Co、Ni元素对工业废水混合厌氧发酵性能影响

于景洋，刘 芳，王宇清，边喜龙

(黑龙江建筑职业技术学院 市政与环境工程系，哈尔滨150025)

随着我国制药行业的不断发展，制药废水的排放量越来越大，若不及时处理将对水体环境造成巨大的污染[1-2].制药废水中含有较多的碳水化合物、有机酸、蛋白质等物质，适合进行厌氧发酵.但其含氮量较低，导致C/N比失衡，在废水的实际处理中往往会通过补充氮源来提高处理效果，这无疑会增加运行费用[3-4].味精废液作为一种难生物降解的工业废水，其含氨氮量和碳水化合物量都很高，高氨氮质量浓度对厌氧微生物有强烈的抑制作用而导致其很难进行生化处理，而物理化学处理法往往会造成很高的投资与运行费用[5-7].而通过对两种废水进行一定比例的混合，来调节混合废水的C/N比在适于厌氧发酵的最优C/N比的范围内无疑会解决上述问题.目前有关工业废水混合处理的研究越来越多，而有关制药废水和味精废液的混合处理的研究却没有.除均衡的C/N比外，影响废水厌氧发酵的另一个重要因素为微量元素的含量，适宜的微量元素如Co、Ni、Fe等，能够参与酶促反应从而促进厌氧微生物的代谢活性[8-9].本研究旨在通过混合制药废水和味精废液来调节适于厌氧发酵的C/N比来提高厌氧发酵性能，进而研究Co、Ni微量元素对系统运行性能的影响，为以后两种废水的混合处理提供理论支持.

1 材料与方法

1.1 底物与接种物

生污泥取自哈尔滨市文昌污水处理厂脱水机房干污泥(含水率80%)，污泥经过滤网筛分去除粒径≥0.5 mm的颗粒并用自来水淘洗三次后，以葡萄糖溶液进行厌氧驯化60 d，厌氧驯化后的污泥接种至反应装置.接种污泥的含SS和VSS量分别为12.6 g·L-1和9.5 g·L-1.

制药废水和味精废液分别取自哈尔滨医药集团和菱花集团废水处理站调节池，废水水质见表1.从表1中可以看出，制药废水C/N高达605，而味精废液C/N比仅为8.1.

表1 制药废水和味精废液水质

1.2 实验设计

实验装置采用总容积为10 L的上流式厌氧污泥床(UASB)，该装置由玻璃钢制成，总高度1 m，直径36 cm，有效容积为8 L，顶部装设气液固三相分离器，外壁缠绕电阻丝加热保持温度在35 ℃.反应器设置9组，其中3组分别添加CoCl2溶液时Co2+质量浓度分别为0.5、1、2 mg·L-1，另外3组分别添加NiCl2溶液时Ni2+质量浓度分别为0.5、1、2 mg·L-1，剩余3组作为对照组，分别为未添加任何微量元素的制药废水、味精废液及混合废水.将制药废水和味精废液按体积比5∶1进行混合，得到混合废水C/N比为26.5，在厌氧发酵最优范围内(20～30)，混合废水由蠕动泵输送进UASB装置，输送速度为0.5 L/h.

1.3 分析方法

COD、NH3、TN、TP、SS、VSS、pH及碱度指标采用国家标准方法[10]进行测定.产气量采用LML-1型湿式气体流量计进行测定.甲烷含量采用7890B型气相色谱(美国安捷伦)进行测定，配置热电导检测器，并采用氮气作为载体(40 mL·min-1).柱温和检测室的温度分别为150 ℃和90 ℃.挥发性有机酸(VFAs)采用1260 Infinity II型液相色谱(美国安捷伦)进行测定，配置氢火焰离子检测器，并采用氮气作为载体(30 mL·min-1).柱温和检测室的温度分别为190 ℃和220 ℃.菌群种类采用基因测序法进行测定分类.

2 结果与讨论

2.1 Co2+对厌氧发酵系统的影响

图1为Co2+质量浓度对系统日甲烷产量和累积甲烷产量变化的影响.从图1中可以看出，味精废液组由于过高的氨氮严重抑制微生物的代谢活动，导致系统启动失败，系统甲烷产量几乎为0.研究发现[11-12]，氨氮若以游离NH3的形式存在，在其质量浓度超过1 000 mg·L-1时将对厌氧微生物产生抑制作用，而味精废液中的氨氮质量浓度(3 300 mg·L-1)远高于厌氧微生物的耐受范围.制药废水组在运行的第13天开始产甲烷，最终甲烷产量为(368±13)mL·d-1，而混合废水组在运行的第7天就开始产甲烷，最终甲烷产量为(842±26)mL·d-1，较制药废水组提高了128.9%.产甲烷延滞期和甲烷产量较制药废水组分别缩短了和提高了，这表明合适的C/N比有利于提高厌氧微生物的代谢活性，从而促进系统产甲烷性能.对于Co元素添加组，当Co2+质量浓度为0.5 mg·L-1和1 mg·L-1时，系统于第2 天就开始有甲烷产生，甲烷产量分别为200 mL和186 mL.系统最终甲烷产量分别稳定在(1 058±33)mL·d-1和(932±19)mL·d-1，较混合废水组分别提高了25.7%和10.7%.这表明Co元素的添加促进了厌氧微生物酶促过程，从而提高了其代谢过程.然而，当Co2+质量浓度为2 mg·L-1时，系统于第10 d才开始产甲烷，延滞期长于混合废水组，且最终甲烷产量低于混合废水组的3.2%，这表明过量的微量元素对厌氧微生物生长代谢具有抑制作用，尽管微生物最终能够适应系统环境，但其产甲烷能力大大降低.各组最终累积甲烷产量的数值同日甲烷产量变化一致，分别为9 552 mL(制药废水组)、30 550 mL(混合废水组)、43 645 mL(Co2+0.5 mg·L-1)、38 817 mL(Co2+1.0 mg·L-1)和27 034 mL(Co2+2.0 mg·L-1).

图1 Co2+质量浓度对系统日甲烷产量的影响

表2为各组系统在运行稳定阶段的性能参数.从表2中可以看出，Co2+为0.5 mg·L-1的实验组产甲烷比率最大为(356.7±2.6)mL·g-1COD，高于其他实验组的(132.5±1.9)mL·g-1COD(制药废水组)、(264.8±1.5)mL·g-1COD(混合废水组)、(275.6±2.1)mL·g-1COD(Co2+1.0 mg·L-1)和(196.9±1.3)mL·g-1COD(Co2+2.0 mg·L-1).同时，Co2+为0.5 mg·L-1的实验组的COD去除率最高，为(87.6±3.5)%.VFAs是评价厌氧发酵性能的一个重要指标，有机物在降解过程首先被转化为VFAs，进一步被转化为甲烷和二氧化碳等，VFAs含量可以间接的反应厌氧发酵系统的运行好坏[13-14].从表2中可以出，Co2+为0.5 mg·L-1的实验组的剩余VFAs质量浓度最低，这也侧面解释了其COD去除率最高的原因，同时，剩余VFAs质量浓度高的实验组的COD去除率也较低.除味精废液组外，其他实验组的系统pH稳定在(6.68±0.03)～(7.32±0.05)之间，在厌氧发酵过程要求的最适pH范围(6.5～7.5)内.

2.2 Ni2+对厌氧发酵系统的影响

图2为Ni2+质量浓度对系统日甲烷产量和累积甲烷产量变化的影响.从图2中可以看出，Ni2+对厌氧发酵系统的影响程度高于Co2+对系统的影响程度.当Ni2+质量浓度为0.5 mg·L-1和1 mg·L-1时，系统于第2天就开始有甲烷产生，甲烷产量分别为389 mL和417 mL.系统最终甲烷产量分别稳定在(1 255±33)mL·d-1和(1 450±19)mL·d-1，较混合废水组分别提高了49.5%和72.2%，提高幅度高于Co2+实验组，这表明在同等质量浓度下，Ni2+对系统甲烷产量的促进作用比Co2+明显.当Ni2+质量浓度提高到2 mg·L-1时，系统于第10 天才开始产甲烷，延滞期长于混合废水组，最终甲烷产量为(846±23)mL·d-1，略高于混合废水组的(842±26)mL·d-1，这表明过量的Ni微量元素对厌氧微生物生长代谢促进作用不明显，甲烷产量提高缓慢.各组累积甲烷产量分别为50 191 mL(Ni2+0.5 mg·L-1)、55 975 mL(Ni2+1.0 mg·L-1)和273 77 mL(Ni2+2.0 mg·L-1).从表2中可以看出，当Ni2+质量浓度为1 mg·L-1时，系统产甲烷比率和COD去除率在各组系统中最高，分别为(423±2.9)mL·g-1COD和(89.7±3.5)%，VFAs质量浓度最低，为98 mg·L-1.

表2 各组系统在运行稳定阶段的性能参数

图2 Ni2+质量浓度对系统日甲烷产量的影响

2.3 产甲烷菌群动态分析

图3为不同实验组厌氧发酵末期产甲烷菌群动态分析.从图3中可以看出，在所有的厌氧发酵组中，Methanosarcina ballica均为主要代谢菌群，在产甲烷过程中起主要代谢作用.混合废水组(未添加微量元素)中Methanosarcina ballica菌群占比为55.6%，当添加Ni质量浓度为0.5 mg·L-1和1.0 mg·L-1时，Methanosarcina ballica菌群占比分别上升至68.8%和70.6%，这表明Ni微量元素的添加有利于促进Methanosarcina ballica菌群的富集.但当Ni质量浓度为2.0 mg·L-1时，Methanosarcina ballica菌群却下降至45.2%，这是因为过高的Ni质量浓度对Methanosarcina ballica的增殖代谢产生了抑制作用，而Methanogenium boonei菌群占比由10.5%上升至19.9%，但Methanogenium boonei菌群被报道在厌氧发酵产甲烷过程中起次要作用[15]，这也是系统甲烷产量下降的原因.当系统添加Co微量元素时，当质量浓度为0.5 mg·L-1时，Methanosarcina ballica菌群占比较混合废水组略有下降，由55.6%下降至51.2%，但甲烷产量的升高主要是由于Methanolobus psychrophilus R15菌群占比升高所致(由15.0%升高至20.7%)，Methanolobus psychrophilus R15被证明是厌氧发酵产甲烷过程的另外一种重要菌群.当Co质量浓度为1.0 mg·L-1时，Methanosarcina ballica菌群占比上升至65.7%，系统产甲烷增强，但Co质量浓度提高至2.0 mg·L-1时，Co质量浓度对Methanosarcina ballica菌群的增殖代谢产生了负面影响，占比下降至55.2%，跟混合废水组的占比基本相同，Methanogenium boonei菌群占比由10.5%上升至13.7%，这也是该厌氧发酵组产甲烷量略高于混合废水组的主要原因.

图3 不同实验组发酵末期产甲烷菌群动态分析

3 结 论

1)与制药废水和味精废液单独厌氧发酵相比，将废水进行混合处理可有效提高系统的运行性能，具有一定的可行性.

2)Co元素对厌氧发酵性能具有一定的影响，当Co2+质量浓度为0.5 mg·L-1时，日甲烷产量、累积甲烷产量、产甲烷比率和COD去除率均达到最大值，分别为(1 058±33)mL·d-1、43 645 mL、(356.7±2.6)mL·g-1COD和(87.6±3.5)%.

3)Ni元素对厌氧发酵系统的性能促进作用高于Co元素，当Ni2+质量浓度为1.0 mg·L-1时，日甲烷产量、累积甲烷产量、产甲烷比率和COD去除率均达到最大值，分别为(1 450±19)mL·d-1、55 975 mL、(423±2.9)mL·g-1COD、和(89.7±3.5)%.较混合废水组的提高幅度均高于Co2+0.5 mg·L-1实验组的提高幅度.