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摘自《中國(guó)沼氣》2018第6期 陳芬 余高 李筱梅 

隨著我國(guó)規(guī)?；N植養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,  伴隨而來(lái)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(guó)每年產(chǎn)生7多億  t的秸稈和60多億t的畜禽糞便-3),是我國(guó)環(huán)境

的重要污染源之一,因此,對(duì)其進(jìn)行資源化利用已成為目前研究的熱點(diǎn)。紅泥膜沼氣池厭氧消化處理不僅可以解決環(huán)境污染問(wèn)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

然而,由于經(jīng)濟(jì)效益的需求,養(yǎng)殖過(guò)程中大量使  用了C1和Zn等微量元素添加劑,而畜禽對(duì)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。  而高濃度的重金屬對(duì)紅泥膜沼氣池厭氧消化產(chǎn)生嚴(yán)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(duì)紅泥膜沼氣池厭氧消化過(guò)程的影響也存在較大差別。目  前,關(guān)于重金屬對(duì)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(duì)紅泥膜沼氣池厭氧消化的影響,張婷等研究結(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20.0mgkg時(shí),可以有  效提高紅泥膜沼氣池厭氧消化潛力;陳琳等研究結(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)?CK(Cu含量為49.7mgkg)>L  (349.7mg·kg)>M(649.7mgkg)>H(949.7

mgkg-);Yue等研究結(jié)果表明Cu濃度低于413  mgkg'時(shí)可提高甲烷產(chǎn)量,高于1358mg·kg時(shí)  則明顯抑制甲烷產(chǎn)量,而Zn對(duì)紅泥膜沼氣池厭氧消化影響的研  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  1034mgkg1,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)重影響紅泥膜沼氣池厭氧消化進(jìn)程

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)行紅泥膜沼氣池厭氧消化試驗(yàn),通過(guò)分析不同濃度Zn對(duì)紅泥膜沼氣池厭氧消化過(guò)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(chǎng),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)氣良好的紅泥膜沼氣池紅泥膜沼氣池厭氧沼氣池,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(jiàn)表1。每個(gè)紅泥膜沼氣池厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)加入反應(yīng)料液900其中預(yù)處理后雞糞18.4g,玉米秸稈26.1g,接種物270g,蒸餾水590g。試驗(yàn)材料本身共含Zn  154.2mgkg(Za含量以干物質(zhì)量計(jì)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(yàn)裝置

試驗(yàn)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(yīng)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(lái)的NaOH,測(cè)定其  體積以代表甲烷產(chǎn)生量。消化裝置置于5℃高溫老化恒溫培養(yǎng)箱(140cm×120cm×170cm)中,紅泥膜沼氣池厭氧消化反應(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,本試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理(見(jiàn)表2),即不添加外源Zn(CK);添加外源Zn為干物質(zhì)量的100mg·kg-(Zn100);添加外源Zn為干物質(zhì)量的200mg·kg-1(Zm200);添加外源Zn為干物質(zhì)量的300mg·kg-1(Zn300);添加外源Zn為干物質(zhì)量的400mgkg-1(Zn400);添加外源Zn為干物質(zhì)量的500mgkg-(Zn500),將ZmSO4溶液與消化物料充分混勻后裝入消化反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行紅泥膜沼氣池厭氧消化試驗(yàn),3次重復(fù),每天下午6:00記錄  產(chǎn)甲烷量,分別在紅泥膜沼氣池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(cè)定。

1.4試驗(yàn)方法  試驗(yàn)材料下含量采用烘干法;總有機(jī)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(fā)性脂肪酸(VFA)總含量采用比色法測(cè)  定;PH值采用PHSJ5型pH酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)定;水  解酶活性測(cè)定方法參照關(guān)松蔭的方法21  1.5數(shù)據(jù)處理  數(shù)據(jù)采用ExCe2013和 SPASS20軟件進(jìn)行統(tǒng)2結(jié)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(chǎn)量差異

由圖1可見(jiàn),不同濃度的Zn處理均在試驗(yàn)的第天即開(kāi)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  845mL,Zn100,Zn200,zn300處理最大值出現(xiàn)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(xiàn)在第11-12  天,分別為762,743mL,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≤  454.2mg·kg時(shí)可使日甲烷產(chǎn)生量較早出現(xiàn)最大  值而Zm≥554.2mg…kg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(jiàn),在整個(gè)紅泥膜沼氣池厭氧消化過(guò)程中CK,  Zn100,.Zn200,Zn300處理累積甲烷產(chǎn)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(chǎn)生量分別為8866,8588m,較CK顯著  降低7.9%,10.7%(p≤0.05)。結(jié)果表明,當(dāng)雞糞  中Zn≤454.2mg·kg時(shí),促進(jìn)紅泥膜沼氣池厭氧消化的進(jìn)行,而  n≥5592mgkg時(shí),顯著抑制紅泥膜沼氣池厭氧消化的進(jìn)行,

降低累積甲烷產(chǎn)生量。這可能是因?yàn)榈蜐舛萙n對(duì)紅泥膜沼氣池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(duì)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

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(guò)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(jiàn),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(shuō)明Zm對(duì)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4273.3mg·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(shuō)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(duì)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,出現(xiàn)積累,導(dǎo)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(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(duì)其產(chǎn)生明顯的抑制3。由圖4可見(jiàn),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(zhǎng),且添加Zn處理沼液pH值均與CK差異不顯著,說(shuō)明Zn對(duì)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(shuō)明添加Zn會(huì)對(duì)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(jiàn)圖3),從而使其pH值下降。

2.4不同濃度Zn對(duì)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(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷3個(gè)  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(shí),水解階段是整個(gè)紅泥膜沼氣池厭氧消化過(guò)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(chǎn)量存在著直接的關(guān)系92)。由圖5可見(jiàn),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(duì)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≤454.2mg:kg-時(shí),  Zn對(duì)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(zhǎng),提高纖維素酶和蔗糖酶活性"),當(dāng)Zm≥54.2  mgkg'時(shí),Zn與水解酶活性中心的活性基團(tuán)結(jié)合,  形成金屬整合物或金屬絡(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(duì)纖維素酶、蔗糖酶  活性產(chǎn)生明顯的抑制作用

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(jiàn),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(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(duì)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,陳芬等人的研究結(jié)果一致。主要是因?yàn)槔w維素、蔗糖和含氮有機(jī)物能為紅泥膜沼氣池厭氧微生物的生長(zhǎng)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9,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(duì)緩慢的過(guò)程,對(duì)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3?？梢?jiàn),在紅泥膜沼氣池厭氧消化過(guò)程中,Zn對(duì)水解酶活性的影響是

響其累積甲烷產(chǎn)生量的因素之

3結(jié)論

(1)紅泥膜沼氣池厭氧消化過(guò)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(shì),當(dāng)Zn≤454.2mgkg時(shí)可使日甲烷產(chǎn)生量最大值較早出現(xiàn),并對(duì)紅泥膜沼氣池厭氧消化有一定的促進(jìn)作用,當(dāng)Zn≥554.2mgkg-時(shí)可推遲甲烷產(chǎn)生量最大值出現(xiàn)時(shí)

間,并對(duì)紅泥膜沼氣池厭氧消化產(chǎn)生明顯的抑制作用(p≤0.05)。

(2)Zm對(duì)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≤454.2mgkg時(shí),可提高纖維素酶和蔗糖酶活性,當(dāng)Zn≥554.2mg·kg時(shí),對(duì)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(duì)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)。