氨三乙酸促進(jìn)厭氧消化產(chǎn)甲烷的動(dòng)力學(xué)研究

胡慶昊,李秀芬,陳 堅(jiān),鄧 宇 (.淮海工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院,江蘇 連云港 222005；2.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 222；.江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 222；.農(nóng)業(yè)部能源微生物與利用重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 600)

氨三乙酸促進(jìn)厭氧消化產(chǎn)甲烷的動(dòng)力學(xué)研究

胡慶昊1,李秀芬2*,陳 堅(jiān)3,鄧 宇4(1.淮海工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院,江蘇 連云港 222005；2.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214122；3.江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122；4.農(nóng)業(yè)部能源微生物與利用重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041)

以乙酸鈉為碳源,考察了金屬離子螯合劑氨三乙酸(NTA)對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程的影響.結(jié)果表明,NTA對(duì)厭氧消化具有明顯的促進(jìn)作用,在乙酸鈉濃度為6,7,10,12g/L,消化溫度為35 ℃的條件下,10μmol/L NTA的添加,分別使甲烷產(chǎn)量提高了30.0%,45.2%,64.3%和95.9%.此時(shí), NTA促進(jìn)厭氧消化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)常數(shù)Vmax和半飽和常數(shù)Ks分別由84.8mLCH4/(gSS?d)和2.95gNaAc/L提高到147. 1mLCH4/(gSS?d)和7.57g NaAc/L.螯合劑NTA的添加,使微量元素的生物可利用性得到增強(qiáng),產(chǎn)甲烷菌對(duì)乙酸鹽的利用率相應(yīng)提高.

氨三乙酸；生物可利用性；厭氧消化；甲烷

目前,厭氧發(fā)酵制甲烷日益成為資源化利用廢生物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)可行的方法之一[1-2].在厭氧消化過(guò)程中,產(chǎn)甲烷菌不僅需要足夠的有機(jī)營(yíng)養(yǎng),還要有適量的微量元素.缺乏必要的微量元素會(huì)導(dǎo)致生物活力下降,進(jìn)而影響整個(gè)厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行效果和穩(wěn)定性[3-4].研究表明[5-9],向厭氧生物反應(yīng)器中適量投加 Fe、Co、Ni等微量金屬元素,可以提高甲烷產(chǎn)率和反應(yīng)器的處理效率.但由于工業(yè)廢水及其處理過(guò)程中常會(huì)產(chǎn)生或含有二價(jià)硫及磷酸根和碳酸根等陰離子,能與金屬離子生成沉淀,因此在實(shí)際厭氧消化處理系統(tǒng)中,常常需大量投加這些金屬離子才能保證它們以充足量和有效的生物學(xué)形式存在[7],保證底物的最大轉(zhuǎn)化率.另有研究報(bào)道[10],金屬離子螯合劑由于能和 Fe、Co、Ni等微量元素形成穩(wěn)定的螯合物,從而可以大大提高它們的溶解度及其生物可利用性.然而,目前金屬離子螯合劑僅在重金屬污染的土壤修復(fù)中得到了充分的關(guān)注和較多研究[11-13],螯合劑應(yīng)用于厭氧生物反應(yīng)器的研究則少見(jiàn)報(bào)道.作者在批式試驗(yàn)中的研究表明[14],氨三乙酸(NTA)作為一種螯合劑,能有效提高 Ni2+的可溶性,從而增加其生物可利用性,促進(jìn)產(chǎn)甲烷過(guò)程.本研究從動(dòng)力學(xué)角度考察NTA對(duì)厭氧消化產(chǎn)甲烷過(guò)程的影響,以期對(duì)NTA促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)用水為人工配制的模擬廢水,乙酸鈉為碳源,按COD:N:P=200:5:1的比例加入NH4Cl、K2HPO4、KH2PO4等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)配制營(yíng)養(yǎng)液,硫化鈉濃度為 1mmol/L.微量元素溶液配方組成為(mg/L)[9]: FeCl2?4H2O 2000、ZnCl250、MnCl2?4H2O 500、CuCl2?2H2O 38、NiCl2?6H2O 92、CoCl2?6H2O 2000、(NH4)6Mo7O24?4H2O 50、Na2SeO2?5H2O 164.每升模擬廢水中加入0.1mL微量元素溶液.

實(shí)驗(yàn)所用污泥取自無(wú)錫太湖水啤酒廠的污水處理厭氧段,VSS/TSS=0.72.經(jīng)過(guò)模擬廢水馴化,待產(chǎn)氣穩(wěn)定后使用.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 反應(yīng)裝置示意Fig.1 Schematic of batch experiment set-up

實(shí)驗(yàn)采用中溫厭氧批式消化,以125mL血清瓶作厭氧消化反應(yīng)器.量取 30mL馴化好的厭氧污泥及 90mL模擬廢水置于上述血清瓶中,調(diào)節(jié)pH值至7.0,持續(xù)充N25min,以排除瓶中空氣,迅速用帶有出氣孔的橡皮塞密封,保持血清瓶厭氧狀態(tài),搖動(dòng)血清瓶使消化液混合均勻,然后置于(35±1)℃的恒溫室中進(jìn)行厭氧消化.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

將血清瓶分成 2組,一組中投加 10μmol/L NTA,另一組作為對(duì)照,不投加NTA.每組設(shè)5種底物濃度(4.5,6,7,10,12g CH3COONa/L),每一濃度設(shè)3個(gè)重復(fù),取產(chǎn)氣量平均值作為計(jì)算結(jié)果.每天振蕩混合血清瓶1次,使基質(zhì)與污泥充分接觸.

1.3 分析方法

TSS、VSS測(cè)定采用重量法[15].

甲烷產(chǎn)量測(cè)定:采用圖1的排水裝置測(cè)定.由于試驗(yàn)底物為乙酸,因此產(chǎn)生的氣體只有甲烷和CO2,CO2被NaOH溶液吸收,因此排出的液體體積即為產(chǎn)生的甲烷氣體體積.

PH值測(cè)定采用精密酸度計(jì)(PHS-3C型).

2 結(jié)果與討論

2.1 NTA對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響

圖2 甲烷產(chǎn)量累計(jì)曲線Fig.2 Measured cumulative methane production

由圖2可見(jiàn),在對(duì)照組中,當(dāng)乙酸鈉濃度分別為6,7,10,12g/L時(shí),甲烷最終產(chǎn)量分別為110,135,

140,148mL.添加10μmol/LNTA,甲烷產(chǎn)量最終則分別為143,196,230,290mL,比對(duì)照組則分別提高了 30.0%,45.2%,64.3%,95.9%.底物濃度越高, NTA的促進(jìn)作用越顯著.作者的前期研究表明, NTA對(duì)甲烷的促進(jìn)作用主要是由于其作為一種金屬離子螯合劑,能避免反應(yīng)器中微量元素沉淀物的形成,使微量元素的溶解度得到較大提高,從而促進(jìn)了微量元素的生物可利用性,獲得了足量的營(yíng)養(yǎng)鹽,產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖得到增強(qiáng),因此更多的底物被產(chǎn)甲烷菌利用轉(zhuǎn)化成甲烷[14].

2.2 NTA對(duì)產(chǎn)甲烷速率的影響

圖3 產(chǎn)甲烷速率變化曲線Fig.3 Methane production rate curve

Graciela 等[6]的研究表明,通過(guò)投加Ni和Co,產(chǎn)甲烷速率由 150mgCH4-COD/(L·h)提高到310mgCH4-COD/(L·h).微量元素對(duì)產(chǎn)甲烷菌有著重要作用,如 Co是合成維生素 B12的重要元素,Ni是輔酶F430的重要成分,而維生素B12是形成甲烷必不可少的物質(zhì),輔酶F430則是催化甲烷最終形成的甲基輔酶還原酶的活性酶[16]. Speece[17]認(rèn)為,雖然微量元素不能解決厭氧消化反應(yīng)中的所有問(wèn)題,但微量元素在產(chǎn)甲烷過(guò)程中的作用絕不能被忽視,事實(shí)上,人們對(duì)微量元素認(rèn)識(shí)的局限已經(jīng)阻礙了厭氧技術(shù)的發(fā)展.以往對(duì)微量元素的研究多集中在微量元素的添加量等方面,很少涉及到其存在形態(tài)與生物可利用性的關(guān)系.

由圖3可見(jiàn),與Graciela 等[6]的研究結(jié)果一致,產(chǎn)甲烷速率出現(xiàn)2個(gè)峰值.最大產(chǎn)甲烷速率在24h或48h到達(dá),然后產(chǎn)甲烷速率降低,在96h左右又出現(xiàn)第2個(gè)產(chǎn)甲烷速率的峰值.對(duì)比圖3a和圖3b可以看出,NTA的添加明顯提高了產(chǎn)甲烷速率.當(dāng)乙酸鈉濃度分別為 4.5,6,7,10,12g/L時(shí),最高產(chǎn)甲烷速率分別提高 8.00%,14.30%,17.20%,33.30%, 36.10%.這一結(jié)果說(shuō)明添加NTA使底物的利用速度加快,實(shí)際中則可以縮短消化時(shí)間,減小反應(yīng)器容積.

本研究表明,微量元素的存在形態(tài)對(duì)甲烷發(fā)酵有著重大影響.當(dāng) NTA投入到消化反應(yīng)器中,促進(jìn)微量元素由沉淀物向可溶態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí),甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)甲烷速率都得到增強(qiáng).

2.3 NTA對(duì)產(chǎn)甲烷促進(jìn)作用的動(dòng)力學(xué)

任何底物的吸收與代謝都包括一系列的酶促反應(yīng),酶促反應(yīng)速度常用米門方程 V=Vmax[S]/ {Ks+ [S]}來(lái)描述.由于底物的代謝過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一系列的酶促反應(yīng),故米門方程也可用來(lái)描述底物代謝的速度.在厭氧消化產(chǎn)甲烷的過(guò)程中,米門方程中的底物代謝速度V以比產(chǎn)甲烷速率表示,在不同底物(本實(shí)驗(yàn)中為乙酸)濃度[S]下,測(cè)定相應(yīng)的 V,以二者的倒數(shù)作圖(圖 4),由直線在橫、縱坐標(biāo)上的截距即可分別求得動(dòng)力學(xué)常數(shù)Vmax和Ks值(表1).由表1可以看出,添加螯合劑后,厭氧消化反應(yīng)的 Vmax得到明顯提高,說(shuō)明產(chǎn)甲烷菌的最大比產(chǎn)甲烷速率大大增加,乙酸鹽底物的利用率也相應(yīng)增大.分析其原因,一方面,NTA的螯合作用提高了微量元素的可溶性濃度及其生物有效性,從而為產(chǎn)甲烷菌提供了足夠的營(yíng)養(yǎng),使甲烷菌生長(zhǎng)速度加快、活性提高.另一方面,研究表明[18-19],當(dāng)微量金屬元素直接投加到厭氧反應(yīng)器后,反應(yīng)器內(nèi)甲烷菌的優(yōu)勢(shì)菌種會(huì)發(fā)生變化,由甲烷絲菌轉(zhuǎn)化為甲烷八疊球菌,而甲烷八疊球菌對(duì)基質(zhì)代謝能力較強(qiáng),當(dāng)乙酸濃度大于300mg/L時(shí),其對(duì)基質(zhì)的利用速率是甲烷絲菌的 3～5倍.本實(shí)驗(yàn)中,半飽和常數(shù) Ks的變化表明,反應(yīng)器中由于NTA的添加,菌群結(jié)構(gòu)正發(fā)生著演替.Ks是表征底物親和力的常數(shù),甲烷八疊球菌比表面積小,對(duì)基質(zhì)的親合力差,因此其 Ks比甲烷絲菌大[20],而甲烷八疊球菌和甲烷絲菌是最主要的乙酸裂解產(chǎn)甲烷菌[21].從表 1結(jié)果可知,添加 NTA后,體系的 Ks值由2.95gNaAc/L增大到7.57gNaAc/L.因此, NTA的投加不僅改變了微量金屬元素的存在形態(tài),提高了其生物有效性,而且可能使反應(yīng)器中的菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生演替,由甲烷絲菌占優(yōu)勢(shì)逐漸向甲烷八疊球菌占優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變.由于厭氧微生物生長(zhǎng)緩慢,其優(yōu)勢(shì)種群的建立需要相對(duì)長(zhǎng)期的過(guò)程,因此 NTA對(duì)厭氧反應(yīng)器中微生物菌群結(jié)構(gòu)的影響還有待進(jìn)一步的深入研究.

表1 米門方程中的動(dòng)力學(xué)常數(shù)Table 1 Kinetic constants of Michaelis-Menten equations

圖4 添加與不添加NTA的厭氧消化過(guò)程動(dòng)力學(xué)Fig.4 Kinetic of anaerobic digestion with and without NTA

2.4 厭氧消化產(chǎn)甲烷的動(dòng)力學(xué)模型

描述批式厭氧消化反應(yīng)器中甲烷產(chǎn)量最方便簡(jiǎn)捷的模型[22]為

式中: Gt是在時(shí)間t時(shí)甲烷產(chǎn)量; Gmax是甲烷的最大產(chǎn)量.對(duì)式(1)取對(duì)數(shù),得

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可以求得Gmax.根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果,求得的Gmax結(jié)果列于表2.由表2可見(jiàn),方程Gt=Gmaxexp(m/t)較好地模擬了本實(shí)驗(yàn)中的甲烷發(fā)酵過(guò)程.比較NTA添加后Gmax的變化可以看出,NTA顯著提高了甲烷的產(chǎn)量,因此在實(shí)際廢棄物的厭氧發(fā)酵中具有較好的應(yīng)用價(jià)值.

表2 由模型模擬求得的甲烷最大產(chǎn)量GmaxTable 2 The maximum methane production estimated by use of function Gt = G max exp(m/t)

3 結(jié)論

3.1 金屬離子螯合劑 NTA對(duì)厭氧消化過(guò)程有明顯的促進(jìn)作用,與對(duì)照樣相比,10μmol/L螯合劑NTA的添加,可使甲烷產(chǎn)量提高30%～96%,產(chǎn)甲烷速率提高8%～36%.

3.2 添加10μmol/L的NTA,厭氧消化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)常數(shù) Vmax和半飽和常數(shù) Ks分別由 84.8mL CH4/(gSS?d)和 2.95gNaAc/L提高到 147.1mL CH4/(gSS?d)和7.57gNaAc/L.NTA的添加大大促進(jìn)了厭氧消化產(chǎn)甲烷過(guò)程的進(jìn)行.

[1] 鄒星星,鄭 正,楊世關(guān),等.汽爆預(yù)處理對(duì)互花米草厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2009,29(10):1117-1120.

[2] 瞿 賢,何品晶,邵立明.生物質(zhì)組成差異對(duì)生活垃圾厭氧產(chǎn)甲烷化的影響 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2008,28(8):730-735.

[3] Zhanga Y S, Zhangb Z Y, Suzuki K.Uptake and mass balance of trace metals for methane producing bacteria [J]. Biomass Bioenergy, 2003,25:427-433.

[4] 馬溪平.厭氧微生物學(xué)與污水處理 [M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005:61.

[5] Singh M S L, Suryanarayana M V S.Effect of iron, nickel and cobalt on bacterial activity and dynamics during anaerobic oxidation of organic matter [J]. Water, Air, Soil Pollution, 2000, 117:305-312.

[6] Graciela G, Robbert K, Gatze Lettinga. Effect of nickel and cobalt on kinetics of Methanol conversion by methanogenic sludge as assessed by on-line CH4monitoring [J]. Applied Environmental Microbiology, 1999,65(4):1789-1793.

[7] Hullebusch Eric D V, Zandvoort M H, Lens P N L. Nickel and cobalt sorption on anaerobic granular sludges:kinetic and equilibrium studies [J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2004,79:1219-1227.

[8] Patidar S K, Tare V. Effect of nutrients on biomass activity in degradation of sulfate laden organics [J]. Process Biochemistry, 2006,41:489-495.

[9] Zandvoort M H, Geerts R, Lettinga G. Methanol degradation in granular sludge reactors at sub-optimal metal concentrations:role of iron, nickel and cobalt [J]. Enzyme and Microbial Technology, 2003,33:190-198.

[10] Gonzalez-Gil G, Jansen S, Zandvoort M H, et al. Effect of yeast extract on speciation and bioavailability of nickel and cobalt in anaerobic bioreactors [J]. Biotechnology and Bioengineering, 2003,82(2):134-142.

[11] Chen H, Cutright T. EDTA and HEDTA effects on Cd, Cr and Ni uptake by Helianthus annuus [J]. Chemosphere, 2001,45:21-28.

[12] Hong KJ,Tokunaga S,Ishigami Y. Extraction of heavy metals from MSW incinerator fly ash using saponins [J].Chemosphere, 2000,41(3):345-352.

[13] 溫 麗,傅大放.兩種強(qiáng)化措施輔助黑麥草修復(fù)重金屬污染土壤[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2008,28(9):786-790.

[14] Hu Q H, Li X F, Du G C. Enhancement of methane fermentation in the presence of Ni2+chelators [J]. Biochemical Engineering Journal, 2008,38(1):98-104.

[15] 國(guó)家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì). 水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法 [M]. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 1989:454.

[16] Grabarse W, Mahlert F,Duin E C. On the mechanism of biological methane formation: structural evidence for conformational changes in methyl-coenzyme M reductase upon substrate binding [J]. Journal of Molecular Biology, 2001,309:315-330.

[17] Speece R E. 工業(yè)廢水的厭氧生物技術(shù) [M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2001.

[18] 董春娟,李亞新,呂炳南.微量金屬元素對(duì)甲烷菌的激活作用[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2002,33(5):495-497.

[19] Speece R E. Nickel stimulation of anaerobic digestion [J]. Water Research, 1983,17(6):677-683.

[20] 楊秀山,李 軍,田 沈,等.固定化甲烷八疊球菌及處理高濃度有機(jī)廢水研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2003,23(2):282-284.

[21] 楊秀山,田 沈,鄭 穎.固定化甲烷八疊球菌(Methanosarcina)研究-厭氧顆粒污泥的形成 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 1998,18(4): 356-359.

[22] Ghufran R, Charles B. The use of a specific function to estimate maximum methane production in a batch fed anaerobic reactor [J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2004,79: 1174-1178.

Effect of nitrilotriacetic acid on kinetic of methane production during anaerobic digestion.

HU Qing-hao1, LI Xiu-fen2*, CHEN Jian3, DENG Yu4(1.School of Chemical Engineering, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005, China；2.School of Environmental and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China；3.National Key Laboratory of Food Science and Technology , Jiangnan University, Wuxi 214122, China; 4.Key Laboratory of Energy Sources Microbe and Utilization, Ministry of Agriculture, Chengdu 610041, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：747～751

Using sodium acetate as substrate, the effect of metal ion-chelating agent, nitrilotriacetic acid (NTA), on methane production in the process of anaerobic digestion was investigated. NTA had stimulative effect on anaerobic digestion. At 35℃, addition of 10 μmol/L NTA enhanced methane production by 30%, 45.2%, 64.3% and 95.9% with sodium acetate concentration of 6, 7,10 and 12g/L, respectively. The kinetic constant Vmaxand half-saturation constant Ksfor anaerobic digestion was improved from 84.8 mL CH4/(gSS?d) to 147.1 mL CH4/(gSS?d) and 2.95 gNaAc/L to 7.57g NaAc/L, respectively. Due to the addition of NTA, the bioavailability of trace metals for methanogens and the acetate utilization rate in anaerobic batch reactors were dramatically increased.

nitrilotriacetic acid；bioavailability；anaerobic digestion；methane

2009-11-22

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2009652);農(nóng)業(yè)部能源微生物與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(004);連云港市社會(huì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(SH0921)

* 責(zé)任作者, 教授, xfli@jiangnan.edu.cn

X703

A

1000-6923(2010)06-0747-05

胡慶昊(1974-),男,江蘇泰興人,博士,主要從事廢水厭氧處理技術(shù)研究.發(fā)表論文8篇.