零价铁对厌氧发酵产酸特性的影响

郭昌梓，强雅洁，武 毅，马宏瑞

(陕西科技大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

厌氧消化具有处理负荷大，能耗低，可产生沼气等特点，广泛应用于污水及污泥处理系统[1,2].厌氧消化主要可分为两个阶段，即产酸阶段和产甲烷阶段[3].厌氧发酵产酸是产甲烷的前提，故提高产酸阶段的处理效果对整个厌氧发酵过程具有重要意义.

发酵产酸是指有机物在产酸菌的作用下将有机物转化为挥发性脂肪酸(VFA).VFA主要包括乙酸、丙酸、丁酸[4]，根据各组分含量的多少，可将发酵类型分为乙酸型、丙酸型和丁酸型[5].其中乙酸是最理想的发酵产物，可被产甲烷菌直接利用，而丙酸和丁酸需在产氢产乙酸菌的作用下进一步转化为乙酸[6]，才可被产甲烷菌利用.丙酸和丁酸分解为乙酸的标准吉布斯自由能均大于0，(分别为+76.1 kJ/mol和+48.1 kJ/mol)[7]，是一个不可自发反应过程，容易在厌氧体系积累，从而使厌氧反应器崩溃.因此减少VFA中丙酸和丁酸的含量有利于厌氧消化过程.

综上可知，在产酸阶段提高液相末端发酵产物总量[8]及促使发酵产物向乙酸转化均可优化产酸阶段，进而提高厌氧处理效果.

Fe0是一种廉价的强还原剂，已被广泛应用于土壤修复[9]、养殖废水修复[10]、纺织废水处理[11]、剩余污泥厌氧消化[12]等方面.Fe0存在于厌氧体系中，可与氧化性物质发生反应，从而降低系统的氧化还原电位(ORP)，为厌氧微生物提供更加有利的生存环境[13].同时，铁是微生物不可缺少的微量元素，可增强水解产酸过程和产甲烷过程中相关酶的活性[14]，其中水解产酸过程中的酶主要包括脱氢酶(DH)、乙酸激酶(AK)、磷酸转乙酰酶(PTA)、丁酸激酶(BK)和磷酸转丁酰酶(PTB)等.产甲烷过程中的酶主要包括甲酰基甲基呋喃脱氢酶(Fmd)、F420还原氢化酶和一氧化碳脱氢酶(CODH)等[15].因此，Fe0存在的厌氧废水处理系统中，COD去除率明显增大[16]，沼气产量上升[17].

以上研究大部分体现在Fe0对整个厌氧消化过程的影响，而对单独的产酸阶段研究较少，故本研究主要探究不同浓度Fe0的投加对厌氧发酵产酸阶段的影响，研究内容主要包括反应器内pH、ORP、COD去除率、VFA产量、VFA组分占比及气体组分，旨在优化产酸阶段液相末端发酵产物类型，减少丙酸积累，为实际工程中酸积累提供一种行之有效的解决思路.

1 实验部分

1.1 实验装置

本实验采用250 mL血清瓶作为反应装置，具体如图1所示.血清瓶上部开两个孔，一个为集气口，另一个为进出水口，将血清瓶用胶带及石蜡密封，实现厌氧条件，置于35 ℃恒温摇床中，转速为120 r/min，保证泥水充分混合.

图1 实验装置

1.2 接种污泥

实验所用接种污泥为某啤酒厂厌氧发酵罐污泥，污泥为灰黑色絮体，MLSS为18 600 mg/L，MLVSS为8 552 mg/L，MLVSS/MLSS比为0.46.

接种污泥首先淘洗三次，以去除原有厌氧污泥中的溶解性有机或无机物质；其次，将淘洗过的厌氧污泥经过0.5 mm的标准筛，去除杂质及大分子物质；之后，对污泥进行培养，主要方法如下：

以葡萄糖为基质，逐步提高有机负荷，控制pH 在5～6之间，ORP在-350 mV左右，同时在驯化前期加入2 mmol/L钼酸钠(抑制产甲烷).一个月左右有机物去除率、VFA产量、产气量及气体组分等指标相对稳定，污泥由黑色变为黄褐色，标志着厌氧产酸菌培养成功.本实验所用污泥皆为培养成功的产酸菌.

1.3 进水组分

进水组成成分主要有：C6H12O6·H2O、NH4Cl、KH2PO4、NaHCO3和1 mL/L的微量元素[18]，其中COD∶N∶P=200∶5∶1[19,20]，进水基质中投加NaHCO3及NaOH以保证适宜的碱度及pH.

1.4 主要仪器和设备

电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司；紫外分光光度计，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；离心机，上海卢湘仪离心机仪器有限公司；恒温培养摇床，常州冠军仪器制造有限公司；智能多参数消解仪，北京连华永兴科技发展有限公司；ORP测定仪，上海大普仪器有限公司；pH计，雷磁-上海仪电科学仪器股份有限公司；气相色谱仪(A90)，上海仪盟电子科技有限公司；安捷伦GC7890气相色谱仪，美国.

1.5 运行方法

本实验反应器为5个250 mL的血清瓶，分别接种150 mL 1.2培养所得的产酸菌，分别加入0 g/L、1 g/L、5 g/L、10 g/L、20 g/L的Fe0.五个血清瓶每天进出水100 mL，其中进水组成相同.每次进水后，通氮气5 min，赶走反应器内的氧气.实验总共分为三个阶段，其进水COD浓度分别为4 000 mg/L、6 000 mg/L、8 000 mg/L，当反应器各项出水指标稳定时，改变进水COD浓度.反应器总共运行83 d.所有的实验都是一式三份进行.

1.6 分析方法

1.6.1 COD采取快速消解法测定

取消解液于消解管中，随后加入水样，混匀；将消解管置于智能多参数消解仪中，待加热到165 ℃后消解15 min；消解结束后待其冷却到室温，在600 nm处比色，根据吸光度值计算COD.

1.6.2 VFA测定

(1)VFA总量测定

测定方法参照冼超彦所著文献[18].

(2)酸化率的计算

酸化率的计算方法参照Chen等[21]的计算方法.

(3)VFA组分测定

本实验采用气相色谱法(福立 FL9790Plus)测定VFA组分，检测器FID检测器，使用的毛细管柱型号为KB-FFAP (30 m×0.32 mm×0.5μm)，载气(N2)流量为30 mL/min，燃烧气(氢气)流量为30 mL/min，助燃气(空气)流量为300 mL/min.柱温箱采用程序升温，初始温度为 90 ℃，保持2 min，再以10 ℃/min 的速度升温至140 ℃，最后40 ℃/min 的速度升温至200 ℃，并在200 ℃下保持 2 min，总运行时间为10.5 min.进样口温度195 ℃，检测器温度为250 ℃，辅助炉温度为50 ℃，手动进样.

水样经0.45μm膜过滤后，加入甲酸酸化(1 mL水样加50μL甲酸)，密封置于4 ℃冰箱待测.

1.6.3 气体组分测定

本实验采用安捷伦气相色谱仪(Agilent 6890N)测定气体组分，进样口温度设定为120 ℃，色谱柱为TDX-01(2 m×0.3 mm，Agilent)，温度设定为100 ℃，热导检测器(TCD)温度设定为160 ℃，载气为Ar，流速为49.9 mL/min，尾吹气为N2，流速为10 mL/min，手动进样.

气体用集气袋收集，备留待测.

2 结果与讨论

2.1 不同Fe0投加量对COD去除率的影响

在Fe0投加量分别为0 g/L、1 g/L、5 g/L、10 g/L、20 g/L下，进水COD浓度为4 000 mg/L、6 000 mg/L、8 000 mg/L时运行的COD去除率如图2所示.由图2可知，当进水COD浓度相同时，投加Fe0的反应器COD去除率更高，但COD去除率并不是随Fe0浓度的增大而增大.以进水COD 浓度4 000 mg/L时为例，当Fe0投加量分别为0 g/L、1 g/L、5 g/L、10 g/L、20 g/L时，对应的COD去除率为13.93%、15.00%、15.20%、18.75%、16.20%，投加Fe0的反应器COD去除率均高于空白组.当Fe0的浓度为10 g/L时，COD去除率为18.75%，达到最大，比对照组高4.82%.Fe0的浓度继续增大到20 g/L时，COD去除率降低为16.20%，但始终大于空白组的COD去除率.

图2 不同Fe0投加量对应的COD去除率(图中每个点是三个平行样品的平均值,误差棒是三次测量的标准方差.)

当进水COD浓度增大到6 000 mg/L和8 000 mg/L时，在不同Fe0投加量时可得到和上述相同的结论.进水COD浓度分别为4 000 mg/L、6 000 mg/L、8 000 mg/L时，从图2可看出未投加Fe0的空白组中COD去除率随着进水COD浓度的增大而减小，分别为13.80%、12.55%、9.65%，但投加Fe0的实验组COD去除率并未随进水COD浓度增大而减小，基本保持同一水平.当Fe0的浓度为10 g/L，三个进水浓度对应的COD去除率最大，分别为18.75%、19.96%、20.11%.COD去除率增大的原因只能归因于Fe0的存在，Fe0可在厌氧发酵产酸阶段生成Fe2+，主要方程式如下：Fe0+2H+→Fe2++H2[5,22]，因此Fe2+的浸出浓度可以反映Fe0的作用.

从表1可看出,当Fe0投加量为10 g/L，三个进水浓度对应的Fe2+浓度分别为24.7 mg/L、32.5 mg/L、39.1 mg/L.三个进水浓度对应的pH值分别为5.40、5.19、5.05，低pH更有利于Fe2+的浸出.

表1 不同Fe0投加量对应的出水pH、ORP和Fe2+

注：表中的数值是三个平行样品的平均值,误差代表测定三次统计分析的标准方差.

2.2 不同Fe0投加量对VFA产量及其组分的影响

2.2.1 对VFA产量及酸化率的影响

在厌氧发酵产酸阶段，有机物在产酸菌的作用下主要转化为VFA、CO2和H2O[23].在Fe0投加量分别为0 g/L、1 g/L、5 g/L、10 g/L、20 g/L下，进水COD浓度为4 000 mg/L、6 000 mg/L、8 000 mg/L时运行的VFA产量如图3所示.

由图3可知，当进水COD浓度相同时，投加Fe0的反应器产酸量随Fe0投加量先增大后减小.以进水COD 浓度为4 000 mg/L时为例，当Fe0投加量分别为0 g/L、1 g/L、5 g/L、10 g/L、20 g/L时，对应的VFA产量为1 677 mg/L、1 733 mg/L、1 801 mg/L、1 856 mg/L、1 696 mg/L，对应的酸化率如表2所示，分别为41.94%、43.35%、45.03%、46.40%、42.42%.Fe0投加量为10 g/L时，VFA产量和酸化率均最大，分别为1 856 mg/L和46.40%，VFA产量比空白组高179 mg/L，酸化率比空白组高4.46%.Fe0投加量为20 g/L时，VFA产量和酸化率不再持续增大，开始减少.

图3 不同Fe0投加量对应的VFA产量(图中每个点是三个平行样品的平均值,误差棒是三次测量的标准方差.)

当进水COD浓度增大到6 000 mg/L和8 000 mg/L时，可得到同样的结论.当Fe0的浓度为10 g/L，三个进水浓度对应的VFA产量最大，分别为1 856 mg/L、3 027 mg/L、4 174 mg/L，对应的酸化率如表2所示，分别为46.40%、50.45%、52.18%.投加Fe0组与空白组相比，VFA产量增大，对应的酸化率增高，其原因可能是在Fe0存在的体系中，产酸菌的丰度更高，进而可将更多的有机物转化为短链的有机酸.Liu等[7]对投加Fe0与未投加Fe0反应器中的菌种丰度进行检测，发现投加Fe0的实验组产酸菌丰度为88.3%，而未投加Fe0的空白组产酸菌丰度为72.4%，可以看出投加Fe0的反应器中产酸菌丰度更高.

表2 不同进水COD浓度及Fe0投加量下的酸化率

注：表中的数值是三个平行样品的平均值,误差代表测定三次统计分析的标准方差.

2.2.2 对VFA组分的影响

厌氧发酵产物(VFA)主要由乙酸、丙酸和丁酸组成，根据产物的占比可将发酵类型分为乙酸型、丙酸型和丁酸型[15].其中乙酸型发酵是理想的厌氧发酵产酸类型，乙酸可直接被产甲烷菌利用产生沼气，而其他酸则需进一步转化为乙酸才能被产甲烷菌利用，所以增大厌氧体系乙酸占比，减少其他VFA占比可优化液相末端发酵产物.

增强产酸阶段的处理效果，同时有利于后续的产甲烷阶段.5个反应器在不同进水COD浓度(4 000 mg/L、6 000 mg/L、8 000 mg/L)和不同Fe0投加量时对应VFA组分占比如图4所示.

从图4可看出,本实验的发酵产物中乙酸和丙酸占70%以上，为厌氧发酵产物的主要组成部分.当进水COD相同时，投加Fe0的反应器乙酸浓度高于空白组，丙酸浓度低于空白组.随着Fe0投加量增大，乙酸占比增大，丙酸占比减小，该结果有利于后续的产甲烷阶段，进而可提高整个厌氧消化的处理效果.以进水COD 浓度为4 000 mg/L时为例，当Fe0投加量分别为0 g/L、1 g/L、5 g/L、10 g/L、20 g/L，对应的乙酸占比为27.8%、33.8%、35.3%、35.7%、35.9%；丙酸占比为52.6%、47%、45.9%、45.7%、45.4%.Fe0投加量为20 g/L时，乙酸产量最大，比空白组高8.1%；丙酸产量最小，比空白组低7.2%.

图4 不同Fe0投加量对应的VFA组分占比(图中每个点是三个平行样品的平均值,误差棒是三次测量的标准方差)

当进水COD浓度增大到6 000 mg/L和8 000 mg/L时，可得到同样的结论.当Fe0的浓度为20 g/L，三个进水浓度对应的乙酸占比最大，分别为35.9%、42.2%、32.2%；丙酸占比最小，分别为45.7%、39.6%、39.5%.厌氧发酵中乙酸产生途径主要有三条[12]，即：有机物在产酸菌的作用下直接产生；H2和CO2在同型产乙酸菌的作用下产生；除乙酸外的其他挥发性脂肪酸在产氢产乙酸菌的作用下产生.本实验中乙酸含量增加主要原因可能有以下几个部分：Fe0存在条件下，体系的ORP降低，有利于产生乙酸型发酵类型，从而增大乙酸产量.

从表1可看出,随着Fe0投加量增大，体系ORP不断降低.ORP是影响厌氧发酵产酸类型的关键因素，丙酸型发酵在ORP高于-278 mV发生，而乙酸型和丁酸型发酵在更负的ORP下发生[13]，ORP降低有利于乙酸的生成；H2和CO2在同型产乙酸菌的作用下产生乙酸.从下文2.3节可知Fe0的存在触发了同型产乙酸过程[23]，详细解释见2.3节；丙酸在丙酸氧化菌的作用下分解生成乙酸.丙酸分解为乙酸过程的方程式为CH3CH2COO-+3H2O→CH3COO-+HCO3-+H++3H2(ΔG=+76.1 kJ/mol),是不可自发过程，需在较低的氢分压下进行[24]，本实验中丙酸占比在Fe0存在下减小，可能有部分丙酸转化为乙酸，从而使乙酸含量增大.

丙酸含量减少主要原因如下：体系ORP降低，更有利于发酵类型向乙酸型转化，从源头上减少丙酸的生成；丙酸在丙酸氧化菌的作用下分解生成乙酸，从而使丙酸含量减少;丙酸分解过程中部分酶为含铁酶，如铁氧还原蛋白酶(POR)，Fe0的存在可使酶活性增大[5]，从而促进丙酸向乙酸转化.

2.3 不同Fe0投加量对气体组分的影响

厌氧发酵过程中主要的气体产物有CO2、H2和CH4.本实验研究的是厌氧发酵产酸阶段，前期污泥驯化过程中抑制了产甲烷菌，故产生的气体主要为CO2和H2.5个反应器在不同进水COD浓度(4 000 mg/L、6 000 mg/L、8 000 mg/L)和不同Fe0投加量时对应的气体占比如图5所示.

从图5可看出,随着Fe0投加量增大，CO2占比增大，H2占比减小.以进水COD 浓度为4 000 mg/L时为例，忽略CH4占比，当Fe0投加量分别为0 g/L、1 g/L、5 g/L、10 g/L、20 g/L,对应的CO2占比为91.10%、99.10%、99.04%、98.90%、97.70%；对应的H2占比为8.30%、0.90%、0.96%、1.10%、2.30%.空白组的CO2占比低于投加Fe0的实验组，H2占比高于投加Fe0的实验组.

当进水COD浓度增大到6 000 mg/L和8 000 mg/L时，可得到同样的结论.投加Fe0的实验组在酸性条件下发生铁蚀析氢作用产生H2，理论上投加Fe0的组H2含量应该大于空白组，但实际检测到的空白组H2含量更高，证明在Fe0存在下触发了同型产乙酸过程，H2被同型产乙酸菌利用产生乙酸，体系内H2含量减少，对应的H2占比减少，CO2占比增大.李杨[25]将Fe0加入到厌氧水解酸化反应器内，发现投加Fe0加速了反应器内某种耗氢过程，即同型产乙酸过程，他认为零价铁可强化同型产乙酸过程促进有机酸分解，本文也得到类似的结论.

3 结论

本课题探究了不同Fe0投加量(0 g/L、1 g/L、5 g/L、10 g/L、20 g/L)对厌氧发酵产酸的影响，在进水COD浓度为4 000 mg/L，水力停留时间为48 h的运行条件下，得到的结论如下：

(1)投加Fe0有利于发酵产酸阶段中COD的去除和VFA的产生.COD去除率和VFA产量随Fe0投加量先增大后减小.当Fe0投加量为10 g/L时，COD的去除率和VFA产量增加到最大，其COD去除率比对照组高4.82%，VFA产量比对照组高179 mg/L.当Fe0投加量继续增加为20 g/L时，COD去除率和VFA产量均有所减小，但仍大于对照组.

(2)投加Fe0有利于乙酸生成，抑制丙酸产生.当Fe0投加量从1到20 g/L时，乙酸占比逐渐增大，丙酸占比逐渐减小.当Fe0投加量为20 g/L时，乙酸占比最大，丙酸占比最小，其中乙酸占比高出对照组8.1%，丙酸占比较对照组低7.2%.

(3)厌氧发酵产酸相中产生的气体主要为H2和CO2.在投加Fe0系统中，H2占比始终低于对照组，对应的CO2占比始终高于对照组，发生同型产氢产乙酸过程.

改变进水COD浓度，可得到与上述类似的结果.