膨润土强化畜禽粪便厌氧消化生产甲烷的探究*

冉 昊 王立宁 韦新东#

(1.吉林建筑大学发展规划处，吉林 长春 130118；2.吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林 长春 130118)

随着我国畜牧养殖产业的不断扩大，畜禽粪便污染也日益严重。畜禽粪便中有机质及营养盐含量高，若畜禽粪便处理不当会对环境造成二次污染，并对人类健康产生巨大威胁[1-2]。厌氧消化技术是解决畜禽粪便污染的一种可行方案，厌氧消化能在实现畜禽粪便减量化、无害化的同时获取有机质的能源物质如氢气、甲烷、挥发性脂肪酸(VFA)等[3]101。厌氧消化是一系列复杂的生物转化过程，该过程需要各种功能微生物及关键酶参与[4]。通常，厌氧消化包含4步连续生化过程：水解、酸化、同型产乙酸及甲烷化[5]724-733。

膨润土(Be)为一类天然层状硅酸盐矿物质，其主要构成为蒙脱石、方解石、石英及火山碎屑等杂质[6]247。Be具有2/1型结构，上下均为硅氧四面体而中间为铝氧八面体。晶胞中高价阳离子极易被低价阳离子所取代，如Al3+易取代高价Si4+，而Mg2+、Fe2+极易取代Al3+，这使得Be具备过剩的负电荷从而具有良好的离子交换能力[7]。研究表明，Be可用于吸附废水中Pb2+、Cu2+等重金属，且吸附效率较高[8]。在固体废物处理领域，Be可提高食品垃圾厌氧消化潜能，且Be的存在有效促进了挥发性悬浮固体(VSS)的产气效率，Be投加量为1.25%(质量分数)时，产气率提高约64%，pH缓冲能力较强[9]。此外，Be在土壤修复方面也具有较广泛的应用，李吉进等[10]应用Be降低氮素淋溶损失，并起到保水保肥的目的。鉴于Be具有的特殊性能，Be可用于强化畜禽粪便厌氧消化产甲烷。然而，这一假设至今鲜有文献报道，且其中畜禽粪便消化过程微生物对Be的响应也不明确。因此，本研究探究Be对畜禽粪便厌氧消化性能的影响，分析Be影响下畜禽粪便中碳元素的转化特性，揭示Be对畜禽厌氧消化过程微生物的响应，以期为Be强化畜禽粪便高效厌氧消化提供数据支持及理论依据，并为畜禽粪便规模化处理提供技术支持。

表1 供试样品及接种污泥主要特征

注：1)以质量分数计。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

采用的畜禽粪便为鸡粪、猪粪及牛粪的混合物。鸡粪取自某笼式养鸡场，猪粪及牛粪取自某畜牧站。样品取回后风干去除杂质，用粉碎机粉碎至粒径低于2 mm。接种污泥取自沼气池消化污泥，该沼气池产气效率良好，VSS约为35.0%±0.8%(质量分数)。将处理好的鸡粪、猪粪及牛粪等质量混合，为更好实现消化基质与接种污泥的充分接触，本研究将干质混合后与自来水按体积比1∶5混合，该混合基质呈流动态，充分混合搅拌后的样品主要特征如表1所示。Be为钙基Be，VSS为4.5%±0.2%，VSS/TSS为4.2%±0.8%，水溶液pH为7.9±0.5。

1.2 实验设置

实验在有效容积为1.0 L玻璃反应器内进行，实验装置如图1所示，反应器上方配有集气袋，反应器内部配有机械搅拌机，并控制转速120～150 r/min。首先向实验组的4个反应器中注入200 mL的接种污泥，再注入800 mL的畜禽粪便供试样品，然后向反应器中添加适量Be并控制Be质量分数分别为0、1.5%、3.0%、4.5%。另一反应器注入200 mL接种污泥，并注入800 mL自来水，不添加Be，作空白组。所有反应器通过水浴加热方式控制反应温度为(30±1) ℃。最后向5个反应器中充入高纯度氮气以排净氧气保证严格厌氧环境。各反应器重复运行3次，取3次实验的平均值及标准偏差。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

1.3 分析方法

TSS、VSS采用重量灼烧法[3]102测定；pH根据《水质 pH值的测定 玻璃电极法》(GB 6920—86)测定；TOC采用TOC-1700在线型TOC分析仪测定；C及N元素采用Vario MACRO Cube型元素分析仪测定；蛋白质采用福林酚法[5]727测定；多糖采用蒽酮比色法[5]727测定；粗纤维采用酸性洗剂法[11]测定；甲烷采用Thermo Fisher Trace 1300型气相色谱仪测定，检测器为热导检测器(TCD)，色谱柱采用PP-Q填充不锈钢柱，检测口温度200 ℃，载气为氦气；溶解性有机碳(DOC)采用耶拿N/C2100S分析仪测定；VFA采用Agilent 6980型气相色谱仪测定；当各反应器运行至35 d时取样，微生物群落及丰度采用454高通量测序，详细测定方法见文献[11]。

2 结果与讨论

2.1 Be剂量对畜禽粪便厌氧消化性能的影响

由图2可见，实验组甲烷日产量总体呈现先上升后下降并平稳、再次升高并下降的趋势。空白组甲烷日产量均较低，1～9 d，消化底料充足，甲烷日产量维持在0～24.4 mL/d，之后甲烷日产量为3.5～5.6 mL/d。未添加Be的实验组，消化前期，底料充足，产甲烷古菌活性强，第7天甲烷日产量升高至231.5 mL/d，之后甲烷日产量逐渐下降并平稳，第35天甲烷日产量再次升高至212.6 mL/d，甲烷日产量再次升高的原因在于前期积累的酸逐渐释放，从而提高产甲烷古菌的活性。当Be添加至畜禽粪便消化体系后，甲烷日产量变化趋势未发生改变，但5～15 d甲烷日产量得到提高。当Be为1.5%时，第1次甲烷日产量最大值(256.9 mL/d)出现在第7天，第2次甲烷日产量高峰(198.5 mL/d)出现在第35天。当Be升高至3.0%、4.5%时，甲烷日产量第1次高峰期提前2 d，且日产量分别为268.5、251.3 mL/d。这表明，适量Be的存在能提高甲烷日产量并使甲烷日产量高峰期提前，该结果与潘君廷等[6]248报道相似。

图2 Be对畜禽粪便厌氧消化甲烷日产量的影响Fig.2 Effect of Be on daily production of methane digested anaerobically from livestock manure

由图3可见，实验组单位质量VSS的甲烷累积产量随时间呈现先上升后平稳的趋势。第40天，当Be为0时，甲烷累积产量为(216.3±5.6) mL/g；当Be升高至1.5%时，甲烷累积产量为(245.6±8.1) mL/g，较Be为0时提高约13.5%±0.3%；当Be进一步提高至3.0%时，甲烷累积产量为(289.3±9.2) mL/g，较Be为0时提高约33.7%±1.2%；当Be进一步升高至4.5%时，甲烷累积产量为(279.5±5.3) mL/g，低于Be为3.0%时，但仍高于Be为0时。这表明，适当提高畜禽粪便厌氧消化系统中Be剂量有助于提升甲烷产量，但Be过高将降低畜禽粪便产甲烷的量，这可能是因为高Be促进畜禽粪便中氨氮释放，过高氨氮反而抑制产甲烷古菌的活性，从而降低甲烷产量[12]。

图3 Be对畜禽粪便厌氧消化甲烷累积产量的影响Fig.3 Effects of Be on accumulated methane production by anaerobic digestion of livestock manure

2.2 Be对畜禽粪便厌氧水解过程的影响

有机固体废物厌氧消化过程中有机物多以非溶解态存在，在水解酸化微生物及关键酶的调控下，颗粒状有机固体废物转化为溶解态的过程为水解，该过程也被认定为消化的限速步骤[13]1219。由图4可见，实验组DOC随时间先上升后下降。DOC上升是由于水解酸化微生物分泌水解酶促进有机物的溶解。当Be为0时，DOC最大值为(5 126±150) mg/L，且相应的时间为25 d；当Be升高至1.5%、3.0%时，DOC最大值分别升高至(5 460±125)、(5 985±142) mg/L，DOC的提高为后续酸化、产甲烷提供了充足的基质；当Be升高至4.5%时，DOC最大值为(5 269±145) mg/L，低于Be为3.0%时，但仍高于Be为0时。这表明，Be适当提高有助于畜禽粪便有机物的裂解，但过高Be对DOC具有一定抑制作用。之前研究表明，Be能促进餐厨垃圾中有机物裂解[14]，本实验结果同样证实Be能促进畜禽粪便厌氧消化过程中有机物释放。Be具有多种金属离子(如Ca2+、Fe2+等)，这些金属元素的存在能改善微生物细胞的通透性，加速物质之间的转化，提高了厌氧微生物的活性[15]。

图4 Be对畜禽粪便厌氧消化中DOC的影响Fig.4 Effects of Be on DOC in livestock manure anaerobic digestion

畜禽粪便中DOC主要为蛋白质和多糖[6]246。如图5所示，实验组溶解性蛋白质呈现先上升后下降的趋势。蛋白质在畜禽粪便中多以层叠状存在[13]1216，Be中金属元素促进微生物的活性，从而破坏蛋白质的结构导致液相中溶解性蛋白质含量增加。消化后期，溶解性蛋白质下降在于产甲烷古菌对溶解性蛋白质的消耗。当Be为0时，溶解性蛋白质由初期的(256±35) mg/L逐渐升高至30 d的(1 745±121) mg/L，之后降至(1 256±102) mg/L；当Be升高至1.5%、3.0%时，溶解性蛋白质同样由初期(315±32)mg/L分别升高至(2 456±125)、(3 015±118) mg/L，表明Be促进畜禽粪便中溶解性蛋白质增加；当Be进一步升高至4.5%时，溶解性蛋白质最大值为(2 456±225) mg/L，低于Be为3.0%时，但仍高于Be为0时。该实验结果与DOC相一致。

图5 Be对畜禽粪便厌氧消化中溶解性蛋白质的影响Fig.5 Effect of Be on soluble protein content in anaerobic digestion of livestock manure

Be对畜禽粪便多糖的影响如表2所示。多糖变化同DOC及溶解性蛋白质，但多糖显著低于溶解性蛋白质(p<0.05)，这与畜禽粪便的特性相关。多糖最大值出现在第30天。当Be由0升高至3.0%，多糖最大值由(914±37) mg/L升高至(1 061±56) mg/L，当Be进一步升高至4.5%时，多糖略有下降。Be能促进有机物的溶出，这也为后续产甲烷古菌提供了充足的物质基础。

2.3 Be对畜禽粪便厌氧酸化过程的影响

VFA是畜禽粪便厌氧消化的中间产物，其含量与种类是判定厌氧消化稳定的重要指标，同时VFA也是产甲烷古菌所利用的主要底料[16]。乙酸、乳酸、丁酸和戊酸是VFA中常分析的4种典型有机酸，因此本研究同样探究了Be存在对这4种VFA质量浓度的影响。如图6所示，乙酸、乳酸、丁酸和戊酸随时间基本呈现先升后降的趋势。VFA升高主要是由于酸化微生物利用消化液中水解产物生物转化而来，而下降是由于VFA的消耗速率高于生物转化速率。当Be为0、1.5%和3.0%时，乙酸在前10天急剧升高至最大值，分别为(341±12)、(365±13)、(385±10) mg/L；当Be进一步升高至4.5%，乙酸最大值却为(364±14) mg/L，相应的时间为第15天。过量Be的存在导致金属元素含量过高从而对微生物的活性产生一定的抑制作用。此外，过高Be导致氨氮释放，从而抑制产酸微生物的活性。乙酸是产甲烷古菌的主要消化底物，Be适量可促进乙酸含量升高，这也为产甲烷古菌提供充足的底料。乳酸和丁酸变化与乙酸相似。戊酸是分子量较大的有机酸，在整个消化过程，当Be为0、1.5%和4.5%时，戊酸略有起伏变化，但升高不显著；当Be为3.0%时，戊酸最大值为(124±9) mg/L，显著高于其他实验组(p<0.05)，进一步说明Be存在促进畜禽粪便厌氧酸化过程，从而导致VFA的积累。

2.4 Be对畜禽粪便厌氧消化有机物减量的影响

畜禽粪便厌氧消化的两个重要指标分别为产气量和减量化。产气量可直观通过甲烷产量检验，而减量化是经水解酸化菌作用将固相中有机物液相化，并被消化微生物所利用。畜禽粪便厌氧减量化可通过VSS的减量来表述。如图7所示，20 d时，不同实验组VSS减量率为16.5%～19.8%，且当Be为3.0%时VSS减量率最大；40 d时，VSS减量进一步加大。当Be为0时VSS减量率为23.6%±1.1%；当Be升高至1.5%和3.0%时，VSS减量率升高至24.6%±0.9%和31.2%±1.3%，较Be为0时提高4.2%±0.2%和32.2%±0.9%，说明Be为3.0%时对VSS减量率提高较大；当Be进一步升高至4.5%时，VSS减量率却下降至28.6%±1.2%。畜禽粪便消化系统中适当提高Be含量有助于VSS减量，这可能在于Be为厌氧消化微生物提供了微量元素，强化微生物活性，从而导致畜禽粪便中固相有机物转化至液相，最后被产甲烷微生物或异养微生物所利用，但高剂量Be同时引入一定量金属，过量金属存在致使微生物代谢活性降低从而造成有机组分利用效率下降。

表2 Be对畜禽粪便多糖的影响

图6 Be对畜禽粪便厌氧消化过程中VFA的影响Fig.6 Effect of Be on VFA content in anaerobic fermentation of livestock manure

图7 Be对畜禽粪便厌氧消化中VSS减量的影响Fig.7 Effect of Be on VSS reduction in anaerobic digestion of livestock manure

2.5 Be对畜禽粪便厌氧消化过程微生物生态学的影响分析

由图8可见，在门级别上，厚壁菌门为优势菌群。当Be为0时，厚壁菌门相对丰度为54.2%，而当Be升高至1.5%和3.0%时，厚壁菌门相对丰度分别升高至59.5%和61.2%，Be的存在有利于厚壁菌门的相对丰度。厚壁菌门是有机物厌氧消化过程中重要的微生物，厚壁菌门能产生降解复杂有机物的纤维素酶、蛋白质酶及与多糖降解有关的关键酶，并且在高氨氮环境下，多种乙酸氧化菌属同样属于该门[17]。研究表明，在餐厨垃圾和屠宰废弃物共发酵体系中，厚壁菌门相对丰度高达83%。相对丰度排序第2的为拟杆菌门。当Be为0时，拟杆菌门相对丰度为13.5%，当Be升高至1.5%时，拟杆菌门相对丰度同样升高至15.2%。拟杆菌门中同样包含部分水解、酸化微生物，该类微生物能加速分解畜禽粪便中难降解有机物，从而为产甲烷古菌提供充足基质[18]。Be为4.5%降低了厚壁菌门和拟杆菌门的相对丰度，分别降至58.6%和13.6%，低于Be为3.0%时，但仍高于Be为0时。

图8 Be对畜禽粪便厌氧消化过程门级别微生物群落的影响Fig.8 Effect of Be on phylum-level microbial community in anaerobic digestion of livestock and poultry feces

由图9可知，空白组中，甲烷孢菌属和嗜甲烷假丝酵母菌属为优势微生物，相对丰度分别为16.5%和12.3%。甲烷孢菌属能消耗氢气和CO2合成甲烷，为耗氢型产甲烷古菌，而嗜甲烷假丝酵母菌属能消耗消化液中VFA合成甲烷，为耗酸型产甲烷古菌。当Be为0时，甲烷中毒性球菌属相对丰度升高至12.8%，成为优势微生物，而甲烷孢菌属逐渐下降至10.3%，说明耗氢型产甲烷古菌相对丰度呈现下降趋势。当Be进一步升高至1.5%和3.0%时，甲烷孢菌属进一步下降至8.5%和4.2%，说明Be的存在降低了甲烷孢菌属相对丰度，同时甲烷中毒性球菌属相对丰度呈现上升趋势。

图9 Be对畜禽粪便厌氧消化过程属水平产甲烷古菌微生物群落的影响Fig.9 Effects of Be on the microbial community of Methanogenic Archaea during anaerobic digestion of livestock and poultry feces at genus level

3 结 论

(1) 适量的Be能提高畜禽粪便产甲烷效率；提高DOC，为后续酸化、产甲烷提供了充足的基质；促进VFA含量升高，为产甲烷古菌提供底料。当Be为3.0%时，甲烷日产量最高至268.5 mL/d，第40天单位质量VSS的甲烷累积产量为(289.3±9.2) mL/g，DOC最大值为(5 985±142) mg/L，溶解性蛋白质为(3 015±118) mg/L，多糖最大值为(1 061±56) mg/L，乙酸在前10天急剧升高至(385±10) mg/L，戊酸最大值为(124±9) mg/L，VSS减量率为31.2%±1.3%。

(2) Be的存在有利于提高厚壁菌门相对丰度，当Be为3.0%时，厚壁菌门相对丰度为61.2%。