厌氧系统中酵母浸出物提高Co、Fe生物有效性的研究

成 洁,左剑恶 (清华大学环境科学与工程系,北京 100084)

厌氧系统中酵母浸出物提高Co、Fe生物有效性的研究

成 洁,左剑恶*(清华大学环境科学与工程系,北京 100084)

采用半连续实验,研究中、低温条件下酵母浸出物对厌氧系统中Co、Fe溶解性能和生物有效性的改善作用.结果表明,酵母浸出物对提高纯水中和投加不同有机基质的水中溶解态Co、Fe浓度有明显效果,能显著提高低温下厌氧系统中Co、Fe的生物有效性.在15℃和35℃下,投加酵母浸出物后,水中溶解态Co、Fe浓度均有上升,其中Fe浓度升高明显.啤酒废水等含有酵母浸出物的废水对这种提升作用也有帮助.在15℃厌氧系统中移除酵母浸出物、Co、Fe之后,COD去除率由91.6%下降到58%;重新投加Co、Fe后效果有所回升,其中同时添加酵母浸出物的系统,其COD去除率回升明显,升幅达31.6%,产甲烷速率也呈上升趋势,证实了同时投加酵母浸出物和Co、Fe可有效促进低温下厌氧生物系统的处理效能.

微量金属元素；生物有效性；酵母浸出物；低温厌氧生物处理

在厌氧生物处理过程中,产甲烷阶段是关键的限速步骤.低温下产甲烷菌活性降低,使厌氧系统的处理效能受到严重影响[1-5].有研究表明[6-7],微量金属元素如Fe、Co、Ni等对产甲烷菌生长有不可替代的促进作用.而在很多生产规模的厌氧生物系统中,常常存在一定程度的某种微量金属元素缺乏现象[7],导致系统处理效能的降低.

能够被微生物直接利用的溶解态(自由离子或螯合态)金属元素被认为是对微生物有效的

[6,8].有研究表明[9-10],酵母浸出物能有效提高金属元素的溶解态浓度,提高生物有效性和产甲烷量,其缺失将导致颗粒污泥胞外聚合物(EPS)中Fe、Co、Ni含量的大幅降低.目前国内对于酵母浸出物对微量元素生物有效性影响的研究较少.

本实验通过研究中、低温条件下,酵母浸出物对厌氧生物处理系统中溶解性Co、Fe浓度及生物有效性的影响,确定了提高Co、Fe生物有效性的工艺措施,为提高低温厌氧生物处理系统的运行效能提供科学依据.

1 材料与方法

摇瓶实验分3组进行.第1组主要考察在纯水中投加Co、Fe元素后,溶解态金属元素浓度受酵母浸出物投加量的影响.第2组分别研究以葡萄糖、模拟啤酒废水为基质,投加Co、Fe元素后,金属元素的浓度与投加有机基质之前的差别,及在添加酵母浸出物之后的变化.这2组实验分别在15℃和35℃下同时进行.第3组考察厌氧微生物在 15℃条件下,不同培养基质,经过缺乏 Co、Fe元素、添加Co、Fe元素及添加Co、Fe、酵母浸出物后处理效能的变化.

1.1 实验配水方案

第 1组分别滴加酵母浸出物 0,10,20,30mg,酵母浸出物浓度分别为 0,0.1,0.2,0.3g/L.在 15℃和35℃下同时进行实验.

第2组实验用200 mL血清瓶作为容器,每2个为1小组,共2个小组.第1小组分别投加10mL市售燕京啤酒,第2小组分别投加相当于第一小组同样 COD浓度的葡萄糖.在其中一瓶中投加40mg酵母浸出物,使瓶中酵母浸出物浓度为0.2g/L.另一个血清瓶仅投加金属元素作为对照.在15℃和35℃下同时进行实验.

第 3组摇瓶实验以厌氧颗粒污泥处理模拟啤酒废水.接种污泥取自本研究组在15℃下连续运行6个月后的EGSB反应器.颗粒污泥粒径经过筛选控制在 0.8～2.0mm范围内,污泥浓度为38.97g/L.

取颗粒污泥400mL,先于 1L血清瓶中在不投加Co、Fe及酵母浸出物条件下培养35d.进水采用自配水,以市售燕京啤酒稀释成模拟啤酒废水,COD浓度为3000～4000mg/L.第35～60d将颗粒污泥分至4个200 mL血清瓶内进行培养,每瓶中投加污泥 100mL,每瓶总体积 200mL.4个瓶中,1、2号瓶以葡萄糖自配水作为基质,3、4号瓶以模拟啤酒废水作为基质,并保证COD : N : P = 200:5:1,COD浓度为3000～4000mg/L.向第1、3号瓶中分别投加酵母浸出物20mg,使这2瓶中酵母浸出物浓度均为0.1g/L.

摇瓶实验中,为保证厌氧系统有足够的pH值缓冲能力,投加小苏打控制 pH值在 6.8～7.2之间.

1.2 金属元素投加方案

为保证颗粒污泥培养环境与 EGSB反应器接近,除 Co、Fe之外,配制其他必需元素的混合溶液,配方如下(在 500mL高纯水中):CaCl2:12g; MgSO4·7H2O:26.35g;ZnSO4·7H2O:0.226g;MnCl2· 4H2O:0.062g;CuSO4·5H2O:0.033g.在每L进水投加1mL上述混合溶液.

Co、Fe的投加方案:第1组摇瓶实验分别称取CoCl2·6H2O 0.0022g, FeCl2·4H2O 0.0050g,溶解并稀释至100mL定容,向4个样品中分别投加25mL.

第2组摇瓶实验:称取CoCl2·6H2O 0.4539g, FeCl2·4H2O 2.7363g,溶解并稀释至250mL定容,每个样品各加入0.2mL溶液.

第3组摇瓶实验:以第2组实验所配溶液,每个样品各加入0.2mL溶液.

1.3 分析方法

溶解态金属浓度采用 0.45µm滤膜过滤,加入5%硝酸待测.检测采用ICP方法,其中检测器为IRIS Interpid II XSP等离子发射光谱仪;RF 功率:750～1500W;波长:165～1000nm.

COD检测采用重铬酸钾滴定法.

产甲烷量采用20%NaOH的NaCl饱和溶液吸收后,记录产气体积.

pH值检测采用Orion828酸度计.

2 结果与讨论

2.1 纯水中酵母浸出物对 Co、Fe溶解性能的影响

由图1可见,在投加等量金属元素的情况下,投加了酵母浸出物的样品中溶解态金属元素浓度高于未投加的样品,尤其是 Fe浓度变化明显,并在15℃和35℃下呈现相似的变化规律.在投加酵母浸出物之前,Fe浓度在 15℃和 35℃下分别为3.37,3.22mg/L,在分别投加了0.1,0.2,0.3g/L酵母浸出物之后,Fe浓度在 15℃和 35℃下均超过7.62mg/L,提升幅度较大.在 15℃和 35℃下,投加酵母浸出物后Fe浓度最大增幅分别为4.86mg/L和4.65mg/L,是投加前浓度的2.36倍和2.44倍. Co元素浓度变化虽然没有Fe元素明显,但仍然有小幅提高.这说明在有酵母浸出物存在的情况下,Co、Fe元素的溶解性能均得到了明显改善,溶解态的金属元素浓度增加,可供生物利用的金属增多了.

图1 不同酵母浸出物投加量下纯水中溶解性Co、Fe浓度Fig.1 Dissolved Co, Fe concentration in different dosing of yeast extract

Co、Fe元素的这种浓度差异可能是因为 2种金属的溶解形态种类差异引起的.由于投加的试剂是金属氯化物,FeCl2在水中解离为 Fe2+,然后与水中多种阴离子如 OH-、CO32-等发生可逆的沉淀-溶解平衡关系,构成无机盐沉淀,从而导致溶解态Fe2+浓度大幅减少.投加酵母浸出物后,其与 Fe2+产生的螯合作用改变了原本溶液中的沉淀-溶解平衡,导致Fe元素溶解态浓度增加.Co元素在水中的形态比Fe元素单一,不易与其他阴离子发生可逆的沉淀-溶解平衡,所以在系统中投加酵母浸出物后,溶解态 Co元素的浓度没有明显变化.

2.2 有机基质中添加酵母浸出物对Co、Fe溶解性能的影响

由图2可见,以啤酒作为基质时,金属的溶解性能得到很大程度的提高.在 15℃和 35℃下,添加啤酒后Fe的溶解态浓度分别提升了17.9倍和16.8倍;再添加酵母浸出物后Fe浓度分别提高了18.6倍和20.9倍.然而在添加葡萄糖的样品中,Fe浓度并无明显变化,再添加酵母浸出物之后Fe浓度提高了1.8倍.在35℃下,Fe的浓度变化规律与15℃相似.Co元素浓度的变化没有Fe元素明显,但也有类似的趋势,在 35℃下,以啤酒为有机基质,Co元素浓度提高了1.16倍,再添加酵母浸出物的样品中Co元素浓度最高提升了1.29倍.在2种基质中,酵母浸出物对提高金属元素的浓度都能起到促进作用.

图2 不同有机基质下溶解态Co、Fe浓度Fig.2 Dissolved Co, Fe concentration in water with different orgainic matters

模拟啤酒废水可对金属元素溶解性能起到很好的提升作用,这与啤酒中多种复杂有机组分有关.啤酒发酵过程中酵母是其主要材料之一,啤酒成品及啤酒废水中均含有酵母浸出物残余,根据Gonzalez等的研究[9]及本实验结果可知,酵母浸出物对提高金属元素溶解性能有明显作用.此外,根据 Zandvoort等[11-12]的研究,厌氧系统中的醇类和脂肪酸类有机物会与微量金属元素结合,影响其在系统中的浓度,从而影响厌氧微生物尤其是产甲烷菌的产气效率及产气量.啤酒含有大量糖类、醇类及有机酸等大分子有机物,能与金属元素发生螯合作用,导致金属元素无机盐沉淀减少,溶解态的金属元素浓度增加.

2.3 酵母浸出物在半连续运行厌氧生物系统中对Co、Fe生物有效性的影响

分别以葡萄糖和以模拟啤酒废水作为基质,在 15℃下半连续培养厌氧颗粒污泥.检测 COD去除率及产甲烷量,结果如图3和图4所示.

图3 半连续培养中COD去除率的不同变化Fig.3 Different slopes of COD removal efficiency in semi-continuous cultivation

图4 培养结束各样品厌氧污泥的产甲烷活性Fig.4 Methanogenesis activity of anaerobic sludge at the end of semi-continuous cultivation

在60d内,摇瓶中COD去除率呈现先下降、后回升的趋势.缺乏Co、Fe和酵母浸出物培养的35d内,COD去除率大幅下降,从 91.6%下降到58.0%(表 1).这说明该情况下厌氧微生物的生长活动受到了严重影响.在重新投加Co、Fe元素之后,4个反应瓶的COD去除率都有不同程度的回升,说明Co、Fe的投加确实可促进厌氧生物活性.其中,1、3号添加了酵母浸出物的反应瓶经过25d运行后,COD回升幅度分别达到36.9%和30.4%,明显高于2、4号瓶中的回升幅度24.4%和18.8%.以上结果证明酵母浸出物能更好地促进Co、Fe被厌氧生物利用,提高 Co、Fe的生物有效性,提升厌氧生物系统的处理效能.

表1 半连续培养COD去除率变化幅度(%)Table 1 COD removal efficiency conversion in semicontinuous cultivation (%)

根据图 4,可计算出投加不同基质的样品各自产甲烷速率(mL/h).结果表明,在相同的培养基质中,投加酵母浸出物的样品呈现出更好的产甲烷能力.在没有添加酵母浸出物的样品中,以葡萄糖和以啤酒废水作为基质的产甲烷速率分别为25.04,19.73mL/h.添加酵母浸出物的样品中,产甲烷速率分别提高至26.17,20.18mL/h,增幅分别为4.5%和2.3%.产甲烷量也有相同的变化趋势.在2种基质中,产甲烷量分别提高了 24.3,15.5mL.这说明在有酵母浸出物存在的情况下,厌氧微生物尤其是产甲烷菌的活动受到了促进,表现出更好的处理能力,酵母浸出物对Co、Fe溶解性能的提高是这种促进作用的重要原因之一.Gonzalez等

[9]通过发现厌氧污泥中辅酶 F420含量因金属元素-酵母结合物投加而升高,证实这种促进作用很大程度上是由于酵母浸出物提高了微量金属元素生物有效性,从而在相同的金属投加条件下可被厌氧微生物更好地利用.

另外,实验结果还表明酵母浸出物可以缩短厌氧生物产甲烷的延滞时间.摇瓶实验进行到第5h,投加了酵母浸出物样品的产甲烷量就远大于未投加酵母浸出物的样品.在分别以葡萄糖和啤酒作为有机基质的样品中,1、2号样品和 3、4号样品第 5h的产甲烷量差值分别达到 33.3, 11.1mL.这表明,Co、Fe生物有效性的提高,有利于促进厌氧细菌尤其是产甲烷菌对有机基质的利用速度,缩短有机物被分解利用的时间.赵阳等

[13]的研究表明,Co的生物有效性提高可以促进产甲烷菌中关键酶类的含量增加.van Den Berg等[14]在研究中发现,同时投加酵母浸出物和微量元素之后,乙酸利用率明显提高.这也说明酵母浸出物通过改善微量元素的生物有效性,可以促进厌氧微生物利用基质,提高处理效能.酵母浸出物中所含的生长因子可以促进厌氧微生物生长和生命活动,这是 COD去除率及产甲烷量提升的另一原因.

3 结论

3.1 在 15℃和 35℃下,酵母浸出物对于提高水中溶解态Co、Fe浓度均具有明显效果,尤其是 Fe浓度变化明显,投加酵母浸出物后溶解态Fe浓度分别是投加前的2.36倍和2.44倍,溶解态 Co浓度则分别是投加前的 1.07倍和1.05倍.

3.2 在15℃和35℃下,Co、Fe投加浓度相同,以啤酒和葡萄糖分别配制等量的 COD浓度,含啤酒的样品中溶解态Fe浓度比纯水中提升了16倍以上,溶解态 Co浓度上升了1.16倍.含葡萄糖的样品中Co、Fe浓度并无明显变化.进一步添加酵母浸出物,溶解态Co、Fe浓度均有升高.

3.3 接种厌氧颗粒污泥进行厌氧摇瓶实验,结果表明同时添加Co、Fe和酵母浸出物可以有效促进产甲烷能力的提升.在2种不同基质中,同时添加Co、Fe和酵母浸出物的样品产甲烷速率比仅添加Co、Fe的分别增加了1.13,0.45mL/h,增幅分别为4.5%和2.3%.

3.4 在厌氧生物系统中缺少Co、Fe及酵母浸出物时,其COD去除率大幅下降,从 91.6%下降到58.0%;重新添加Co、Fe之后,COD去除率有一定程度回升;继续添加酵母浸出物后,葡萄糖基质和啤酒基质的COD去除率的回升幅度继续增加,分别达到36.9%和30.4%.

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Improvement of bioavailability of cobalt and iron by yeast extract in anaerobic system.

CHENG Jie, ZUO Jian-e*(Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2010,30(2)：192～196

The improvement of yeast extract on solubility and bioavailability of Co, Fe in mesophilic and psychrophilic anaerobic system were studied. The results indicated that the dosing of yeast extract could significantly increase the solute concentration of Co and Fe in pure water and water with different organic matters, as well as improve their bioavailability in psychrophilic anaerobic system. The dissolved concentration of Co and Fe, especially Fe, increased obviously after yeast extract dosing in water at both 15 ℃ and 35℃ . Wastewater such as brewery wastewater which contains yeast extract contributed to this promotion as well. COD removal efficiency decreased from 91.6% to 58% after removing of yeast extract, Co and Fe in the anaerobic system operated at 15℃. It increased slightly after dosing Co and Fe again, while a remarkable increase (31.6%) appeared when yeast extract was dosed simultaneously, and so does the methane production rate. It is proved that a simultaneous dosing of Co and Fe with yeast extract could improve the performance of psychrophilic anaerobic treatment system.

trace metals；bioavailability；yeast extract；psychrophilic anaerobic treatment system

X703.5

A

1000-6923(2010)02-0192-05

2009-07-20

国家自然科学基金资助项目(50678091)

* 责任作者, 教授, jiane.zuo@tsinghua.edu.cn

成 洁(1985-),女,重庆江津人,清华大学环境科学与工程系硕士研究生,主要研究方向为废水厌氧生物处理.