氨三乙酸对厌氧消化反应器运行效果的影响

氨三乙酸对厌氧消化反应器运行效果的影响

采用甲烷蒸发厌氧处理技术将污染物去除和能源回收结合起来，成本低。这是世界各国进行研究和开发的最重要的技术。厌氧消化处理技术也被用来处理高盐沉淀和采矿废水。为了加强厌氧发酵，人们开发了一种新的厌氧生物装置（如egsb、ic），这提高了废水厌氧处理的强度和效率，并对厌氧生物装置的结构进行了大量研究。由于厌氧处理的重点是产甲烷，因此如何加强产甲烷的作用一直是研究的重点。微量元素在产甲烷过程中具有重要作用.它们总是作为辅因子的成分出现在微生物的酶系统中或者对于微生物的酶系统起着重要的作用.如镍是辅酶F430的重要组成元素,而F430是甲基辅酶还原酶的活性酶.因此,在厌氧反应器中维持足够的微量金属元素的浓度十分重要.对微量元素促进产甲烷目前主要集中在研究微量元素的种类以及投加组合方面,而实际上在城市有机垃圾以及一些工业废水的生物处理反应器中,微量元素的浓度并不低,但在添加微量元素后,产甲烷效应仍然得到大幅度提高,说明总的金属浓度并不能作为其生物有效度的工具.在废水厌氧处理过程中,硫酸盐还原常常产生硫化物,废水中的其他一些阴离子也很容易与微量元素结合生成沉淀,因此,微量元素常常不能被微生物有效摄取.螯合剂由于能与微量元素形成螯合物从而对其生物可利用性产生影响.关于螯合剂诱导的植物修复研究较多,但螯合剂在厌氧生物反应器中的作用机制还不甚明了.本文以合成模拟废水为研究对象,在连续运行的槽式搅拌反应器(CSTR)中考察了氨三乙酸(NTA)对厌氧消化反应器运行效果的影响.1材料和方法1.1氧段6.2+tss-pla种泥取自无锡太湖水啤酒厂的废水处理厌氧段,pH=7.2,VSS∶TSS=0.72(VSS为生物量,TSS为总悬浮物量),经过合成废水驯化2周后使用.1.2微量元素的组成实验用水为人工配制的模拟废水,乙酸钠为碳源,其组成如表1所示.微量元素配方见文献.每升模拟废水中加入1mL微量元素液.Ni2+以NiCl2·6H2O的形式按10μmol添加.1.3沼气的预处理实验在2个有机玻璃制成的有效反应容积(1L)+气室(0.6L)的CSTR反应器中进行,废水在配水池配好后,用蠕动泵打入,所产生的沼气采用专用的气体收集瓶收集计量.反应器置于恒温室内,保持35℃的恒温条件不变.采取逐步提高负荷的方法,整个试验期间进水负荷维持在COD为0.5～3.4g/(L·d)之间,定期进行污泥回流,污泥浓度维持在6～7g/L.两个反应器,一个为对照系统,进水中不添加螯合剂NTA,另外一个为处理系统,进水中添加10μmolNTA.实验装置见图1.1.4水生动物固定型探针的制备与修饰实验过程中产生的甲烷用装有2molNaOH溶液的液体置换装置测定,用精密酸度计法测定pH,COD,TSS,VSS的测定参照标准方法,辅酶F420的测定方法参照文献,辅酶F430的提取按照文献的方法进行,F430的浓度由其所含有的镍浓度来表达,用原子吸收分光光度法测定金属离子浓度.荧光原位杂交(FISH)实验:采用古细菌探针(S-D-Arch-0915-a-A-20)和甲烷八叠球菌探针(S-F-Msar-1414-a-A-21),其修饰合成均由上海生物工程有限公司完成;荧光显微镜(DXM1200C)为Nikon公司产品.取5μL适当浓度稀释的固定化细胞,均匀涂布于2孔白明胶包埋后的载玻片的每个孔上,在室温下将载玻片晾干,再将载玻片置于46℃中热固定20min,将细胞依次在50%,80%和100%的乙醇溶液中脱水各5～15min,自然干燥.在载玻片的每个孔上加入10μL现配的杂交缓冲液(0.18mol/LNaCl,0.02mol/LTris/HCl(pH=8.0),一定浓度的甲酰胺,每种探针的最适甲酰胺浓度通过实验优化确定),再加入1μL探针使用液,加盖玻片;在杂交管中放一张吸水纸,载玻片放入杂交管内,多余的杂交缓冲液倾于吸水纸上,在46℃杂交1.5～3h.杂交完毕,迅速取出载玻片,放入48℃杂交洗脱液15～20min,充分除去未杂交的探针和杂交缓冲液,再用冰冷ddH2O漂洗2～3次,自然干燥.然后置于荧光显微镜下进行观察测定.2结果与讨论2.1nta对反应器cod的去除效果图2给出了不同有机负荷条件下反应器COD去除情况.可以看出,有机负荷对COD去除率影响较大.在反应器运行初期,当负荷率维持COD为0.5g/(L·d)时,COD去除率都维持在93%以上,随着负荷的增大,COD去除率逐渐下降.添加NTA与否对反应器运行影响较大.当反应器有机负荷COD在1.0,1.4g/(L·d)时,反应器COD去除率分别由90%,88%提高到97%,94%,说明螯合剂的添加对产甲烷有着重要影响.本实验结果表明:在含硫化物的废水处理厌氧反应器中通过添加螯合剂NTA,可以提高废水的厌氧处理效果.2.2以乙酸为底物的甲烷形成甲基不同有机负荷条件下反应器的甲烷产气率如图3所示.在有机负荷COD维持在0.7g/(L·d)以下时,添加NTA与否对反应器产气率影响不大.继续增大有机负荷,NTA对反应器产气率有较明显的影响.当有机负荷COD达到1,1.4,3.4g/(L·d)时,反应器的产气率分别由305,390,590mL/(L·d)提高到366,501,840mL/(L·d),分别提高了20%,29%,42%.随着反应器负荷逐渐提高,越来越多的乙酸被产甲烷菌转化为甲烷,因此产甲烷菌对微量元素的需求也更为重要.由于以乙酸为底物形成甲烷是先由乙酸生成甲基辅酶M,最后在甲基辅酶还原酶的作用下产生甲烷,甲烷形成路径共有4个步骤:1)在有序的结合底物之后,CH3-Ni(III)-F430和CoM形成;2)CH3-Ni(III)-F430氧化辅酶M成为硫自由基,同时自身被还原为CH3-Ni(II)-F430;3)CH3-Ni(II)-F430中间产物结合质子生成甲烷,然后辅酶M上的硫自由基与辅酶B的硫醇结合生成异二硫阴离子自由基;4)异二硫阴离子自由基还原Ni(II)-F430成为Ni(I)-F430,然后,产物CoM-S-S-CoB被排出.在这一系列生化反应过程中均需要辅酶的参与方能完成.由甲烷生成路径可以看出:微量元素如镍元素对于甲烷的形成有着不可或缺的作用.随着负荷的提高,一方面产甲烷菌自身细胞的合成需要微量元素,另外一方面,甲烷的生物代谢途径需要微量元素的参加.所以负荷提高,产甲烷菌对微量元素的需求也相应提高.而在含硫化物的反应器中,由于硫化物和微量元素如铁、钴、镍等可形成沉淀,所以使得微量元素的生物可利用性降低,从而影响了产甲烷反应器的运行效率.而添加NTA的反应器中,由于NTA可以和镍、钴等微量元素形成可溶性的螯合物,从而大大提高了溶解度,为提高微量元素的生物可利用性创造了条件.图3结果表明NTA的加入提高了反应器的运行效率.2.3情况4:情况2对产甲烷活性的影响为了证实NTA的添加对微量元素如镍的生物可利用性的影响,在反应器负荷COD为3.4g/(L·d)时,对反应器产甲烷污泥中的辅因子浓度进行了检测,结果如表2所示.以VSS为基准.虽然对于辅酶F420能否作为厌氧反应器运行监测的指标,不同的研究者得出的结论不尽相同,如文献的研究结果表明辅酶F420含量与产甲烷活性具有明显的相关性.但文献的研究则认为产甲烷活性与辅酶F420含量并没有很好的相关性;但对于同种厌氧污泥来说,因为产甲烷菌组成变化较小,辅酶F420的含量可以有效的指示产甲烷菌产甲烷活性.在本实验中可以看出,添加NTA后对辅酶F420的含量有影响,从1.30μmol/g提高到1.61μmol/g,提高了24%.因此NTA的添加提高了污泥的产甲烷活性.另外,辅酶F430的浓度也由0.15μmol/g提高到0.35μmol/g,提高了1.33倍.实验结果与文献一致,即污泥的产甲烷活性与F430的含量呈现明显的相关性,同时与进水中的微量元素的含量也有密切关系,进水中如果缺乏镍离子,则污泥中F430的含量明显下降.这表明由于NTA的螯合作用,使得反应器中镍的生物可利用性确实得到了提高,从而促进了甲烷的产生,提高了反应器运行效率.2.4荧光原位杂交法检测添加NTA的反应器运行效率和产气率得到提高,说明污泥产甲烷活性增强.污泥产甲烷活性的增强必然与其中的菌群数量或者结构有着密切的联系.在实验末期取样对污泥进行分析.由于产甲烷菌的分离培养较为烦琐和困难,因此采用荧光原位杂交技术(FISH)对古细菌和甲烷八叠球菌进行了检测,结果如图4所示.可以看出,添加NTA的反应器中,古细菌丰度高于对照系统,说明NTA的添加促进了产甲烷菌的生长,另外,图4的结果还表明添加NTA还促进了甲烷八叠球菌的生长.由于利用乙酸的产甲烷菌主要有甲烷丝状菌属(Methanosaetaceae)和甲烷八叠球菌属(Methanosarcinaceae).甲烷八叠球菌对基质代谢能力较强,当乙酸浓度大于300mg·L-1时,其对基质的利用速率是甲烷丝菌的3～5倍.所以添加NTA也促进了在乙酸浓度较高时动力学上占优势的甲烷八叠球菌的生长,因此,乙酸利用速度加快,更多乙酸被降解,产气量也得到提高.3促进产甲烷菌的生物