厌氧消化过程中微量营养物的作用研究新进展
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摘要：指出了在厌氧消化工艺的运行管理过程中,对厌氧反应器的进水COD、进水中COD∶N∶P的比值、进水pH值、有机负荷、温度等常规运行指标较为重视,但忽视了厌氧菌生长对Fe、Ni、Co等一些微量营养物的特殊需求,造成厌氧工艺的运行效果普遍较差,多数厌氧反应器达不到设计负荷,探讨了Fe、Co、Ni等微量营养物对甲烷菌的激活作用。
关键词：厌氧消化；甲烷菌；微量营养物
中图分类号：X705
文献标识码：A
文章编号：16749944(2011)10021503
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1 引言
厌氧消化是有机物质被厌氧菌在厌氧条件下分解产生甲烷和CO2的过程。它是一种常规的处理多种废物的应用技术,可以在处理有机废物制取沼气的同时,改善环境卫生,获取化工产品,回收各种资源并促进生态的良性循环，也是水污染控制的主要手段,是去除废水中有机物最经济有效的方法,具有污泥产率低、能耗低、剩余污泥量少,并可回收副产物甲烷等优点。厌氧消化过程大致分为水解、酸化、产氢产乙酸和甲烷化4个阶段[1]。
2 厌氧消化工艺研究进展
2.1 厌氧技术发展历程
厌氧技术发展过程大致经历了3个阶段。第1阶段为1860~1899年，简单的沉淀与厌氧发酵合池并行的初期发展阶段。这个发展阶段中,污水沉淀和污泥发酵集中在一个腐化池(俗称化粪池)中进行,泥水没有进行分离。第2阶段为1899~1906年，污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发展阶段。第3阶段为1906~2001年，独立式营建的高级发展阶段。这个发展阶段中,沉淀池中的厌氧发酵室分离出来,建成独立工作的厌氧消化反应器。
2.2 国内外厌氧消化工艺的应用
在整个欧洲共有超过36 000座厌氧消化反应器,对污泥的处理量占欧洲总产泥量的40%~50%[2]。但是我国污水厂的污泥厌氧消化技术应用与发达国家相比差距较大,我国现有污水处理设施中,具有污泥稳定处理设施的不到25%,处理工艺和配套设施完善的不到10%。
作者简介：曾 武（1985―），男，湖南常德人，河北联合大学化学工程学院硕士研究生 。
3 微量营养物对厌氧消化过程的作用研究
在厌氧消化工艺的运行管理中人们对厌氧反应器的进水COD、进水中COD∶N∶P比值、进水pH值、有机负荷、温度等常规运行指标较为重视,但却忽视了厌氧菌生长对Fe、Ni、Co等一些微量营养物的特殊需求,造成厌氧工艺的运行效果普遍较差,多数厌氧反应器达不到设计负荷,有报道[3~6]显示Fe、Co、Ni、Mo、Zn、Cu、Mn、Se等微量营养物对甲烷菌具有激活作用。
3.1 微量营养物对甲烷菌生长的影响研究
1950年Hungate第一次创造了无氧分离技术才使甲烷菌的研究得到了迅速的发展[7],从而使得更多的关于甲烷菌生长条件的研究逐步开展。
对甲烷菌的营养激活作用而言,Speece对甲烷菌所需的营养给出一个顺序:N、S、P、Fe、Co、Ni、Mo、Se、维生素B2、维生素B12,缺乏上述某一种营养,甲烷发酵仍会进行但速率会降低,特别指出的是只有当前面一个营养元素足够时,后面一个才能对甲烷菌的生长起激活作用。陈朝猛等[8]研究了痕量金属Fe、Co、Ni对产甲烷菌的激活作用,以有机生活垃圾为基质,进行中温式厌氧消化,对比研究结果表明：在其他条件相同的情况下,投加痕量金属离子比不投加的系统产气量增加了43.4%,生物气的甲烷含量提高了5.1%,COD去除率提高了10.2%。李亚新等[9]以血清瓶为间歇反应器,以醋酸钙、乙醇为基质,研究了厌氧消化过程中甲烷菌所需要的微量金属营养元素的种类和优化组合及它们的最佳补充投加量,研究结果表明最佳微量元素组合为Fe、Co、Ni,厌氧消化过程中微量元素对甲烷菌有激活作用,加Fe、Co、Ni与不加微量元素相比较,产气速率分别提高24.6%和25.4%。
李玉瑛[10]等研究了煤气废水厌氧消化过程中微量元素对甲烷茵的激活作用,结果表明,微量元素对甲烷菌有激活作用,加入 Fe、Co、Ni后产气速率和产气量都有明显提高,这是因为这些微量元素可刺激微生物的生命活动,它们是酶的组分,或是酶的激活剂,其中 Fe在电子传递体系中起至关重要的作用并且是酶的组分,Co、Ni对产甲烷菌的生长具有特别意义。李亚新等[11]研究了厌氧消化过程中甲烷菌所需要的微量金属营养元素Fe、Co、Ni对毒性物质NH4+-N的拮抗作用,研究结果表明:Fe、Co、Ni对毒性物质NH4+-N有明显的拮抗作用;而且NH4+-N浓度越高,Fe、Co、Ni对其毒性的拮抗作用越明显,说明微量营养物直接影响到甲烷菌的代谢过程。朱先栋[12]通过微量元素对厌氧消化过程中甲烷菌的研究,发现以Fe、Co、Ni为最佳组合投加,其产气率比不加微量元素增加24%,还说明微量元素对乙酸盐为基质的甲烷菌有激活作用。李亚新和杨建刚[13]通过研究发现向厌氧反应器补充微量金属元素Fe、Co、Ni可以缩短甲烷菌对基质的适应期,有效提高基质降解速率和产甲烷速率,从而达到缩短厌氧消化的反应时间,同时还可以促使反应器中甲烷菌向较为有利的优势菌种转移,即由甲烷丝菌逐渐转变为废水处理中的优良菌种甲烷八叠球菌。李亚新等[14]研究发现通过限制Fe、Co、Ni等微量元素可以使得甲烷丝菌占优势,但是为了培养亲和力较大且易于形成颗粒污泥的甲烷丝菌而停止投加微量元素,会导致COD去除率急剧下降。说明足够的微量元素对于甲烷菌正常的生长代谢和反应器的良好运行是必要的,另外说明通过限制微量元素来选择甲烷丝菌是不可行的。由此可见微量营养物有利于甲烷菌的生长代谢,同时促进了厌氧污泥的颗粒化。
3.2 微量营养物对厌氧消化过程的影响研究
微量营养物在厌氧消化处理过程中,可以促进微生物生长,降低VFA,缩短污泥培养粒化过程时间,提高工艺系统的稳定性和抗冲击负荷的能力。王长辉[15]研究了Ni、Co、Zn、Fe对厌氧微生物生长的促进作用,以最大比产气速率为指标,确定了添加的适宜浓度,结果表明：通过添加微量元素可大大缩短UASB厌氧反应器中厌氧污泥的培养粒化过程的时间,同时说明了适量的Ni、Ca、Zn等微量元素对厌氧微生物的生长有促进作用,且Ni对厌氧污泥活性提高的作用最大,同时在厌氧污泥培养粒化过程中添加适量的微量元素能大大缩短粒化过程所需的时间,使粒化过程得以顺利完成。潘云锋[16]等发现在中温条件下,在牛粪厌氧发酵液中加人1.0mg/(L•d)的Fe2+,0.15 mg/(L•d)的Co2+和0.4 mg/(L•d)的Ni2+能够加快产气速度,增加产气量,且添加微量金属元素Fe2+、Co2+、Ni2+改善了产甲烷菌的生长速度和生物活性,促进了厌氧污泥的颗粒化。农丽薇[17]等发现在稻草厌氧发酵过程中投加低浓度微量金属元素作为激活剂能够有效改善稻草厌氧消化的效率、产气量和甲烷含量,抑制酸积累,其产气量分别提高了39.0%,74.5%和115.0%;甲烷分别提高了5.1%,7.3%和17.6%;CODCr去除率分别提高了14.5%,14.6%和16.5%,甲烷菌的生长需要多种微量元素,在厌氧发酵过程中投加Co+Ni混合微量金属元素的反应效果优于投加单一的Co或Ni,并且由于甲烷菌对Ni有专性需要,在厌氧发酵过程中投加Ni的反应效果要优于投加相同浓度的Co。
谢金连等[18]通过对农贸市场废弃物在厌氧消化过程中投加Fe、Co、N i浓度分别为1mg/(L•d),0.1 mg /(L•d),0.2 mg/(L•d)的痕量金属离子,发现厌氧消化的产气量提高了11.2%~25.4%,甲烷含量从52%提高到57.5%,COD的去除率从33.8%提高到44.1%。董春娟等[19]研究发现厌氧消化过程中Fe、Co、Ni的加入能使反映器内甲烷菌的优势菌种发生变化,由索氏甲烷八叠球菌占优势到巴氏甲烷八叠球菌占优势,从而使乙酸利用率提高数倍,从而说明了在厌氧消化过程中补充甲烷菌所需的无机营养元素,特别是加入微量金属元是提高厌氧消化过程效率和稳定性的重要途径。李亚新[20]通过向厌氧生物反应器中投加Fe、Co、Ni等微量金属元素,发现可以大幅度地提高甲烷产率和厌氧消化过程的处理效率。G.Lettinga[21]认为干马铃薯固体消化中基质(COD)转化为甲烷的过程几乎是完全的,有机物完全转化为能量,要在马铃薯废水中实现满意的污泥颗粒化,其先决条件是供应一种微量元素混合物。关宏毅[22]以醋酸钙、葡萄糖为基质研究了微量金属元素Fe、Co、Ni对甲烷菌的激活作用,结果表明,加入微量金属元素Fe、Co、Ni能有效缩短厌氧消化反应时间,提高基质降解率和产气速率,这表明微量金属元素Fe、Co、Ni对醋酸钙、葡萄糖的厌氧消化有激活作用。陈才键等[23]通过对PTA废水的厌氧处理过程中厌氧微生物对部分微量元素的营养需求的研究,提出投加微量元素的投加标准(Fe2+1.5mg/L,Ni2+0.4 mg/L),同时证明了S、Fe、Ni对厌氧微生物生长有着显著影响。
4 结语
城市生活垃圾和有机废水的厌氧消化处理技术,作为有机物资源的再利用有十分广阔的前景,它能使更多的能源得到回收,实现生活垃圾资源化的可持续发展。
在废水厌氧消化处理过程中,通过向填料中添加微量营养物质,使微量营养物能持续稳定的溶出,从而达到微量营养物对甲烷菌持续稳定供应,这将有利于甲烷菌在载体上生长、繁殖、成膜,从而提高厌氧消化工艺对有机物的去除效果。
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Research on the Role of Micro-nutrientand in the Process of Anaerobic Digestion and its Application
Zeng Wu,Lang Jianfeng
（School of Chemistry and Chemical Engineering,Hebei United University,Tangshan 063009,China）
Abstract:In the process of anaerobic digestion,it is paid more attention to the regular operating indicators,such as inlet COD,the ratio of N:P,the pH value of water intake,organic loading and temperature of the anaerobic reactor,but special demands of anaerobic bacteria on micronutrients such as Fe,Ni and Co are ignored.Thus the performance of anaerobic digestion process is dissatisfied,and most of reactors failed to attain the calculated load.It is reported that micronutrients such as Fe,Ni and Co,can activate methanobacteria.
Key words:anaerobic digestion;methanebacteria;micronutrients