞

糞含Zmn13.2mgkg,玉米秸稈含Zn1.6mgkg-2接種物含Zn19.4mg·kg'。

1.2試驗裝置

試驗裝置主要由3部分組成,分別為1L的紅泥膜沼氣池厭氧消化反應器,1L的0.5mol: L. NaOH溶液  瓶和1L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  體積以代表甲烷產生量。消化裝置置于5℃高溫老化恒溫培養箱(140cm×120cm×170cm)中,紅泥膜沼氣池厭氧消化反應器,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試驗設計

取預處理后的雞糞和玉米秸稈,根據雞糞、玉米秸稈和接種物的含水率及C/N加水調至總固體質量分數為6%,C/N=25:1。根據畜禽糞便中Zn的含量狀況及本課題組前期試驗結果,本試驗共設6個處理(見表2),即不添加外源Zn(CK);添加外源Zn為干物質量的100mg·kg-(Zn100);添加外源Zn為干物質量的200mg·kg-1(Zm200);添加外源Zn為干物質量的300mg·kg-1(Zn300);添加外源Zn為干物質量的400mgkg-1(Zn400);添加外源Zn為干物質量的500mgkg-(Zn500),將ZmSO4溶液與消化物料充分混勻后裝入消化反應器內進行紅泥膜沼氣池厭氧消化試驗,3次重復,每天下午6:00記錄  產甲烷量,分別在紅泥膜沼氣池厭氧消化初期和末期取樣進行  TS,VFA,pH值、水解酶活性等相關指標的測定。

1.4試驗方法  試驗材料下含量采用烘干法;總有機碳  ()含量采用重酸鉀容量法(NY252012):全  氮(TN)含量采用凱氏定氮法2;C/N=T0C/TN;  含量采用硝酸高氯酸消解一原子吸收分光光度  ";揮發性脂肪酸(VFA)總含量采用比色法測  定;PH值采用PHSJ5型pH酸度計進行測定;水  解酶活性測定方法參照關松蔭的方法21  1.5數據處理  數據采用ExCe2013和 SPASS20軟件進行統2結果與分析

2.1不同濃度Zn處理紅泥膜沼氣池厭氧消化甲烷生產量差異

由圖1可見,不同濃度的Zn處理均在試驗的第天即開始產甲烷,第30天停止,且在試驗期間日甲烷產生量均先降低后升高再降低,直至停止產氣。CK處理日甲烷產生量在第1天就達到最大值,為  845mL,Zn100,Zn200,zn300處理最大值出現在第8-9天,分別為795,893,871ml,均與CK差異不  顯著,而Zn400,Zm500處理最大值出現在第11-12  天,分別為762,743mL,較CK顯著降低9.8%  12.1%(p≤0.05)。結果表明,當雞糞中的Zn≤  454.2mg·kg時可使日甲烷產生量較早出現最大  值而Zm≥554.2mg…kg時可推遲日甲烷產生量最大值出現時間。  由圖2可見,在整個紅泥膜沼氣池厭氧消化過程中CK,  Zn100,.Zn200,Zn300處理累積甲烷產生量分別為  962295,10368,10011mL,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n40,0500處理  累積甲烷產生量分別為8866,8588m,較CK顯著  降低7.9%,10.7%(p≤0.05)。結果表明,當雞糞  中Zn≤454.2mg·kg時,促進紅泥膜沼氣池厭氧消化的進行,而  n≥5592mgkg時,顯著抑制紅泥膜沼氣池厭氧消化的進行,

降低累積甲烷產生量。這可能是因為低濃度Zn對紅泥膜沼氣池厭氧微生物活性具有一定的激活效應,提高微生物群落對聚合物類碳源的轉化和利用能力,累積甲烷產生量升高,反之,累積甲烷產生量減少  19,23

2.2不同濃度Zn處理紅泥膜沼氣池厭氧消化前后沼液中VFA濃度變化分析

VFA是紅泥膜沼氣池厭氧消化過程的重要中間產物,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5866.7mg·L和5906.7~5996.3mg·L-1,添加Zn處理沼液中的VFA濃度均與CK差異不顯著,說明Zm對消化起始沼液中的VFA濃度影響不明顯。消化結  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4273.3mg·L1和4276.74586.3mgL-1,除Zn100,Zm200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,此研究結果與李亞紅等人研究結果一致。分析其原因,主要是因為高濃度Zn對甲烷菌產生較強的毒害作用,使甲烷菌活性降低,VFA分解率下降,出現積累,導致沼液中VFA濃度升高。

2.3不同濃度伽n處理紅泥膜沼氣池厭氧消化前后沼液pH值變化分析

般認為甲烷菌適宜的pH值為6.8~7.8,低

于6.5或高于8.0都會對其產生明顯的抑制3。由圖4可見,不同處理紅泥膜沼氣池厭氧消化起始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82~8.5,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會對沼液pH值產生明顯的影響。分析其原因,主要是因為高濃度的Zn導致沼液中VFA的積累(見圖3),從而使其pH值下降。

2.4不同濃度Zn對沼液中水解酶活性的影響

紅泥膜沼氣池厭氧消化分為水解、產氫產乙酸和產甲烷3個  階段1,其中,消化底物不同,工藝條件不同,紅泥膜沼氣池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,水解階段是整個紅泥膜沼氣池厭氧消化過程的限速步驟,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,因而水解酶活性與紅泥膜沼氣池紅泥膜沼氣池厭氧沼氣產量存在著直接的關系92)。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4.52,4.86,4.73,4.61,3.34,3.22mg·gd-,Zn100,Zn200,Zmn300處理均高于CK,但差異不顯著,而Zn400,Zm500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Z1n400,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。當雞糞中的Zn≤454.2mg:kg-時,  Zn對沼液中的微生物存在刺激作用,改變微生物群  落結構及數量,有利于水解酶相關類群微生物的生

長,提高纖維素酶和蔗糖酶活性"),當Zm≥54.2  mgkg'時,Zn與水解酶活性中心的活性基團結合,  形成金屬整合物或金屬絡合物,改變其正常的生理代謝功能,降低代謝強度,進而對纖維素酶、蔗糖酶  活性產生明顯的抑制作用

2.5沼液中水解酶活性與累積甲烷產生量的關系  由表3可見,不同濃度zm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生量均呈顯  著正相關(p≤0.05)。表明沼液中水解酶活性的高  低會對其累積甲烷產生量產生明顯的影響,水解酶活性越高,其累積甲烷產生量越高,反之,其累積甲烷產生量越低,這與陳琳,陳芬等人的研究結果一致。主要是因為纖維素、蔗糖和含氮有機物能為紅泥膜沼氣池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,加速反應進程,提高甲烷產生量9,同時,蛋白質等含氮有機物在脲酶作用下轉化為氨氮是一個相對緩慢的過程,對甲烷產生的抑制作用很弱,主要表現為促進甲烷的產生3。可見,在紅泥膜沼氣池厭氧消化過程中,Zn對水解酶活性的影響是

響其累積甲烷產生量的因素之

3結論

(1)紅泥膜沼氣池厭氧消化過程中,隨著雞糞中Zn濃度的增加,累積甲烷產生量呈先升高后降低的趨勢,當Zn≤454.2mgkg時可使日甲烷產生量最大值較早出現,并對紅泥膜沼氣池厭氧消化有一定的促進作用,當Zn≥554.2mgkg-時可推遲甲烷產生量最大值出現時

間,并對紅泥膜沼氣池厭氧消化產生明顯的抑制作用(p≤0.05)。

(2)Zm對沼液中的VFA濃度和pH值產生明顯的影響。

(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Zn≤454.2mgkg時,可提高纖維素酶和蔗糖酶活性,當Zn≥554.2mg·kg時,對纖維素酶和蔗糖酶活性產生明顯的抑制作用,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甲烷產生量均呈顯著正相關(p≤0.05)。