Fe2+对渗滤液厌氧过程的影响

2017-03-15 05:27:36 3

  1 引言

  垃圾渗滤液是一种高浓度难降解有机废水,多年来渗滤液的处理仍以厌氧生物法为主.渗滤液中过高的金属离子、氨氮、盐分等会对厌氧过程产生抑制作用,同时,硫酸盐的存在也会对产甲烷菌产生竞争抑制,硫酸盐最终还原产物硫化物更是对厌氧菌有直接的毒害作用.渗滤液成分复杂,严重抑制了其厌氧处理进程.

  一些微量元素如:Fe、Co、Ni、Zn、Cu、Mn、Mo、Se、W、B等,对提高厌氧生物处理效率有积极的作用.微量元素不仅促进微生物细胞和酶的合成,同时可以激活相关酶活性.研究表明,微量元素Fe2+、Co2+、Ni2+的添加,促进了厌氧消化及产甲烷过程,其中投加Fe元素可以提高甲醇降解率,并能减缓高硫酸盐渗滤液对厌氧产甲烷过程的抑制作用,低浓度的Ni促进厌氧降解效果,而加入微量元素Co促使以甲醇作为基质的厌氧颗粒污泥SMA明显提高.同时,投加Fe、Co和Ni等微量金属元素时可缓解高钠离子对甲烷菌的抑制和毒害,并对NH+4-N毒性产生明显的拮抗作用.不同微量元素在复杂底物为原料的厌氧发酵系统中的作用不一,其生物有效性也受到多种因素的影响,目前微量元素对渗滤液厌氧过程的影响鲜有报道.

  本文通过单因素和正交试验,研究Fe2+、Co2+、Ni2+对渗滤液厌氧过程的影响,为确定渗滤液厌氧消化系统所需的适宜的微量元素投加量、提高渗滤液处理效率提供依据.

  2 材料与方

  2.1 接种污泥及试验用水

  接种颗粒污泥取自南宁市龙州县南华糖业稳定运行的厌氧罐,污泥色泽黑亮,形状圆润,粒径≤4 mm.颗粒污泥经清水淘洗,去除无机颗粒后过32目筛网备用,污泥TS=66.87 g · L-1,VS=51.41 g · L-1,TS/VS=0.769.

  渗滤液取自南宁市马山县生活垃圾填埋场调节池原水,填埋场场龄2~3年.主要水质指标如表 1所示,其中Fe、Co、Ni的背景值不影响微量元素的添加量.试验用水添加少量葡萄糖和KH2PO4补充碳源和磷源,控制废水COD≈3000 mg · L-1,保持C : N : P≈300 : 5 : 1.

  表1 渗滤液主要水质指标

  2.2 试验装置

  试验装置如图 1所示,主要由容积500 mL的厌氧反应瓶和500 mL集气瓶组成,瓶口以翻口胶塞密封,确保严格厌氧条件.厌氧发酵产甲烷量通过排水法计量,倒置的排水集气瓶内装有浓度为3%的NaOH,以化学吸收法消除产气中的CO2和H2S.反应瓶均置于恒温水浴箱(35±2 ℃)内,以提供厌氧微生物适宜的温度环境.

  图 1 厌氧间歇试验装置

  2.3 试验方法

  血清瓶内接种100 mL颗粒污泥和300 mL渗滤液,并通入N2 3 min以排出瓶内空气,瓶口密封后插入导气管,连接至排水瓶,中温(35±2 ℃)产气发酵,量筒内测量的排水体积等同于厌氧发酵产甲烷量.试验过程反应瓶以振荡方式保证泥水混合均匀.试验开始前,以渗滤液原液淘洗培养污泥3~5 d.试验过程中,投加的微量元素离子浓度换算为相应的FeC12 · 4H2O、CoCl2 · 6H2O、NiCl2 · 6H2O分子浓度,以溶液形态加入.

  试验分为单因素试验和正交试验.单因素试验微量元素的投加量分别为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.正交试验依据单因素试验结果,选取较优的浓度范围,选择L9(34)正交表进行设计并试验.各组试验均设置6个平行试验,并设置对照组C(未添加微量元素)和空白组(内源产气).每组反应时间均为1 d,测定上清液pH值、COD值,记录甲烷产量.

  2.4 测定项目和分析方法

  CODCr、pH分析项目及测试方法参照《水和废水监测分析方法》(国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》,产气通过排水法收集并计量.图表绘制使用Origin8进行绘制,数据使用SPSS Statistics 19进行统计学分析.

  3 结果与分析

  3.1 单因素试验

  3.1.1 投加Fe2+对厌氧过程的影响

  研究表明,Fe元素在合成产甲烷菌组织的金属元素中含量最高,同时是合成厌氧系统中多种酶(如CO脱氢酶、乙酰辅酶A合成酶、氢化酶等)所必须的元素,并能够激活相关酶的活性.投加Fe2+对COD去除率、产甲烷量和pH值的影响如图 2所示.由图 2可知,Fe2+的投加对渗滤液厌氧处理的COD去除率和产甲烷量均有显著提高(p<0.05).随着Fe2+投加浓度的增加,COD去除率和产甲烷量均呈现先上升后下降的趋势,当Fe2+投加量为10~25 mg · L-1时,对渗滤液厌氧过程的促进效果较为接近,其中当Fe2+投加量为25 mg · L-1时,COD去除率和产甲烷量较对照分别提高了15.38%、23.16%.与此不同的是,低浓度的Fe2+(≤3 mg · L-1)则对蓝藻厌氧发酵的促进效果最好,投加0.56 mg · L-1的Fe2+时提高了以甲醇为基质时颗粒污泥的产甲烷活性,这可能是由于渗滤液成分复杂,外加的Fe2+(或氧化成Fe3+)通常与渗滤液中大量的无机配位体(如S2-、CO2-3等)形成铁盐沉淀,影响了铁元素的生物有效性,导致此渗滤液厌氧系统对铁元素的需求量增加.而Fe2+投加浓度过高,同样对厌氧进程产生抑制,研究报道,当Fe2+投加浓度超过50 mg · L-1时,对发酵产氢过程中的COD去除率和硝基苯降解过程中的污泥产甲烷活性均有轻微的抑制作用,与本文研究一致.由于渗滤液碱度充足,Fe2+浓度的提高对各组试验上清液pH值无显著影响,均保持在7.0~7.1之间,无酸化现象发生.

  图 2 投加Fe2+对COD去除率、产甲烷量和pH值的影响(注:图中同一指标含不同小写字母(a、b、c)表示差异显著(p<0.05),下同.)

  3.1.2 投加Co2+对厌氧过程的影响

  Co同样参与CO脱氢酶的合成,同时是辅酶B12、甲基转移酶的组成成分,对厌氧体系中乙酸的形成、互养微生物间的电子转移、产甲烷过程等阶段起着重要的作用.投加Co2+对COD去除率、产甲烷量和pH值的影响如图 3所示,随着Co2+投加浓度的增加,COD去除率和产甲烷量均呈现先上升后下降的趋势.报道称,投加0.295 mg · L-1(5 μmol · L-1)的Co2+能有效提高污泥以甲醇为基质时的产甲烷活性,而Bartacek等的毒性试验也表明,自由Co2+离子浓度达到0.767 mg · L-1(13 μmol · L-1)时则抑制了50%的产甲烷活性.本试验条件下,当Co2+投加浓度为0.5~3 mg · L-1时,COD去除率和产甲烷量较对照明显提高,特别是当Co2+投加浓度为1 mg · L-1时对COD去除率和产甲烷量促进显著(p<0.05),较对照分别提高了10.33%、43.2%.当Co2+投加浓度高于5 mg · L-1时,产甲烷量显著下降,其浓度可能超过了甲烷菌的耐受限度,产生了毒性作用,抑制了厌氧产气进程.由此表明,Co元素在此渗滤液厌氧系统下的生物有效性同样受到限制,表现为其对厌氧过程的促进和毒性作用浓度较其他研究偏高.各组试验上清液pH值随Co2+浓度的提高无显著变化,均维持在7.05~7.15之间,无酸化现象发生.

  图 3 投加Co2+对COD去除率、产甲烷量和pH值的影响

  3.1.3 投加Ni2+对厌氧过程的影响

  Ni元素参与CO脱氢酶、乙酰辅酶A合成酶、氢化酶等重要酶的合成,同时是辅酶M和辅酶F430的重要成分,对甲基辅酶M还原酶(MCR)催化甲烷的生成起着关键作用.投加Ni2+对COD去除率、产甲烷量和pH值的影响如图 4所示,随着Ni2+投加浓度的增加,产甲烷量呈现先上升后下降的趋势.其中当Ni2+投加浓度为0.5 mg · L-1时,COD去除率较对照提高了0.39%,而投加量超过0.5 mg · L-1时,COD去除率逐步降低,Ni2+浓度达到10 mg · L-1时,COD去除率下降显著(p<0.05).而Ni2+的投加,显著提高了产甲烷量,当Ni2+浓度为0.5 mg · L-1时产甲烷量较对照提高了42.23%,超过此值时产甲烷量逐步降低,到达10 mg · L-1时与投加量0.5 mg · L-1相比下降显著(p<0.05),这与报道的当溶解态镍离子浓度达到8~12 mg · L-1时厌氧体系受到严重抑制的结果相.农丽薇等的研究表明,低浓度的Ni2+(0.2 mg · L-1)促进稻草厌氧消化,陈皓等研究也证实了Ni2+<5 mg · L-1时对2-氯酚厌氧降解表现出轻度促进,而受到基质种类、厌氧条件等因素的影响,不同厌氧体系对Ni2+的需求量不同,Ni2+的投加量过高则会产生毒性作用,本渗滤液厌氧体系下,厌氧微生物对Ni2+的反应较为敏感,表现为低浓度促进高浓度抑制,可能与渗滤液成分复杂有关.各组试验上清液pH值均保持在7.09~7.17之间,无酸化现象发生.

  图 4 投加Ni2+对COD去除率、产甲烷量和pH值的影响

  3.2 正交试验

  依据单因素试验结果,正交试验设置三水平,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.正交试验设计见表 2.

  表2 L9(34)正交表

  正交试验COD去除率、产甲烷量和pH值变化见图 5,可以看出,微量元素Fe2+、Co2+、Ni2+组合投加后,厌氧料液pH值和产甲烷量有显著提升(p<0.05,较对照分别提高了5.74%±0.36%和61.68%±5.53%),这可能是由于3种微量元素在产甲烷过程中存在协同作用,甲烷菌的对底物挥发性脂肪酸(VFAs,主要为乙酸)的利用程度增大,有效降低了溶液中VFAs含量,使料液pH值接近于接种废水(pH=8.15),并提高了产甲烷量(明显优于单因素试验组),由此也说明了缺乏某一元素会使污泥的产甲烷活性明显降低,同时验证了微量元素在促进微生物新陈代谢中的作用并非是孤立的.厌氧废水中被去除的COD主要转化为甲烷,通常情况下,产甲烷量与COD去除率呈相关的关系,但试验表明,Fe2+、Co2+、Ni2+的组合投加在显著提高产甲烷量的同时COD去除率却有所下降,较对照低6.67%±4.84%(其中3号和9号COD去除率显著下降),可能是因为产气量的增大,部分死亡的微生物细胞在水力和气体剧烈扰动下发生破裂,其细胞内有机成分释放到溶液中增大了COD的值,但影响溶液COD浓度的因素较为复杂,仍需进一步研究.

  图 5 正交试验COD去除率、产甲烷量和pH值变化

  为考察Fe2+、Co2+、Ni2+三因素对厌氧过程影响作用的顺序,对正交试验进行直观分析,结果见表 3.在Fe2+、Co2+、Ni2+同时存在于渗滤液厌氧体系的情况下,以COD去除率为指标,极差值的大小顺序为:Co2+>Ni2+>Fe2+.厌氧过程中,水解酸化和产乙酸阶段将大分子的有机物降解为小分子有机物,此阶段并不能有效降低溶液中COD的值,而Co元素作为重要的转甲基酶组成成分,对小分子有机物转化为甲烷气体排出的产甲烷过程起到关键作用,增强了甲烷转化效果,能显著降低溶液中COD含量,这也表明了Co2+是影响COD去除率的主要因素;以产甲烷量为指标,极差值的大小顺序为:Fe2+>Ni2+>Co2+.Fe元素能够参与微生物体内细胞色素及氧化酶的合成,还可作为胞内氧化还原反应的电子载体,促进了挥发性脂肪酸的产生,提供了大量供甲烷菌利用的中间产物,提高了甲烷产量,因此,Fe2+是影响产甲烷量的主要因素.同时,影响产甲烷量的各微量元素排序与Scherer等测定的产甲烷菌细胞中微量元素含量的顺序(Fe>Ni>Co)是一致的,表明了微量元素对产甲烷量的影响还与合成甲烷菌细胞体内的元素含量相关.

  表3 正交试验极差分析表

  为考察Fe2+、Co2+、Ni2+三因素对厌氧过程影响的显著性,对正交试验进行方差分析,见表 4.显著性水平10%时,经F检验,当Fe2+、Co2+、Ni2+在促进厌氧过程的较优浓度范围(三水平)内时,对厌氧过程中COD去除率和产甲烷量的影响均不显著(Fa< F0.1,2,2=9,Fb< F0.1,2,4=4.32,α=0.1),表明3种微量元素在其各自适宜的投加浓度范围内时,对渗滤液厌氧过程的促进效果较为相近.

  表4 正交试验方差分析

  3.3 COD去除率、产甲烷量和pH值相关性分析

  对单因素和正交试验的COD去除率、产甲烷量和pH值进行双因素Pearson相关性分析,结果见表 5. pH值是反映厌氧体系稳定性的重要指标之一,试验中各试验组的pH值维持在7.05~7.53之间,厌氧体系较为稳定.在厌氧过程中,水解发酵阶段和产氢、产乙酸阶段将复杂的有机物降解为小分子有机物,并产生大量VFAs,使料液pH值下降,而产甲烷阶段中甲烷菌以VFAs为底物进行新陈代谢,产生甲烷,使料液pH值回升.因此,甲烷菌产甲烷效率的高低,直接影响着厌氧料液中pH值的大小.表 5可以看出厌氧产甲烷量与pH值呈现显著的相关关系,其中在Co2+、Ni2+单因素试验和正交试验条件下,厌氧产甲烷量与pH值呈现显著的正相关关系,即随着pH值的升高厌氧过程中的产甲烷量相应增加,但在Fe2+单因素试验下,产甲烷量与pH值呈现显著的负相关关系,如前所述,Fe2+能够有效促进挥发性脂肪酸的产生,而由于缺乏其他必要的微量元素(如Ni2+、Co2+等),产甲烷过程重要的酶活性降低,使厌氧产甲烷速率低于产酸速率,引起有机酸的积累,因而导致产甲烷量与pH值在数值上呈现负相关关系.试验中,厌氧料液内COD含量受微量元素种类、细胞破碎程度、微生物活性等多种因素的影响,因而导致COD去除率与pH值及产甲烷量的相关性不显著(见表 5).

  表5 COD去除率、产甲烷量和pH值Pearson相关性分析(双因素比较)

  4 讨论

  试验表明,投加Fe2+、Co2+、Ni2+后对渗滤液厌氧过程均有一定的影响,3种微量元素(特别是Co2+和Ni2+)的影响作用表现出了Hormesis效应,即低浓度促进高浓度抑制,各元素在适宜的投加量下对COD去除率和产甲烷量均有显著的促进作用.单因素试验组对比发现,Fe2+的投加部分起到了絮凝作用,并具有一定的氧化性,因此对COD的去除效果较Co2+和Ni2+的好,而Co2+和Ni2+参与了产甲烷过程中多种重要酶的合成,促进甲烷菌对中间产物VFAs的利用(表现为Co和Ni试验组pH值较Fe的稍高),提高了产甲烷量.而3种微量元素组合投加时,对产甲烷量起到了协同促进作用,Patidar和Tare报道Fe和Co能够协同激活甲烷菌的作用,而Ni的存在却影响了甲烷菌对Co的吸收,因此,不同微量元素的协同或拮抗作用有待进一步研究.

  渗滤液中污染物成分与垃圾中有机组分相近,Lo等研究多种元素对城市生活垃圾厌氧发酵的影响,表明Co浓度为0.15~0.58 mg · L-1,Ni浓度为0.80~5.36 mg · L-1时增强了厌氧产气率,而当Co浓度为8.63 mg · L-1,Ni浓度为7.24 mg · L-1时半数活性受到抑制,与本文研究相近.本试验微量元素投加量较其他多数研究偏高的原因之一,是由于多数研究微量元素的促进或毒性作用均以单一的甲醇、醋酸或H2/CO2等作为产甲烷基质,微量元素的生物有效性受废水组成的影响不大,而渗滤液水质组成较为复杂,不同废水中无机配位体不同及微量元素不同的化学形态,影响了微量元素的生物有效性或毒性,且不同温度下厌氧发酵系统对微量元素的需求也不同,因此有必要研究不同废水、不同处理工艺及不同微生物菌落对微量元素的需求.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  5 结论

  1)投加Fe2+、Co2+、Ni2+对渗滤液厌氧过程的影响表现出了Hormesis效应,其中分别投加Fe2+=25 mg · L-1、Co2+=1 mg · L-1、Ni2+=0.5 mg · L-1时COD去除率和产甲烷量较对照分别提高了15.38%、10.33%、0.39%和23.16%、43.2%、42.23%;3种微量元素组合投加时,协同促进了甲烷的产生,较对照提高了61.68%±5.53%;正交试验得出3种微量元素对促进COD降解效率的排序为:Co2+>Ni2+>Fe2+,对促进甲烷产量的排序为:Fe2+>Ni2+>Co2+,但3种微量元素在各自适宜的投加浓度范围内时,对渗滤液厌氧过程的促进效果较为相近;试验过程中,各试验组pH值维持在7.05~7.53之间,并与产甲烷量呈显著的相关关系.

  2)受基质成分、厌氧条件、优势微生物不同的影响,渗滤液厌氧体系对微量元素的需求较别的体系偏高,同时,渗滤液成分较为复杂,微量元素的生物有效性一定程度上受到了限制.

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