厭氧消化過程中微量營養(yǎng)物的作用研究新進(jìn)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(lián)合大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，河北唐山 063009）

1 引言

厭氧消化是有機(jī)物質(zhì)被厭氧菌在厭氧條件下分解產(chǎn)生甲烷和CO2的過程。它是一種常規(guī)的處理多種廢物的應(yīng)用技術(shù)，可以在處理有機(jī)廢物制取沼氣的同時，改善環(huán)境衛(wèi)生，獲取化工產(chǎn)品，回收各種資源并促進(jìn)生態(tài)的良性循環(huán)，也是水污染控制的主要手段，是去除廢水中有機(jī)物最經(jīng)濟(jì)有效的方法，具有污泥產(chǎn)率低、能耗低、剩余污泥量少，并可回收副產(chǎn)物甲烷等優(yōu)點(diǎn)。厭氧消化過程大致分為水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和甲烷化4個階段［1］。

2 厭氧消化工藝研究進(jìn)展

2.1 厭氧技術(shù)發(fā)展歷程

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

2.2 國內(nèi)外厭氧消化工藝的應(yīng)用

在整個歐洲共有超過36000座厭氧消化反應(yīng)器，對污泥的處理量占?xì)W洲總產(chǎn)泥量的40%～50%［2］。但是我國污水廠的污泥厭氧消化技術(shù)應(yīng)用與發(fā)達(dá)國家相比差距較大，我國現(xiàn)有污水處理設(shè)施中，具有污泥穩(wěn)定處理設(shè)施的不到25%，處理工藝和配套設(shè)施完善的不到10%。

3 微量營養(yǎng)物對厭氧消化過程的作用研究

在厭氧消化工藝的運(yùn)行管理中人們對厭氧反應(yīng)器的進(jìn)水COD、進(jìn)水中COD∶N∶P比值、進(jìn)水pH值、有機(jī)負(fù)荷、溫度等常規(guī)運(yùn)行指標(biāo)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(yǎng)物的特殊需求，造成厭氧工藝的運(yùn)行效果普遍較差，多數(shù)厭氧反應(yīng)器達(dá)不到設(shè)計負(fù)荷，有報道［3～6］顯示Fe、Co、Ni、Mo、Zn、Cu、Mn、Se等微量營養(yǎng)物對甲烷菌具有激活作用。

3.1 微量營養(yǎng)物對甲烷菌生長的影響研究

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

對甲烷菌的營養(yǎng)激活作用而言，Speece對甲烷菌所需的營養(yǎng)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(yǎng)，甲烷發(fā)酵仍會進(jìn)行但速率會降低，特別指出的是只有當(dāng)前面一個營養(yǎng)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(chǎn)甲烷菌的激活作用，以有機(jī)生活垃圾為基質(zhì)，進(jìn)行中溫式厭氧消化，對比研究結(jié)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(tǒng)產(chǎn)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(yīng)器，以醋酸鈣、乙醇為基質(zhì)，研究了厭氧消化過程中甲烷菌所需要的微量金屬營養(yǎng)元素的種類和優(yōu)化組合及它們的最佳補(bǔ)充投加量，研究結(jié)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(chǎn)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(jié)果表明，微量元素對甲烷菌有激活作用，加入Fe、Co、Ni后產(chǎn)氣速率和產(chǎn)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(guān)重要的作用并且是酶的組分，Co、Ni對產(chǎn)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(yǎng)元素Fe、Co、Ni對毒性物質(zhì)NH4＋－N的拮抗作用，研究結(jié)果表明:Fe、Co、Ni對毒性物質(zhì)NH4＋－N有明顯的拮抗作用；而且NH4＋－N濃度越高，F(xiàn)e、Co、Ni對其毒性的拮抗作用越明顯，說明微量營養(yǎng)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(fā)現(xiàn)以Fe、Co、Ni為最佳組合投加，其產(chǎn)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(zhì)的甲烷菌有激活作用。李亞新和楊建剛［13］通過研究發(fā)現(xiàn)向厭氧反應(yīng)器補(bǔ)充微量金屬元素Fe、Co、Ni可以縮短甲烷菌對基質(zhì)的適應(yīng)期，有效提高基質(zhì)降解速率和產(chǎn)甲烷速率，從而達(dá)到縮短厭氧消化的反應(yīng)時間，同時還可以促使反應(yīng)器中甲烷菌向較為有利的優(yōu)勢菌種轉(zhuǎn)移，即由甲烷絲菌逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺U水處理中的優(yōu)良菌種甲烷八疊球菌。李亞新等［14］研究發(fā)現(xiàn)通過限制Fe、Co、Ni等微量元素可以使得甲烷絲菌占優(yōu)勢，但是為了培養(yǎng)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(dǎo)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(yīng)器的良好運(yùn)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(yǎng)物有利于甲烷菌的生長代謝，同時促進(jìn)了厭氧污泥的顆粒化。

3.2 微量營養(yǎng)物對厭氧消化過程的影響研究

微量營養(yǎng)物在厭氧消化處理過程中，可以促進(jìn)微生物生長，降低VFA，縮短污泥培養(yǎng)粒化過程時間，提高工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗沖擊負(fù)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(jìn)作用，以最大比產(chǎn)氣速率為指標(biāo)，確定了添加的適宜濃度，結(jié)果表明:通過添加微量元素可大大縮短UASB厭氧反應(yīng)器中厭氧污泥的培養(yǎng)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(jìn)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(yǎng)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(fā)現(xiàn)在中溫條件下，在牛糞厭氧發(fā)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(chǎn)氣速度，增加產(chǎn)氣量，且添加微量金屬元素Fe2＋、Co2＋、Ni2＋改善了產(chǎn)甲烷菌的生長速度和生物活性，促進(jìn)了厭氧污泥的顆粒化。農(nóng)麗薇［17］等發(fā)現(xiàn)在稻草厭氧發(fā)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(chǎn)氣量和甲烷含量，抑制酸積累，其產(chǎn) 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(fā)酵過程中投加Co＋Ni混合微量金屬元素的反應(yīng)效果優(yōu)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(fā)酵過程中投加Ni的反應(yīng)效果要優(yōu)于投加相同濃度的Co。

謝金連等［18］通過對農(nóng)貿(mào)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(fā)現(xiàn)厭氧消化的產(chǎn)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(fā)現(xiàn)厭氧消化過程中Fe、Co、Ni的加入能使反映器內(nèi)甲烷菌的優(yōu)勢菌種發(fā)生變化，由索氏甲烷八疊球菌占優(yōu)勢到巴氏甲烷八疊球菌占優(yōu)勢，從而使乙酸利用率提高數(shù)倍，從而說明了在厭氧消化過程中補(bǔ)充甲烷菌所需的無機(jī)營養(yǎng)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(wěn)定性的重要途徑。李亞新［20］通過向厭氧生物反應(yīng)器中投加Fe、Co、Ni等微量金屬元素，發(fā)現(xiàn)可以大幅度地提高甲烷產(chǎn)率和厭氧消化過程的處理效率。G.Lettinga［21］認(rèn)為干馬鈴薯固體消化中基質(zhì)（COD）轉(zhuǎn)化為甲烷的過程幾乎是完全的，有機(jī)物完全轉(zhuǎn)化為能量，要在馬鈴薯廢水中實現(xiàn)滿意的污泥顆粒化，其先決條件是供應(yīng)一種微量元素混合物。關(guān)宏毅［22］以醋酸鈣、葡萄糖為基質(zhì)研究了微量金屬元素Fe、Co、Ni對甲烷菌的激活作用，結(jié)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(yīng)時間，提高基質(zhì)降解率和產(chǎn)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(yǎng)需求的研究，提出投加微量元素的投加標(biāo)準(zhǔn)（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(jié)語

城市生活垃圾和有機(jī)廢水的厭氧消化處理技術(shù)，作為有機(jī)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(xiàn)生活垃圾資源化的可持續(xù)發(fā)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(yǎng)物質(zhì)，使微量營養(yǎng)物能持續(xù)穩(wěn)定的溶出，從而達(dá)到微量營養(yǎng)物對甲烷菌持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)，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(jī)物的去除效果。

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