厭氧系統(tǒng)中酵母浸出物提高Co、Fe生物有效性的研究

成 潔,左劍惡 (清華大學環(huán)境科學與工程系,北京 100084)

厭氧系統(tǒng)中酵母浸出物提高Co、Fe生物有效性的研究

成 潔,左劍惡*(清華大學環(huán)境科學與工程系,北京 100084)

采用半連續(xù)實驗,研究中、低溫條件下酵母浸出物對厭氧系統(tǒng)中Co、Fe溶解性能和生物有效性的改善作用.結果表明,酵母浸出物對提高純水中和投加不同有機基質的水中溶解態(tài)Co、Fe濃度有明顯效果,能顯著提高低溫下厭氧系統(tǒng)中Co、Fe的生物有效性.在15℃和35℃下,投加酵母浸出物后,水中溶解態(tài)Co、Fe濃度均有上升,其中Fe濃度升高明顯.啤酒廢水等含有酵母浸出物的廢水對這種提升作用也有幫助.在15℃厭氧系統(tǒng)中移除酵母浸出物、Co、Fe之后,COD去除率由91.6%下降到58%;重新投加Co、Fe后效果有所回升,其中同時添加酵母浸出物的系統(tǒng),其COD去除率回升明顯,升幅達31.6%,產甲烷速率也呈上升趨勢,證實了同時投加酵母浸出物和Co、Fe可有效促進低溫下厭氧生物系統(tǒng)的處理效能.

微量金屬元素；生物有效性；酵母浸出物；低溫厭氧生物處理

在厭氧生物處理過程中,產甲烷階段是關鍵的限速步驟.低溫下產甲烷菌活性降低,使厭氧系統(tǒng)的處理效能受到嚴重影響[1-5].有研究表明[6-7],微量金屬元素如Fe、Co、Ni等對產甲烷菌生長有不可替代的促進作用.而在很多生產規(guī)模的厭氧生物系統(tǒng)中,常常存在一定程度的某種微量金屬元素缺乏現象[7],導致系統(tǒng)處理效能的降低.

能夠被微生物直接利用的溶解態(tài)(自由離子或螯合態(tài))金屬元素被認為是對微生物有效的

[6,8].有研究表明[9-10],酵母浸出物能有效提高金屬元素的溶解態(tài)濃度,提高生物有效性和產甲烷量,其缺失將導致顆粒污泥胞外聚合物(EPS)中Fe、Co、Ni含量的大幅降低.目前國內對于酵母浸出物對微量元素生物有效性影響的研究較少.

本實驗通過研究中、低溫條件下,酵母浸出物對厭氧生物處理系統(tǒng)中溶解性Co、Fe濃度及生物有效性的影響,確定了提高Co、Fe生物有效性的工藝措施,為提高低溫厭氧生物處理系統(tǒng)的運行效能提供科學依據.

1 材料與方法

搖瓶實驗分3組進行.第1組主要考察在純水中投加Co、Fe元素后,溶解態(tài)金屬元素濃度受酵母浸出物投加量的影響.第2組分別研究以葡萄糖、模擬啤酒廢水為基質,投加Co、Fe元素后,金屬元素的濃度與投加有機基質之前的差別,及在添加酵母浸出物之后的變化.這2組實驗分別在15℃和35℃下同時進行.第3組考察厭氧微生物在 15℃條件下,不同培養(yǎng)基質,經過缺乏 Co、Fe元素、添加Co、Fe元素及添加Co、Fe、酵母浸出物后處理效能的變化.

1.1 實驗配水方案

第 1組分別滴加酵母浸出物 0,10,20,30mg,酵母浸出物濃度分別為 0,0.1,0.2,0.3g/L.在 15℃和35℃下同時進行實驗.

第2組實驗用200 mL血清瓶作為容器,每2個為1小組,共2個小組.第1小組分別投加10mL市售燕京啤酒,第2小組分別投加相當于第一小組同樣 COD濃度的葡萄糖.在其中一瓶中投加40mg酵母浸出物,使瓶中酵母浸出物濃度為0.2g/L.另一個血清瓶僅投加金屬元素作為對照.在15℃和35℃下同時進行實驗.

第 3組搖瓶實驗以厭氧顆粒污泥處理模擬啤酒廢水.接種污泥取自本研究組在15℃下連續(xù)運行6個月后的EGSB反應器.顆粒污泥粒徑經過篩選控制在 0.8～2.0mm范圍內,污泥濃度為38.97g/L.

取顆粒污泥400mL,先于 1L血清瓶中在不投加Co、Fe及酵母浸出物條件下培養(yǎng)35d.進水采用自配水,以市售燕京啤酒稀釋成模擬啤酒廢水,COD濃度為3000～4000mg/L.第35～60d將顆粒污泥分至4個200 mL血清瓶內進行培養(yǎng),每瓶中投加污泥 100mL,每瓶總體積 200mL.4個瓶中,1、2號瓶以葡萄糖自配水作為基質,3、4號瓶以模擬啤酒廢水作為基質,并保證COD : N : P = 200:5:1,COD濃度為3000～4000mg/L.向第1、3號瓶中分別投加酵母浸出物20mg,使這2瓶中酵母浸出物濃度均為0.1g/L.

搖瓶實驗中,為保證厭氧系統(tǒng)有足夠的pH值緩沖能力,投加小蘇打控制 pH值在 6.8～7.2之間.

1.2 金屬元素投加方案

為保證顆粒污泥培養(yǎng)環(huán)境與 EGSB反應器接近,除 Co、Fe之外,配制其他必需元素的混合溶液,配方如下(在 500mL高純水中):CaCl2:12g; MgSO4·7H2O:26.35g;ZnSO4·7H2O:0.226g;MnCl2· 4H2O:0.062g;CuSO4·5H2O:0.033g.在每L進水投加1mL上述混合溶液.

Co、Fe的投加方案:第1組搖瓶實驗分別稱取CoCl2·6H2O 0.0022g, FeCl2·4H2O 0.0050g,溶解并稀釋至100mL定容,向4個樣品中分別投加25mL.

第2組搖瓶實驗:稱取CoCl2·6H2O 0.4539g, FeCl2·4H2O 2.7363g,溶解并稀釋至250mL定容,每個樣品各加入0.2mL溶液.

第3組搖瓶實驗:以第2組實驗所配溶液,每個樣品各加入0.2mL溶液.

1.3 分析方法

溶解態(tài)金屬濃度采用 0.45μm濾膜過濾,加入5%硝酸待測.檢測采用ICP方法,其中檢測器為IRIS Interpid II XSP等離子發(fā)射光譜儀;RF 功率:750～1500W;波長:165～1000nm.

COD檢測采用重鉻酸鉀滴定法.

產甲烷量采用20%NaOH的NaCl飽和溶液吸收后,記錄產氣體積.

pH值檢測采用Orion828酸度計.

2 結果與討論

2.1 純水中酵母浸出物對 Co、Fe溶解性能的影響

由圖1可見,在投加等量金屬元素的情況下,投加了酵母浸出物的樣品中溶解態(tài)金屬元素濃度高于未投加的樣品,尤其是 Fe濃度變化明顯,并在15℃和35℃下呈現相似的變化規(guī)律.在投加酵母浸出物之前,Fe濃度在 15℃和 35℃下分別為3.37,3.22mg/L,在分別投加了0.1,0.2,0.3g/L酵母浸出物之后,Fe濃度在 15℃和 35℃下均超過7.62mg/L,提升幅度較大.在 15℃和 35℃下,投加酵母浸出物后Fe濃度最大增幅分別為4.86mg/L和4.65mg/L,是投加前濃度的2.36倍和2.44倍. Co元素濃度變化雖然沒有Fe元素明顯,但仍然有小幅提高.這說明在有酵母浸出物存在的情況下,Co、Fe元素的溶解性能均得到了明顯改善,溶解態(tài)的金屬元素濃度增加,可供生物利用的金屬增多了.

圖1 不同酵母浸出物投加量下純水中溶解性Co、Fe濃度Fig.1 Dissolved Co, Fe concentration in different dosing of yeast extract

Co、Fe元素的這種濃度差異可能是因為 2種金屬的溶解形態(tài)種類差異引起的.由于投加的試劑是金屬氯化物,FeCl2在水中解離為 Fe2+,然后與水中多種陰離子如 OH-、CO32-等發(fā)生可逆的沉淀-溶解平衡關系,構成無機鹽沉淀,從而導致溶解態(tài)Fe2+濃度大幅減少.投加酵母浸出物后,其與 Fe2+產生的螯合作用改變了原本溶液中的沉淀-溶解平衡,導致Fe元素溶解態(tài)濃度增加.Co元素在水中的形態(tài)比Fe元素單一,不易與其他陰離子發(fā)生可逆的沉淀-溶解平衡,所以在系統(tǒng)中投加酵母浸出物后,溶解態(tài) Co元素的濃度沒有明顯變化.

2.2 有機基質中添加酵母浸出物對Co、Fe溶解性能的影響

由圖2可見,以啤酒作為基質時,金屬的溶解性能得到很大程度的提高.在 15℃和 35℃下,添加啤酒后Fe的溶解態(tài)濃度分別提升了17.9倍和16.8倍;再添加酵母浸出物后Fe濃度分別提高了18.6倍和20.9倍.然而在添加葡萄糖的樣品中,Fe濃度并無明顯變化,再添加酵母浸出物之后Fe濃度提高了1.8倍.在35℃下,Fe的濃度變化規(guī)律與15℃相似.Co元素濃度的變化沒有Fe元素明顯,但也有類似的趨勢,在 35℃下,以啤酒為有機基質,Co元素濃度提高了1.16倍,再添加酵母浸出物的樣品中Co元素濃度最高提升了1.29倍.在2種基質中,酵母浸出物對提高金屬元素的濃度都能起到促進作用.

圖2 不同有機基質下溶解態(tài)Co、Fe濃度Fig.2 Dissolved Co, Fe concentration in water with different orgainic matters

模擬啤酒廢水可對金屬元素溶解性能起到很好的提升作用,這與啤酒中多種復雜有機組分有關.啤酒發(fā)酵過程中酵母是其主要材料之一,啤酒成品及啤酒廢水中均含有酵母浸出物殘余,根據Gonzalez等的研究[9]及本實驗結果可知,酵母浸出物對提高金屬元素溶解性能有明顯作用.此外,根據 Zandvoort等[11-12]的研究,厭氧系統(tǒng)中的醇類和脂肪酸類有機物會與微量金屬元素結合,影響其在系統(tǒng)中的濃度,從而影響厭氧微生物尤其是產甲烷菌的產氣效率及產氣量.啤酒含有大量糖類、醇類及有機酸等大分子有機物,能與金屬元素發(fā)生螯合作用,導致金屬元素無機鹽沉淀減少,溶解態(tài)的金屬元素濃度增加.

2.3 酵母浸出物在半連續(xù)運行厭氧生物系統(tǒng)中對Co、Fe生物有效性的影響

分別以葡萄糖和以模擬啤酒廢水作為基質,在 15℃下半連續(xù)培養(yǎng)厭氧顆粒污泥.檢測 COD去除率及產甲烷量,結果如圖3和圖4所示.

圖3 半連續(xù)培養(yǎng)中COD去除率的不同變化Fig.3 Different slopes of COD removal efficiency in semi-continuous cultivation

圖4 培養(yǎng)結束各樣品厭氧污泥的產甲烷活性Fig.4 Methanogenesis activity of anaerobic sludge at the end of semi-continuous cultivation

在60d內,搖瓶中COD去除率呈現先下降、后回升的趨勢.缺乏Co、Fe和酵母浸出物培養(yǎng)的35d內,COD去除率大幅下降,從 91.6%下降到58.0%(表 1).這說明該情況下厭氧微生物的生長活動受到了嚴重影響.在重新投加Co、Fe元素之后,4個反應瓶的COD去除率都有不同程度的回升,說明Co、Fe的投加確實可促進厭氧生物活性.其中,1、3號添加了酵母浸出物的反應瓶經過25d運行后,COD回升幅度分別達到36.9%和30.4%,明顯高于2、4號瓶中的回升幅度24.4%和18.8%.以上結果證明酵母浸出物能更好地促進Co、Fe被厭氧生物利用,提高 Co、Fe的生物有效性,提升厭氧生物系統(tǒng)的處理效能.

表1 半連續(xù)培養(yǎng)COD去除率變化幅度(%)Table 1 COD removal efficiency conversion in semicontinuous cultivation (%)

根據圖 4,可計算出投加不同基質的樣品各自產甲烷速率(mL/h).結果表明,在相同的培養(yǎng)基質中,投加酵母浸出物的樣品呈現出更好的產甲烷能力.在沒有添加酵母浸出物的樣品中,以葡萄糖和以啤酒廢水作為基質的產甲烷速率分別為25.04,19.73mL/h.添加酵母浸出物的樣品中,產甲烷速率分別提高至26.17,20.18mL/h,增幅分別為4.5%和2.3%.產甲烷量也有相同的變化趨勢.在2種基質中,產甲烷量分別提高了 24.3,15.5mL.這說明在有酵母浸出物存在的情況下,厭氧微生物尤其是產甲烷菌的活動受到了促進,表現出更好的處理能力,酵母浸出物對Co、Fe溶解性能的提高是這種促進作用的重要原因之一.Gonzalez等

[9]通過發(fā)現厭氧污泥中輔酶 F420含量因金屬元素-酵母結合物投加而升高,證實這種促進作用很大程度上是由于酵母浸出物提高了微量金屬元素生物有效性,從而在相同的金屬投加條件下可被厭氧微生物更好地利用.

另外,實驗結果還表明酵母浸出物可以縮短厭氧生物產甲烷的延滯時間.搖瓶實驗進行到第5h,投加了酵母浸出物樣品的產甲烷量就遠大于未投加酵母浸出物的樣品.在分別以葡萄糖和啤酒作為有機基質的樣品中,1、2號樣品和 3、4號樣品第 5h的產甲烷量差值分別達到 33.3, 11.1mL.這表明,Co、Fe生物有效性的提高,有利于促進厭氧細菌尤其是產甲烷菌對有機基質的利用速度,縮短有機物被分解利用的時間.趙陽等

[13]的研究表明,Co的生物有效性提高可以促進產甲烷菌中關鍵酶類的含量增加.van Den Berg等[14]在研究中發(fā)現,同時投加酵母浸出物和微量元素之后,乙酸利用率明顯提高.這也說明酵母浸出物通過改善微量元素的生物有效性,可以促進厭氧微生物利用基質,提高處理效能.酵母浸出物中所含的生長因子可以促進厭氧微生物生長和生命活動,這是 COD去除率及產甲烷量提升的另一原因.

3 結論

3.1 在 15℃和 35℃下,酵母浸出物對于提高水中溶解態(tài)Co、Fe濃度均具有明顯效果,尤其是 Fe濃度變化明顯,投加酵母浸出物后溶解態(tài)Fe濃度分別是投加前的2.36倍和2.44倍,溶解態(tài) Co濃度則分別是投加前的 1.07倍和1.05倍.

3.2 在15℃和35℃下,Co、Fe投加濃度相同,以啤酒和葡萄糖分別配制等量的 COD濃度,含啤酒的樣品中溶解態(tài)Fe濃度比純水中提升了16倍以上,溶解態(tài) Co濃度上升了1.16倍.含葡萄糖的樣品中Co、Fe濃度并無明顯變化.進一步添加酵母浸出物,溶解態(tài)Co、Fe濃度均有升高.

3.3 接種厭氧顆粒污泥進行厭氧搖瓶實驗,結果表明同時添加Co、Fe和酵母浸出物可以有效促進產甲烷能力的提升.在2種不同基質中,同時添加Co、Fe和酵母浸出物的樣品產甲烷速率比僅添加Co、Fe的分別增加了1.13,0.45mL/h,增幅分別為4.5%和2.3%.

3.4 在厭氧生物系統(tǒng)中缺少Co、Fe及酵母浸出物時,其COD去除率大幅下降,從 91.6%下降到58.0%;重新添加Co、Fe之后,COD去除率有一定程度回升;繼續(xù)添加酵母浸出物后,葡萄糖基質和啤酒基質的COD去除率的回升幅度繼續(xù)增加,分別達到36.9%和30.4%.

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Improvement of bioavailability of cobalt and iron by yeast extract in anaerobic system.

CHENG Jie, ZUO Jian-e*(Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2010,30(2)：192～196

The improvement of yeast extract on solubility and bioavailability of Co, Fe in mesophilic and psychrophilic anaerobic system were studied. The results indicated that the dosing of yeast extract could significantly increase the solute concentration of Co and Fe in pure water and water with different organic matters, as well as improve their bioavailability in psychrophilic anaerobic system. The dissolved concentration of Co and Fe, especially Fe, increased obviously after yeast extract dosing in water at both 15 ℃ and 35℃ . Wastewater such as brewery wastewater which contains yeast extract contributed to this promotion as well. COD removal efficiency decreased from 91.6% to 58% after removing of yeast extract, Co and Fe in the anaerobic system operated at 15℃. It increased slightly after dosing Co and Fe again, while a remarkable increase (31.6%) appeared when yeast extract was dosed simultaneously, and so does the methane production rate. It is proved that a simultaneous dosing of Co and Fe with yeast extract could improve the performance of psychrophilic anaerobic treatment system.

trace metals；bioavailability；yeast extract；psychrophilic anaerobic treatment system

X703.5

A

1000-6923(2010)02-0192-05

2009-07-20

國家自然科學基金資助項目(50678091)

* 責任作者, 教授, jiane.zuo@tsinghua.edu.cn

成 潔(1985-),女,重慶江津人,清華大學環(huán)境科學與工程系碩士研究生,主要研究方向為廢水厭氧生物處理.