重金属锌对鸡粪厌氧消化产甲烷特性的影响

陈 芬， 余 高， 李筱梅， 卜玉山

(1.铜仁学院 乌江学院， 贵州 铜仁 554300； 2.山西农业大学 资源与环境学院， 山西 太谷 030801)

随着我国规模化种植养殖业生产的迅速发展，伴随而来的是作物秸秆和畜禽粪便等有机固体废弃物的大量产生，研究统计表明，我国每年产生7多亿t的秸秆和60多亿t 的畜禽粪便[1-3]，是我国环境的重要污染源之一，因此，对其进行资源化利用已成为目前研究的热点。厌氧消化处理不仅可以解决环境污染问题，而且可以得到甲烷清洁能源，同时沼液沼渣中含有丰富的氨基酸和微量元素，可以作为优质的有机肥料[4-5]。

然而，由于经济效益的需求，养殖过程中大量使用了Cu和Zn等微量元素添加剂[6]，而畜禽对这些重金属元素的吸收率很低，95%以上随粪便排出，导致粪便中含有较高浓度的Cu和Zn等重金属[7-8]。而高浓度的重金属对厌氧消化产生严重的毒害作用[9]，且金属元素种类不同，浓度各异，消化底物不同，对厌氧消化过程的影响也存在较大差别[10]。目前，关于重金属对畜禽粪便厌氧消化影响的研究，主要集中于Cu对厌氧消化的影响，张婷[11]等研究结果表明，在剩余污泥和餐厨垃圾两种有机废弃物联合发酵中添加Cu浓度为20.0 mg·kg-1时，可以有效提高厌氧消化潜力；陈琳[12]等研究结果表明，不同Cu浓度处理的猪粪小麦秸秆的累积产沼气量从大到小顺序为：CK(Cu含量为49.7 mg·kg-1)>L(349.7 mg·kg-1)>M(649.7 mg·kg-1)>H(949.7 mg·kg-1)；Yue[13]等研究结果表明Cu浓度低于413 mg·kg-1时可提高甲烷产量，高于1358 mg·kg-1时，则明显抑制甲烷产量，而 Zn对厌氧消化影响的研究报道较少。有研究表明，在鸡粪、猪粪、牛粪和羊粪等畜禽粪便中，鸡粪中Zn浓度最高，为74.2～1503.4 mg·kg-1[13-14]，且由于鸡粪中含有较高含量的蛋白质，导致其C/N偏低，严重影响厌氧消化进程[16]。

因此，本试验以鸡粪为主要消化底物，玉米秸秆为调节剂，添加不同浓度Zn，并在高温(55℃)条件下进行厌氧消化试验，通过分析不同浓度Zn对厌氧消化过程中甲烷产生量、挥发性脂肪酸(VFA)含量，pH值，水解酶活性的影响，同时分析了水解酶活性与累积甲烷产生量之间的关系，以期为提高有机废弃物产甲烷率，实现其高效资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

鸡粪取自山西应县文庄象丰种鸡场，玉米秸秆取自山西农业大学资源环境学院试验站，样品风干去杂粉碎后备用；接种物，取自山西省高平市农村产气良好的沼气池，总固体质量(total solid，TS)分数为6%。鸡粪、玉米秸秆及接种物主要成分及含量见表1。每个厌氧消化反应器内加入反应料液900 g，其中预处理后鸡粪18.4 g，玉米秸秆26.1 g，接种物270 g，蒸馏水590 g。试验材料本身共含Zn 154.2 mg·kg-1(Zn含量以干物质量计算)，其中鸡粪含Zn 133.2 mg·kg-1，玉米秸秆含Zn 1.6 mg·kg-1，接种物含Zn 19.4 mg·kg-1。

表1 供试材料基本理化性质

1.2 试验装置

试验装置主要由3部分组成，分别为1 L的厌氧消化反应器，1 L的0.5 mol·L-1NaOH溶液瓶[17-18]和1 L的集NaOH溶液瓶，集NaOH溶液瓶用于收集NaOH溶液瓶中排出来的NaOH，测定其体积以代表甲烷产生量[17-18]。消化装置置于55℃高温老化恒温培养箱(140 cm×120 cm×170 cm)中，厌氧消化反应器，NaOH溶液瓶和集NaOH溶液瓶瓶口均用橡胶塞塞紧，各部分均用乳胶管连接，所有接口处均用凡士林密封。

1.3 试验设计

取预处理后的鸡粪和玉米秸秆，根据鸡粪、玉米秸秆和接种物的含水率及C/N加水调至总固体质量分数为6%，C/N=25∶1。根据畜禽粪便中Zn的含量状况及本课题组前期试验结果[19]，本试验共设6个处理(见表2)，即不添加外源Zn(CK)；添加外源Zn为干物质量的100 mg·kg-1(Zn100)；添加外源Zn为干物质量的200 mg·kg-1(Zn200)；添加外源Zn为干物质量的300 mg·kg-1(Zn300)；添加外源Zn为干物质量的400 mg·kg-1(Zn400)；添加外源Zn为干物质量的500 mg·kg-1(Zn500)，将ZnSO4溶液与消化物料充分混匀后装入消化反应器内进行厌氧消化试验，3次重复，每天下午6:00记录产甲烷量，分别在厌氧消化初期和末期取样进行TS，VFA，pH值、水解酶活性等相关指标的测定。

表2 试验设计(以干物质量计) (mg·kg-1)

1.4 试验方法

试验材料TS含量采用烘干法[20]；总有机碳(TOC)含量采用重铬酸钾容量法(NY525-2012)；全氮(TN)含量采用凯氏定氮法[21]；C/N=TOC/TN；Zn含量采用硝酸-高氯酸消解—原子吸收分光光度法[19]；挥发性脂肪酸(VFA)总含量采用比色法测定[17]；pH值采用PHSJ-5型pH酸度计进行测定；水解酶活性测定方法参照关松荫的方法[22]。

1.5 数据处理

数据采用Excel2013和SPASS 20软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度Zn处理厌氧消化甲烷生产量差异

由图1可见，不同浓度的Zn处理均在试验的第1天即开始产甲烷，第30天停止，且在试验期间日甲烷产生量均先降低后升高再降低，直至停止产气。CK处理日甲烷产生量在第1天就达到最大值，为845 mL，Zn100，Zn200，Zn300处理最大值出现在第8～9天，分别为795，893，871 mL，均与CK差异不显著，而Zn400，Zn500处理最大值出现在第11～12天，分别为762，743 mL，较CK显著降低9.8%，12.1%(p≤0.05)。结果表明，当鸡粪中的Zn≤454.2 mg·kg-1时可使日甲烷产生量较早出现最大值，而Zn≥554.2 mg·kg-1时可推迟日甲烷产生量最大值出现时间。

由图2可见，在整个厌氧消化过程中CK，Zn100，Zn200，Zn300处理累积甲烷产生量分别为9622，9915，10368，10011 mL，Zn200处理显著高于CK7.2%(p≤0.05)，Zn100，Zn300处理均高于CK，但二者均与CK差异不显著，而Zn400，Zn500处理累积甲烷产生量分别为8866，8588 mL，较CK显著降低7.9%，10.7%(p≤0.05)。结果表明，当鸡粪中Zn≤454.2 mg·kg-1时，促进厌氧消化的进行，而Zn≥554.2 mg·kg-1时，显著抑制厌氧消化的进行，降低累积甲烷产生量。这可能是因为低浓度Zn对厌氧微生物活性具有一定的激活效应，提高微生物群落对聚合物类碳源的转化和利用能力，累积甲烷产生量升高，反之，累积甲烷产生量减少[19,23]。

图1 不同浓度Zn处理甲烷日产量变化趋势

图2 不同浓度Zn处理累积甲烷产量的差异

2.2 不同浓度Zn处理厌氧消化前后沼液中VFA浓度变化分析

VFA是厌氧消化过程的重要中间产物，甲烷菌主要利用VFA形成甲烷[4]。由图3可见，CK、添加Zn处理消化起始沼液中的VFA浓度分别为5866.7 mg·L-1和5906.7～5996.3 mg·L-1，添加Zn处理沼液中的VFA浓度均与CK差异不显著，说明Zn对消化起始沼液中的VFA浓度影响不明显。消化结束后，CK和添加Zn处理沼液中的VFA浓度均有不同程度的下降，分别下降到4273.3 mg·L-1和4276.7～4586.3 mg·L-1，除Zn100，Zn200处理与CK差异不显著，其余加Zn处理均显著高于CK(p≤0.05)，说明了添加Zn可提高消化末期沼液中的VFA浓度，此研究结果与李亚红[24]等人研究结果一致。分析其原因，主要是因为高浓度Zn对甲烷菌产生较强的毒害作用，使甲烷菌活性降低，VFA分解率下降，并出现积累，导致沼液中VFA浓度升高。

图3 厌氧消化前后沼液中VFA浓度变化

2.3 不同浓度Zn处理厌氧消化前后沼液pH值变化分析

一般认为甲烷菌适宜的pH值为6.8～7.8，低于6.5或高于8.0都会对其产生明显的抑制[25]。由图4可见，不同处理厌氧消化起始pH值为7.2～7.7，有利于甲烷菌的生长，且添加Zn处理沼液pH值均与CK差异不显著，说明Zn对消化起始沼液的pH值影响不明显。消化结束后，CK和添加Zn处理沼液pH值均有不同程度的升高，分别升高到8.0和8.2～8.5，除Zn100处理与CK差异不显著，其余加Zn处理均显著低于CK(p≤0.05)，且沼液pH值随Zn浓度的升高而降低，说明添加Zn会对沼液pH值产生明显的影响。分析其原因，主要是因为高浓度的Zn导致沼液中VFA的积累(见图3)，从而使其pH值下降。

图4 厌氧消化始末沼液的pH值

2.4 不同浓度Zn对沼液中水解酶活性的影响

厌氧消化分为水解、产氢产乙酸和产甲烷3个阶段[17]，其中，消化底物不同，工艺条件不同，厌氧消化的限速步骤也处在不同阶段，有研究表明，以鸡粪为消化底物时，水解阶段是整个厌氧消化过程的限速步骤[26]，而纤维素酶、蔗糖酶、脲酶等水解酶活性高低又决定着水解的速度，因而水解酶活性与沼气产量存在着直接的关系[19，27]。由图5可见，CK，Zn100，Zn200，Zn300，Zn400，Zn500处理沼液中的纤维素酶活性分别为4.52，4.86，4.73，4.61，3.34，3.22 mg·g-1d-1，Zn100，Zn200，Zn300处理均高于CK，但差异不显著，而Zn400，Zn500处理较CK显著降低26.1%，28.8%(p≤0.05)。同样，Zn100，Zn200，Zn300处理沼液中的蔗糖酶活性均高于CK，但差异不明显，而Zn400，Zn500处理均显著低于CK(p≤0.05)。对沼液中的脲酶活性而言，Zn100，Zn200，Zn300处理高于CK，Zn400，Zn500处理低于CK，但不同处理均与CK之间差异不明显。结果表明，Zn浓度是影响沼液中水解酶活性高低的重要影响因素之一。当鸡粪中的Zn≤454.2 mg·kg-1时，Zn对沼液中的微生物存在刺激作用，改变微生物群落结构及数量，有利于水解酶相关类群微生物的生长，提高纤维素酶和蔗糖酶活性[19,28]，当Zn≥554.2 mg·kg-1时，Zn与水解酶活性中心的活性基团结合，形成金属螯合物或金属络合物，改变其正常的生理代谢功能，降低代谢强度，进而对纤维素酶、蔗糖酶活性产生明显的抑制作用[29]。

图5 厌氧消化沼液中水解酶活性变化

2.5 沼液中水解酶活性与累积甲烷产生量的关系

由表3可见，不同浓度Zn处理沼液中的纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性与其累积甲烷产生量均呈显著正相关(p≤0.05)。表明沼液中水解酶活性的高低会对其累积甲烷产生量产生明显的影响，水解酶活性越高，其累积甲烷产生量越高，反之，其累积甲烷产生量越低，这与陈琳[12]，陈芬[19]等人的研究结果一致。主要是因为纤维素、蔗糖和含氮有机物能为厌氧微生物的生长提供足够的碳源、能源和氮源[30]，纤维素酶和蔗糖酶活性的提高，可有效降解沼液中的纤维素和蔗糖，加速反应进程，提高甲烷产生量[19]，同时，蛋白质等含氮有机物在脲酶作用下转化为氨氮是一个相对缓慢的过程，对甲烷产生的抑制作用很弱，主要表现为促进甲烷的产生[31]。可见，在厌氧消化过程中，Zn对水解酶活性的影响是影响其累积甲烷产生量的因素之一。

表3 沼液中纤维素酶、蔗糖酶、脲酶活性与累积产甲烷量的相关系数 (mg·g-1d-1)

注：*表示p≤0.05，**表示p≤0.01。

3 结论

(1)厌氧消化过程中，随着鸡粪中 Zn浓度的增加，累积甲烷产生量呈先升高后降低的趋势，当Zn≤454.2 mg·kg-1时可使日甲烷产生量最大值较早出现，并对厌氧消化有一定的促进作用，当Zn≥554.2 mg·kg-1时可推迟甲烷产生量最大值出现时间，并对厌氧消化产生明显的抑制作用(p≤0.05)。

(2)Zn 对沼液中的 VFA浓度和 pH值产生明显的影响。

(3)Zn 浓度是影响沼液中水解酶活性的重要影响因素之一，当 Zn≤454.2 mg·kg-1时，可提高纤维素酶和蔗糖酶活性，当Zn≥554.2 mg·kg-1时，对纤维素酶和蔗糖酶活性产生明显的抑制作用，但Zn 浓度对沼液中脲酶活性的影响不显著。

(4)沼液中的纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活性与其累积产甲烷产生量均呈显著正相关(p≤0.05)。