摘要：厌氧发酵是一项多种微生物参与的处理有机废弃物的技术，目前正成为处理、利用城市垃圾、工业有机废水、畜禽粪便和污水厂剩余污泥最有效、前景最广阔的手段之一。在此过程中微生物生长不仅需要碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）等大量元素，而且需要多种微量元素。微量元素是维持厌氧微生物生长代谢和厌氧发酵酶系统活性的重要组成成分。微量元素铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）等能够促进产甲烷菌的生长和激活酶的活性，进而加快甲烷的生物合成。微量元素的刺激和拮抗作用对沼气工程的稳定运行起重要作用，在其他影响厌氧发酵的因素都正常的条件下，其不足往往会是导致厌氧发酵系统运行稳定性和产气量下降的首要原因。
关键词：微量元素；沼气厌氧发酵；生物有效性
1 引言
微量元素对于产甲烷菌的生长和活性是非常重要的。在沼气发酵过程中，微量元素的不足可能会导致厌氧系统运行不稳定及有机物降解不完全等问题。微量元素不仅参与合成厌氧微生物，还常常作为辅酶、辅基、辅因子的成分出现在厌氧发酵微生物的酶系统中，并且对厌氧发酵的产甲烷阶段起着重要调控作用。由于对产甲烷菌微量元素需求认识不足，已经阻碍了厌氧消化过程的应用和发展。
2 微量元素对甲烷日产量的影响
不同添加频率实验组的日产气量、累积产气量随时间变化过程。各组试验的产气过程均出现了峰值，随后逐渐波动减小。A组在第3天开始产气，整个反应过程中产气不稳定，出现3次产气中断现象，产气波动较大，累积产气量为6580mL;B组在第2天开始产气，此后一直稳定产气，无中断现象，累计产气量达到10620mL;其它试验组也有与B组相似的反应趋势，产气与A组相比波动均较小，累积产气量分别为C组8090mL、D组7470ml、E组7180mL、F组6500mL。
3 微量元素对pH值的影响
当有机负荷为1～3g/(L•d)时，处理组和对照组的pH值基本稳定维持在7.0～7.5之间，处于产甲烷菌的合适pH值6.5～7.5范围内。当有机负荷提高为4g/(L•d)后，对照组经过10d左右的稳定消化后，pH值便由7.2迅速降为5.24。造成这种现象的原因可能是对照组水解阶段产生的挥发性脂肪酸不能够进一步转化为乙酸和氢气，或者产生的乙酸不能及时被产甲烷菌利用而产生累积。而当pH值低于6.0时，产甲烷菌的生长代谢和繁殖就会受到抑制，进而对整个厌氧发酵过程产生严重的不利影响，因此对照组在有机负荷为4g/(L•d)时厌氧发酵失败。发现将FeC12、NiC12和CoC12直接投入厌氧反应器后，反应器内产甲烷菌的优势菌种从甲烷丝菌转变成了甲烷八叠球菌，而后者的乙酸利用速率比前者高3～5倍。此外，发现在以丙酸为底物进行厌氧发酵的UASB反应器中，长期缺乏微量元素Se、Mo、W时，产甲烷菌的活性会大大下降，因此处理组中添加微量元素Fe、Co、Ni、Se、Mo、W可能加快了产甲烷菌对挥发性脂肪酸的利用速率从而使pH值维持在7.2左右，保证了厌氧发酵的稳定运行。
4 微量元素对产气量变化的影响
不同微量元素的添加对养猪废水厌氧发酵7天产气量的影响如图3所示(7d后产气量很小，故以7天的产气量为准)。各反应器的累积产气量分别为100mL，131mL，132mL，159mL，94mL，与空白试验对比1，2，3，4号产气量分别提高了6．50%，39．36%，40．42%和61．70%。且其中的沼气含量在10%～35%之间，4号反应器中的沼气含量达到35%左右。其余的主要成分为CO2、H2及少量H2S。这可能是铁、钴、镍元素促进产甲烷菌的繁殖，提高了乙酸的利用率。同时加入铁、钴、镍的反应装置产气速率最快，累积产气量最大为158mL;且发现对产甲烷相的促进作用镍＞钴＞铁。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆铁、钴、镍能够促进产甲烷菌的生长和激活酶的活性，使甲烷菌向优势菌种转移，提高乙酸的利用率、产甲烷量等。进而加快甲烷的生物合成，促进厌氧发酵反应的进行。所以厌氧发酵产甲烷相同时加入10mg/L的铁、钴、镍能较快的促进反应进程。
5 微量元素添加频率对辅酶F420的影响
辅酶F420的含量作为评价厌氧消化器中产甲烷菌活力的指标。辅酶F420是产甲烷菌特有的物质，主要是作为低电位电子转移载体，在甲烷形成过程中起着重要的作用，可以用来反应厌氧底物的活性。开始时各试验组的辅酶F420含量略有不同，主要是因为接种物中产甲烷菌的菌群数量不可能完全一致，所以会略有差别。发酵开始后，各组F420浓度的变化趋势基本相似，都是先增长后下降，只有A组出现了先下降后增长再下降的趋势。B组在14天时辅酶F420含量达到最高，说明此时甲烷菌活性最强，厌氧发酵达到旺盛时期。其它各组的F420浓度也有一定的提高，而空白组A出现了下降趋势，可能是由于酸的的积累使产甲烷菌活性降低，使辅酶F420浓度下降。从实验结果可知，添加Fe、Co、Ni的各试验组在发酵反应一段时间后，F420浓度达到峰值，此时B组F420浓度高于其它各组。这可能是由于微量元素Fe、Co、Ni是产甲烷过程中各种反应所需要的酶的重要组成部分，直接添加微量元素，能够抑制同型产乙酸菌的活性，刺激产甲烷菌的生长，使产甲烷菌在混合菌体中有较高的竞争优势。另外，各实验中每天添加微量元素的方式可能使反应器中产生了更多的生物配位体而更有利于微量元素被生物有效利用。
6 微量元素添加频率对TS和VS降解率的影响
厌氧消化过程中，有机物被微生物降解产生沼气。TS、VS降解率主要反映原料及原料中有机质的转化潜力。B试验组发酵料液TS、VS降解程度最大(56．8%、69．7%)，TS、VS产气率分别为245、257mL/g;而A组的降解程度较小(40．7%、47．4%)，其TS、VS产气率分别为212、234mL/g。B试验组TS、VS降解率相对A组分别提高16．1%和22．3%，表明每1天添加微量元素更有利于有机物的降解，为产甲烷微生物提供充足的营养成分，一定范围内较高的添加频率能够起到促进有机物降解的作用。
7 微量元素对SCODcr质量浓度的影响
有机负荷为3g/(L•d)的厌氧发酵中后期，对照组的可溶性COD(SCODcr)比处理组稍高，但此时对照组仍能够稳定运行。随着有机负荷提高为4g/(L•d)，处理组和对照组的SCODcr的质量浓度均有较明显的上升，说明此条件下厌氧发酵体系中餐厨垃圾被不断分解，可溶性有机物含量不断增加。对照组由于缺乏充足的微量营养元素使产甲烷菌活性和酶活性降低，导致厌氧发酵系统对有机物的降解能力降低，大量可溶性有机物不能够转化为甲烷，而处理组中由于添加了微量元素溶液，加快了产甲烷过程，使部分可溶性有机物转化为甲烷，因此处理组的SCODcr质量浓度比对照组低。
8 结语
在充分认识到微量元素对厌氧发酵的积极作用的同时，也要清晰的认识到外源添加微量元素潜在的环境风险。针对当前国内外学者对微量元素添加可能会造成重金属污染这一问题认识的不足，在下一步的研究中不仅要充分考虑微量元素在促进厌氧发酵产气方面的作用，也不能忽视其对环境造成的负面影响。在进一步的研究中应根据不同的发酵原料和工艺，优化最佳微量元素添加量，保证厌氧发酵稳定运行的同时，尽可能的减少重金属的累积；其次重点开展对环境负面作用较小的过渡元素铁在厌氧发酵中的应用研究，尽量避免添加对土壤有污染的重金属如铜、锌、镍等。
参考文献
[1]李秀芬,胡庆昊,陈坚.微量金属元素及其螯合剂对厌氧消化产甲烷过程的影响[J].安全与环境学报.2019(02).
[2]陈琳,谷洁,高华,秦清军,王小娟,陈智学.Cu对厌氧发酵中水解酶活性及沼气产量的影响[J].农业工程学报.2018(09).
论文作者:高明艳
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/17
标签：甲烷论文; 微量元素论文; 气量论文; 活性论文; 辅酶论文; 有机物论文; 沼气论文; 《基层建设》2019年第12期论文;