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不同菌群对黄姜废渣厌氧消化产沼气的性质研究



全 文 :第 4期 Environmental Science & Technology
第 38卷 第 4期
2015年 4月
Vol. 38 No.4
Apr. 2015
《环境科学与技术》编辑部:(网址)http://fjks.chinajournal.net.cn(电话)027-87643502(电子信箱)hjkxyjs@vip.126.com
收稿日期:2014-06-30;修回 2014-08-10
基金项目:国家自然基金面上项目:秸秆沼气厌氧发酵中纤维素分解的微生态解析(31370506);国家自然基金面上项目:三峡水库碳排放机制研究
(41273110)
作者简介:罗彬(1989-),男,硕士研究生,研究方向有机废弃物资源化利用,(电子信箱)lbjames0518@163.com;*通讯作者,李宁,(电子信箱)jglixh@
163.com(电子信箱);吕育财,lv_yucai@ctgu.edu.cn。
黄姜为我国特有物种,是提取皂甙的重要原料,
每年产量约 3 000 t[1],主要分布于湖北、湖南、四川、陕
西秦岭以南及四川等地[2]。近年,随着皂甙需求的增
加,刺激黄姜种植、提炼等相关产业的发展。然而,我
罗彬,李宁,吕育财,等.不同菌群对黄姜废渣厌氧消化产沼气的性质研究[J].环境科学与技术,2015,38(4):33-39.LuoBin,LiNing,LYuYucai,etal.
Research of characters on biogas production of the yam residue anaerobic digestion in different bacteria[J].EnvironmentalScience&Technology,2015,38
(4):33-39.
不同菌群对黄姜废渣厌氧消化产沼气的性质研究
罗彬 1, 李宁 2*, 吕育财 1*, 郭金玲 1, 龚大春 1, 肖尚斌 2, 姚义 1, 赵春霞 1
(1.三峡大学生物与制药学院; 2.三峡大学水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)
摘 要:该研究以探索不同菌群对黄姜废渣厌氧消化产沼气的性质为目的,分别以酵母废水活性污泥和实验室驯化的秸秆分
解产甲烷菌群为产沼气菌源进行发酵,通过监测厌氧发酵过程中的甲烷生产效率、纤维素酶活性等指标,评价黄姜废渣厌氧发酵
产甲烷的能力,同时考察纤维素分解菌群 WDC2 的加入对黄姜废渣产沼气的影响。该研究对有效处理黄姜皂素生产废渣、促进区
域环境安全具有重要意义。结果表明:黄姜废渣在产甲烷菌群的作用下均能生成大量沼气,最高日产气量为可达到 2 701 mL/d,
最大产气效率为 855 mL/g。酵母废水活性污泥产气效率明显优于秸秆分解产甲烷菌群。加入 WDC2 菌群能显著提高厌氧消化的
前期纤维素酶活力,最高酶活分别为达到 1.22 U/mL 和 9.42 U/mL,但 WDC2 的加入并没有对发酵体系的产甲烷效率产生明显
的促进作用。
关键词:黄姜废渣; 活性污泥; 产甲烷菌; 沼气
中图分类号:X705 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1003-6504.2015.04.007 文章编号:1003-6504(2015)04-0033-07
Research of Characters on Biogas Production of the Yam Residue
Anaerobic Digestion in Different Bacteria
LUO Bin1, LI Ning2*, LYU Yucai1*, GUO Jinling1, GONG Dachun1,
XIAO Shangbin2, YAO Yi1, ZHAO Chunxia1
(1.College of Biology and Pharmacy,Three Gorges University;
2.College of Water Resource and Environment,Three Gorges University,Yichang 443002,China)
Abstract:This study explored the characteristics of bacteria producing biogas by anaerobic digestion in yam waste. Bacteria
source,respectively from activated sludge of yeast waste water and straw decomposition methanogenic bacteria by laboratory
acclimating,were fermentated continuously for 58 days to study the biogas production. While,the influence of adding
cellulose -decomposing WDC2 bacteria were investigated. The indicators of methane production efficiency and cellulase
activity were monitored to evaluate the ability of anaerobic fermentation producing methane in sapogenin waste. The results
showed that methanogenic bacteria could produce large amounts of methane in turmeric waste and the highest daily gas
production was up to 2 701 mL,the maximum gas production efficiency was 855 mL/g. Meanwhile,the gas production
efficiency of bacteria from yeast wastewater sludge was much better than straw decomposition methanogenic bacteria.
Adding WDC2 bacteria could significantly improve the cellulase activity of anaerobic digestion process early. The cellulase
activity and xylanase activity were the highest 1.22 U/mL and 9.42 U/mL. But adding WDC2 bacteria had no effect on the
efficiency of the production of methane fermentation system.
Key words:residue of yam;activated sludge;methanogenic bacteria;biogas
第 38卷
国目前的黄姜提取生产工艺落后,技术含量低,由此
产生的黄姜废渣及废水处理困难,威胁区域环境安全。
目前黄姜废渣的处理方法主要包括以下几类:
(1)制备复合材料,黄姜废渣中富含纤维素和木质素,
可用于包装、板材等相关材料的制备;毕亚凡等[3]研究
发现,在一定的温度和压力下,将黄姜废渣与一定比
例胶黏剂和固化剂混合,经过处理工艺后,可以制成
人造板等材料。(2)制备饲料、肥料;赵同根等[4]将黄姜
废渣用氢氧化钾,碳酸氢铵,草木灰等碱性物质中和
后制成肥料。(3)生产食用菌,据研究发现黄姜废渣的
成分与食用菌生产的原料基质类似,可以用来生产食
用菌[5]。(4)制备活性炭,钟世彬等[6]将黄姜废渣制成活
性炭和型煤,得到的产品其吸附能力和脱色都要强于
商业颗粒活性炭。此外,黄姜废渣处理的方法也在不
断被创新和发展,李冬等[7]提出淀粉、纤维预分离资源
化工艺,分解纤维素生产酒精,淀粉收率在 25%左右,
皂素收率平均为 2.57%,比传统工艺提高了 4.9%。李
美秀等[8]还利用“酸-菌-霉”法结合工艺对黄姜废渣进
行降解,确定了最佳糖化工艺条件以制备还原糖。但
这些对黄姜废渣处理的研究起步较晚,获得的成果
也较少,在生产实践上也没有积累足够的经验。
黄姜废渣中含有丰富的木质纤维素在废渣处理
中往往容易被忽视。其主要成分为:纤维素 17.05%,半
纤维素 24.02%,木质素 10.40%,淀粉 33.69%,水分
4.35%。随着能源和环境问题越来越紧迫,开发清洁的
新能源已势在必行,沼气作为新能源的一种已被广泛
利用。快速、高效地分解纤维素以及半纤维素,使之转
化成沼气来燃烧,既经济又环保[9]。本研究拟采用生物
法分解黄姜废渣中的有机物质,使之转化为甲烷等生
物能源,探索黄姜废渣甲烷转化过程中的生物学特征
及产甲烷潜力。为在皂素工业生产中产生的有机物废
渣的处理提供一种新的思路。
1 材料与方法
1.1 实验材料及菌源
黄姜废渣取自湖北宜昌,晒干后粉碎成粉末,过
40目筛备用。厌氧消化菌源选用酵母废水处理活性污
泥与本实验室驯化油菜秸秆分解产甲烷菌群,此外,
实验中为增加黄姜废渣在发酵期间纤维素分解的效
果,部分处理被投入纤维素分解菌复合系WDC2。
1.2 实验设置
依据使用菌源种类,实验设置 4 个处理:a.酵母
废水处理活性污泥(简称 E,下同);b.酵母废水处理活
性污泥加入纤维素分解菌群WDC2(简称 EW,下同);
c.本实验室驯化油菜秸秆分解产甲烷菌群(简称 S,下
同);d.本实验室驯化油菜秸秆分解产甲烷菌群加入纤
维素分解菌群WDC2(简称 SW,下同)。同时,分别向
a,c处理投入等量的灭活WDC2菌群,以平衡WDC2
菌群的加入导致 b、d处理 COD含量的升高。将上述
4 个处理的菌群分别投入到自制的 1 L 小型厌氧发
酵反应装置,每个反应装置补充加入黄姜废渣 8 g、
猫粮 0.8 g(作为氮源),水定容至 1 L,密闭,利用集
气袋收集发酵过程中释放的气体。每个处理 3次重
复。所有反应装置置于 50 ℃培养。每天定时摇匀 3
次,培养 58 d。
1.3 pH
发酵液样品利用 pH计(上海雷磁 PHS-3C型)检
测 pH。
1.4 产气量及甲烷含量的检测
利用排水法检测集气袋收集的气体的体积。利用
气相色谱法测定收集气体的甲烷含量[10]。气相色谱仪
(上海天美 GC7890F)仪器条件为:柱温 50 ℃、进样口
温度 50 ℃、检测 150 ℃、总流量 0.2 MPa,氢气分压
0.1 MPa、氮气压力 0.3 MPa,空气分压 0.14 MPa)。色
谱柱为填充柱 GDX-502,氢火焰离子化检测器(FID)。
利用甲烷标气(100%)稀释的梯度含量标气绘制标准
曲线,检测发酵气体的甲烷含量。
1.5 纤维素酶活
纤维素酶活的分析多采用 3,5-二硝基水杨酸
(DNS)法测检测[11-13]。取适当稀释的酶液 0.5 mL,加
入 1.5 mL质量分数为 1%的羧甲基纤维素钠溶液(溶
于 pH 4.8,0.1 mol/L,HAc-NaAc 缓冲液中),50 ℃保
温 30 min,加入 3 mL DNS,沸水浴 10 min,冷却后加
水至 25 mL,在 540 nm处测定还原糖含量。
1.6 木聚糖酶活
木聚糖酶活分析也采用 DNS法测[13-14]。取适当稀
释的酶液 2 mL,加入 2 mL质量分数为 1%的木聚糖
溶液(溶于 pH 5.0,0.1 mol/L,HAc-NaAc缓冲液中),
50 ℃保温 15 min,加入 5 mL DNS,沸水浴 10 min,冷
却后加水至 25 mL,在 540 nm处测定还原糖含量。
1.7 化学需氧量
COD分析采用重铬酸钾法[15-16]。将发酵液离心
(3 000 r/min),取上清液,稀释至适当浓度范围。取
2 mL稀释液,加入 3 mL消解液(5 g Ag2SO4溶于
500 mL浓 H2SO4在与 0.25 mol/L的重铬酸钾溶液按
3∶1比例混合),混合均匀,放入 COD快速消解仪(江
苏盛奥 6B-12COD 智能消解仪)中消解,冷却后在
600 nm处检测吸光度值。
2 结果与讨论
34
第 4期
2.1 黄姜废渣厌氧消化过程 pH变化
4类菌群在分解黄姜废渣转化沼气过程中的 pH
变化被监测,结果如图 1所示。在黄姜废渣厌氧消化
产沼气的过程中,以高浓度酵母废水活性污泥为菌源
的 E、EW处理的 pH值变化趋势相似且波动幅度较
小,试验开始后缓慢下降,之后缓慢上升,20 d后 pH
值稳定在 8.0左右,直至试验结束。以油菜秸秆产甲烷
菌群为菌源的 S、SW处理的 pH值变化幅度较剧烈,
先急速下降后急速上升,S处理和 SW处理分别在第
23天和第 9天达到最小值,分别为 5.3和 5.8,在试验
结束时的第 58天达到最大值,分别为 7.7和 7.8。
pH能够反映厌氧消化体系的发酵状态。王永泽
等[17]在研究 pH值对水稻秸秆厌氧发酵产沼气的影响
试验中,控制发酵体系 pH值在 7.0~7.2之间,保证产
甲烷菌良好的生存环境,可以提高水稻秸秆发酵的沼
气产率。李世密等[18]研究秸秆厌氧消化产沼气工艺
中,发现将 pH 值维持在 7.0 左右时产气效率最高。
肖进彬等[19]在木醋液对玉米秸秆厌氧发酵促进作用
的研究中得出,当发酵过程中 pH值稳定在 6.6~7.1左
右时,产气效率最高。本实验各处理的 pH在均有明显
下降,而后(30 d后)pH稳定在 6.6~8.1之间。表明发
酵体系经过前期有机物质分解酸化后,进入稳定运
行状态。
此外,WDC2是一组纤维素分解菌群,具有较好
的纤维素分解活性[20]。将其加入到消化反应体系内,
期望提高黄姜废渣的分解活率,更大程度的转化黄姜
废渣中的木质纤维素成分为甲烷。图 1 结果显示,
WDC2的加入对 E菌群的 pH变化影响较小,而对 S菌
群的影响比较大。并是缩短了 S菌群在低 pH的维持
时间,并且在培养后期维持在 7.0左右。
2.2 黄姜废渣厌氧消化过程产气量和甲烷含量变化
4个菌群处理厌氧消化黄姜废渣过程的产气量和
甲烷含量被监测(图 2、3)。结果显示,E和 EW组均在
试验开始的第 1天达到产气量和甲烷含量的峰值,分
别为 2 701 mL、2 395 mL 和 53.95%、59.85%。S 和
SW组在第 1天达到产气量峰值,分别为 622 mL和
340 mL,S组在第 3天、SW组在第 2天达到甲烷含量
峰值,分别为 14.29%和 23.77%。此后日产气量和甲烷
含量逐渐下降。E和 EW组在第 16天时,达到产气量
和甲烷含量的第二个峰值,分别为 1 710 mL、1 406
mL和 51.61%、50.05%。S和 SW组分别在第 51天和
第 30天时达到第二个产气峰值,为 263 mL和 574 mL,
而 2组甲烷含量均在第 30天达到第二个峰值,分别
为 31.15%和 48.47%。此后产气量和甲烷含量逐渐下
降至发酵过程结束时趋近于 0。在本研究中,培养期
间的产气量和甲烷含量存在 2个峰值,笔者推测在
发酵初期,发酵原料中的易分解物质被菌群迅速利
用而不断减少,但秸秆中的纤维素还没有被降解利
用[21]。因此发酵料液的日产气量先升高后逐渐下降。
随着反应的继续进行,黄姜废渣中的纤维素被不断
降解,产甲烷菌群的活性提高,进而出现了第 2个产
气高峰。
图 2结果显示,E和 EW组产气集中在前 20 d,S
和 SW组产气集中在前 40 d,而 E、S、EW和 SW组发
酵过程中累积产气量分别为 6 797、1 973、6 842 和
1 708 mL。对应产气效率为 850、247、855和 213 mL/g。
综合表明 E和 EW组在分解黄姜废渣、产生沼气效率
方面要明显优于 S和 SW组,加入了纤维素分解菌群
的 EW和 SW组在产气量和甲烷含量上并没有太多
优势,可能是原始菌群已经具有了较好的纤维素分
解能力。此前文献中分别报道了玉米[22]、油菜[23]、水
稻 [24]、棉花[25]秸秆厌氧消化的产甲烷的效率,分别为
229.8、65.2、246.6、30.5 mL/g。虽然在研究不同原料
产甲烷潜力的过程中,使用了不同的前处理过程、发
酵方法和引入不同活性的菌群,导致发酵结果存在差
异。但总体反应了分解秸秆类物质产甲烷的能力。本
研究的实验结果在引入良好菌群的条件下,使黄姜
废渣获得了较高的甲烷转化效率,说明了 2 种菌群
分解黄姜废渣产生沼气有较高的潜质。
2.3 黄姜废渣厌氧消化过程 CMCase活性和 Xylase
活性变化
黄姜废渣中含丰富的纤维素和木糖半纤维素,
CMCase和 Xylase的活性可以反映厌氧消化过程中
相关菌株对纤维素和半纤维素成分的分解的活性[26]。
从图 4(a)中可以看出,4组试验的纤维素酶活均在第
1天达到最大值,之后逐渐下降并趋于平缓直到试验结束。
纤维素酶活最大值分别为 0.90、1.11、0.93、1.22 U/mL。
以秸秆驯化菌群为菌源的 S、SW组在 23天以前的纤
维素酶活均要高于与之对照的 E和 EW组,整个发酵
过程中 E、S、EW 和 SW 分别在第 51、51、44 和 30
天时纤维素酶活达到最低值,分别为 0.52、0.55、0.55和
罗彬,等 不同菌群对黄姜废渣厌氧消化产沼气的性质研究 35
第 38卷
0.56 U/mL。从图 4(b)中看出,E、EW、SW组的木聚
糖酶活在实验开始第 1 天时达到最大值,分别为
8.77、8.09、9.42 U/mL,S 组在试验结束的第 58 天时
达到最大值,为 9.42 U/mL。E和 S组均在第 44天时,
木聚糖酶活达到最小值,分别为 7.05、6.94 U/mL。EW
组在第 37天达到最小值,为 6.88 U/mL,SW组在第
58天达到最小值,为 6.40 U/mL。
W Parawira等[27]在研究厌氧发酵中沼气生产和
酶水解的过程中,获得的纤维素酶活力最高 0.6 U/mL,
木聚糖酶活力最高为 0.6 U/mL。金杰等[28]在研究城市
食品废弃物高固体含量厌氧消化过程中得出的纤维
素酶活力最高值为 0.07 IU/mL。王佳婧等[29]从厌氧污
泥中分离、筛选出一组纤维素分解复合菌,测得内切
葡聚糖酶活(Cx)为 0.22 U/mL。与以前研究相比,本
研究在厌氧发酵过程中,纤维素酶活力及半纤维素酶
活力均达到较高的水平。而在厌氧发酵体系内纤维素
和半纤维素的分解是有利于提高沼气生产能力[30],所
以发酵体系内具有较好的纤维素和半纤维素分解能
力是能提高分解黄姜废渣产沼气效率的重要原因之
一。在实验组中添加的有活性的纤维素分解菌群
WDC2能明显提高纤维素酶活,但对提高沼气生产效
率上没有实质性作用。
2.4 黄姜废渣厌氧消化过程 COD含量变化
COD是体现发酵液内有机物含量的重要指标[31],
从图 5 中可以看出,试验中 4 组的实验发酵之前,
发酵液COD分别为 7 410.56、3 997.74、15 523.15和
36
第 4期
4 054.94 mg/mL。E组的 COD先下降后缓慢上升,在
第 44天达到最高值 9 536.42 mg/mL,之后缓慢下降,到
实验结束时为 3 978.68 mg/mL,S组 COD 先缓慢上
升,在第 23天达到最大值 7 305.70 mg/mL,之后逐渐下
降,至试验结束时为 1 109.24 mg/mL,EW组 COD在
第 1 天最大,逐渐下降,在第 16 天时降到最低值为
4 579.26 mg/mL,之后逐渐上升,在第 44天时达到第
2个峰值,为 8 891.11 mg/mL,之后下降至反应结束
时,COD 为 6 400.06 mg/mL,SW 组 COD 先缓慢上
升,在第 16 天时达到最大值 5 694.62 mg/mL,之后
下降在小范围内波动,至反应结束时达到最低值为
1 728.89 mg/mL。总体趋势为初期 COD大幅下降,中
期平稳波动后,到后期逐渐下降至一个较低水平。在
秸秆类物质厌氧发酵体系内,COD 的含量受两方面
影响,一方面为不溶的纤维素物质被分解为可被微生
物利用物质,可视为向发酵液内释放 COD,一方面微
生物的作用下分解转化为甲烷、二氧化碳等释放到体
系外,可视为向体系外释放 COD。所检测的 COD值
为二者的综合表象。在发酵前期,体系中易分解物质
的快速分解导致发酵液中 COD 含量快速下降。在
中期,纤维素、半纤维素等物质的不断分解转化,
产物溶于发酵液中,提高了发酵液中的 COD 含量。
中期 COD 水平的提高也反映了纤维素、半纤维素
等物质的分解活性。发酵后期,随着难分解有机物
不再分解,发酵液中有机物逐渐消耗减少,最终达
到稳定状态。
2.5 各因素间相关性分析
利用 SPSS19.0软件对实验中各因素进行主成分
分析。考察各因素间,特别对甲烷生成的影响。结果发
现,发酵体系 pH(pH)与产气量(Ga)、甲烷含量(Cg)、
纤维素酶活(Cm)、木聚糖酶活(Xy)、COD 均成负相
关关系。表明 pH值的升高或者降低都不利于维持发
酵体系的稳定。E和 EW组产气量与纤维素酶活的相
关性系数为 0.793和 0.891,要明显高于 S和 SW组的
0.517和 0.076,表明 E和 EW组纤维素酶活在提高产
气量方面发挥了相对重要的作用。E和 SW组产气量
与木聚糖酶活的相关性系数为 0.438和 0.552,明显高
于 S和 EW组的 0.047和 0.136,表明 E 和 SW 组木
聚糖酶活在提高产气量方面发挥了相对重要的作
用。而 4组实验产气量与甲烷含量相关性系数分别
为0.849、0.343、0.800、0.916,综合表明纤维素类物质
分解提供的基质,仅部分转化为甲烷,还有相当一部
分的比例转化为其他气体。可见,在厌氧发酵体系内,
提高有机物质生成甲烷的转化效率也是促进甲烷产
量提升的重要环节。产气量与 COD相关性系数分别
为 0.122、-0.014、0.649、0.154,除了 EW组外,其他的
3组实验表明在分解纤维素类物质生产沼气的体系
中,COD可能不是衡量体系发酵性能的关键指标。
3 结论
(1)以酵母废水活性污泥和实验室驯化的秸秆分
解产甲烷菌群为菌源,处理黄姜废渣产沼气。2种菌群
都能较好地分解黄姜废渣产生沼气,但酵母废水活性
污泥产气效率要明显优于以秸秆为秸秆分解产甲烷
菌群。最高日产气量为可达到 2 701 mL,最大产气效
率为 855 mL/g。
(2)加入纤维素分解菌群 WDC2 能显著提高厌
氧消化过程中前期的纤维素酶活力,但对发酵体系的
产甲烷效率没有影响。以秸秆为原料驯化的菌群与
WDC2菌群混合后纤维素酶活和木聚糖酶活力最高,
分别为 1.22 U/mL和 9.42 U/mL。
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