1 引言
垃圾滲濾液是一種高濃度難降解有機(jī)廢水，多年來滲濾液的處理仍以厭氧生物法為主.滲濾液中過高的金屬離子、氨氮、鹽分等會對厭氧過程產(chǎn)生抑制作用，同時，硫酸鹽的存在也會對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生競爭抑制，硫酸鹽最終還原產(chǎn)物硫化物更是對厭氧菌有直接的毒害作用.滲濾液成分復(fù)雜，嚴(yán)重抑制了其厭氧處理進(jìn)程.
一些微量元素如：Fe、Co、Ni、Zn、Cu、Mn、Mo、Se、W、B等，對提高厭氧生物處理效率有積極的作用.微量元素不僅促進(jìn)微生物細(xì)胞和酶的合成，同時可以激活相關(guān)酶活性.研究表明，微量元素Fe2+、Co2+、Ni2+的添加，促進(jìn)了厭氧消化及產(chǎn)甲烷過程，其中投加Fe元素可以提高甲醇降解率，并能減緩高硫酸鹽滲濾液對厭氧產(chǎn)甲烷過程的抑制作用，低濃度的Ni促進(jìn)厭氧降解效果，而加入微量元素Co促使以甲醇作為基質(zhì)的厭氧顆粒污泥SMA明顯提高.同時，投加Fe、Co和Ni等微量金屬元素時可緩解高鈉離子對甲烷菌的抑制和毒害，并對NH+4-N毒性產(chǎn)生明顯的拮抗作用.不同微量元素在復(fù)雜底物為原料的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的作用不一，其生物有效性也受到多種因素的影響，目前微量元素對滲濾液厭氧過程的影響鮮有報(bào)道.
本文通過單因素和正交試驗(yàn)，研究Fe2+、Co2+、Ni2+對滲濾液厭氧過程的影響，為確定滲濾液厭氧消化系統(tǒng)所需的適宜的微量元素投加量、提高滲濾液處理效率提供依據(jù).
2 材料與方
2.1 接種污泥及試驗(yàn)用水
接種顆粒污泥取自南寧市龍州縣南華糖業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧罐，污泥色澤黑亮，形狀圓潤，粒徑≤4 mm.顆粒污泥經(jīng)清水淘洗，去除無機(jī)顆粒后過32目篩網(wǎng)備用，污泥TS=66.87 g · L-1，VS=51.41 g · L-1，TS/VS=0.769.
滲濾液取自南寧市馬山縣生活垃圾填埋場調(diào)節(jié)池原水，填埋場場齡2~3年.主要水質(zhì)指標(biāo)如表 1所示，其中Fe、Co、Ni的背景值不影響微量元素的添加量.試驗(yàn)用水添加少量葡萄糖和KH2PO4補(bǔ)充碳源和磷源，控制廢水COD≈3000 mg · L-1，保持C : N : P≈300 : 5 : 1.
表1 滲濾液主要水質(zhì)指標(biāo)
2.2 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置如圖 1所示，主要由容積500 mL的厭氧反應(yīng)瓶和500 mL集氣瓶組成，瓶口以翻口膠塞密封，確保嚴(yán)格厭氧條件.厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷量通過排水法計(jì)量，倒置的排水集氣瓶內(nèi)裝有濃度為3%的NaOH，以化學(xué)吸收法消除產(chǎn)氣中的CO2和H2S.反應(yīng)瓶均置于恒溫水浴箱(35±2 ℃)內(nèi)，以提供厭氧微生物適宜的溫度環(huán)境.
圖 1 厭氧間歇試驗(yàn)裝置
2.3 試驗(yàn)方法
血清瓶內(nèi)接種100 mL顆粒污泥和300 mL滲濾液，并通入N2 3 min以排出瓶內(nèi)空氣，瓶口密封后插入導(dǎo)氣管，連接至排水瓶，中溫(35±2 ℃)產(chǎn)氣發(fā)酵，量筒內(nèi)測量的排水體積等同于厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷量.試驗(yàn)過程反應(yīng)瓶以振蕩方式保證泥水混合均勻.試驗(yàn)開始前，以滲濾液原液淘洗培養(yǎng)污泥3~5 d.試驗(yàn)過程中，投加的微量元素離子濃度換算為相應(yīng)的FeC12 · 4H2O、CoCl2 · 6H2O、NiCl2 · 6H2O分子濃度，以溶液形態(tài)加入.
試驗(yàn)分為單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn).單因素試驗(yàn)微量元素的投加量分別為Fe2+：5、10、15、25、50 mg · L-1，Co2+：0.5、1、3、5、10 mg · L-1，Ni2+：0.5、1、3、5、10 mg · L-1.正交試驗(yàn)依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取較優(yōu)的濃度范圍，選擇L9(34)正交表進(jìn)行設(shè)計(jì)并試驗(yàn).各組試驗(yàn)均設(shè)置6個平行試驗(yàn)，并設(shè)置對照組C(未添加微量元素)和空白組(內(nèi)源產(chǎn)氣).每組反應(yīng)時間均為1 d，測定上清液pH值、COD值，記錄甲烷產(chǎn)量.
2.4 測定項(xiàng)目和分析方法
CODCr、pH分析項(xiàng)目及測試方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》，產(chǎn)氣通過排水法收集并計(jì)量.圖表繪制使用Origin8進(jìn)行繪制，數(shù)據(jù)使用SPSS Statistics 19進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析.
3 結(jié)果與分析
3.1 單因素試驗(yàn)
3.1.1 投加Fe2+對厭氧過程的影響
研究表明，F(xiàn)e元素在合成產(chǎn)甲烷菌組織的金屬元素中含量最高，同時是合成厭氧系統(tǒng)中多種酶(如CO脫氫酶、乙酰輔酶A合成酶、氫化酶等)所必須的元素，并能夠激活相關(guān)酶的活性.投加Fe2+對COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值的影響如圖 2所示.由圖 2可知，F(xiàn)e2+的投加對滲濾液厭氧處理的COD去除率和產(chǎn)甲烷量均有顯著提高(p<0.05).隨著Fe2+投加濃度的增加，COD去除率和產(chǎn)甲烷量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)Fe2+投加量為10~25 mg · L-1時，對滲濾液厭氧過程的促進(jìn)效果較為接近，其中當(dāng)Fe2+投加量為25 mg · L-1時，COD去除率和產(chǎn)甲烷量較對照分別提高了15.38%、23.16%.與此不同的是，低濃度的Fe2+(≤3 mg · L-1)則對藍(lán)藻厭氧發(fā)酵的促進(jìn)效果最好，投加0.56 mg · L-1的Fe2+時提高了以甲醇為基質(zhì)時顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性，這可能是由于滲濾液成分復(fù)雜，外加的Fe2+(或氧化成Fe3+)通常與滲濾液中大量的無機(jī)配位體(如S2-、CO2-3等)形成鐵鹽沉淀，影響了鐵元素的生物有效性，導(dǎo)致此滲濾液厭氧系統(tǒng)對鐵元素的需求量增加.而Fe2+投加濃度過高，同樣對厭氧進(jìn)程產(chǎn)生抑制，研究報(bào)道，當(dāng)Fe2+投加濃度超過50 mg · L-1時，對發(fā)酵產(chǎn)氫過程中的COD去除率和硝基苯降解過程中的污泥產(chǎn)甲烷活性均有輕微的抑制作用，與本文研究一致.由于滲濾液堿度充足，F(xiàn)e2+濃度的提高對各組試驗(yàn)上清液pH值無顯著影響，均保持在7.0~7.1之間，無酸化現(xiàn)象發(fā)生.
圖 2 投加Fe2+對COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值的影響(注：圖中同一指標(biāo)含不同小寫字母(a、b、c)表示差異顯著(p<0.05)，下同.)
3.1.2 投加Co2+對厭氧過程的影響
Co同樣參與CO脫氫酶的合成，同時是輔酶B12、甲基轉(zhuǎn)移酶的組成成分，對厭氧體系中乙酸的形成、互養(yǎng)微生物間的電子轉(zhuǎn)移、產(chǎn)甲烷過程等階段起著重要的作用.投加Co2+對COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值的影響如圖 3所示，隨著Co2+投加濃度的增加，COD去除率和產(chǎn)甲烷量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.報(bào)道稱，投加0.295 mg · L-1(5 μmol · L-1)的Co2+能有效提高污泥以甲醇為基質(zhì)時的產(chǎn)甲烷活性，而Bartacek等的毒性試驗(yàn)也表明，自由Co2+離子濃度達(dá)到0.767 mg · L-1(13 μmol · L-1)時則抑制了50%的產(chǎn)甲烷活性.本試驗(yàn)條件下，當(dāng)Co2+投加濃度為0.5~3 mg · L-1時，COD去除率和產(chǎn)甲烷量較對照明顯提高，特別是當(dāng)Co2+投加濃度為1 mg · L-1時對COD去除率和產(chǎn)甲烷量促進(jìn)顯著(p<0.05)，較對照分別提高了10.33%、43.2%.當(dāng)Co2+投加濃度高于5 mg · L-1時，產(chǎn)甲烷量顯著下降，其濃度可能超過了甲烷菌的耐受限度，產(chǎn)生了毒性作用，抑制了厭氧產(chǎn)氣進(jìn)程.由此表明，Co元素在此滲濾液厭氧系統(tǒng)下的生物有效性同樣受到限制，表現(xiàn)為其對厭氧過程的促進(jìn)和毒性作用濃度較其他研究偏高.各組試驗(yàn)上清液pH值隨Co2+濃度的提高無顯著變化，均維持在7.05~7.15之間，無酸化現(xiàn)象發(fā)生.
圖 3 投加Co2+對COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值的影響
3.1.3 投加Ni2+對厭氧過程的影響
Ni元素參與CO脫氫酶、乙酰輔酶A合成酶、氫化酶等重要酶的合成，同時是輔酶M和輔酶F430的重要成分，對甲基輔酶M還原酶(MCR)催化甲烷的生成起著關(guān)鍵作用.投加Ni2+對COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值的影響如圖 4所示，隨著Ni2+投加濃度的增加，產(chǎn)甲烷量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.其中當(dāng)Ni2+投加濃度為0.5 mg · L-1時，COD去除率較對照提高了0.39%，而投加量超過0.5 mg · L-1時，COD去除率逐步降低，Ni2+濃度達(dá)到10 mg · L-1時，COD去除率下降顯著(p<0.05).而Ni2+的投加，顯著提高了產(chǎn)甲烷量，當(dāng)Ni2+濃度為0.5 mg · L-1時產(chǎn)甲烷量較對照提高了42.23%，超過此值時產(chǎn)甲烷量逐步降低，到達(dá)10 mg · L-1時與投加量0.5 mg · L-1相比下降顯著(p<0.05)，這與報(bào)道的當(dāng)溶解態(tài)鎳離子濃度達(dá)到8~12 mg · L-1時厭氧體系受到嚴(yán)重抑制的結(jié)果相.農(nóng)麗薇等的研究表明，低濃度的Ni2+(0.2 mg · L-1)促進(jìn)稻草厭氧消化，陳皓等研究也證實(shí)了Ni2+<5 mg · L-1時對2-氯酚厭氧降解表現(xiàn)出輕度促進(jìn)，而受到基質(zhì)種類、厭氧條件等因素的影響，不同厭氧體系對Ni2+的需求量不同，Ni2+的投加量過高則會產(chǎn)生毒性作用，本滲濾液厭氧體系下，厭氧微生物對Ni2+的反應(yīng)較為敏感，表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)高濃度抑制，可能與滲濾液成分復(fù)雜有關(guān).各組試驗(yàn)上清液pH值均保持在7.09~7.17之間，無酸化現(xiàn)象發(fā)生.
圖 4 投加Ni2+對COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值的影響
3.2 正交試驗(yàn)
依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，正交試驗(yàn)設(shè)置三水平，其中水平1：Fe2+：10 mg · L-1，Co2+：0.5 mg · L-1，Ni2+：0.5 mg · L-1;水平2：Fe2+：15 mg · L-1，Co2+：1 mg · L-1，Ni2+：1 mg · L-1;水平3：Fe2+：25 mg · L-1，Co2+：3 mg · L-1，Ni2+：3 mg · L-1.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表 2.
表2 L9(34)正交表
正交試驗(yàn)COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值變化見圖 5，可以看出，微量元素Fe2+、Co2+、Ni2+組合投加后，厭氧料液pH值和產(chǎn)甲烷量有顯著提升(p<0.05，較對照分別提高了5.74%±0.36%和61.68%±5.53%)，這可能是由于3種微量元素在產(chǎn)甲烷過程中存在協(xié)同作用，甲烷菌的對底物揮發(fā)性脂肪酸(VFAs，主要為乙酸)的利用程度增大，有效降低了溶液中VFAs含量，使料液pH值接近于接種廢水(pH=8.15)，并提高了產(chǎn)甲烷量(明顯優(yōu)于單因素試驗(yàn)組)，由此也說明了缺乏某一元素會使污泥的產(chǎn)甲烷活性明顯降低，同時驗(yàn)證了微量元素在促進(jìn)微生物新陳代謝中的作用并非是孤立的.厭氧廢水中被去除的COD主要轉(zhuǎn)化為甲烷，通常情況下，產(chǎn)甲烷量與COD去除率呈相關(guān)的關(guān)系，但試驗(yàn)表明，F(xiàn)e2+、Co2+、Ni2+的組合投加在顯著提高產(chǎn)甲烷量的同時COD去除率卻有所下降，較對照低6.67%±4.84%(其中3號和9號COD去除率顯著下降)，可能是因?yàn)楫a(chǎn)氣量的增大，部分死亡的微生物細(xì)胞在水力和氣體劇烈擾動下發(fā)生破裂，其細(xì)胞內(nèi)有機(jī)成分釋放到溶液中增大了COD的值，但影響溶液COD濃度的因素較為復(fù)雜，仍需進(jìn)一步研究.
圖 5 正交試驗(yàn)COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值變化
為考察Fe2+、Co2+、Ni2+三因素對厭氧過程影響作用的順序，對正交試驗(yàn)進(jìn)行直觀分析，結(jié)果見表 3.在Fe2+、Co2+、Ni2+同時存在于滲濾液厭氧體系的情況下，以COD去除率為指標(biāo)，極差值的大小順序?yàn)椋篊o2+>Ni2+>Fe2+.厭氧過程中，水解酸化和產(chǎn)乙酸階段將大分子的有機(jī)物降解為小分子有機(jī)物，此階段并不能有效降低溶液中COD的值，而Co元素作為重要的轉(zhuǎn)甲基酶組成成分，對小分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷氣體排出的產(chǎn)甲烷過程起到關(guān)鍵作用，增強(qiáng)了甲烷轉(zhuǎn)化效果，能顯著降低溶液中COD含量，這也表明了Co2+是影響COD去除率的主要因素;以產(chǎn)甲烷量為指標(biāo)，極差值的大小順序?yàn)椋篎e2+>Ni2+>Co2+.Fe元素能夠參與微生物體內(nèi)細(xì)胞色素及氧化酶的合成，還可作為胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)的電子載體，促進(jìn)了揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生，提供了大量供甲烷菌利用的中間產(chǎn)物，提高了甲烷產(chǎn)量，因此，F(xiàn)e2+是影響產(chǎn)甲烷量的主要因素.同時，影響產(chǎn)甲烷量的各微量元素排序與Scherer等測定的產(chǎn)甲烷菌細(xì)胞中微量元素含量的順序(Fe>Ni>Co)是一致的，表明了微量元素對產(chǎn)甲烷量的影響還與合成甲烷菌細(xì)胞體內(nèi)的元素含量相關(guān).
表3 正交試驗(yàn)極差分析表
為考察Fe2+、Co2+、Ni2+三因素對厭氧過程影響的顯著性，對正交試驗(yàn)進(jìn)行方差分析，見表 4.顯著性水平10%時，經(jīng)F檢驗(yàn)，當(dāng)Fe2+、Co2+、Ni2+在促進(jìn)厭氧過程的較優(yōu)濃度范圍(三水平)內(nèi)時，對厭氧過程中COD去除率和產(chǎn)甲烷量的影響均不顯著(Fa< F0.1，2，2=9，F(xiàn)b< F0.1，2，4=4.32，α=0.1)，表明3種微量元素在其各自適宜的投加濃度范圍內(nèi)時，對滲濾液厭氧過程的促進(jìn)效果較為相近.
表4 正交試驗(yàn)方差分析
3.3 COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值相關(guān)性分析
對單因素和正交試驗(yàn)的COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值進(jìn)行雙因素Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果見表 5. pH值是反映厭氧體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，試驗(yàn)中各試驗(yàn)組的pH值維持在7.05~7.53之間，厭氧體系較為穩(wěn)定.在厭氧過程中，水解發(fā)酵階段和產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸階段將復(fù)雜的有機(jī)物降解為小分子有機(jī)物，并產(chǎn)生大量VFAs，使料液pH值下降，而產(chǎn)甲烷階段中甲烷菌以VFAs為底物進(jìn)行新陳代謝，產(chǎn)生甲烷，使料液pH值回升.因此，甲烷菌產(chǎn)甲烷效率的高低，直接影響著厭氧料液中pH值的大小.表 5可以看出厭氧產(chǎn)甲烷量與pH值呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系，其中在Co2+、Ni2+單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)條件下，厭氧產(chǎn)甲烷量與pH值呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，即隨著pH值的升高厭氧過程中的產(chǎn)甲烷量相應(yīng)增加，但在Fe2+單因素試驗(yàn)下，產(chǎn)甲烷量與pH值呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，如前所述，F(xiàn)e2+能夠有效促進(jìn)揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生，而由于缺乏其他必要的微量元素(如Ni2+、Co2+等)，產(chǎn)甲烷過程重要的酶活性降低，使厭氧產(chǎn)甲烷速率低于產(chǎn)酸速率，引起有機(jī)酸的積累，因而導(dǎo)致產(chǎn)甲烷量與pH值在數(shù)值上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系.試驗(yàn)中，厭氧料液內(nèi)COD含量受微量元素種類、細(xì)胞破碎程度、微生物活性等多種因素的影響，因而導(dǎo)致COD去除率與pH值及產(chǎn)甲烷量的相關(guān)性不顯著(見表 5).
表5 COD去除率、產(chǎn)甲烷量和pH值Pearson相關(guān)性分析(雙因素比較)
4 討論
試驗(yàn)表明，投加Fe2+、Co2+、Ni2+后對滲濾液厭氧過程均有一定的影響，3種微量元素(特別是Co2+和Ni2+)的影響作用表現(xiàn)出了Hormesis效應(yīng)，即低濃度促進(jìn)高濃度抑制，各元素在適宜的投加量下對COD去除率和產(chǎn)甲烷量均有顯著的促進(jìn)作用.單因素試驗(yàn)組對比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2+的投加部分起到了絮凝作用，并具有一定的氧化性，因此對COD的去除效果較Co2+和Ni2+的好，而Co2+和Ni2+參與了產(chǎn)甲烷過程中多種重要酶的合成，促進(jìn)甲烷菌對中間產(chǎn)物VFAs的利用(表現(xiàn)為Co和Ni試驗(yàn)組pH值較Fe的稍高)，提高了產(chǎn)甲烷量.而3種微量元素組合投加時，對產(chǎn)甲烷量起到了協(xié)同促進(jìn)作用，Patidar和Tare報(bào)道Fe和Co能夠協(xié)同激活甲烷菌的作用，而Ni的存在卻影響了甲烷菌對Co的吸收，因此，不同微量元素的協(xié)同或拮抗作用有待進(jìn)一步研究.
滲濾液中污染物成分與垃圾中有機(jī)組分相近，Lo等研究多種元素對城市生活垃圾厭氧發(fā)酵的影響，表明Co濃度為0.15~0.58 mg · L-1，Ni濃度為0.80~5.36 mg · L-1時增強(qiáng)了厭氧產(chǎn)氣率，而當(dāng)Co濃度為8.63 mg · L-1，Ni濃度為7.24 mg · L-1時半數(shù)活性受到抑制，與本文研究相近.本試驗(yàn)微量元素投加量較其他多數(shù)研究偏高的原因之一，是由于多數(shù)研究微量元素的促進(jìn)或毒性作用均以單一的甲醇、醋酸或H2/CO2等作為產(chǎn)甲烷基質(zhì)，微量元素的生物有效性受廢水組成的影響不大，而滲濾液水質(zhì)組成較為復(fù)雜，不同廢水中無機(jī)配位體不同及微量元素不同的化學(xué)形態(tài)，影響了微量元素的生物有效性或毒性，且不同溫度下厭氧發(fā)酵系統(tǒng)對微量元素的需求也不同，因此有必要研究不同廢水、不同處理工藝及不同微生物菌落對微量元素的需求.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
5 結(jié)論
1)投加Fe2+、Co2+、Ni2+對滲濾液厭氧過程的影響表現(xiàn)出了Hormesis效應(yīng)，其中分別投加Fe2+=25 mg · L-1、Co2+=1 mg · L-1、Ni2+=0.5 mg · L-1時COD去除率和產(chǎn)甲烷量較對照分別提高了15.38%、10.33%、0.39%和23.16%、43.2%、42.23%;3種微量元素組合投加時，協(xié)同促進(jìn)了甲烷的產(chǎn)生，較對照提高了61.68%±5.53%;正交試驗(yàn)得出3種微量元素對促進(jìn)COD降解效率的排序?yàn)椋篊o2+>Ni2+>Fe2+，對促進(jìn)甲烷產(chǎn)量的排序?yàn)椋篎e2+>Ni2+>Co2+，但3種微量元素在各自適宜的投加濃度范圍內(nèi)時，對滲濾液厭氧過程的促進(jìn)效果較為相近;試驗(yàn)過程中，各試驗(yàn)組pH值維持在7.05~7.53之間，并與產(chǎn)甲烷量呈顯著的相關(guān)關(guān)系.
2)受基質(zhì)成分、厭氧條件、優(yōu)勢微生物不同的影響，滲濾液厭氧體系對微量元素的需求較別的體系偏高，同時，滲濾液成分較為復(fù)雜，微量元素的生物有效性一定程度上受到了限制.
