Fe2+對滲濾液厭氧過(guò)程的影響

　　1 引言

　　垃圾滲濾液是一種高濃度難降解有機廢水，多年來(lái)滲濾液的處理仍以厭氧生物法為主.滲濾液中過(guò)高的金屬離子、氨氮、鹽分等會(huì )對厭氧過(guò)程產(chǎn)生抑制作用，同時(shí)，硫酸鹽的存在也會(huì )對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生競爭抑制，硫酸鹽最終還原產(chǎn)物硫化物更是對厭氧菌有直接的毒害作用.滲濾液成分復雜，嚴重抑制了其厭氧處理進(jìn)程.

　　一些微量元素如：Fe、Co、Ni、Zn、Cu、Mn、Mo、Se、W、B等，對提高厭氧生物處理效率有積極的作用.微量元素不僅促進(jìn)微生物細胞和酶的合成，同時(shí)可以激活相關(guān)酶活性.研究表明，微量元素Fe2+、Co2+、Ni2+的添加，促進(jìn)了厭氧消化及產(chǎn)甲烷過(guò)程，其中投加Fe元素可以提高甲醇降解率，并能減緩高硫酸鹽滲濾液對厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程的抑制作用，低濃度的Ni促進(jìn)厭氧降解效果，而加入微量元素Co促使以甲醇作為基質(zhì)的厭氧顆粒污泥SMA明顯提高.同時(shí)，投加Fe、Co和Ni等微量金屬元素時(shí)可緩解高鈉離子對甲烷菌的抑制和毒害，并對NH+4-N毒性產(chǎn)生明顯的拮抗作用.不同微量元素在復雜底物為原料的厭氧發(fā)酵系統中的作用不一，其生物有效性也受到多種因素的影響，目前微量元素對滲濾液厭氧過(guò)程的影響鮮有報道.

　　本文通過(guò)單因素和正交試驗，研究Fe2+、Co2+、Ni2+對滲濾液厭氧過(guò)程的影響，為確定滲濾液厭氧消化系統所需的適宜的微量元素投加量、提高滲濾液處理效率提供依據.

　　2 材料與方

　　2.1 接種污泥及試驗用水

　　接種顆粒污泥取自南寧市龍州縣南華糖業(yè)穩定運行的厭氧罐，污泥色澤黑亮，形狀圓潤，粒徑≤4 mm.顆粒污泥經(jīng)清水淘洗，去除無(wú)機顆粒后過(guò)32目篩網(wǎng)備用，污泥TS=66.87 g · L-1，VS=51.41 g · L-1，TS/VS=0.769.

　　滲濾液取自南寧市馬山縣生活垃圾填埋場(chǎng)調節池原水，填埋場(chǎng)場(chǎng)齡2~3年.主要水質(zhì)指標如表 1所示，其中Fe、Co、Ni的背景值不影響微量元素的添加量.試驗用水添加少量葡萄糖和KH2PO4補充碳源和磷源，控制廢水COD≈3000 mg · L-1，保持C : N : P≈300 : 5 : 1.

　　表1 滲濾液主要水質(zhì)指標

　　2.2 試驗裝置

　　試驗裝置如圖 1所示，主要由容積500 mL的厭氧反應瓶和500 mL集氣瓶組成，瓶口以翻口膠塞密封，確保嚴格厭氧條件.厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷量通過(guò)排水法計量，倒置的排水集氣瓶?jì)妊b有濃度為3%的NaOH，以化學(xué)吸收法消除產(chǎn)氣中的CO2和H2S.反應瓶均置于恒溫水浴箱(35±2 ℃)內，以提供厭氧微生物適宜的溫度環(huán)境.

　　圖 1 厭氧間歇試驗裝置

　　2.3 試驗方法

　　血清瓶?jì)冉臃N100 mL顆粒污泥和300 mL滲濾液，并通入N2 3 min以排出瓶?jì)瓤諝�，瓶口密封后插入導氣管，連接至排水瓶，中溫(35±2 ℃)產(chǎn)氣發(fā)酵，量筒內測量的排水體積等同于厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷量.試驗過(guò)程反應瓶以振蕩方式保證泥水混合均勻.試驗開(kāi)始前，以滲濾液原液淘洗培養污泥3~5 d.試驗過(guò)程中，投加的微量元素離子濃度換算為相應的FeC12 · 4H2O、CoCl2 · 6H2O、NiCl2 · 6H2O分子濃度，以溶液形態(tài)加入.

　　試驗分為單因素試驗和正交試驗.單因素試驗微量元素的投加量分別為Fe2+：5、10、15、25、50 mg · L-1，Co2+：0.5、1、3、5、10 mg · L-1，Ni2+：0.5、1、3、5、10 mg · L-1.正交試驗依據單因素試驗結果，選取較優(yōu)的濃度范圍，選擇L9(34)正交表進(jìn)行設計并試驗.各組試驗均設置6個(gè)平行試驗，并設置對照組C(未添加微量元素)和空白組(內源產(chǎn)氣).每組反應時(shí)間均為1 d，測定上清液pH值、COD值，記錄甲烷產(chǎn)量.

　　2.4 測定項目和分析方法

　　CODCr、pH分析項目及測試方法參照《水和廢水監測分析方法》(國家環(huán)境保護總局《水和廢水監測分析方法》，產(chǎn)氣通過(guò)排水法收集并計量.圖表繪制使用Origin8進(jìn)行繪制，數據使用SPSS Statistics 19進(jìn)行統計學(xué)分析.

　　3 結果與分析

　　3.1 單因素試驗

　　3.1.1 投加Fe2+對厭氧過(guò)程的影響

　　研究表明，Fe元素在合成產(chǎn)甲烷菌組織的金屬元素中含量最高，同時(shí)是合成厭氧系統中多種酶(如CO脫氫酶、乙酰輔酶A合成酶、氫化酶等)所必須的元素，并能夠激活相關(guān)酶的活性.投加Fe2+對COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值的影響如圖 2所示.由圖 2可知，Fe2+的投加對滲濾液厭氧處理的COD去除率和產(chǎn)甲烷量均有顯著(zhù)提高(p<0.05).隨著(zhù)Fe2+投加濃度的增加，COD去除率和產(chǎn)甲烷量均呈現先上升后下降的趨勢，當Fe2+投加量為10~25 mg · L-1時(shí)，對滲濾液厭氧過(guò)程的促進(jìn)效果較為接近，其中當Fe2+投加量為25 mg · L-1時(shí)，COD去除率和產(chǎn)甲烷量較對照分別提高了15.38%、23.16%.與此不同的是，低濃度的Fe2+(≤3 mg · L-1)則對藍藻厭氧發(fā)酵的促進(jìn)效果最好，投加0.56 mg · L-1的Fe2+時(shí)提高了以甲醇為基質(zhì)時(shí)顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性，這可能是由于滲濾液成分復雜，外加的Fe2+(或氧化成Fe3+)通常與滲濾液中大量的無(wú)機配位體(如S2-、CO2-3等)形成鐵鹽沉淀，影響了鐵元素的生物有效性，導致此滲濾液厭氧系統對鐵元素的需求量增加.而Fe2+投加濃度過(guò)高，同樣對厭氧進(jìn)程產(chǎn)生抑制，研究報道，當Fe2+投加濃度超過(guò)50 mg · L-1時(shí)，對發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程中的COD去除率和硝基苯降解過(guò)程中的污泥產(chǎn)甲烷活性均有輕微的抑制作用，與本文研究一致.由于滲濾液堿度充足，Fe2+濃度的提高對各組試驗上清液pH值無(wú)顯著(zhù)影響，均保持在7.0~7.1之間，無(wú)酸化現象發(fā)生.

　　圖 2 投加Fe2+對COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值的影響(注：圖中同一指標含不同小寫(xiě)字母(a、b、c)表示差異顯著(zhù)(p<0.05)，下同.)

　　3.1.2 投加Co2+對厭氧過(guò)程的影響

　　Co同樣參與CO脫氫酶的合成，同時(shí)是輔酶B12、甲基轉移酶的組成成分，對厭氧體系中乙酸的形成、互養微生物間的電子轉移、產(chǎn)甲烷過(guò)程等階段起著(zhù)重要的作用.投加Co2+對COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值的影響如圖 3所示，隨著(zhù)Co2+投加濃度的增加，COD去除率和產(chǎn)甲烷量均呈現先上升后下降的趨勢.報道稱(chēng)，投加0.295 mg · L-1(5 μmol · L-1)的Co2+能有效提高污泥以甲醇為基質(zhì)時(shí)的產(chǎn)甲烷活性，而B(niǎo)artacek等的毒性試驗也表明，自由Co2+離子濃度達到0.767 mg · L-1(13 μmol · L-1)時(shí)則抑制了50%的產(chǎn)甲烷活性.本試驗條件下，當Co2+投加濃度為0.5~3 mg · L-1時(shí)，COD去除率和產(chǎn)甲烷量較對照明顯提高，特別是當Co2+投加濃度為1 mg · L-1時(shí)對COD去除率和產(chǎn)甲烷量促進(jìn)顯著(zhù)(p<0.05)，較對照分別提高了10.33%、43.2%.當Co2+投加濃度高于5 mg · L-1時(shí)，產(chǎn)甲烷量顯著(zhù)下降，其濃度可能超過(guò)了甲烷菌的耐受限度，產(chǎn)生了毒性作用，抑制了厭氧產(chǎn)氣進(jìn)程.由此表明，Co元素在此滲濾液厭氧系統下的生物有效性同樣受到限制，表現為其對厭氧過(guò)程的促進(jìn)和毒性作用濃度較其他研究偏高.各組試驗上清液pH值隨Co2+濃度的提高無(wú)顯著(zhù)變化，均維持在7.05~7.15之間，無(wú)酸化現象發(fā)生.

　　圖 3 投加Co2+對COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值的影響

　　3.1.3 投加Ni2+對厭氧過(guò)程的影響

　　Ni元素參與CO脫氫酶、乙酰輔酶A合成酶、氫化酶等重要酶的合成，同時(shí)是輔酶M和輔酶F430的重要成分，對甲基輔酶M還原酶(MCR)催化甲烷的生成起著(zhù)關(guān)鍵作用.投加Ni2+對COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值的影響如圖 4所示，隨著(zhù)Ni2+投加濃度的增加，產(chǎn)甲烷量呈現先上升后下降的趨勢.其中當Ni2+投加濃度為0.5 mg · L-1時(shí)，COD去除率較對照提高了0.39%，而投加量超過(guò)0.5 mg · L-1時(shí)，COD去除率逐步降低，Ni2+濃度達到10 mg · L-1時(shí)，COD去除率下降顯著(zhù)(p<0.05).而Ni2+的投加，顯著(zhù)提高了產(chǎn)甲烷量，當Ni2+濃度為0.5 mg · L-1時(shí)產(chǎn)甲烷量較對照提高了42.23%，超過(guò)此值時(shí)產(chǎn)甲烷量逐步降低，到達10 mg · L-1時(shí)與投加量0.5 mg · L-1相比下降顯著(zhù)(p<0.05)，這與報道的當溶解態(tài)鎳離子濃度達到8~12 mg · L-1時(shí)厭氧體系受到嚴重抑制的結果相.農麗薇等的研究表明，低濃度的Ni2+(0.2 mg · L-1)促進(jìn)稻草厭氧消化，陳皓等研究也證實(shí)了Ni2+<5 mg · L-1時(shí)對2-氯酚厭氧降解表現出輕度促進(jìn)，而受到基質(zhì)種類(lèi)、厭氧條件等因素的影響，不同厭氧體系對Ni2+的需求量不同，Ni2+的投加量過(guò)高則會(huì )產(chǎn)生毒性作用，本滲濾液厭氧體系下，厭氧微生物對Ni2+的反應較為敏感，表現為低濃度促進(jìn)高濃度抑制，可能與滲濾液成分復雜有關(guān).各組試驗上清液pH值均保持在7.09~7.17之間，無(wú)酸化現象發(fā)生.

　　圖 4 投加Ni2+對COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值的影響

　　3.2 正交試驗

　　依據單因素試驗結果，正交試驗設置三水平，其中水平1：Fe2+：10 mg · L-1，Co2+：0.5 mg · L-1，Ni2+：0.5 mg · L-1;水平2：Fe2+：15 mg · L-1，Co2+：1 mg · L-1，Ni2+：1 mg · L-1;水平3：Fe2+：25 mg · L-1，Co2+：3 mg · L-1，Ni2+：3 mg · L-1.正交試驗設計見(jiàn)表 2.

　　表2 L9(34)正交表

　　正交試驗COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值變化見(jiàn)圖 5，可以看出，微量元素Fe2+、Co2+、Ni2+組合投加后，厭氧料液pH值和產(chǎn)甲烷量有顯著(zhù)提升(p<0.05，較對照分別提高了5.74%±0.36%和61.68%±5.53%)，這可能是由于3種微量元素在產(chǎn)甲烷過(guò)程中存在協(xié)同作用，甲烷菌的對底物揮發(fā)性脂肪酸(VFAs，主要為乙酸)的利用程度增大，有效降低了溶液中VFAs含量，使料液pH值接近于接種廢水(pH=8.15)，并提高了產(chǎn)甲烷量(明顯優(yōu)于單因素試驗組)，由此也說(shuō)明了缺乏某一元素會(huì )使污泥的產(chǎn)甲烷活性明顯降低，同時(shí)驗證了微量元素在促進(jìn)微生物新陳代謝中的作用并非是孤立的.厭氧廢水中被去除的COD主要轉化為甲烷，通常情況下，產(chǎn)甲烷量與COD去除率呈相關(guān)的關(guān)系，但試驗表明，Fe2+、Co2+、Ni2+的組合投加在顯著(zhù)提高產(chǎn)甲烷量的同時(shí)COD去除率卻有所下降，較對照低6.67%±4.84%(其中3號和9號COD去除率顯著(zhù)下降)，可能是因為產(chǎn)氣量的增大，部分死亡的微生物細胞在水力和氣體劇烈擾動(dòng)下發(fā)生破裂，其細胞內有機成分釋放到溶液中增大了COD的值，但影響溶液COD濃度的因素較為復雜，仍需進(jìn)一步研究.

　　圖 5 正交試驗COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值變化

　　為考察Fe2+、Co2+、Ni2+三因素對厭氧過(guò)程影響作用的順序，對正交試驗進(jìn)行直觀(guān)分析，結果見(jiàn)表 3.在Fe2+、Co2+、Ni2+同時(shí)存在于滲濾液厭氧體系的情況下，以COD去除率為指標，極差值的大小順序為：Co2+>Ni2+>Fe2+.厭氧過(guò)程中，水解酸化和產(chǎn)乙酸階段將大分子的有機物降解為小分子有機物，此階段并不能有效降低溶液中COD的值，而Co元素作為重要的轉甲基酶組成成分，對小分子有機物轉化為甲烷氣體排出的產(chǎn)甲烷過(guò)程起到關(guān)鍵作用，增強了甲烷轉化效果，能顯著(zhù)降低溶液中COD含量，這也表明了Co2+是影響COD去除率的主要因素;以產(chǎn)甲烷量為指標，極差值的大小順序為：Fe2+>Ni2+>Co2+.Fe元素能夠參與微生物體內細胞色素及氧化酶的合成，還可作為胞內氧化還原反應的電子載體，促進(jìn)了揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生，提供了大量供甲烷菌利用的中間產(chǎn)物，提高了甲烷產(chǎn)量，因此，Fe2+是影響產(chǎn)甲烷量的主要因素.同時(shí)，影響產(chǎn)甲烷量的各微量元素排序與Scherer等測定的產(chǎn)甲烷菌細胞中微量元素含量的順序(Fe>Ni>Co)是一致的，表明了微量元素對產(chǎn)甲烷量的影響還與合成甲烷菌細胞體內的元素含量相關(guān).

　　表3 正交試驗極差分析表

　　為考察Fe2+、Co2+、Ni2+三因素對厭氧過(guò)程影響的顯著(zhù)性，對正交試驗進(jìn)行方差分析，見(jiàn)表 4.顯著(zhù)性水平10%時(shí)，經(jīng)F檢驗，當Fe2+、Co2+、Ni2+在促進(jìn)厭氧過(guò)程的較優(yōu)濃度范圍(三水平)內時(shí)，對厭氧過(guò)程中COD去除率和產(chǎn)甲烷量的影響均不顯著(zhù)(Fa< F0.1，2，2=9，Fb< F0.1，2，4=4.32，α=0.1)，表明3種微量元素在其各自適宜的投加濃度范圍內時(shí)，對滲濾液厭氧過(guò)程的促進(jìn)效果較為相近.

　　表4 正交試驗方差分析

　　3.3 COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值相關(guān)性分析

　　對單因素和正交試驗的COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值進(jìn)行雙因素Pearson相關(guān)性分析，結果見(jiàn)表 5. pH值是反映厭氧體系穩定性的重要指標之一，試驗中各試驗組的pH值維持在7.05~7.53之間，厭氧體系較為穩定.在厭氧過(guò)程中，水解發(fā)酵階段和產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸階段將復雜的有機物降解為小分子有機物，并產(chǎn)生大量VFAs，使料液pH值下降，而產(chǎn)甲烷階段中甲烷菌以VFAs為底物進(jìn)行新陳代謝，產(chǎn)生甲烷，使料液pH值回升.因此，甲烷菌產(chǎn)甲烷效率的高低，直接影響著(zhù)厭氧料液中pH值的大小.表 5可以看出厭氧產(chǎn)甲烷量與pH值呈現顯著(zhù)的相關(guān)關(guān)系，其中在Co2+、Ni2+單因素試驗和正交試驗條件下，厭氧產(chǎn)甲烷量與pH值呈現顯著(zhù)的正相關(guān)關(guān)系，即隨著(zhù)pH值的升高厭氧過(guò)程中的產(chǎn)甲烷量相應增加，但在Fe2+單因素試驗下，產(chǎn)甲烷量與pH值呈現顯著(zhù)的負相關(guān)關(guān)系，如前所述，Fe2+能夠有效促進(jìn)揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生，而由于缺乏其他必要的微量元素(如Ni2+、Co2+等)，產(chǎn)甲烷過(guò)程重要的酶活性降低，使厭氧產(chǎn)甲烷速率低于產(chǎn)酸速率，引起有機酸的積累，因而導致產(chǎn)甲烷量與pH值在數值上呈現負相關(guān)關(guān)系.試驗中，厭氧料液內COD含量受微量元素種類(lèi)、細胞破碎程度、微生物活性等多種因素的影響，因而導致COD去除率與pH值及產(chǎn)甲烷量的相關(guān)性不顯著(zhù)(見(jiàn)表 5).

　　表5 COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值Pearson相關(guān)性分析(雙因素比較)

　　4 討論

　　試驗表明，投加Fe2+、Co2+、Ni2+后對滲濾液厭氧過(guò)程均有一定的影響，3種微量元素(特別是Co2+和Ni2+)的影響作用表現出了Hormesis效應，即低濃度促進(jìn)高濃度抑制，各元素在適宜的投加量下對COD去除率和產(chǎn)甲烷量均有顯著(zhù)的促進(jìn)作用.單因素試驗組對比發(fā)現，Fe2+的投加部分起到了絮凝作用，并具有一定的氧化性，因此對COD的去除效果較Co2+和Ni2+的好，而Co2+和Ni2+參與了產(chǎn)甲烷過(guò)程中多種重要酶的合成，促進(jìn)甲烷菌對中間產(chǎn)物VFAs的利用(表現為Co和Ni試驗組pH值較Fe的稍高)，提高了產(chǎn)甲烷量.而3種微量元素組合投加時(shí)，對產(chǎn)甲烷量起到了協(xié)同促進(jìn)作用，Patidar和Tare報道Fe和Co能夠協(xié)同激活甲烷菌的作用，而Ni的存在卻影響了甲烷菌對Co的吸收，因此，不同微量元素的協(xié)同或拮抗作用有待進(jìn)一步研究.

　　滲濾液中污染物成分與垃圾中有機組分相近，Lo等研究多種元素對城市生活垃圾厭氧發(fā)酵的影響，表明Co濃度為0.15~0.58 mg · L-1，Ni濃度為0.80~5.36 mg · L-1時(shí)增強了厭氧產(chǎn)氣率，而當Co濃度為8.63 mg · L-1，Ni濃度為7.24 mg · L-1時(shí)半數活性受到抑制，與本文研究相近.本試驗微量元素投加量較其他多數研究偏高的原因之一，是由于多數研究微量元素的促進(jìn)或毒性作用均以單一的甲醇、醋酸或H2/CO2等作為產(chǎn)甲烷基質(zhì)，微量元素的生物有效性受廢水組成的影響不大，而滲濾液水質(zhì)組成較為復雜，不同廢水中無(wú)機配位體不同及微量元素不同的化學(xué)形態(tài)，影響了微量元素的生物有效性或毒性，且不同溫度下厭氧發(fā)酵系統對微量元素的需求也不同，因此有必要研究不同廢水、不同處理工藝及不同微生物菌落對微量元素的需求.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　5 結論

　　1)投加Fe2+、Co2+、Ni2+對滲濾液厭氧過(guò)程的影響表現出了Hormesis效應，其中分別投加Fe2+=25 mg · L-1、Co2+=1 mg · L-1、Ni2+=0.5 mg · L-1時(shí)COD去除率和產(chǎn)甲烷量較對照分別提高了15.38%、10.33%、0.39%和23.16%、43.2%、42.23%;3種微量元素組合投加時(shí)，協(xié)同促進(jìn)了甲烷的產(chǎn)生，較對照提高了61.68%±5.53%;正交試驗得出3種微量元素對促進(jìn)COD降解效率的排序為：Co2+>Ni2+>Fe2+，對促進(jìn)甲烷產(chǎn)量的排序為：Fe2+>Ni2+>Co2+，但3種微量元素在各自適宜的投加濃度范圍內時(shí)，對滲濾液厭氧過(guò)程的促進(jìn)效果較為相近;試驗過(guò)程中，各試驗組pH值維持在7.05~7.53之間，并與產(chǎn)甲烷量呈顯著(zhù)的相關(guān)關(guān)系.

　　2)受基質(zhì)成分、厭氧條件、優(yōu)勢微生物不同的影響，滲濾液厭氧體系對微量元素的需求較別的體系偏高，同時(shí)，滲濾液成分較為復雜，微量元素的生物有效性一定程度上受到了限制.