厭氧消化過程中微量營養物的作用研究新進展

2011-08-15 00:53:06郎建峰

綠色科技 2011年10期

曾武，郎建峰

（河北聯合大學化學工程學院，河北唐山 063009）

1 引言

厭氧消化是有機物質被厭氧菌在厭氧條件下分解產生甲烷和CO2的過程。它是一種常規的處理多種廢物的應用技術，可以在處理有機廢物制取沼氣的同時，改善環境衛生，獲取化工產品，回收各種資源并促進生態的良性循環，也是水污染控制的主要手段，是去除廢水中有機物最經濟有效的方法，具有污泥產率低、能耗低、剩余污泥量少，并可回收副產物甲烷等優點。厭氧消化過程大致分為水解、酸化、產氫產乙酸和甲烷化4個階段［1］。

2 厭氧消化工藝研究進展

2.1 厭氧技術發展歷程

厭氧技術發展過程大致經歷了3個階段。第1階段為1860～1899年，簡單的沉淀與厭氧發酵合池并行的初期發展階段。這個發展階段中，污水沉淀和污泥發酵集中在一個腐化池（俗稱化糞池）中進行，泥水沒有進行分離。第2階段為1899～1906年，污水沉淀與厭氧發酵分層進行的發展階段。第3階段為1906～2001年，獨立式營建的高級發展階段。這個發展階段中，沉淀池中的厭氧發酵室分離出來，建成獨立工作的厭氧消化反應器。

2.2 國內外厭氧消化工藝的應用

在整個歐洲共有超過36000座厭氧消化反應器，對污泥的處理量占歐洲總產泥量的40%～50%［2］。但是我國污水廠的污泥厭氧消化技術應用與發達國家相比差距較大，我國現有污水處理設施中，具有污泥穩定處理設施的不到25%，處理工藝和配套設施完善的不到10%。

3 微量營養物對厭氧消化過程的作用研究

在厭氧消化工藝的運行管理中人們對厭氧反應器的進水COD、進水中COD∶N∶P比值、進水pH值、有機負荷、溫度等常規運行指標較為重視，但卻忽視了厭氧菌生長對Fe、Ni、Co等一些微量營養物的特殊需求，造成厭氧工藝的運行效果普遍較差，多數厭氧反應器達不到設計負荷，有報道［3～6］顯示Fe、Co、Ni、Mo、Zn、Cu、Mn、Se等微量營養物對甲烷菌具有激活作用。

3.1 微量營養物對甲烷菌生長的影響研究

1950年Hungate第一次創造了無氧分離技術才使甲烷菌的研究得到了迅速的發展［7］，從而使得更多的關于甲烷菌生長條件的研究逐步開展。

對甲烷菌的營養激活作用而言，Speece對甲烷菌所需的營養給出一個順序:N、S、P、Fe、Co、Ni、Mo、Se、維生素B2、維生素B12，缺乏上述某一種營養，甲烷發酵仍會進行但速率會降低，特別指出的是只有當前面一個營養元素足夠時，后面一個才能對甲烷菌的生長起激活作用。陳朝猛等［8］研究了痕量金屬Fe、Co、Ni對產甲烷菌的激活作用，以有機生活垃圾為基質，進行中溫式厭氧消化，對比研究結果表明:在其他條件相同的情況下，投加痕量金屬離子比不投加的系統產氣量增加了43.4%，生物氣的甲烷含量提高了5.1%，COD去除率提高了10.2%。李亞新等［9］以血清瓶為間歇反應器，以醋酸鈣、乙醇為基質，研究了厭氧消化過程中甲烷菌所需要的微量金屬營養元素的種類和優化組合及它們的最佳補充投加量，研究結果表明最佳微量元素組合為Fe、Co、Ni，厭氧消化過程中微量元素對甲烷菌有激活作用，加Fe、Co、Ni與不加微量元素相比較，產氣速率分別提高24.6%和25.4%。

李玉瑛［10］等研究了煤氣廢水厭氧消化過程中微量元素對甲烷茵的激活作用，結果表明，微量元素對甲烷菌有激活作用，加入Fe、Co、Ni后產氣速率和產氣量都有明顯提高，這是因為這些微量元素可刺激微生物的生命活動，它們是酶的組分，或是酶的激活劑，其中Fe在電子傳遞體系中起至關重要的作用并且是酶的組分，Co、Ni對產甲烷菌的生長具有特別意義。李亞新等［11］研究了厭氧消化過程中甲烷菌所需要的微量金屬營養元素Fe、Co、Ni對毒性物質NH4＋－N的拮抗作用，研究結果表明:Fe、Co、Ni對毒性物質NH4＋－N有明顯的拮抗作用；而且NH4＋－N濃度越高，Fe、Co、Ni對其毒性的拮抗作用越明顯，說明微量營養物直接影響到甲烷菌的代謝過程。朱先棟［12］通過微量元素對厭氧消化過程中甲烷菌的研究，發現以Fe、Co、Ni為最佳組合投加，其產氣率比不加微量元素增加24%，還說明微量元素對乙酸鹽為基質的甲烷菌有激活作用。李亞新和楊建剛［13］通過研究發現向厭氧反應器補充微量金屬元素Fe、Co、Ni可以縮短甲烷菌對基質的適應期，有效提高基質降解速率和產甲烷速率，從而達到縮短厭氧消化的反應時間，同時還可以促使反應器中甲烷菌向較為有利的優勢菌種轉移，即由甲烷絲菌逐漸轉變為廢水處理中的優良菌種甲烷八疊球菌。李亞新等［14］研究發現通過限制Fe、Co、Ni等微量元素可以使得甲烷絲菌占優勢，但是為了培養親和力較大且易于形成顆粒污泥的甲烷絲菌而停止投加微量元素，會導致COD去除率急劇下降。說明足夠的微量元素對于甲烷菌正常的生長代謝和反應器的良好運行是必要的，另外說明通過限制微量元素來選擇甲烷絲菌是不可行的。由此可見微量營養物有利于甲烷菌的生長代謝，同時促進了厭氧污泥的顆粒化。

3.2 微量營養物對厭氧消化過程的影響研究

微量營養物在厭氧消化處理過程中，可以促進微生物生長，降低VFA，縮短污泥培養粒化過程時間，提高工藝系統的穩定性和抗沖擊負荷的能力。王長輝［15］研究了 Ni、Co、Zn、Fe對厭氧微生物生長的促進作用，以最大比產氣速率為指標，確定了添加的適宜濃度，結果表明:通過添加微量元素可大大縮短UASB厭氧反應器中厭氧污泥的培養粒化過程的時間，同時說明了適量的Ni、Ca、Zn等微量元素對厭氧微生物的生長有促進作用，且Ni對厭氧污泥活性提高的作用最大，同時在厭氧污泥培養粒化過程中添加適量的微量元素能大大縮短粒化過程所需的時間，使粒化過程得以順利完成。潘云鋒［16］等發現在中溫條件下，在牛糞厭氧發酵液中加人1.0mg／（L·d）的Fe2＋，0.15mg／（L·d）的Co2＋和0.4mg／（L·d）的 Ni2＋能夠加快產氣速度，增加產氣量，且添加微量金屬元素Fe2＋、Co2＋、Ni2＋改善了產甲烷菌的生長速度和生物活性，促進了厭氧污泥的顆粒化。農麗薇［17］等發現在稻草厭氧發酵過程中投加低濃度微量金屬元素作為激活劑能夠有效改善稻草厭氧消化的效率、產氣量和甲烷含量，抑制酸積累，其產氣量分別提高了 39.0%，74.5% 和115.0%；甲烷分別提高了5.1%，7.3%和17.6%；CODCr去除率分別提高了 14.5%，14.6% 和16.5%，甲烷菌的生長需要多種微量元素，在厭氧發酵過程中投加Co＋Ni混合微量金屬元素的反應效果優于投加單一的Co或Ni，并且由于甲烷菌對Ni有專性需要，在厭氧發酵過程中投加Ni的反應效果要優于投加相同濃度的Co。

謝金連等［18］通過對農貿市場廢棄物在厭氧消化過程中投加Fe、Co、N i濃度分別為1mg／（L·d），0.1mg／（L·d），0.2mg／（L·d）的痕量金屬離子，發現厭氧消化的產氣量提高了11.2%～25.4%，甲烷含量從52%提高到57.5%，COD的去除率從33.8%提高到44.1%。董春娟等［19］研究發現厭氧消化過程中Fe、Co、Ni的加入能使反映器內甲烷菌的優勢菌種發生變化，由索氏甲烷八疊球菌占優勢到巴氏甲烷八疊球菌占優勢，從而使乙酸利用率提高數倍，從而說明了在厭氧消化過程中補充甲烷菌所需的無機營養元素，特別是加入微量金屬元是提高厭氧消化過程效率和穩定性的重要途徑。李亞新［20］通過向厭氧生物反應器中投加Fe、Co、Ni等微量金屬元素，發現可以大幅度地提高甲烷產率和厭氧消化過程的處理效率。G.Lettinga［21］認為干馬鈴薯固體消化中基質（COD）轉化為甲烷的過程幾乎是完全的，有機物完全轉化為能量，要在馬鈴薯廢水中實現滿意的污泥顆粒化，其先決條件是供應一種微量元素混合物。關宏毅［22］以醋酸鈣、葡萄糖為基質研究了微量金屬元素Fe、Co、Ni對甲烷菌的激活作用，結果表明，加入微量金屬元素Fe、Co、Ni能有效縮短厭氧消化反應時間，提高基質降解率和產氣速率，這表明微量金屬元素Fe、Co、Ni對醋酸鈣、葡萄糖的厭氧消化有激活作用。陳才鍵等［23］通過對PTA廢水的厭氧處理過程中厭氧微生物對部分微量元素的營養需求的研究，提出投加微量元素的投加標準（Fe2＋1.5mg／L，Ni2＋0.4mg／L），同時證明了S、Fe、Ni對厭氧微生物生長有著顯著影響。

4 結語

城市生活垃圾和有機廢水的厭氧消化處理技術，作為有機物資源的再利用有十分廣闊的前景，它能使更多的能源得到回收，實現生活垃圾資源化的可持續發展。

在廢水厭氧消化處理過程中，通過向填料中添加微量營養物質，使微量營養物能持續穩定的溶出，從而達到微量營養物對甲烷菌持續穩定供應，這將有利于甲烷菌在載體上生長、繁殖、成膜，從而提高厭氧消化工藝對有機物的去除效果。

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