氨三乙酸對厭氧消化反應(yīng)器運行效果的影響

氨三乙酸對厭氧消化反應(yīng)器運行效果的影響

采用甲烷蒸發(fā)厭氧處理技術(shù)將污染物去除和能源回收結(jié)合起來，成本低。這是世界各國進行研究和開發(fā)的最重要的技術(shù)。厭氧消化處理技術(shù)也被用來處理高鹽沉淀和采礦廢水。為了加強厭氧發(fā)酵，人們開發(fā)了一種新的厭氧生物裝置（如egsb、ic），這提高了廢水厭氧處理的強度和效率，并對厭氧生物裝置的結(jié)構(gòu)進行了大量研究。由于厭氧處理的重點是產(chǎn)甲烷，因此如何加強產(chǎn)甲烷的作用一直是研究的重點。微量元素在產(chǎn)甲烷過程中具有重要作用.它們總是作為輔因子的成分出現(xiàn)在微生物的酶系統(tǒng)中或者對于微生物的酶系統(tǒng)起著重要的作用.如鎳是輔酶F430的重要組成元素,而F430是甲基輔酶還原酶的活性酶.因此,在厭氧反應(yīng)器中維持足夠的微量金屬元素的濃度十分重要.對微量元素促進產(chǎn)甲烷目前主要集中在研究微量元素的種類以及投加組合方面,而實際上在城市有機垃圾以及一些工業(yè)廢水的生物處理反應(yīng)器中,微量元素的濃度并不低,但在添加微量元素后,產(chǎn)甲烷效應(yīng)仍然得到大幅度提高,說明總的金屬濃度并不能作為其生物有效度的工具.在廢水厭氧處理過程中,硫酸鹽還原常常產(chǎn)生硫化物,廢水中的其他一些陰離子也很容易與微量元素結(jié)合生成沉淀,因此,微量元素常常不能被微生物有效攝取.螯合劑由于能與微量元素形成螯合物從而對其生物可利用性產(chǎn)生影響.關(guān)于螯合劑誘導(dǎo)的植物修復(fù)研究較多,但螯合劑在厭氧生物反應(yīng)器中的作用機制還不甚明了.本文以合成模擬廢水為研究對象,在連續(xù)運行的槽式攪拌反應(yīng)器(CSTR)中考察了氨三乙酸(NTA)對厭氧消化反應(yīng)器運行效果的影響.1材料和方法1.1氧段6.2+tss-pla種泥取自無錫太湖水啤酒廠的廢水處理厭氧段,pH=7.2,VSS∶TSS=0.72(VSS為生物量,TSS為總懸浮物量),經(jīng)過合成廢水馴化2周后使用.1.2微量元素的組成實驗用水為人工配制的模擬廢水,乙酸鈉為碳源,其組成如表1所示.微量元素配方見文獻.每升模擬廢水中加入1mL微量元素液.Ni2+以NiCl2·6H2O的形式按10μmol添加.1.3沼氣的預(yù)處理實驗在2個有機玻璃制成的有效反應(yīng)容積(1L)+氣室(0.6L)的CSTR反應(yīng)器中進行,廢水在配水池配好后,用蠕動泵打入,所產(chǎn)生的沼氣采用專用的氣體收集瓶收集計量.反應(yīng)器置于恒溫室內(nèi),保持35℃的恒溫條件不變.采取逐步提高負(fù)荷的方法,整個試驗期間進水負(fù)荷維持在COD為0.5～3.4g/(L·d)之間,定期進行污泥回流,污泥濃度維持在6～7g/L.兩個反應(yīng)器,一個為對照系統(tǒng),進水中不添加螯合劑NTA,另外一個為處理系統(tǒng),進水中添加10μmolNTA.實驗裝置見圖1.1.4水生動物固定型探針的制備與修飾實驗過程中產(chǎn)生的甲烷用裝有2molNaOH溶液的液體置換裝置測定,用精密酸度計法測定pH,COD,TSS,VSS的測定參照標(biāo)準(zhǔn)方法,輔酶F420的測定方法參照文獻,輔酶F430的提取按照文獻的方法進行,F430的濃度由其所含有的鎳濃度來表達,用原子吸收分光光度法測定金屬離子濃度.熒光原位雜交(FISH)實驗:采用古細(xì)菌探針(S-D-Arch-0915-a-A-20)和甲烷八疊球菌探針(S-F-Msar-1414-a-A-21),其修飾合成均由上海生物工程有限公司完成;熒光顯微鏡(DXM1200C)為Nikon公司產(chǎn)品.取5μL適當(dāng)濃度稀釋的固定化細(xì)胞,均勻涂布于2孔白明膠包埋后的載玻片的每個孔上,在室溫下將載玻片晾干,再將載玻片置于46℃中熱固定20min,將細(xì)胞依次在50%,80%和100%的乙醇溶液中脫水各5～15min,自然干燥.在載玻片的每個孔上加入10μL現(xiàn)配的雜交緩沖液(0.18mol/LNaCl,0.02mol/LTris/HCl(pH=8.0),一定濃度的甲酰胺,每種探針的最適甲酰胺濃度通過實驗優(yōu)化確定),再加入1μL探針使用液,加蓋玻片;在雜交管中放一張吸水紙,載玻片放入雜交管內(nèi),多余的雜交緩沖液傾于吸水紙上,在46℃雜交1.5～3h.雜交完畢,迅速取出載玻片,放入48℃雜交洗脫液15～20min,充分除去未雜交的探針和雜交緩沖液,再用冰冷ddH2O漂洗2～3次,自然干燥.然后置于熒光顯微鏡下進行觀察測定.2結(jié)果與討論2.1nta對反應(yīng)器cod的去除效果圖2給出了不同有機負(fù)荷條件下反應(yīng)器COD去除情況.可以看出,有機負(fù)荷對COD去除率影響較大.在反應(yīng)器運行初期,當(dāng)負(fù)荷率維持COD為0.5g/(L·d)時,COD去除率都維持在93%以上,隨著負(fù)荷的增大,COD去除率逐漸下降.添加NTA與否對反應(yīng)器運行影響較大.當(dāng)反應(yīng)器有機負(fù)荷COD在1.0,1.4g/(L·d)時,反應(yīng)器COD去除率分別由90%,88%提高到97%,94%,說明螯合劑的添加對產(chǎn)甲烷有著重要影響.本實驗結(jié)果表明:在含硫化物的廢水處理厭氧反應(yīng)器中通過添加螯合劑NTA,可以提高廢水的厭氧處理效果.2.2以乙酸為底物的甲烷形成甲基不同有機負(fù)荷條件下反應(yīng)器的甲烷產(chǎn)氣率如圖3所示.在有機負(fù)荷COD維持在0.7g/(L·d)以下時,添加NTA與否對反應(yīng)器產(chǎn)氣率影響不大.繼續(xù)增大有機負(fù)荷,NTA對反應(yīng)器產(chǎn)氣率有較明顯的影響.當(dāng)有機負(fù)荷COD達到1,1.4,3.4g/(L·d)時,反應(yīng)器的產(chǎn)氣率分別由305,390,590mL/(L·d)提高到366,501,840mL/(L·d),分別提高了20%,29%,42%.隨著反應(yīng)器負(fù)荷逐漸提高,越來越多的乙酸被產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化為甲烷,因此產(chǎn)甲烷菌對微量元素的需求也更為重要.由于以乙酸為底物形成甲烷是先由乙酸生成甲基輔酶M,最后在甲基輔酶還原酶的作用下產(chǎn)生甲烷,甲烷形成路徑共有4個步驟:1)在有序的結(jié)合底物之后,CH3-Ni(III)-F430和CoM形成;2)CH3-Ni(III)-F430氧化輔酶M成為硫自由基,同時自身被還原為CH3-Ni(II)-F430;3)CH3-Ni(II)-F430中間產(chǎn)物結(jié)合質(zhì)子生成甲烷,然后輔酶M上的硫自由基與輔酶B的硫醇結(jié)合生成異二硫陰離子自由基;4)異二硫陰離子自由基還原Ni(II)-F430成為Ni(I)-F430,然后,產(chǎn)物CoM-S-S-CoB被排出.在這一系列生化反應(yīng)過程中均需要輔酶的參與方能完成.由甲烷生成路徑可以看出:微量元素如鎳元素對于甲烷的形成有著不可或缺的作用.隨著負(fù)荷的提高,一方面產(chǎn)甲烷菌自身細(xì)胞的合成需要微量元素,另外一方面,甲烷的生物代謝途徑需要微量元素的參加.所以負(fù)荷提高,產(chǎn)甲烷菌對微量元素的需求也相應(yīng)提高.而在含硫化物的反應(yīng)器中,由于硫化物和微量元素如鐵、鈷、鎳等可形成沉淀,所以使得微量元素的生物可利用性降低,從而影響了產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的運行效率.而添加NTA的反應(yīng)器中,由于NTA可以和鎳、鈷等微量元素形成可溶性的螯合物,從而大大提高了溶解度,為提高微量元素的生物可利用性創(chuàng)造了條件.圖3結(jié)果表明NTA的加入提高了反應(yīng)器的運行效率.2.3情況4:情況2對產(chǎn)甲烷活性的影響為了證實NTA的添加對微量元素如鎳的生物可利用性的影響,在反應(yīng)器負(fù)荷COD為3.4g/(L·d)時,對反應(yīng)器產(chǎn)甲烷污泥中的輔因子濃度進行了檢測,結(jié)果如表2所示.以VSS為基準(zhǔn).雖然對于輔酶F420能否作為厭氧反應(yīng)器運行監(jiān)測的指標(biāo),不同的研究者得出的結(jié)論不盡相同,如文獻的研究結(jié)果表明輔酶F420含量與產(chǎn)甲烷活性具有明顯的相關(guān)性.但文獻的研究則認(rèn)為產(chǎn)甲烷活性與輔酶F420含量并沒有很好的相關(guān)性;但對于同種厭氧污泥來說,因為產(chǎn)甲烷菌組成變化較小,輔酶F420的含量可以有效的指示產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷活性.在本實驗中可以看出,添加NTA后對輔酶F420的含量有影響,從1.30μmol/g提高到1.61μmol/g,提高了24%.因此NTA的添加提高了污泥的產(chǎn)甲烷活性.另外,輔酶F430的濃度也由0.15μmol/g提高到0.35μmol/g,提高了1.33倍.實驗結(jié)果與文獻一致,即污泥的產(chǎn)甲烷活性與F430的含量呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性,同時與進水中的微量元素的含量也有密切關(guān)系,進水中如果缺乏鎳離子,則污泥中F430的含量明顯下降.這表明由于NTA的螯合作用,使得反應(yīng)器中鎳的生物可利用性確實得到了提高,從而促進了甲烷的產(chǎn)生,提高了反應(yīng)器運行效率.2.4熒光原位雜交法檢測添加NTA的反應(yīng)器運行效率和產(chǎn)氣率得到提高,說明污泥產(chǎn)甲烷活性增強.污泥產(chǎn)甲烷活性的增強必然與其中的菌群數(shù)量或者結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系.在實驗?zāi)┢谌訉ξ勰噙M行分析.由于產(chǎn)甲烷菌的分離培養(yǎng)較為煩瑣和困難,因此采用熒光原位雜交技術(shù)(FISH)對古細(xì)菌和甲烷八疊球菌進行了檢測,結(jié)果如圖4所示.可以看出,添加NTA的反應(yīng)器中,古細(xì)菌豐度高于對照系統(tǒng),說明NTA的添加促進了產(chǎn)甲烷菌的生長,另外,圖4的結(jié)果還表明添加NTA還促進了甲烷八疊球菌的生長.由于利用乙酸的產(chǎn)甲烷菌主要有甲烷絲狀菌屬(Methanosaetaceae)和甲烷八疊球菌屬(Methanosarcinaceae).甲烷八疊球菌對基質(zhì)代謝能力較強,當(dāng)乙酸濃度大于300mg·L-1時,其對基質(zhì)的利用速率是甲烷絲菌的3～5倍.所以添加NTA也促進了在乙酸濃度較高時動力學(xué)上占優(yōu)勢的甲烷八疊球菌的生長,因此,乙酸利用速度加快,更多乙酸被降解,產(chǎn)氣量也得到提高.3促進產(chǎn)甲烷菌的生物