微量元素對厭氧發酵過程影響研究進展

劉一銘，黃 濤，栗 健

(西南交通大學 地球科學與環境工程學院，成都 611756)

1 引 言

隨著我國經濟的發展和城市化進程的不斷推進，城市固體廢棄物產生量不斷增加[1]。近年來，固體廢棄物呈現出比較明顯的增長趨勢[1-2]。因此，如何有效地處置固體廢棄物，使其資源化利用成為眾多學者關注的焦點[3～5]。

厭氧發酵技術作為固體廢棄物資源化利用的一種方式，是指在厭氧條件下，利用厭氧菌或兼性菌等的代謝轉化作用，將廢棄物中復雜的有機成分轉化為有機物和無機物，產生生物燃氣如沼氣進而用于發電供能等行業[6]。厭氧發酵技術不僅解決了固體廢棄物的處置難題，而且實現了廢物再利用，可以最大程度地節約資源，緩解當前能源緊缺的局面[4-5]。然而厭氧發酵技術在實現過程中受到很多因素的影響，如水力停留時間、溫度，pH，碳氮比等，只有在發酵過程中合理地控制影響因子的變化，才能保證發酵系統的穩定運行，否則系統將面臨阻滯甚至崩潰[7]。微量元素作為影響發酵過程的一種重要因子，近年來受到很多學者的關注。很多研究均表明發酵過程在缺少微量元素的情況下，會導致pH異常，發酵系統無法正常進行，影響發酵效果[8-9]。因此，為更深入地了解微量元素的作用，為實際沼氣工程中微量元素投加量提供依據，本文將針對微量元素對厭氧發酵過程影響的研究進展進行綜述。

2 微量元素在厭氧發酵過程中的作用

隨著科學技術的發展，研究學者對于厭氧發酵的過程先后提出了兩階段、三階段以及四階段理論[10]。目前被廣泛使用的是三階段論，即厭氧發酵過程可分為水解，產氫產乙酸以及產甲烷三個階段[6]。水解過程即大分子化合物如脂肪、纖維素等在微生物的作用下被分解為脂肪酸、單糖等小分子物質的過程。該過程的主要催化劑為厭氧微生物分泌的各類水解酶。產氫產乙酸階段主要是第一階段的水解單體產物進一步被降解為短鏈有機酸以及二氧化碳、氫氣等，產乙酸菌則利用氫氣和二氧化碳合成乙酸，作為第三階段生成甲烷的底物[6]。產甲烷階段則是在厭氧條件下，產甲烷菌利用乙酸、二氧化碳和氫氣等生成甲烷的過程，不同的產甲烷菌所利用的底物也不同[11]。

厭氧發酵過程的每個階段都有多種酶的參與，而許多微量元素正是通過影響酶的合成及活性來調節厭氧發酵過程[12]。Cu、Zn參與氫化酶的構成，氫化酶能夠催化氫氣的氧化或者質子的還原這一可逆反應[13]。Fe、Co、Ni參與構成CO脫氫酶，脫氫酶是一類催化物質氧化還原反應的酶，在第二階段產乙酸過程中起重要作用[13-14]。Zerkle A L等[12]研究發現厭氧發酵第三階段產甲烷階段是有最多金屬酶參與的生化反應階段之一。Mo、W、Se和Zn參與構成甲酸鹽脫氫酶，能夠促使產甲烷菌利用CO2和H2合成甲烷[13]。

除此之外，許多微量元素是厭氧發酵過程中微生物如產甲烷菌的重要成分。Fe、Ni、Cu、Zn都是產甲烷菌體內必不可少的微量金屬元素，產甲烷菌在第三階段以CO2和H2為底物合成甲烷的過程中起到重要的作用[15]。產甲烷菌中微量元素含量從大到小的排列順序為Fe>Zn>Ni>Cu[16]，其中Fe是產甲烷菌中含量最高的金屬元素，參與產甲烷菌體內細胞色素、細胞氧化酶的合成，同時也是胞內氧化還原反應的電子載體[17-18]。

3 微量元素對厭氧發酵過程影響的現狀研究

3.1 微量元素對單一發酵底物厭氧發酵過程的影響研究

有機質含量較高的底物如禽畜糞便、餐廚垃圾以及秸稈類物質等可以單獨進行厭氧發酵產生沼氣[19-20]。然而這種單一底物發酵系統具有產氣效率低、系統不穩定等弊端[21]。針對此問題，近年來國內外學者嘗試在該類發酵系統中添加適量微量元素以達到穩定系統、促進產氣的功效。

對于以禽畜糞便為發酵底物的厭氧發酵系統，適量地添加微量元素可以提高產氣量、維持系統運行的穩定。樊麗等[22]研究了低溫條件下(<17℃)Mn元素對牛糞厭氧發酵產氣量的影響，結果發現錳的存在可以加速低溫條件下牛糞厭氧發酵的啟動。但添加單質Mn時發酵的產氣量低于添加電解錳渣時的產氣量，在一定程度上說明錳以及其他金屬元素的共同作用能夠更加有效促進低溫下的牛糞厭氧發酵產氣。賈麗娟等[23]同樣以牛糞為底物進行厭氧發酵實驗，發現當添加微量元素Fe2+5.00mg/L、Ni2+21.4μg/L、Co2+28.82μg/L時，可將沼氣產量提高30%。這是由于Fe2+、Ni2+是構成厭氧微生物細胞以及多種酶的重要成分，可促進微生物新陳代謝，激發酶的活性。Molaey R等[24]以雞糞為底物，添加單一元素Se、混合元素Co、Mo、Ni、Se和Wu進行長期厭氧發酵實驗時，發現添加單一元素Se不足以長時間維持甲烷生成的穩定狀態，混合元素的添加能夠促進甲烷菌的生長，而該菌種對氨氮的耐受性能較強，可以有效維持系統的穩態。

微量元素的添加對于以餐廚垃圾為底物的厭氧發酵系統也有類似的促進作用。國內的餐廚垃圾以淀粉類、脂肪類等有機質為主要成分，具有高固體含量、高油脂、易生物降解等特點，是厭氧發酵過程常用的底物之一[25]。吳樹彪等[26]在中溫37℃的條件下探究Fe、Co、Mo、Se、Ni、W對餐廚垃圾厭氧發酵的影響，發現當有機負荷為3g/(L·d)時，添加微量元素處理組和未處理的對照組差別不大；但當有機負荷增加至4g/(L·d)時，對照組甲烷體積分數下降19.5%，而處理組穩定在60%左右，且對照組pH下降到5.24，厭氧發酵失敗，而處理組pH保持在7.2左右。Zhang W[27]同樣以餐廚垃圾為底物，添加適量的金屬離子，進行厭氧發酵實驗。實驗結果發現金屬離子的添加有效地緩解了發酵過程中揮發性脂肪酸的抑制效應，能夠維持pH的穩定。

類似的，纖維素類底物厭氧發酵過程也會受到微量元素的影響。葉小梅等[28]對水葫蘆厭氧發酵過程的影響因素進行了研究，其中微量元素的添加提高了發酵前7天的總產氣量，且對厭氧發酵影響力的排序為Fe2+>Co2+>Ni2+。Pobeheim H等[29]研究了Ni和Co的添加對玉米秸稈厭氧發酵過程穩定性和沼氣產量的影響，結果表明Ni和Co的缺失導致了厭氧發酵進程的不穩定，而當Ni和Co的添加量分別增加到0.6mg/kg和0.05mg/kg時，系統穩定性逐漸恢復；但繼續增加Ni和Co的量，并沒有觀察到沼氣產量的明顯增加。趙玲等[30]同樣以玉米秸稈為發酵底物，研究Fe、Co和Ni 3種元素的添加頻次對沼氣產量以及輔酶F420的影響。發酵實驗設置A～F共6組，其中A組為對照組，B～F組分別設置微量元素混合液不同的添加頻次。實驗結果表明微量元素添加頻次最多的B組(每天添加微量元素混合液)的沼氣產量最高，比A組提高23%，且輔酶F420含量高峰值顯著提高，表示產甲烷菌的活性得到明顯增強。李坤等[31]對于中溫條件微量元素影響蔬菜廢棄物厭氧發酵過程進行了研究，發現添加微量元素Fe、Co、Ni至0.22mg/L、0.22mg/L和0.44mg/L后，沼氣產量增加了37.11%，甲烷百分含量提高了40.34%。孫娟等[32]同樣以蔬菜廢棄物為發酵底物，在中溫35℃條件下進行厭氧發酵實驗。當有機負荷率增大時，沼氣中甲烷含量會逐漸下降；但在連續添加一段時間微量元素Fe、Co、Ni后甲烷含量會迅速恢復至穩定狀態。本次實驗的結果表明微量元素的添加可有效提高蔬菜廢棄物厭氧消化的穩定性，能夠快速恢復失穩的系統。

3.2 微量元素對混合協同發酵過程影響研究

混合協同發酵是指兩種或兩種以上底物共同進行發酵的過程。多種底物協同發酵在一定程度上能提高產氣效率，維持系統穩定，但微量元素作為系統中不可或缺的一部分，仍起著不可替代的作用[33]。

Qiang H等[34]將高固含量的餐廚垃圾與污泥混合進行厭氧發酵實驗，實驗過程分為3個階段：不添加微量元素(Fe、Co、Ni)、間歇性添加微量元素、在基底中加入微量元素。實驗發現，第一階段沼氣產生速率比較低，反應器的運行不穩定；當在第69天添加10 mg/L Fe2+、1 mg/L Ni2+、1 mg/L Co2+時，沼氣產生速率明顯提高，甲烷含量穩定在大于50%的水平，但在第108～114d間，產氣速率迅速下降，這可能是由于加入的微量元素被消耗導致的。類似的，Facchin V等[35]針對微量元素可提高餐廚垃圾和活性污泥協同厭氧發酵效率進行了實驗研究，結果表明金屬Mo和Se的含量分別在3～12mg/kg和10mg/kg時，可提高甲烷產率30%～40%；當加入混合微量元素Mo、Se、Ni、Se和W時，甲烷產率增加45%～65%。裴占江等[36]為了提高餐廚垃圾與牛糞聯合厭氧發酵效率，向發酵體系中加入微量元素Fe、Co、Ni。結果發現添加微量元素的實驗組總產氣量比對照組增加55%，平均甲烷含量比對照組增加20%。同時實驗組在發酵過程中未出現酸累積或者氨抑制現象，發酵系統穩定性高。范信生[37]將豬糞和稻稈按照1∶5質量比混合進行厭氧發酵，通過添加不同劑量的Fe2(SO4)3比較其對發酵效果的影響。結果顯示添加3% Fe2(SO4)3的發酵組產氣量和產甲烷量最大，比對照組分別提高了32.03%和51.92%，而更高劑量的Fe2(SO4)3(6%、9%)則對產氣起到了抑制作用。Zhang H等[38]將餐廚垃圾和水稻秸稈以3∶1的比例混合，進行厭氧發酵，分別加入Co、Ni以及Co和Ni的混合物，觀察其對甲烷產量的影響。結果表明，同時加入Co和Ni可以明顯地將甲烷含量提高13.65%，高于只加入Co的6.45%和只加入Ni的8.36%。然而，Mancini G等[39]研究了Co、Ni、Se的添加以及NaOH預處理對水稻秸稈厭氧發酵的影響后發現，金屬離子的添加對沼氣產量的提升效果并不明顯；但經過NaOH預處理的水稻秸稈的發酵效果有了很大的提高，將沼氣產量提高了21.4%，這可能是由于經過預處理后的秸稈細胞壁被破壞，與底物接觸充分導致發酵效果較好。

微量元素不僅可以有效提高沼氣產量，對于硫化物的去除也有顯著影響，近年來也有部分學者對此開展了研究。黃黎等[40]研究了金屬離子對沼氣發酵效果的影響以及發酵過程中是否可以有效減少硫化氫的排放，研究以紅薯和馬鈴薯(1∶1)為發酵原料，與厭氧發酵液混合進行發酵，同時加入濃度不同的氯化鎂和氯化鎳。實驗結果表明添加劑量為250～500mg/kg的氯化鎳和氯化鎂不僅對沼氣發酵有明顯的促進作用，提高沼氣中的甲烷含量；還可以在源頭上降低硫化氫氣體的產生，達到最佳的脫硫效果。

3.3 微量元素對其他底物厭氧發酵過程的影響

厭氧發酵技術不僅適用于常見固體廢棄物如餐廚垃圾、禽畜糞便等的資源化利用，對于其他物質厭氧發酵過程也具有一定的促進作用。例如，Takashima M等[41]研究了葡萄糖在中溫和高溫兩種條件厭氧發酵時對微量元素Fe、Ni、Zn、Co的最小需求量。高溫條件下(55℃)，對Fe、Ni、Zn、Co的最小需求是4.3 mg/L、0.46 mg/L、2.3 mg/L和0.51 mg/L；而在中溫條件下(35℃)，其需求量為1.9 mg/L、0.061 mg/L、0.47 mg/L和0.16 mg/L。可以看出，高溫條件下厭氧發酵對微量金屬的需求量更高，大約是中溫條件下的2.2～7.8倍。Huiliir C等[42]在熱電廠煙煤燃燒過程中用以除塵的靜電除塵器內取用飛灰，并將其作為微量金屬的來源添加進污泥發酵過程中。通過實驗分析得出，在厭氧的條件下增加飛灰(微量元素)的劑量，甲烷產率的提高可達56%，在該實驗中所添加的劑量下沒有發現對甲烷產率的抑制現象。而經過好氧處理的污泥，當加入飛灰的量高于250mg/L時，甲烷產率則會有11%的下降。Bougrier C等[43]以啤酒糟為單一底物進行厭氧發酵，研究微量元素對發酵系統的影響。研究結果發現微量元素的添加可以有效地維持發酵系統平衡，避免發生抑制導致系統崩潰。其中COD的去除率達到60%～65%，生物降解率達到65%～70%，甲烷產量可達到285～350 NL·kg-1VS。Braga A F M等[44]利用厭氧發酵技術處理生活廢水，研究不同金屬元素對于發酵效率的影響，結果發現Ba和Mn在所研究的濃度范圍內，對厭氧發酵的抑制作用較大，體現出明顯的毒性；而Se和Cu則顯示出對甲烷產量的激發效果。

4 微量元素在厭氧發酵工程的應用展望

綜上所述，厭氧發酵技術是實現有機廢棄物綜合利用和深度開發的重要途徑之一，能夠為禽畜糞便、餐廚垃圾等生物質的無害化處理和循環利用提供便利。厭氧發酵系統運行的穩定性直接影響沼氣的產生效率，而微量元素作為影響厭氧發酵系統必要的因素之一，對沼氣產量、系統穩定性都起著至關重要的作用。目前已有許多沼氣工程通過添加微量元素制劑來保證沼氣池中穩定的微量元素來源，而實驗證明對于定期添加微量元素制劑的沼氣池產生的沼氣量明顯提高[45]。但在目前關于微量元素影響厭氧發酵過程的眾多研究中還存在以下欠缺：

(1)目前對于單個微量元素影響厭氧發酵過程的研究已較為深入，而對于多種微量元素協同作用還有待進一步研究。雖有許多實驗可證明同時添加多種微量元素對厭氧發酵過程的促進作用更加明顯，但對于微量元素之間的相互作用對發酵過程的影響尚不明確。

(2)不同含量的微量元素對于同一發酵過程的影響是不同的，而目前對于微量元素添加量的臨界值還鮮有研究。因此在今后的研究中，可重點關注以上問題，以便于充分發揮微量元素在厭氧發酵過程中的作用。