有機固廢厭氧沼氣發(fā)酵低溫脅迫機制及研究展望
 

趙光^{1, 2}, 賈蘭³，鄭盼³，冀麗爽³，馬放^{1, 2*}

（1. 哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；2. 哈爾濱工業(yè)大學 城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090；3. 遼寧工業(yè)大學 化學與環(huán)境工程學院，遼寧 錦州 12100；）

 

摘要：利用厭氧發(fā)酵甲烷化技術處理有機固體廢棄物，是實現(xiàn)廢棄物能源化、資源化的有效途徑。近年來，以沼氣能源為核心的生態(tài)農業(yè)循環(huán)經(jīng)濟模式建設在治理農村畜禽糞便面源污染、城市污水污泥無害化處理及生態(tài)環(huán)境改善等方面取得了顯著成效。然而，在我國寒冷地區(qū)，由于低溫束縛，嚴重制約了沼氣工程運行效能與穩(wěn)定性。本文重點分析了低溫制約寒冷地區(qū)沼氣工程化推廣的瓶頸，通過綜合對比國內外沼氣發(fā)酵低溫脅迫微生物代謝機制的相關研究，闡述了低溫生物甲烷高效制備關鍵技術的突破口與研究趨勢，為實現(xiàn)低溫沼氣工程厭氧菌群體代謝定向調控，提高系統(tǒng)低溫抗逆性，提供重要技術和理論參考。
 

關鍵詞：有機固體廢棄物；厭氧發(fā)酵；低溫；微生物代謝
 

ZHAO Guang^{1, 2}, JIA Lan³, ZHENG Pan³，JI Li-shuang¹，MA Fang^{1, 2*}

(1. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 2. State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;3. School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, JinZhou 121001)

Abstract: Using organic solid wastes to produce metahne is the effective technology for realizing waste to energy
and resources. In recent years, the biogas energy as the core of the eco-agriculture construction of recycle economy mode in governance rural livestock and poultry manure non-point source pollution, urban sewage sludge harmless treatment and improve the ecological environment, made remarkable achievements. However, in the cold area of our country, because of the low temperature, the operation efficiency and stability of the biogas project have been severely restricted. This paper focused on the analysis of the low temperature is the bottleneck of the promotion of biogas engineering and research related to microbial metabolism, through comprehensive comparison of domestic and foreign methane fermentation under low temperature stress, describes the key technology breakthrough and the research trend of preparation of low-temperature biological methane of high, real low temperature biogas engineering groups of anaerobic bacteria metabolism directional control, improve the system of low temperature resistance, provide important technical and theoretical reference.
 

Key words: Organic solid waste; anaerobic digestion; low temperature; microbial metabolism
 

有機固廢的污染控制與資源化利用已成為全世界高度重視的生態(tài)問題之一，是促進經(jīng)濟、環(huán)境與生態(tài)安全可持續(xù)發(fā)展的重要舉措^[1,2]。近年來，發(fā)展以厭氧生物處理技術為核心的生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟，已成為各國的一個研究熱點，是解決有機固廢無害化處置與資源化利用的重要途徑。預計2025年全世界僅城市生活有機廢物的年產(chǎn)量將達到30億噸^[3]。利用厭氧生物甲烷轉化技術一方面可以補充未來的能源短缺，另一方面可降低石化燃料消耗，減少環(huán)境污染，保障公共生態(tài)安全。[1]

提倡節(jié)能減排，促進固廢減量化、無害化和資源化是中國保障生態(tài)安全和保護環(huán)境的當務之急。以各種有機廢棄物為資源，利用生物技術生產(chǎn)清潔的、可再生的沼氣能源，可有效緩解我國經(jīng)濟高速發(fā)展對能源與環(huán)境需求的矛盾，符合循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，尤其對于推動城鎮(zhèn)現(xiàn)代化循環(huán)生態(tài)經(jīng)濟的發(fā)展，具有重要現(xiàn)實意義。但是，在很多寒冷地域，受低溫條件制約，有機廢物厭氧消化系統(tǒng)常處于低溫或低溫下的無規(guī)律震蕩運行，致使厭氧生物代謝活性下降，影響生物甲烷的轉化效率，因此，目前尚未得到廣泛工程化推廣應用。

冬季平均月溫度低于零度的寒冷地域，即使對有機廢物厭氧發(fā)酵系統(tǒng)采取了一定的保溫與輔助增溫措施，仍不能有效解決甲烷產(chǎn)量低、發(fā)酵系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等問題，無法避免溫度不規(guī)律性震蕩與高損耗的附加能源，嚴重制約了該技術產(chǎn)業(yè)化進程。低溫發(fā)酵溫度的無規(guī)律性震蕩會導致細菌群體結構、功能及代謝途徑紊亂，最終致使沼氣發(fā)酵系統(tǒng)崩潰或甲烷產(chǎn)量極低^[4,5]。也有研究者發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵細菌對溫度震蕩具有一定的抵抗機制，并在一定條件下可增強和激發(fā)此種行為的發(fā)生，并可能基于此種機理，誘導細菌表現(xiàn)出冷適行為，從而降低發(fā)酵系統(tǒng)溫度^[6]。因此，實現(xiàn)寒冷地域持續(xù)、規(guī)模化有機廢物沼氣應用，降低運行成本，發(fā)現(xiàn)厭氧菌冷脅迫震蕩擾動下代謝“韌性—穩(wěn)定性—活力”的震蕩規(guī)律和生理逃避機制，提高細菌群體低溫代謝調控水平將是關鍵突破口。

目前，利用厭氧生物技術處理有機廢物的規(guī)模化工程，應用較多的是溫帶、熱帶地區(qū)，而在高緯度低溫地域較大規(guī)模工程應用很少。徹底揭示厭氧嗜低溫細菌生理代謝、冷適應機制等，是推動有機廢物低溫產(chǎn)甲烷技術產(chǎn)業(yè)化進程的關鍵。綜述近年來國外針對低溫沼氣發(fā)酵溫度震蕩的研究，主要集中在產(chǎn)甲烷特性、沼氣發(fā)酵微生物多樣性、結構與功能等方面。

國外有關厭氧發(fā)酵微生物基本生態(tài)學和代謝特性的研究遠領先于國內，尤其在運用分子生態(tài)學方法與組學技術研究厭氧菌群落結構、功能與代謝機制等方面^[7-9]。大量研究結果表明，低溫抑制產(chǎn)甲烷菌代謝活性，導致細菌生物多樣性顯著降低，是影響甲烷轉化效能的重要因子，通過生態(tài)因子調控，輔助保溫、增溫措施，可一定程度上緩解低溫的束縛，使厭氧發(fā)酵系統(tǒng)逐步恢復穩(wěn)定運^[10-12]。然而，低溫沼氣發(fā)酵過程溫度震蕩對生物甲烷過程的沖擊，常脅迫厭氧產(chǎn)甲烷系統(tǒng)發(fā)生不可逆性的徹底崩潰。這種擾動引起沼氣發(fā)酵微生物群體響應，包括初級發(fā)酵細菌、次級發(fā)酵細菌及產(chǎn)甲烷菌等多樣性、群落結構發(fā)生紊亂，代謝功能出現(xiàn)彈性震蕩，改變有機碳的代謝走向^[13-15]。

加拿大科學家D. I. Masse早在2003年就研究發(fā)現(xiàn)5°C溫度震蕩的低溫沼氣發(fā)酵過程中產(chǎn)甲烷菌代謝活性受到嚴重抑制，SCOD降解率顯著下降，干擾了沼氣發(fā)酵細菌的動力學過程穩(wěn)定性及代謝進程^[16]。愛爾蘭國立大學R. M. McKeown教授研究團隊2009基于長期運行的低溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，年首次對低溫波動下的產(chǎn)甲烷菌演替與產(chǎn)甲烷特性進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)15°C以下的溫度震蕩對產(chǎn)甲烷菌過程是致命的，細菌生物多樣性極具降低，即使Methanosaeta sp.豐度也嚴重受到抑制^[17]。日本科學家M. Ike及其課題組2010年發(fā)現(xiàn)低溫下的溫度震蕩，將驅動厭氧發(fā)酵專以某一種類型的揮發(fā)性有機酸為主的甲烷轉化途徑，當出現(xiàn)乙酸或丙酸濃度的瞬時積累，表明系統(tǒng)微生物群落已轉變產(chǎn)甲烷的代謝方式，極易致使發(fā)酵細菌與產(chǎn)甲烷菌代謝失衡^{[13, 18]}。美國科學家P. M. Ndegwa（2008）和韓國教授S. H. Lee（2012）年發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)酸發(fā)酵細菌與產(chǎn)甲烷菌可以適應一定尺度上的低溫擾動，只是表現(xiàn)在一段時期內出現(xiàn)群落功能的暫時休眠或類群相對豐度的變化^{[19, 20]}。一定尺度內的低溫震蕩可能激發(fā)厭氧菌的低溫冷適功能，特殊適應能力的產(chǎn)酸發(fā)酵微生物類群豐度與多樣性隨之增加，進而正向驅動產(chǎn)甲烷菌群的代謝能力^{[14, 21]}。

發(fā)現(xiàn)低溫沼氣發(fā)酵溫度震蕩擾動行為的同時，國外研究者也開展了一些關于生態(tài)因子調控的研究，嘗試抗低溫厭氧發(fā)酵溫度擾動的技術探索。愛爾蘭科學家A. M. Enright課題組2007年研究發(fā)現(xiàn)低溫厭氧發(fā)酵溫度波動的生物膜系統(tǒng)，增加有機負荷及運行時間，驅動系統(tǒng)發(fā)酵細菌提高有機物降解率，產(chǎn)甲烷菌群由乙酸營養(yǎng)型的Methanosarcina逐漸過渡為氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，具有協(xié)同產(chǎn)酸發(fā)酵功能微生物類群豐度增加^[22]。加拿大教授W. J. Gao等2011年利用淹沒式生物膜反應器處理有機廢水，研究溫度震蕩下的產(chǎn)甲烷與細菌特性，發(fā)現(xiàn)調整低溫震蕩運行的有機負荷和停留時間，可補償由于SCOD降解率下降而引起的產(chǎn)甲烷波動，但生物多樣性變化非常顯著^[23]。然而，研究結果仍無法解釋受到冷激脅迫的細菌群體響應規(guī)律，尤其是菌群紊亂部分菌群的功能逃避機制，盡管通過生態(tài)因子調控可以一定程度上緩解，仍然無法制定出有效地控制策略。

國內而言，北方地區(qū)沼氣工程冬季沼氣產(chǎn)量僅為0.1~0.3 m³ m^-3_digester d^-1，原料降解率還不足30%，沼氣發(fā)酵系統(tǒng)運行極不穩(wěn)定^[24]。近年來，我國有關低溫厭氧消化產(chǎn)甲烷發(fā)酵過程各階段微生物學特性開展一些研究工作，如厭氧發(fā)酵水解細菌的分離與鑒定，厭氧菌群的分布特征，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌與產(chǎn)甲烷菌的互營共生關系等^{[25, 26]}。哈爾濱工業(yè)大學董春娟等（2008）對發(fā)現(xiàn)不同低溫條件下運行EGSB厭氧消化啤酒廢水，發(fā)現(xiàn)溫度降低過程中，提高進水負荷可補償由于低溫導致的COD去除率降低，提高甲烷產(chǎn)量^[27]。朱文秀等（2012）利用IC反應器處理啤酒廢水，通過優(yōu)化各生態(tài)因子，在溫度變化過程中得到最大比甲烷產(chǎn)率210 ml gVSS d^-1，發(fā)現(xiàn)在低溫擾動時降低低負荷運行時Methanosarcina sp.逐漸處于優(yōu)勢種群地位^[28]。哈爾濱工業(yè)大學馬放教授課題組（2013）對低溫與溫度變化的沼氣發(fā)酵特性研究發(fā)現(xiàn)，低溫不僅改變細菌多樣性與結構，有機物停留時間也會延長2~3倍，促進協(xié)同發(fā)酵細菌豐度與活性可提高低溫降解效率^[29]。然而，目前還沒未見有針對低溫發(fā)酵溫度震蕩沼氣發(fā)酵微生物的溫度群體代謝應答、與環(huán)境因子間生態(tài)學問題、以及關于沼氣發(fā)酵細菌抗冷激的韌性與冷適機制的報導。

目前還并未有針對低溫沼氣發(fā)酵冷脅迫方式，以及溫度震蕩尺度對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)細菌群體抗溫度擾動能力與代謝應答機制研究的相關報導。這種冷脅迫擾動行為對沼氣發(fā)酵細菌存在怎樣的“韌性—穩(wěn)定性—活力”功能震蕩與抗逆機制，哪些關鍵酶基因決定了碳的代謝走向與中心產(chǎn)甲烷代謝途徑。因此，從微生物代謝與分子水平探明沼氣發(fā)酵細菌群體功能的恢復力與抗逆功能韌性，發(fā)現(xiàn)細菌抗低溫震蕩的誘導機制，以及一些特殊功能的抗性菌群，通過定向培養(yǎng)激發(fā)抗低溫震蕩的代謝能力，通過輔助工藝參數(shù)最大限度降低厭氧發(fā)酵系統(tǒng)能耗，推進低溫地區(qū)沼氣發(fā)酵工程實踐應用。如何最大限度地提高沼氣發(fā)酵微生物抗冷溫脅迫和震蕩擾動的甲烷轉化能力，以及研究高效代謝水平調控策略，是實現(xiàn)寒冷地區(qū)沼氣應用產(chǎn)業(yè)化的關鍵。因此，急需探明低溫沼氣發(fā)酵細菌溫度的群體震蕩規(guī)律與抗逆機制，發(fā)現(xiàn)一些特殊的抗逆專性微生物類群，為定向調控厭氧菌群體代謝進程，提高低溫產(chǎn)甲烷能力，探索重要理論和技術基礎，研究成果將對我國寒區(qū)有機廢物沼氣能源產(chǎn)業(yè)化的步伐具有非常重大的理論價值和現(xiàn)實意義。

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作者簡介：趙光（1980- ），男，黑龍江牡丹江人，博士后，主要從事固體廢棄物資源化技術開發(fā)及應用。

 

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