Co元素对低浓度柠檬酸生产废水产甲烷的影响

李鹏玮+张艳萍

摘要：以柠檬酸生产废水二级厌氧出水为处理对象进行了厌氧消化处理实验，分别从COD、产气量、挥发性脂肪酸三个方面研究了微量元素Co对柠檬酸废水产甲烷的影响。结果表明：在72 h时实验处理结果基本稳定，当Co2+浓度为0.5 mg/L时，COD的去除率达到64%，产气效果最好；日产气量最高达到105 mL， 其中甲烷含量约为56%，单位产甲烷速率为4 L CH4/kg COD，不同浓度的投加量，对柠檬酸废水产气具有不同的影响。

关键词：柠檬酸废水；厌氧消化；微量元素

中图分类号：X703

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）14-0036-03

1 引言

我国是世界上最大的生产柠檬酸的国家，年产量已跃居世界首位，其优势是领先于国外同行的发酵技术[1]。柠檬酸的生产一般以玉米为原料，因玉米属于可再生资源，除含有大量淀粉外，还含有丰富的蛋白质、脂肪以及一定量的维生素和微量金属元素。我国每生产1 t柠檬酸，就会产生大约7.5m³的柠檬酸废水，高时可达10～15 m³[2]， 所以柠檬酸废水的处理成为人们重点关注的问题。国内外有不少关于柠檬酸废水的处理技术[3]，例如：厌氧生物法，厌氧-好氧组合法、UASB等，但其中关于微量元素处理柠檬酸废水的报道不多，微量元素对产甲烷菌的影响不可忽视。

微量元素尤其是Fe、Co、Ni对甲烷菌的生长及其活性起着至关重要的作用。研究表明[4]，在有机废水厌氧处理中，微量金属离子能促进厌氧消化产气及有机酸的积累。也有研究指出[5]，微量金属元素Fe、Co、Ni 的加入能使废水处理厌氧反应器内甲烷菌的优势菌种发生变化， 从而提高乙酸利用率， 并对毒性物质产生拮抗作用。Speece[6]对工业废水的厌氧消化结果研究表明，投加微量金属氯化物能得到最大的乙酸盐利用率。龙腾锐等[7]则认为， 微量元素Co对厌氧消化过程的影响作用优于Ni，元素Co较其他两种元素效果好。Co元素在厌氧消化中的作用近几年得到了广泛研究[8]，通过添加 Co元素能使中温（30±2）℃ UASB甲醇厌氧消化系统在8000 mgCOD/（L·d）的高有机负荷下稳定运行，且化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）去除率可达 87%。Co元素参与构成一氧化碳脱氢酶，其是一类催化物质氧化还原反应的酶，该酶在乙酸的形成过程中起重要作用。随着现在水处理技术的进步，柠檬酸生产工业中产生的废水出水COD值较低，已经达到很难再降解的程度。通过大量文献的阅读，很少有对柠檬酸生产最终排出的较低COD值的废水做深入研究。因此，为做探究，笔者主要就不同Co2+浓度对柠檬酸废水产甲烷的影响做了初步研究，从COD、产气量、挥发性脂肪酸三个方面的变化进行阐述。

2 柠檬酸废水的性质及来源

柠檬酸废水的水质成分十分复杂、有机污染物浓度高、酸度大、处理难度较高。这样的废水如不加处理直接排放，将对环境造成严重的污染。在柠檬酸的生产过程中产生的大量废水其污染物主要是中和废水（COD 10000-40000）和洗糖废水（COD 2000-4000），水中主要含淀粉、蛋白质、脂肪、纤维素、柠檬酸、残糖等无毒物质，B/C比值约为0.4～0.5，具有良好的可生物降解性[9]。

3 实验材料、装置与方法

3.1 材料来源

实验所用颗粒污泥与柠檬酸废水均取自山东省潍坊市昌乐县英轩实业有限公司，所取颗粒污泥用水冲洗，静置24h，去掉上清液，存放于-4℃的冰箱内备用，污泥TSS约为50 g/L。实验用柠檬酸废水取自IC塔出水，初始COD值较低，约为1000 mg/L。

3.2 实验装置与方法

3.2.1 实验装置

取预先准备好的颗粒污泥100 mL和300mL的柠檬酸废水放于500 mL的反应瓶中，充5min氮气，目的是为了排除装置里面的空气，达到厌氧的状态，之后装上橡皮塞，一端与集气袋相连，置于35℃的恒温振荡器中，用于取样；另做一同样的装置并与装满饱和食盐水的1000 mL的玻璃瓶相连，置于振荡器中，目的是用排水法记录产生的气体体积，两个装置共同为一组。实验共分为4组，每组分别使Co2+濃度为0 mg/L、0.1 mg/L、0.5 mg/L和1 mg/L，为记录方便，在此分别命名为A、B、C、D组。

3.2.2 测定方法

（1）COD的测定。取适量水样放于离心管中，在6000 r/min的转速下经离心取上清液，用0.45 μm的滤膜过滤，取2.5 mL的滤样于试管中，加入0.7 mL的D试剂和4.8 mL的E试剂依次摇匀，放入消解器消解10 min后，冷却2 min，再加入2.5 mL的蒸馏水，放于冷却槽冷却2 min，最后用COD快速测定仪测定。

（2）VFAs组分含量测定。采用气相色谱法（采用瓦里安气相色谱仪， CP-Wax58 （ FFAP）型毛细色谱柱 25 m×0.32 mm×0.2 μm）。色谱条件：进样口200℃，载气N2，压力10.33 psi，流量75 mL/min，分流比20∶1。柱箱：初始温度70℃，保持1 min，后以10℃/min速度上升到140℃，保持2 min。检测器： FID检测器，温度220℃， H2流量50 mL/min，空气流量500 mL/min。

（3）甲烷组分的测定，采用气相色谱法，所用仪器为SP6801气相色谱仪。外标法测其成分。仪器设置条件：进样口温度50℃，检测器温度50℃，柱温30℃，每次取2 mL气样。

4 实验结果

4.1 COD随时间的变化

COD是重要的监测指标，能直观的反映出实验处理效果。从图1可知，各组进料COD基本一致。当Co2+浓度小于0.5 mg/L时，COD呈现逐渐降低的趋势，降低幅度不同。A组为空白对照组，其随着时间变化呈现逐步降低的趋势，这是因为泥本身含有的微生物将柠檬酸废水里的部分易降解的有机物消化分解，分解为能为自身利用的物质，从而维持自身的生长。另外，B组和C组经Co元素处理后，变化较A组明显，可见加入的Co元素起到了某种作用。因微量元素有激活产甲烷菌的作用，并在一定程度上能合成某种酶，提高有机物的利用率，从而出现COD的降低速率比空白对照组快的现象。由图可见，在厌氧消化的前36h内，COD呈直线下降趋势，之后变化较慢，最后趋于平缓。由 A组可见，COD变化不明显，在实验结束时去除率仅为24%。另外，C组较B组变化较优，COD的去除率分别为64%和47%，比对照组均提高40%和23%。然而D组，变化趋势较特别，COD呈现先降低后不断升高的趋势，最后趋于稳定。

通过四组的比较，总结出，在Co2+浓度小于0.5 mg/L时，随着Co2+浓度的提高，COD的去除率逐渐升高。在Co2+为1 mg/L时，可能是由于微量元素的激活作用提高了厌氧消化速率，促使污泥当中一些难降解的大分子物质或微生物分泌的胞外聚合物不断增多，污泥中COD的生成速率较废水中COD的分解速率快，致使COD呈现先降低后升高的趋势。所以，由此可见，以Co元素处理柠檬酸废水时，选取适量的Co2+对柠檬酸废水进行处理是实验成功的关键，在本次试验中以0.5 mg/L的量加入为最优。

4.2 VFA随时间的变化

挥发性脂肪酸（VFA）是厌氧产甲烷的一项重要指标。由图2可知，除D组外，其他三组VFA均在达到峰值后逐渐降低，这三组达到峰值的大小和时间并没有很大差别：实验开始后大约24h达到峰值，VFA的大小均在400mg/L左右，随后随着产甲烷菌的作用，VFA分解降低，降低趋势虽相同，但变化幅度却不同。C组的 VFA降低速率较大，最终三组VFA均在72 h时达到基本稳定。而D组，在36 h达到最小值后，一直处于上升趋势，实验结束时，达到最大值523 mg/L。

厌氧消化首先完成水解阶段再进入产酸阶段，由于Co元素具有促进酶的合成与激活的作用和在生化反应中的起催化作用的酶的能力，在Co2+投入到反应器后，酶的合成加速了COD的水解，生成的VFA来不不及被微生物利用，以致出现开始时的升高趋势，随着反应的动态平衡，产甲烷菌的微生物活性升高，合成的催化酶开始反应，使得VFA积累减少，呈现降低趋势，尤其是C组最为明显。可能是由于C组Co2+浓度适中，产甲烷菌的活性最强，使乙酸转化率最强。而Co2+为1mg/L时，相应的VFA随之不断升高，这可能是由于Co2+浓度过高，抑制产甲烷菌的生长及活性，造成酸积累现象严重。

4.3 产气量随时间的变化

不同Co2+浓度条件下，柠檬酸生产废水发酵总产气量随时间的变化见图3，甲烷产率随时间的变化见图4。

由图3可知，各组均已逐步累积的方式产气，但日产气量却存在很大不同。对照组A产气速率较慢，日产气量低，在60 h时，对照组基本不再产气，并且此时达到最高日产气量55 mL，随后产气量急剧下降直至不再产气。实验组B、C产气较多，其中C组较B组总产气量大，虽然两组日产气量的峰值都达到105 mL，但C组较B组提前12 h达到峰值，最后产气在72 h达到稳定。

根据图4，总产气中甲烷含量的变化没有明显的规律。对照组A甲烷含量不稳定，呈现波浪形式，在60h时甲烷含量最低，而后升高，在最后的12h里，甲烷含量最少。B组和C组的甲烷含量有相同的增长趋势，C组CH4含量高于B组。而D组的总产气量及其甲烷的产量较对照组都低。实验说明，超出一定含量范围的微量元素，并不会对实验结果产生积极作用，可能是由于Co2+的生物有效性受到抑制，因此，在厌氧反应器中维持适当的微量元素添加量十分重要。此次实验，与其他学者的研究成果相一致，即Co元素是厌氧发酵过程不可少的微量元素之一，但当质量浓度达到770 μg/L时，产甲烷菌的活性会降低一半[9]。

5 结论与展望

本次实验对不同Co2+浓度的柠檬酸废水进行厌氧发酵，实现了COD的去除，总产气量和甲烷产量的增加，并抑制酸的积累。当Co2+浓度为0.5mg/L时，COD去除率达到64%，产气量550mL，甲烷含量56%，得到了较好的处理效果。适量的微量元素，对厌氧发酵产生积极的效果，过量的投加，不仅不会促进实验的进行，反而起到相反的作用。不少文献报道[10～12]，多种微量元素的协同使用更能很好的促进厌氧消化进程。了解到Fe、Co、Ni三种元素在产甲烷方面分别具有不同的生物作用，三种元素的协同使用将成为重点，努力在这方面有所研究成果，为实验室处理污水提供有效的实验解决办法，为工业上柠檬酸废水的处理提供一定的技术支持和参考。

参考文献：

[1]郭宏昌. 改用玉米生产柠檬酸的优越性[C]// 中国发酵工业协会玉米深加工发展战略研讨会论文集.北京：中国发酵工业协会，1999.

[2]田志海.柠檬酸废水处理[D].太原：太原理工大学，2008.

[3]谢 昕， 张振琳， 王荣民，等. 柠檬酸工业废水处理现状[J]. 工业水处理， 2004， 24（1）：8～11.

[4]Kida K， Sonoda Y， Kawase M， et al. Influence of mineral nutrients on high performance during anaerobic treatment of wastewater from a beer brewery[J]. Journal of Fermentation & Bioengineering， 1991， 72（1）：54～57.

[5]Speece R E. Anaerobic digestion of biomass[M].London： USA Elsevier Applied Science Publication，1987：109～128.

[6]M. Takashima， R. E. Speece， Gene F. Parkin. Mineral requirements for methane fermentation[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology， 1989， 19（5）：465～479.

[7]龍腾锐，郝以琼，郭劲松，等.痕量离子促进厌氧消化过程的试验研究[J]. 环境科学学报，1994，14（ 4）：439～444.

[8]Florencio L， Jeni？ek P， Field J A， et al. Effect of cobalt on the anaerobic degradation of methanol[J]. Journal of Fermentation & Bioengineering， 1993， 75（5）：368～374.

[9]Bartacek J， Fermoso F G， Baldó-Urrutia A M， et al. Cobalt toxicity in anaerobic granular sludge： influence of chemical speciation[J]. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology， 2008， 35（11）：1465～1474.

[10]谢金连， 徐龙君， 吴 江，等. 痕量金属对农贸市场废弃物厌氧消化的影响[J]. 重庆大学学报， 2007， 30（5）：23～26.

[11]何荣玉， 刘晓风， 袁月祥，等. 沼气发酵外源添加物的研究进展[J]. 中国沼气， 2007， 25（5）：8～10.

[12]潘云锋， 李文哲. 微量金属元素对牛粪厌氧发酵产气特性的影响[J]. 环境科技， 2006， 19（4）：4～6.