氨三乙酸促进厌氧消化产甲烷的动力学研究

胡庆昊,李秀芬,陈 坚,邓 宇 (.淮海工学院化学工程学院,江苏 连云港 222005；2.江南大学环境与土木工程学院,江苏 无锡 222；.江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏 无锡 222；.农业部能源微生物与利用重点开放实验室,四川 成都 600)

氨三乙酸促进厌氧消化产甲烷的动力学研究

胡庆昊1,李秀芬2*,陈 坚3,邓 宇4(1.淮海工学院化学工程学院,江苏 连云港 222005；2.江南大学环境与土木工程学院,江苏 无锡 214122；3.江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏 无锡 214122；4.农业部能源微生物与利用重点开放实验室,四川 成都 610041)

以乙酸钠为碳源,考察了金属离子螯合剂氨三乙酸(NTA)对厌氧发酵产甲烷过程的影响.结果表明,NTA对厌氧消化具有明显的促进作用,在乙酸钠浓度为6,7,10,12g/L,消化温度为35 ℃的条件下,10µmol/L NTA的添加,分别使甲烷产量提高了30.0%,45.2%,64.3%和95.9%.此时, NTA促进厌氧消化反应的动力学常数Vmax和半饱和常数Ks分别由84.8mLCH4/(gSS⋅d)和2.95gNaAc/L提高到147. 1mLCH4/(gSS⋅d)和7.57g NaAc/L.螯合剂NTA的添加,使微量元素的生物可利用性得到增强,产甲烷菌对乙酸盐的利用率相应提高.

氨三乙酸；生物可利用性；厌氧消化；甲烷

目前,厌氧发酵制甲烷日益成为资源化利用废生物质的经济可行的方法之一[1-2].在厌氧消化过程中,产甲烷菌不仅需要足够的有机营养,还要有适量的微量元素.缺乏必要的微量元素会导致生物活力下降,进而影响整个厌氧反应器的运行效果和稳定性[3-4].研究表明[5-9],向厌氧生物反应器中适量投加 Fe、Co、Ni等微量金属元素,可以提高甲烷产率和反应器的处理效率.但由于工业废水及其处理过程中常会产生或含有二价硫及磷酸根和碳酸根等阴离子,能与金属离子生成沉淀,因此在实际厌氧消化处理系统中,常常需大量投加这些金属离子才能保证它们以充足量和有效的生物学形式存在[7],保证底物的最大转化率.另有研究报道[10],金属离子螯合剂由于能和 Fe、Co、Ni等微量元素形成稳定的螯合物,从而可以大大提高它们的溶解度及其生物可利用性.然而,目前金属离子螯合剂仅在重金属污染的土壤修复中得到了充分的关注和较多研究[11-13],螯合剂应用于厌氧生物反应器的研究则少见报道.作者在批式试验中的研究表明[14],氨三乙酸(NTA)作为一种螯合剂,能有效提高 Ni2+的可溶性,从而增加其生物可利用性,促进产甲烷过程.本研究从动力学角度考察NTA对厌氧消化产甲烷过程的影响,以期对NTA促进厌氧发酵产甲烷提供基础数据.

1 材料与方法

1.1 材料

实验用水为人工配制的模拟废水,乙酸钠为碳源,按COD:N:P=200:5:1的比例加入NH4Cl、K2HPO4、KH2PO4等营养物质配制营养液,硫化钠浓度为 1mmol/L.微量元素溶液配方组成为(mg/L)[9]: FeCl2⋅4H2O 2000、ZnCl250、MnCl2⋅4H2O 500、CuCl2⋅2H2O 38、NiCl2⋅6H2O 92、CoCl2⋅6H2O 2000、(NH4)6Mo7O24⋅4H2O 50、Na2SeO2⋅5H2O 164.每升模拟废水中加入0.1mL微量元素溶液.

实验所用污泥取自无锡太湖水啤酒厂的污水处理厌氧段,VSS/TSS=0.72.经过模拟废水驯化,待产气稳定后使用.

1.2 实验方法

图1 反应装置示意Fig.1 Schematic of batch experiment set-up

实验采用中温厌氧批式消化,以125mL血清瓶作厌氧消化反应器.量取 30mL驯化好的厌氧污泥及 90mL模拟废水置于上述血清瓶中,调节pH值至7.0,持续充N25min,以排除瓶中空气,迅速用带有出气孔的橡皮塞密封,保持血清瓶厌氧状态,摇动血清瓶使消化液混合均匀,然后置于(35±1)℃的恒温室中进行厌氧消化.实验装置如图1所示.

将血清瓶分成 2组,一组中投加 10µmol/L NTA,另一组作为对照,不投加NTA.每组设5种底物浓度(4.5,6,7,10,12g CH3COONa/L),每一浓度设3个重复,取产气量平均值作为计算结果.每天振荡混合血清瓶1次,使基质与污泥充分接触.

1.3 分析方法

TSS、VSS测定采用重量法[15].

甲烷产量测定:采用图1的排水装置测定.由于试验底物为乙酸,因此产生的气体只有甲烷和CO2,CO2被NaOH溶液吸收,因此排出的液体体积即为产生的甲烷气体体积.

PH值测定采用精密酸度计(PHS-3C型).

2 结果与讨论

2.1 NTA对甲烷产量的影响

图2 甲烷产量累计曲线Fig.2 Measured cumulative methane production

由图2可见,在对照组中,当乙酸钠浓度分别为6,7,10,12g/L时,甲烷最终产量分别为110,135,

140,148mL.添加10µmol/LNTA,甲烷产量最终则分别为143,196,230,290mL,比对照组则分别提高了 30.0%,45.2%,64.3%,95.9%.底物浓度越高, NTA的促进作用越显著.作者的前期研究表明, NTA对甲烷的促进作用主要是由于其作为一种金属离子螯合剂,能避免反应器中微量元素沉淀物的形成,使微量元素的溶解度得到较大提高,从而促进了微量元素的生物可利用性,获得了足量的营养盐,产甲烷菌的生长繁殖得到增强,因此更多的底物被产甲烷菌利用转化成甲烷[14].

2.2 NTA对产甲烷速率的影响

图3 产甲烷速率变化曲线Fig.3 Methane production rate curve

Graciela 等[6]的研究表明,通过投加Ni和Co,产甲烷速率由 150mgCH4-COD/(L·h)提高到310mgCH4-COD/(L·h).微量元素对产甲烷菌有着重要作用,如 Co是合成维生素 B12的重要元素,Ni是辅酶F430的重要成分,而维生素B12是形成甲烷必不可少的物质,辅酶F430则是催化甲烷最终形成的甲基辅酶还原酶的活性酶[16]. Speece[17]认为,虽然微量元素不能解决厌氧消化反应中的所有问题,但微量元素在产甲烷过程中的作用绝不能被忽视,事实上,人们对微量元素认识的局限已经阻碍了厌氧技术的发展.以往对微量元素的研究多集中在微量元素的添加量等方面,很少涉及到其存在形态与生物可利用性的关系.

由图3可见,与Graciela 等[6]的研究结果一致,产甲烷速率出现2个峰值.最大产甲烷速率在24h或48h到达,然后产甲烷速率降低,在96h左右又出现第2个产甲烷速率的峰值.对比图3a和图3b可以看出,NTA的添加明显提高了产甲烷速率.当乙酸钠浓度分别为 4.5,6,7,10,12g/L时,最高产甲烷速率分别提高 8.00%,14.30%,17.20%,33.30%, 36.10%.这一结果说明添加NTA使底物的利用速度加快,实际中则可以缩短消化时间,减小反应器容积.

本研究表明,微量元素的存在形态对甲烷发酵有着重大影响.当 NTA投入到消化反应器中,促进微量元素由沉淀物向可溶态转变时,甲烷产量和产甲烷速率都得到增强.

2.3 NTA对产甲烷促进作用的动力学

任何底物的吸收与代谢都包括一系列的酶促反应,酶促反应速度常用米门方程 V=Vmax[S]/ {Ks+ [S]}来描述.由于底物的代谢过程实质上是一系列的酶促反应,故米门方程也可用来描述底物代谢的速度.在厌氧消化产甲烷的过程中,米门方程中的底物代谢速度V以比产甲烷速率表示,在不同底物(本实验中为乙酸)浓度[S]下,测定相应的 V,以二者的倒数作图(图 4),由直线在横、纵坐标上的截距即可分别求得动力学常数Vmax和Ks值(表1).由表1可以看出,添加螯合剂后,厌氧消化反应的 Vmax得到明显提高,说明产甲烷菌的最大比产甲烷速率大大增加,乙酸盐底物的利用率也相应增大.分析其原因,一方面,NTA的螯合作用提高了微量元素的可溶性浓度及其生物有效性,从而为产甲烷菌提供了足够的营养,使甲烷菌生长速度加快、活性提高.另一方面,研究表明[18-19],当微量金属元素直接投加到厌氧反应器后,反应器内甲烷菌的优势菌种会发生变化,由甲烷丝菌转化为甲烷八叠球菌,而甲烷八叠球菌对基质代谢能力较强,当乙酸浓度大于300mg/L时,其对基质的利用速率是甲烷丝菌的 3～5倍.本实验中,半饱和常数 Ks的变化表明,反应器中由于NTA的添加,菌群结构正发生着演替.Ks是表征底物亲和力的常数,甲烷八叠球菌比表面积小,对基质的亲合力差,因此其 Ks比甲烷丝菌大[20],而甲烷八叠球菌和甲烷丝菌是最主要的乙酸裂解产甲烷菌[21].从表 1结果可知,添加 NTA后,体系的 Ks值由2.95gNaAc/L增大到7.57gNaAc/L.因此, NTA的投加不仅改变了微量金属元素的存在形态,提高了其生物有效性,而且可能使反应器中的菌群结构发生演替,由甲烷丝菌占优势逐渐向甲烷八叠球菌占优势转变.由于厌氧微生物生长缓慢,其优势种群的建立需要相对长期的过程,因此 NTA对厌氧反应器中微生物菌群结构的影响还有待进一步的深入研究.

表1 米门方程中的动力学常数Table 1 Kinetic constants of Michaelis-Menten equations

图4 添加与不添加NTA的厌氧消化过程动力学Fig.4 Kinetic of anaerobic digestion with and without NTA

2.4 厌氧消化产甲烷的动力学模型

描述批式厌氧消化反应器中甲烷产量最方便简捷的模型[22]为

式中: Gt是在时间t时甲烷产量; Gmax是甲烷的最大产量.对式(1)取对数,得

由实验数据进行拟合,可以求得Gmax.根据本实验结果,求得的Gmax结果列于表2.由表2可见,方程Gt=Gmaxexp(m/t)较好地模拟了本实验中的甲烷发酵过程.比较NTA添加后Gmax的变化可以看出,NTA显著提高了甲烷的产量,因此在实际废弃物的厌氧发酵中具有较好的应用价值.

表2 由模型模拟求得的甲烷最大产量GmaxTable 2 The maximum methane production estimated by use of function Gt = G max exp(m/t)

3 结论

3.1 金属离子螯合剂 NTA对厌氧消化过程有明显的促进作用,与对照样相比,10µmol/L螯合剂NTA的添加,可使甲烷产量提高30%～96%,产甲烷速率提高8%～36%.

3.2 添加10µmol/L的NTA,厌氧消化反应的动力学常数 Vmax和半饱和常数 Ks分别由 84.8mL CH4/(gSS⋅d)和 2.95gNaAc/L提高到 147.1mL CH4/(gSS⋅d)和7.57gNaAc/L.NTA的添加大大促进了厌氧消化产甲烷过程的进行.

[1] 邹星星,郑 正,杨世关,等.汽爆预处理对互花米草厌氧发酵产气特性的影响 [J]. 中国环境科学, 2009,29(10):1117-1120.

[2] 瞿 贤,何品晶,邵立明.生物质组成差异对生活垃圾厌氧产甲烷化的影响 [J]. 中国环境科学, 2008,28(8):730-735.

[3] Zhanga Y S, Zhangb Z Y, Suzuki K.Uptake and mass balance of trace metals for methane producing bacteria [J]. Biomass Bioenergy, 2003,25:427-433.

[4] 马溪平.厌氧微生物学与污水处理 [M]. 北京:化学工业出版社, 2005:61.

[5] Singh M S L, Suryanarayana M V S.Effect of iron, nickel and cobalt on bacterial activity and dynamics during anaerobic oxidation of organic matter [J]. Water, Air, Soil Pollution, 2000, 117:305-312.

[6] Graciela G, Robbert K, Gatze Lettinga. Effect of nickel and cobalt on kinetics of Methanol conversion by methanogenic sludge as assessed by on-line CH4monitoring [J]. Applied Environmental Microbiology, 1999,65(4):1789-1793.

[7] Hullebusch Eric D V, Zandvoort M H, Lens P N L. Nickel and cobalt sorption on anaerobic granular sludges:kinetic and equilibrium studies [J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2004,79:1219-1227.

[8] Patidar S K, Tare V. Effect of nutrients on biomass activity in degradation of sulfate laden organics [J]. Process Biochemistry, 2006,41:489-495.

[9] Zandvoort M H, Geerts R, Lettinga G. Methanol degradation in granular sludge reactors at sub-optimal metal concentrations:role of iron, nickel and cobalt [J]. Enzyme and Microbial Technology, 2003,33:190-198.

[10] Gonzalez-Gil G, Jansen S, Zandvoort M H, et al. Effect of yeast extract on speciation and bioavailability of nickel and cobalt in anaerobic bioreactors [J]. Biotechnology and Bioengineering, 2003,82(2):134-142.

[11] Chen H, Cutright T. EDTA and HEDTA effects on Cd, Cr and Ni uptake by Helianthus annuus [J]. Chemosphere, 2001,45:21-28.

[12] Hong KJ,Tokunaga S,Ishigami Y. Extraction of heavy metals from MSW incinerator fly ash using saponins [J].Chemosphere, 2000,41(3):345-352.

[13] 温 丽,傅大放.两种强化措施辅助黑麦草修复重金属污染土壤[J]. 中国环境科学, 2008,28(9):786-790.

[14] Hu Q H, Li X F, Du G C. Enhancement of methane fermentation in the presence of Ni2+chelators [J]. Biochemical Engineering Journal, 2008,38(1):98-104.

[15] 国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法 [M]. 北京:中国环境科学出版社, 1989:454.

[16] Grabarse W, Mahlert F,Duin E C. On the mechanism of biological methane formation: structural evidence for conformational changes in methyl-coenzyme M reductase upon substrate binding [J]. Journal of Molecular Biology, 2001,309:315-330.

[17] Speece R E. 工业废水的厌氧生物技术 [M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2001.

[18] 董春娟,李亚新,吕炳南.微量金属元素对甲烷菌的激活作用[J].太原理工大学学报, 2002,33(5):495-497.

[19] Speece R E. Nickel stimulation of anaerobic digestion [J]. Water Research, 1983,17(6):677-683.

[20] 杨秀山,李 军,田 沈,等.固定化甲烷八叠球菌及处理高浓度有机废水研究 [J]. 环境科学学报, 2003,23(2):282-284.

[21] 杨秀山,田 沈,郑 颖.固定化甲烷八叠球菌(Methanosarcina)研究-厌氧颗粒污泥的形成 [J]. 中国环境科学, 1998,18(4): 356-359.

[22] Ghufran R, Charles B. The use of a specific function to estimate maximum methane production in a batch fed anaerobic reactor [J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2004,79: 1174-1178.

Effect of nitrilotriacetic acid on kinetic of methane production during anaerobic digestion.

HU Qing-hao1, LI Xiu-fen2*, CHEN Jian3, DENG Yu4(1.School of Chemical Engineering, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005, China；2.School of Environmental and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China；3.National Key Laboratory of Food Science and Technology , Jiangnan University, Wuxi 214122, China; 4.Key Laboratory of Energy Sources Microbe and Utilization, Ministry of Agriculture, Chengdu 610041, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：747～751

Using sodium acetate as substrate, the effect of metal ion-chelating agent, nitrilotriacetic acid (NTA), on methane production in the process of anaerobic digestion was investigated. NTA had stimulative effect on anaerobic digestion. At 35℃, addition of 10 µmol/L NTA enhanced methane production by 30%, 45.2%, 64.3% and 95.9% with sodium acetate concentration of 6, 7,10 and 12g/L, respectively. The kinetic constant Vmaxand half-saturation constant Ksfor anaerobic digestion was improved from 84.8 mL CH4/(gSS⋅d) to 147.1 mL CH4/(gSS⋅d) and 2.95 gNaAc/L to 7.57g NaAc/L, respectively. Due to the addition of NTA, the bioavailability of trace metals for methanogens and the acetate utilization rate in anaerobic batch reactors were dramatically increased.

nitrilotriacetic acid；bioavailability；anaerobic digestion；methane

2009-11-22

江苏省自然科学基金资助项目(BK2009652);农业部能源微生物与利用重点实验室开放基金资助项目(004);连云港市社会发展计划项目(SH0921)

* 责任作者, 教授, xfli@jiangnan.edu.cn

X703

A

1000-6923(2010)06-0747-05

胡庆昊(1974-),男,江苏泰兴人,博士,主要从事废水厌氧处理技术研究.发表论文8篇.