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      總固體濃度對(duì)豬糞厭氧消化的影響及菌群結(jié)構(gòu)分析

      2019-09-02 14:01:46王樂樂鄭訊濤張?jiān)⒑?/span>劉晗曉潘云霞
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年5期
      關(guān)鍵詞:豬糞甲烷

      王樂樂 鄭訊濤 張?jiān)⒑? 劉晗曉 潘云霞

      摘要:厭氧發(fā)酵是解決畜禽糞污染的重要途徑。為降低豬糞對(duì)環(huán)境的污染,研究總固體(total solid,簡(jiǎn)稱TS)濃度對(duì)固液分離后的豬糞厭氧消化性能的影響,并對(duì)適宜TS濃度豬糞發(fā)酵液的微生物菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明,固液分離后的豬糞在TS濃度為7%、10%、13%、16%的濕發(fā)酵、半干發(fā)酵和干發(fā)酵中,揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid,簡(jiǎn)稱VFAs)以乙酸和丙酸為主,并有少量丁酸和微量的甲酸。TS濃度為13%的豬糞,乙酸平均含量占VFAs平均含量的比例最高,達(dá)35.14%,累積TS產(chǎn)氣量和日均產(chǎn)氣量分別為 370.90 mL/g 和3.02 mL/g,高于其他各組。厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)和變形菌門(Proteobacteria)是TS濃度為13%的豬糞厭氧發(fā)酵優(yōu)勢(shì)細(xì)菌菌群,它們的相對(duì)豐度分別為29.5%、28.9%和25.5%;甲烷球菌目(Methanosarcinales)、甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)和甲烷絲菌屬(Methanothrix)為它的優(yōu)勢(shì)古菌菌群。

      關(guān)鍵詞:TS濃度;豬糞;厭氧消化;甲烷;菌群結(jié)構(gòu)

      中圖分類號(hào): S216.4? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A? 文章編號(hào):1002-1302(2019)05-0244-05

      收稿日期:2018-01-02

      基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào):51306155);重慶市社會(huì)民生科技創(chuàng)新專項(xiàng)(編號(hào):cstc2016shmszx80114);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào):XDJK2017B059)。

      作者簡(jiǎn)介:王樂樂(1993—),男,甘肅平?jīng)鋈?,碩士研究生,主要從事可再生能源的開發(fā)和利用研究。E-mail:1628481822@qq.com。

      通信作者:潘云霞,博士,副教授,主要從事有機(jī)廢棄物資源化和能源化利用、水污染控制等領(lǐng)域的研究。Email:panyunxia1@163.com。

      生豬養(yǎng)殖在畜牧產(chǎn)業(yè)中占有重要地位。在生豬養(yǎng)殖過程中會(huì)產(chǎn)生大量豬糞,如果不及時(shí)有效地處理,會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。利用豬糞中豐富的有機(jī)物進(jìn)行厭氧消化,可在實(shí)現(xiàn)豬糞減量化的同時(shí)生產(chǎn)沼氣,是一種生態(tài)環(huán)保的糞污處理與再利用技術(shù)。豬糞中的高濃度氨氮對(duì)厭氧微生物有抑制作用,易導(dǎo)致厭氧消化啟動(dòng)困難[2],消除氨抑制是實(shí)現(xiàn)豬糞厭氧消化順利進(jìn)行的關(guān)鍵。為此,本研究利用氨氮多溶于豬糞糞尿的特點(diǎn),采用固液分離的豬糞固體進(jìn)行厭氧消化,液體單獨(dú)處理,以期減小豬糞初始高濃度氨氮對(duì)厭氧消化的抑制作用。

      厭氧消化中物料的流變特性對(duì)微生物的傳質(zhì)以及沼氣的生產(chǎn)起到重要作用,流變特性和總固體(total solid,簡(jiǎn)稱TS)濃度相關(guān)[3],研究人員根據(jù)TS濃度不同,將厭氧消化分為3種類型,即濕發(fā)酵(TS濃度≤10%)、半干發(fā)酵(10%

      1 材料與方法

      1.1 試驗(yàn)裝置

      試驗(yàn)裝置由筆者所在實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)(圖1)。發(fā)酵罐容積為 2 500 mL,裝液量為1 200 mL,頂部設(shè)有出氣口及取樣口,發(fā)酵罐溫度通過外部水箱水加熱后泵送到發(fā)酵罐夾層保持,保持恒溫(35±1) ℃,集氣袋收集氣體,排水法測(cè)定產(chǎn)氣量。

      1.2 試驗(yàn)材料

      試驗(yàn)用豬糞取自重慶市某生豬養(yǎng)殖場(chǎng)糞污,總固體濃度為25.79%,揮發(fā)性固體(volatile solid,簡(jiǎn)稱VS)濃度為2344%,總有機(jī)碳(total organic carbon,簡(jiǎn)稱TOC)含量為184.87 g/kg,總氮(total nitrogen,簡(jiǎn)稱TN)含量為31.18 g/kg。接種沼液取自實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵液,總固體濃度為9.85%,揮發(fā)性固體濃度為6.99%。

      1.3 試驗(yàn)方法

      試驗(yàn)于2017年3—6月在西南大學(xué)廢棄物資源化利用實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。試驗(yàn)采用批次發(fā)酵,將豬糞TS濃度調(diào)節(jié)到7%、10%、13%和16%,加入200 g接種沼液,調(diào)節(jié)各組pH值為7.0。反應(yīng)初始時(shí),通入2 min氮?dú)庖员WC厭氧環(huán)境。每日定時(shí)檢測(cè)pH值、NH4+-N含量、VFAs含量及產(chǎn)氣量,直至產(chǎn)氣結(jié)束。

      1.4 項(xiàng)目測(cè)定及方法

      TS濃度用烘干法測(cè)定,VS濃度用馬弗爐灼燒法測(cè)定;TOC含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀-外加熱法;TN含量采用凱氏定氮法測(cè)定[7];pH值用pH計(jì)(Sartorius-10型)測(cè)定;NH4+-N含量用納式試劑光度法測(cè)定[8];甲酸、乙酸、丙酸、丁酸含量采用LC2010型高效液相色譜儀測(cè)定;總產(chǎn)氣量采用排水法測(cè)定;甲烷含量采用GC9720型氣相色譜儀進(jìn)行分析測(cè)定;微生物優(yōu)勢(shì)細(xì)菌及古菌類群分析通過IIIumina MiSeq高通量測(cè)序,菌群16S rDNA的雙V區(qū)(V3V4)PCR擴(kuò)增引物信息為338F:ACTCCTACGGGAGGCAGCA,806R:GGACTACHVGGGTWTCTAAT。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 TS濃度對(duì)豬糞厭氧消化過程的pH值和VFAs含量的影響

      pH值是反映厭氧消化順利進(jìn)行的重要指標(biāo)。本研究中濕發(fā)酵、半干發(fā)酵和干發(fā)酵3種類型的pH值均整體呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)(圖2)。厭氧消化初期,各組pH值迅速下降,在15 d時(shí)降至最低值,為5.2左右;而揮發(fā)性脂肪酸含量在該時(shí)期整體增加,15 d左右達(dá)到峰值,隨后VFAs含量逐漸降低,40 d后各組VFAs含量均降到7.0 mL/L及以下。推測(cè)這一時(shí)期豬糞中的有機(jī)物水解酸化產(chǎn)生大量VFAs且不能立即被產(chǎn)甲烷菌充分利用,進(jìn)而造成VFAs積累。為避免酸化,在發(fā)酵后15 d,用NaOH對(duì)系統(tǒng)pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)(pH值為7)。發(fā)酵30 d后各發(fā)酵系統(tǒng)的pH值均穩(wěn)定在6.5~8.1范圍內(nèi),且與VFAs總量的變化趨于一致。對(duì)于不同發(fā)酵類型,TS濃度對(duì)VAFs積累量的影響為TS16%>TS13%>TS10%>TS7%。

      在3種類型發(fā)酵中,豬糞固體的厭氧消化整體以產(chǎn)乙酸和丙酸為主(圖3),這同F(xiàn)ang等的研究結(jié)果[9]一致。當(dāng)豬糞TS濃度由7%增加到13%時(shí),乙酸平均含量在VFAs平均含量中的占比由19.58%增加到35.14%,但當(dāng)TS濃度增加到16%時(shí),乙酸平均含量在VFAs平均含量中的占比稍有降低(33.09%)。TS濃度為7%、10%、13%、16%條件下,丙酸平均含量在VFAs平均含量中的占比分別為59.47%、60.07%、47.67%、50.16%。在3種類型的豬糞厭氧消化中,丁酸含量較低,甲酸的含量極低,丙酸、丁酸含量均呈現(xiàn)先升高后降低

      的變化趨勢(shì),而乙酸含量在5 d和80 d左右出現(xiàn)了2個(gè)高峰期。這是由于在厭氧消化初始階段,豬糞中易降解有機(jī)物水解產(chǎn)生乙酸,所以出現(xiàn)第1個(gè)產(chǎn)乙酸的高峰;產(chǎn)甲烷微生物利用丙酸的速率低于利用乙酸和丁酸的速率[10],在發(fā)酵20~60 d 丙酸含量一直保持較高的水平,丙酸向乙酸的轉(zhuǎn)化可通過產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸途徑和產(chǎn)甲酸產(chǎn)乙酸途徑[11],圖3中甲酸含量一直保持在極低水平,由此推測(cè)產(chǎn)乙酸過程可能是沿著產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸途徑進(jìn)行的。由于丙酸的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸速率緩慢,所以60 d后,丙酸沿產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸途徑轉(zhuǎn)化為乙酸后,丙酸含量降低,乙酸含量增加,出現(xiàn)第2個(gè)產(chǎn)乙酸高峰。TS濃度為13%和16%的豬糞,乙酸平均含量較7%和10%的發(fā)酵組分別提高了287.69%、449.94%和10838%、195.59%。厭氧消化中,大約有72%的甲烷來自于乙酸的轉(zhuǎn)化[12],因此TS濃度為13%和16%的豬糞更有利于甲烷產(chǎn)量的提高。

      2.2 不同TS濃度下豬糞厭氧消化的NH4+-N含量變化

      NH4+-N既是微生物重要的氮源,也是影響厭氧消化過程穩(wěn)定性的重要因素,過高的NH4+-N含量會(huì)對(duì)厭氧消化過程產(chǎn)生抑制作用[13]。由圖4可知,NH4+-N含量隨豬糞TS濃度的增加而增加,TS濃度為13%、16%的豬糞,

      NH4+-N 含量最高可達(dá)2 319.2、3 012.1 mg/L,明顯高于其他組,由于NH4+-N是微生物可利用的氮源,2種TS濃度的豬糞,NH4+-N含量達(dá)到最大值后均開始波動(dòng)下降,75 d后,NH4+-N含量分別穩(wěn)定在1 500、2 000 mg/L左右。有研究表明,NH4+-N含量超過1 500 mg/L時(shí),對(duì)厭氧消化產(chǎn)生抑制作用[14],但4種TS濃度的豬糞在厭氧消化中均沒有產(chǎn)生氨抑制現(xiàn)象。

      2.3 不同TS濃度下豬糞厭氧消化的產(chǎn)氣特性

      由圖5可知,不同TS濃度的豬糞在厭氧消化20~35 d和60~80 d出現(xiàn)2次產(chǎn)氣高峰,TS濃度為7%和16%的豬糞,在第1次產(chǎn)氣高峰時(shí),日產(chǎn)氣量維持較高的水平,而TS濃度為13%的豬糞,在第2次產(chǎn)氣高峰,日產(chǎn)氣量明顯高于其他各組。對(duì)整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)各組的日產(chǎn)氣量計(jì)算平均值得到,TS濃度為7%、10%、13%、16%的發(fā)酵組日平均產(chǎn)氣量分別為2.43、2.41、3.02、2.78 mL/g。TS濃度為13%的發(fā)酵組日平均產(chǎn)氣量最高,并且其日平均產(chǎn)氣量較7%、10%、16%的發(fā)酵組提高了24.19%、26.23%、9.22%,累積TS產(chǎn)氣量達(dá)到 370.90 mL/g,也遠(yuǎn)高于其他組(圖6)。不同TS濃度的豬糞日甲烷產(chǎn)量均整體呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。TS濃度為7%的豬糞日甲烷產(chǎn)量整體最低,TS濃度為13%的豬糞,厭氧消化80 d時(shí)甲烷產(chǎn)量達(dá)到峰值(395.85 mL/d),高于其他各組產(chǎn)甲烷峰值的含量;另外,通過圖6發(fā)現(xiàn),TS濃度為16%的豬糞在發(fā)酵后期依然保持較高的甲烷產(chǎn)量,這主要是因?yàn)楦砂l(fā)酵中發(fā)酵液的黏度高,氣-固-液傳質(zhì)過程受阻礙[15],雖然TS濃度為16%的豬糞在發(fā)酵后期依然保持較高的甲烷產(chǎn)量,但其厭氧消化遲滯期也較長(zhǎng)。因此,從甲烷產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)性方面綜合考慮,TS濃度為13%的半干發(fā)酵更有利于豬糞的發(fā)酵產(chǎn)氣。為此,對(duì)發(fā)酵末期TS濃度為13%的豬糞發(fā)酵液進(jìn)行菌群結(jié)構(gòu)分析。

      2.4 發(fā)酵液優(yōu)勢(shì)微生物類群分析

      利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)TS濃度為13%的豬糞發(fā)酵后期的細(xì)菌和古菌菌群進(jìn)行分析,結(jié)果如圖7所示。厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)類細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)菌群,相對(duì)豐度分別達(dá)到29.5%、28.9%、25.5%和5.2%。其中厚壁菌門下的梭菌綱(Clostridia)及梭菌目(Clostridiales)類細(xì)菌在各分類單元中所占豐度分別達(dá)到27.7%和24.4%(圖7-a)。厚壁菌門(Firmicutes)類細(xì)菌是降解纖維素、長(zhǎng)鏈脂肪酸及其他有機(jī)物生成小分子物質(zhì)的主要菌類[16-17],也是厭氧消化污泥、糞便、廢水和餐廚垃圾等厭氧反應(yīng)器中常見優(yōu)勢(shì)菌群,其門下的梭菌綱類細(xì)菌是具有較強(qiáng)纖維素降解能力的厭氧或兼性厭氧菌群,發(fā)酵系統(tǒng)中含有較多的梭菌能夠促進(jìn)和提升微生物對(duì)纖維素的降解速率[18]。擬桿菌門類細(xì)菌則是利用大分子碳水化合物進(jìn)行降解產(chǎn)酸的主要菌群。本研究高通量測(cè)序結(jié)果表明,系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)菌群(厚壁菌門和擬桿菌門細(xì)菌)在豬糞厭氧發(fā)酵水解、產(chǎn)酸過程中發(fā)揮著了重要的作用。這與Antwi等對(duì)廢水厭氧發(fā)酵中的微生物群落結(jié)構(gòu)分析結(jié)果[19]相一致。廢水處理系統(tǒng)中參與丙酸型發(fā)酵的主要細(xì)菌是丙酸桿菌屬(Propionibacterium)類[20]。本研究中,系統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)生較高含量的丙酸,但高通量測(cè)序結(jié)果中的丙酸桿菌目(Propionibacteriaceae)和丙酸桿菌屬類細(xì)菌的相對(duì)豐度僅為0.2%和0.1%。這可能是菌群分析的樣品來自發(fā)酵末期,參與丙酸型發(fā)酵的細(xì)菌已退為次要地位所致。

      古菌是厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的重要類群。本研究對(duì)高通量測(cè)序結(jié)果中的古菌類群進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖7-b所示。產(chǎn)甲烷相關(guān)的古菌類,如廣古菌門(Euryarchaeota)中的甲烷微菌綱(Methanomicrobia)、熱原體綱(Thermoplasmata)及甲烷桿菌

      綱(Methanobacteria)所占豐度分別為29.6%、0.6%和0.5%。在目、科和屬的分類水平上,甲烷球菌目(Methanosarcinales)、甲烷微菌目(Methanomicrobiales)和甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)及甲烷絲菌屬(Methanothrix)、甲烷八疊球菌屬(Methanosarcina)所占豐度分別達(dá)到20.8%、8.8%、17.2%及17.2%、3.6%。甲烷球菌可以H2、CO2和甲酸鹽為底物產(chǎn)生CH4,甲烷鬃菌和甲烷微菌可利用H2或甲酸鹽還原CO2生成CH4[21],甲烷絲菌利用乙酸為底物產(chǎn)生CH4和CO2,甲烷八疊球菌屬可利用底物廣泛,能以乙酸、甲醇、三甲胺和CO2等為底物形成CH4[22]。發(fā)酵系統(tǒng)中的甲烷球菌目(Methanosarcinales)、甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)和甲烷絲菌屬(Methanothrix)為優(yōu)勢(shì)古菌菌群,它們能充分利用豬糞酸化水解產(chǎn)物產(chǎn)生CH4,這也是TS濃度為13%的豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)生較高含量甲烷重要原因之一。

      3 討論

      VFAs為產(chǎn)甲烷菌可利用的碳源,各有機(jī)酸的分布對(duì)厭氧發(fā)酵的順利進(jìn)行和產(chǎn)甲烷性能影響很大。本試驗(yàn)中,以豬糞固體進(jìn)行厭氧消化,VFAs以乙酸和丙酸為主,并有少量丁酸和微量甲酸,這不同于趙杰紅等對(duì)廚余垃圾的研究,趙杰紅等在研究廚余垃圾厭氧消化水解酸化時(shí)發(fā)現(xiàn),VFAs中以甲酸和乙酸為主,并有少量丙酸和丁酸產(chǎn)生,同時(shí)乳酸濃度一直較高[23];張波等對(duì)廚余廢物進(jìn)行厭氧消化發(fā)現(xiàn),pH值為7時(shí),VFAs以丁酸和乙酸為主,丙酸很少[24]。雖然本試驗(yàn)中丙酸濃度高,但系統(tǒng)并沒有出現(xiàn)酸化現(xiàn)象,而且發(fā)酵后期,大量的丙酸向乙酸轉(zhuǎn)化,這在TS濃度為16%的豬糞發(fā)酵中尤為明顯。丙酸向乙酸的轉(zhuǎn)化可通過產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸途徑和產(chǎn)甲酸產(chǎn)乙酸途徑,試驗(yàn)中檢測(cè)到極低的甲酸含量,推測(cè)丙酸向乙酸的轉(zhuǎn)化可能是通過產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸途徑。pH值在5~7范圍內(nèi)時(shí)為丙酸型發(fā)酵,丙酸型發(fā)酵的主要細(xì)菌是丙酸桿菌屬(Propionibacterium),但試驗(yàn)中丙酸桿菌屬的相對(duì)豐度僅為 0.1%,這可能是發(fā)酵樣品取自發(fā)酵末期,丙酸桿菌屬菌群進(jìn)入衰退期造成的。

      4 結(jié)論

      豬糞固體厭氧消化的濕發(fā)酵、半干發(fā)酵和干發(fā)酵都以產(chǎn)乙酸和丙酸為主,并有少量丁酸和微量的甲酸。TS濃度為13%的豬糞,乙酸平均含量占VFAs平均含量的比例最高,達(dá)35.14%,累積TS產(chǎn)氣量和日均產(chǎn)氣量分別為370.90 mL/g和 3.02 mL/g,高于其他各組。

      TS濃度為13%的豬糞厭氧發(fā)酵液,優(yōu)勢(shì)細(xì)菌菌群為厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)和變形菌門(Proteobacteria),相對(duì)豐度分別為29.5%、28.9%和25.5%,甲烷球菌目(Methanosarcinales)、甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)和甲烷絲菌屬(Methanothrix)為優(yōu)勢(shì)微生物古菌菌群。

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