有機(jī)固廢厭氧沼氣發(fā)酵低溫脅迫機(jī)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(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150090；3. 遼寧工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 12100；）
摘要：利用厭氧發(fā)酵甲烷化技術(shù)處理有機(jī)固體廢棄物，是實(shí)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(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式建設(shè)在治理農(nóng)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(guó)寒冷地區(qū)，由于低溫束縛，嚴(yán)重制約了沼氣工程運(yùn)行效能與穩(wěn)定性。本文重點(diǎn)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(duì)比國(guó)內(nèi)外沼氣發(fā)酵低溫脅迫微生物代謝機(jī)制的相關(guān)研究，闡述了低溫生物甲烷高效制備關(guān)鍵技術(shù)的突破口與研究趨勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)低溫沼氣工程厭氧菌群體代謝定向調(diào)控，提高系統(tǒng)低溫抗逆性，提供重要技術(shù)和理論參考。
關(guān)鍵詞：有機(jī)固體廢棄物；厭氧發(fā)酵；低溫；微生物代謝
The Mechnism and Research Prospect of Organic Waste Anaerobic Fermentation Restricted by Low-temperature
ZHAO Guang1, 2, JIA Lan3, ZHENG Pan3，JI Li-shuang1，MA Fang1, 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
1發(fā)展有機(jī)固廢甲烷高效制備技術(shù)的生態(tài)意義和重大需求
有機(jī)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(jìn)經(jīng)濟(jì)、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(shù)為核心的生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，已成為各國(guó)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，是解決有機(jī)固廢無害化處置與資源化利用的重要途徑。預(yù)計(jì)2025年全世界僅城市生活有機(jī)廢物的年產(chǎn)量將達(dá)到30億噸[3]。利用厭氧生物甲烷轉(zhuǎn)化技術(shù)一方面可以補(bǔ)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(jìn)固廢減量化、無害化和資源化是中國(guó)保障生態(tài)安全和保護(hù)環(huán)境的當(dāng)務(wù)之急。以各種有機(jī)廢棄物為資源，利用生物技術(shù)生產(chǎn)清潔的、可再生的沼氣能源，可有效緩解我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對(duì)能源與環(huán)境需求的矛盾，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，尤其對(duì)于推動(dòng)城鎮(zhèn)現(xiàn)代化循環(huán)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。但是，在很多寒冷地域，受低溫條件制約，有機(jī)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(yùn)行，致使厭氧生物代謝活性下降，影響生物甲烷的轉(zhuǎn)化效率，因此，目前尚未得到廣泛工程化推廣應(yīng)用。
2高寒地區(qū)沼氣發(fā)酵技術(shù)研究存在的瓶頸問題
冬季平均月溫度低于零度的寒冷地域，即使對(duì)有機(jī)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(yùn)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(yán)重制約了該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。低溫發(fā)酵溫度的無規(guī)律性震蕩會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌群體結(jié)構(gòu)、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(xì)菌對(duì)溫度震蕩具有一定的抵抗機(jī)制，并在一定條件下可增強(qiáng)和激發(fā)此種行為的發(fā)生，并可能基于此種機(jī)理，誘導(dǎo)細(xì)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(shí)現(xiàn)寒冷地域持續(xù)、規(guī)模化有機(jī)廢物沼氣應(yīng)用，降低運(yùn)行成本，發(fā)現(xiàn)厭氧菌冷脅迫震蕩擾動(dòng)下代謝“韌性—穩(wěn)定性—活力”的震蕩規(guī)律和生理逃避機(jī)制，提高細(xì)菌群體低溫代謝調(diào)控水平將是關(guān)鍵突破口。
3國(guó)內(nèi)外有機(jī)廢物生物甲烷化溫度脅迫研究現(xiàn)狀及分析
目前，利用厭氧生物技術(shù)處理有機(jī)廢物的規(guī)�；こ�，應(yīng)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(yīng)用很少。徹底揭示厭氧嗜低溫細(xì)菌生理代謝、冷適應(yīng)機(jī)制等，是推動(dòng)有機(jī)廢物低溫產(chǎn)甲烷技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵。綜述近年來國(guó)外針對(duì)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(jié)構(gòu)與功能等方面。
國(guó)外有關(guān)厭氧發(fā)酵微生物基本生態(tài)學(xué)和代謝特性的研究遠(yuǎn)領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，尤其在運(yùn)用分子生態(tài)學(xué)方法與組學(xué)技術(shù)研究厭氧菌群落結(jié)構(gòu)、功能與代謝機(jī)制等方面[7-9]。大量研究結(jié)果表明，低溫抑制產(chǎn)甲烷菌代謝活性，導(dǎo)致細(xì)菌生物多樣性顯著降低，是影響甲烷轉(zhuǎn)化效能的重要因子，通過生態(tài)因子調(diào)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(fù)穩(wěn)定運(yùn)[10-12]。然而，低溫沼氣發(fā)酵過程溫度震蕩對(duì)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(dòng)引起沼氣發(fā)酵微生物群體響應(yīng)，包括初級(jí)發(fā)酵細(xì)菌、次級(jí)發(fā)酵細(xì)菌及產(chǎn)甲烷菌等多樣性、群落結(jié)構(gòu)發(fā)生紊亂，代謝功能出現(xiàn)彈性震蕩，改變有機(jī)碳的代謝走向[13-15]。
加拿大科學(xué)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(yán)重抑制，SCOD降解率顯著下降，干擾了沼氣發(fā)酵細(xì)菌的動(dòng)力學(xué)過程穩(wěn)定性及代謝進(jìn)程[16]。愛爾蘭國(guó)立大學(xué)R. M. McKeown教授研究團(tuán)隊(duì)2009基于長(zhǎng)期運(yùn)行的低溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，年首次對(duì)低溫波動(dòng)下的產(chǎn)甲烷菌演替與產(chǎn)甲烷特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)15°C以下的溫度震蕩對(duì)產(chǎn)甲烷菌過程是致命的，細(xì)菌生物多樣性極具降低，即使Methanosaeta sp.豐度也嚴(yán)重受到抑制[17]。日本科學(xué)家M. Ike及其課題組2010年發(fā)現(xiàn)低溫下的溫度震蕩，將驅(qū)動(dòng)厭氧發(fā)酵專以某一種類型的揮發(fā)性有機(jī)酸為主的甲烷轉(zhuǎn)化途徑，當(dāng)出現(xiàn)乙酸或丙酸濃度的瞬時(shí)積累，表明系統(tǒng)微生物群落已轉(zhuǎn)變產(chǎn)甲烷的代謝方式，極易致使發(fā)酵細(xì)菌與產(chǎn)甲烷菌代謝失衡[13, 18]。美國(guó)科學(xué)家P. M. Ndegwa（2008）和韓國(guó)教授S. H. Lee（2012）年發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌與產(chǎn)甲烷菌可以適應(yīng)一定尺度上的低溫?cái)_動(dòng)，只是表現(xiàn)在一段時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)群落功能的暫時(shí)休眠或類群相對(duì)豐度的變化[19, 20]。一定尺度內(nèi)的低溫震蕩可能激發(fā)厭氧菌的低溫冷適功能，特殊適應(yīng)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(jìn)而正向驅(qū)動(dòng)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(dòng)行為的同時(shí)，國(guó)外研究者也開展了一些關(guān)于生態(tài)因子調(diào)控的研究，嘗試抗低溫厭氧發(fā)酵溫度擾動(dòng)的技術(shù)探索。愛爾蘭科學(xué)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(dòng)的生物膜系統(tǒng)，增加有機(jī)負(fù)荷及運(yùn)行時(shí)間，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)酵細(xì)菌提高有機(jī)物降解率，產(chǎn)甲烷菌群由乙酸營(yíng)養(yǎng)型的Methanosarcina逐漸過渡為氫營(yíng)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(yīng)器處理有機(jī)廢水，研究溫度震蕩下的產(chǎn)甲烷與細(xì)菌特性，發(fā)現(xiàn)調(diào)整低溫震蕩運(yùn)行的有機(jī)負(fù)荷和停留時(shí)間，可補(bǔ)償由于SCOD降解率下降而引起的產(chǎn)甲烷波動(dòng)，但生物多樣性變化非常顯著[23]。然而，研究結(jié)果仍無法解釋受到冷激脅迫的細(xì)菌群體響應(yīng)規(guī)律，尤其是菌群紊亂部分菌群的功能逃避機(jī)制，盡管通過生態(tài)因子調(diào)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(guó)內(nèi)而言，北方地區(qū)沼氣工程冬季沼氣產(chǎn)量?jī)H為0.1~0.3 m3 m-3digester d-1，原料降解率還不足30%，沼氣發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行極不穩(wěn)定[24]。近年來，我國(guó)有關(guān)低溫厭氧消化產(chǎn)甲烷發(fā)酵過程各階段微生物學(xué)特性開展一些研究工作，如厭氧發(fā)酵水解細(xì)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(yíng)共生關(guān)系等[25, 26]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)董春娟等（2008）對(duì)發(fā)現(xiàn)不同低溫條件下運(yùn)行EGSB厭氧消化啤酒廢水，發(fā)現(xiàn)溫度降低過程中，提高進(jìn)水負(fù)荷可補(bǔ)償由于低溫導(dǎo)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(yīng)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?cái)_動(dòng)時(shí)降低低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)Methanosarcina sp.逐漸處于優(yōu)勢(shì)種群地位[28]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬放教授課題組（2013）對(duì)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(xì)菌多樣性與結(jié)構(gòu)，有機(jī)物停留時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)2~3倍，促進(jìn)協(xié)同發(fā)酵細(xì)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(duì)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(yīng)答、與環(huán)境因子間生態(tài)學(xué)問題、以及關(guān)于沼氣發(fā)酵細(xì)菌抗冷激的韌性與冷適機(jī)制的報(bào)導(dǎo)。
4溫度擾動(dòng)脅迫厭氧沼氣發(fā)酵研究前景
目前還并未有針對(duì)低溫沼氣發(fā)酵冷脅迫方式，以及溫度震蕩尺度對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)細(xì)菌群體抗溫度擾動(dòng)能力與代謝應(yīng)答機(jī)制研究的相關(guān)報(bào)導(dǎo)。這種冷脅迫擾動(dòng)行為對(duì)沼氣發(fā)酵細(xì)菌存在怎樣的“韌性—穩(wěn)定性—活力”功能震蕩與抗逆機(jī)制，哪些關(guān)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(xì)菌群體功能的恢復(fù)力與抗逆功能韌性，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌抗低溫震蕩的誘導(dǎo)機(jī)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(jìn)低溫地區(qū)沼氣發(fā)酵工程實(shí)踐應(yīng)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(dòng)的甲烷轉(zhuǎn)化能力，以及研究高效代謝水平調(diào)控策略，是實(shí)現(xiàn)寒冷地區(qū)沼氣應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。因此，急需探明低溫沼氣發(fā)酵細(xì)菌溫度的群體震蕩規(guī)律與抗逆機(jī)制，發(fā)現(xiàn)一些特殊的抗逆專性微生物類群，為定向調(diào)控厭氧菌群體代謝進(jìn)程，提高低溫產(chǎn)甲烷能力，探索重要理論和技術(shù)基礎(chǔ)，研究成果將對(duì)我國(guó)寒區(qū)有機(jī)廢物沼氣能源產(chǎn)業(yè)化的步伐具有非常重大的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
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作者簡(jiǎn)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(shù)開發(fā)及應(yīng)用。
[1] 基金項(xiàng)目：第56批中國(guó)博士后科學(xué)基金（2014M561361）；城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（HCK201608）；國(guó)家科技部科學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目（2012BAD14B06-04）
