蒋永荣，刘可慧，文麒麟，刘成良*，李天煜，林金彪，王春锋，袁碟

1. 桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西 桂林 541004；2. 恭城瑶族自治县环境保护监测站 广西 桂林 542500

微量金属对硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥活性的影响

蒋永荣1，刘可慧1，文麒麟2，刘成良1*，李天煜1，林金彪1，王春锋1，袁碟1

1. 桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西 桂林 541004；2. 恭城瑶族自治县环境保护监测站 广西 桂林 542500

采用厌氧反应装置，接种取自UASB反应器的硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥，以人工配制的含硫酸盐有机废水（蔗糖提供有机物）为原水，分别添加不同质量浓度的微量金属（Fe2+、Co2+、Ni2+），通过间歇试验，研究了不同质量浓度的微量金属（Fe2+、Co2+、Ni2+）条件下，厌氧反应装置中COD和硫酸盐的去除率及产甲烷情况。试验结果表明，在Fe2+质量浓度0～12 mg·L-1、Co2+质量浓度0～0.5 mg·L-1、Ni2+质量浓度0～0.6 mg·L-1范围内，厌氧颗粒污泥的COD去除率和产甲烷速率分别随Fe2+、Co2+、Ni2+浓度的增加而增高。在Fe2+质量浓度0～12 mg·L-1范围内，厌氧颗粒污泥对SO42-去除率随Fe2+浓度的增加略有增高，但在Co2+质量浓度0～0.5 mg·L-1、Ni2+质量浓度0～2.0 mg·L-1范围内，厌氧颗粒污泥的SO42-去除率分别随Co2+和Ni2+浓度的增加而降低。因此，在一定浓度范围内，Fe2+的投加能同时激活MPB和SRB，Co2+和Ni2+的投加能激活MPB但对SRB活性产生抑制作用，为硫酸盐有机废水厌氧处理提供一定的理论指导。

硫酸盐有机废水；厌氧处理；微量金属；颗粒污泥；生物活性

随着工业的不断发展，化工、味精、制药、糖蜜酒精、制革、造纸等领域在生产过程中排放出大量含硫酸盐的有机废水，对环境造成巨大污染（胡明成和龙腾锐，2006）。对于高浓度有机废水，一般采用厌氧处理方法。但是，当废水中含有高浓度硫酸盐时，将使厌氧处理复杂化：由于硫酸盐还原反应的介入，使厌氧降解过程出现了产甲烷菌（MPB）与硫酸盐还原菌（SRB）竞争基质以及硫酸盐的还原产物（硫化物）对MPB和SRB产生毒性抑制等问题，导致微生物活性降低，严重时甚至可使处理系统完全被破坏（Khanal和Huang，2003；王建斌，2011）。斯皮思曾认为微量金属是影响硫酸盐有机废水厌氧处理过程中MPB和SRB活性及竞争性的重要因素之一（斯皮思，2001），但由于研究者所采用的基质和反应器类型及运行方式不同，因此得出的关于微量金属影响MPB和SRB活性的结论也不尽相同（Patidar和Tare，2006；Hullebusch等，2007；Lopes等，2010；庞星杰等，2012）。Patidar和Tare利用上流式厌氧污泥床（UASB）反应器中处理生活污水的污泥，在粗黄糖作为碳源提供底物、COD/SO42-比值3.5条件下，通过分批试验，研究了在微量金属（Fe2+、Co2+、Ni2+、Zn2+）对污泥产甲烷活性和产硫化物活性的影响；其结果表明，Fe2+、Co2+添加能同时激活MPB和SRB，而Ni2+则会抑制MPB和SRB对Co2+、Ni2+的吸收（Patidar和Tare，2006）。Hullebusch等采用血清瓶实验，以葡萄糖为底物研究硫酸盐和铁离子对厌氧颗粒污泥特性的影响。结果表明，硫酸盐的单独存在对厌氧颗粒污泥特性的影响不大，但硫酸盐和铁离子同时存在时，颗粒污泥的可溶性微生物产物（SMP）和ESP中的蛋白质和多糖的含量减少，铁和单质硫含量则明显增加，同时增加了颗粒污泥的强度（Hullebusch等，2007）。Lopes等考察了微量金属对连续运行的UASB反应器中蔗糖酸化（pH5）硫酸盐还原污泥活性的影响，结果表明，低浓度的Fe2+（7.5µM）、Co2+（0.5µM）、Ni2+（0.5 µM）竟会抑制硫酸盐的还原，但对酸化活性影响不大（Lopes等，2010）。庞星杰等研究了微量元素Fe2+对膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器处理含SO42-废水（COD/SO42-比值2.0）的影响，实验结果表明，添加适量的微量元素Fe2+（FeCl23g·L-1）能促进厌氧污泥颗粒化，从而提高SO42-降解率（庞星杰等，2012）。本研究拟采用厌氧反应装置，接种取自UASB反应器的硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥，以人工配制的含硫酸盐有机废水为原水，通过间歇试验，研究不同质量浓度的微量金属（Fe2+、Co2+、Ni2+）对厌氧颗粒污泥生物活性的影响，以期为硫酸盐有机废水的厌氧处理提供一定的理论依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置

静态实验采用厌氧装置，该装置包括容积为500 mL的锥形瓶（即反应瓶）、25 mL的史氏发酵管、橡胶塞、硅胶管，将橡胶塞塞住反应瓶瓶口，用硅胶管将反应瓶出气口与史氏发酵管相连，发酵管内装有饱和NaOH溶液，用于吸收CO2和H2S。实验时，在反应瓶中装入厌氧颗粒污泥和模拟废水，并置于恒温水浴摇床中（转速100 r·min-1），产气量通过史氏发酵管上端的刻度计量，实验装置见图1。

图1 实验装置示意图Fig. 1 Experimental configuration

1.2 模拟废水

为保证颗粒污泥的培养环境与UASB反应器接近，除Fe、Co、Ni之外，试验用水与UASB启动处理硫酸盐有机废水时的进水相同，其以蔗糖为碳源，NH4HCO3为氮源，KH2PO4为磷源，COD:N:P=200:5:1，以Na2SO4调节进水硫酸盐浓度，其中COD为2100 mg·L-1，SO42-浓度为140 mg·L-1，COD/SO42-比值为15。为保证配水有足够的缓冲能力，加入一定量的NaHCO3，调节配水碱度，使pH＝7.0～7.5。

1.3 接种污泥

厌氧颗粒污泥取自启动成功的UASB反应器（其进水为人工合成的硫酸盐有机废水），平均粒径为3～5 mm，TSS为64 g·L-1，VSS为51 g·L-1，VSS/TSS=0.8。

1.4 实验方法

取4个500 mL广口锥形瓶，分别标号后，各加入350 mL模拟废水，通氮气5 min形成厌氧环境，分别加入厌氧颗粒污泥使挥发性固体含量为1 g·L。FeCl2、CoCl2、NiCl23种微量元素，取2种为固定投加量，改变另一种微量元素的投加量，研究此种微量元素对厌氧反应的影响。将加好微量元素的锥形瓶摇匀后，与带胶管的胶塞连接，放入恒温水浴振荡器中，设置好振荡速度为100 r·min-1，将温度设置为（32±1）℃。培养4 d后测量反应瓶中上清液的COD值、SO42-浓度及甲烷产量，测定方法按1.5所示。

1.5 测定项目及方法

COD：重铬酸钾法（中国环境保护总局，2002P211-213）；SO42-：重量法（中国环境保护总局，2002P162-164）；产气量及产甲烷量（中国环境保护总局，2002P162-164）：排水法及碱液吸收排水法（贺延龄，1998）。

2 实验结果与讨论

2.1 Fe2+对颗粒污泥活性的影响

按1.4的实验方法，固定Co2+和Ni2+质量浓度分别为0.05和0.2 mg·L-1，使反应瓶中的Fe2+质量浓度分别为0、4、12、40 mg·L-1。由图2可以看出，在Fe2+质量浓度0～40 mg·L-1的范围内，反应瓶中COD去除率随Fe2+浓度的增加而增加，当Fe2+质量浓度为40 mg·L-1时，COD去除率为69%；在Fe2+质量浓度0～12 mg·L-1的范围内，产甲烷速率随Fe2+浓度的增加而增加，当Fe2+质量浓度为12 mg·L-1时，产甲烷速率为41 mL·d，但当Fe2+质量浓度为40 mg·L-1时，产甲烷速率略降为37 mL·d-1。随Fe2+投加量的增加，SO42-去除率增加不明显；并且当Fe2+质量浓度为40 mg·L-1时，SO42-去除率反而降为42%（Fe2+12 mg·L-1时，SO42-去除率为70%）。由此可见，硫酸盐有机废水厌氧处理反应器中颗粒污泥对铁的需要量很高，推测主要是MPB生长所需；Fe2+浓度的提高对SRB活性的影响不大，相反，Fe2+浓度过高（40 mg·L-1）会使SRB活性降低。这与相关文献（斯皮思，2001）的研究结果相一致。

2.2 Co2+对颗粒污泥活性的影响

图2 Fe2+对颗粒污泥活性的影响Fig. 2 Effects of Fe2+on activities of anaerobic granular sludge

图3 Co2+对颗粒污泥活性的影响Fig. 3 Effect of Co2+on activities of anaerobic granular sludge

按1.4的实验方法，固定Fe2+和Ni2+质量浓度分别为4和0.2 mg·L-1，使反应瓶中的Co2+质量浓度分别为0、0.05、0.15、0.5 mg·L-1。由图3可以看出，随Co2+投加量的增加，反应瓶中COD去除率和产甲烷速率均明显增高，当Co2+质量浓度为0.5 mg·L-1时，COD去除率和产甲烷速率分别为67%和38 mL·d-1，其产甲烷速率比空白增加了19 mL·d-1。但随Co2+投加量的增加，SO42-去除率却逐渐降低，并且当Co2+质量浓度为0.5 mg·L-1时，SO42-去除率仅为33%。由此推测，Co2+的投加能激活颗粒污泥中MPB的生长，但却抑制了其中的SRB活性。这与Florencio等（Florencio L，1993）的研究结果基本一致，但Florencio等发现钴的最佳投加质量浓度为0.05 mg·L-1。已有研究采用腈纶废水实验，发现Co2+的投加浓度过大时，MPB活性受到抑制，而SRB相对处于优势，使SO4得到有效去除（段妮妮等，2012）。这与本研究的实验结果矛盾，这是否与反应底物、pH值及污泥形态等不同有关?有待进一步研究。

2.3 Ni2+对颗粒污泥活性的影响

MPB对Ni2+的需要是其他微量元素不能替代的，Ni2+是MPB中辅酶F430的重要成分，而该酶正是催化甲基辅酶M生成甲烷所必需的（Zandvoort等，2003；Zandvoort，2006）。按1.4的实验方法，固定Fe2+和Co2+质量浓度分别为4和0.05 mg·L-1，使反应瓶中的Ni2+质量浓度分别为0、0.2、0.6、2.0 mg·L-1。由图4可见，投加了Ni2+的反应瓶中COD去除率和产甲烷速率都比空白高，当Ni2+质量浓度为0.6 mg·L-1时COD去除率及产甲烷速率达到最高，分别为80%和45 mL·d-1，其产甲烷速率比空白增加了21 mL·d-1。说明Ni2+能增强厌氧颗粒污泥降解有机废物及产甲烷的能力，激活MPB的最佳Ni2+质量浓度为0.6 mg·L-1，与李亚新和刘祚希等的结果基本相符（李亚新和董春娟，2001；刘祚希和苏会东，2010）。但随Ni2+投加量的增加，SO42-去除率逐渐下降，由Ni2+投加浓度为0 mg/L时的66%降至Ni2+投加质量浓度为2.0 mg·L-1时的38%。由此表明，随Ni2+投加浓度的增加厌氧颗粒污泥的产甲烷活性增高，但SRB的活性被明显抑制。

图4 Ni2+对颗粒污泥活性的影响Fig. 4 Effect of Ni2+on activities of anaerobic granular sludge

3 结论

一定浓度的微量金属（Fe2+、Co2+、Ni2+），可以对硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥的生物活性产生影响。添加适量的Fe2+能同时激活MPB和SRB，而Co2+和Ni2+的投加虽能激活MPB的但对SRB活性产生抑制，从而使得MPB在与SRB的竞争中更占优势。

（1）在Fe2+质量浓度0～12 mg·L-1、Co2+质量浓度0～0.5 mg·L-1、Ni2+质量浓度0～0.6 mg·L-1范围内，厌氧颗粒污泥的COD去除率和产甲烷速率分别随Fe2+、Co2+、Ni2+浓度的增加而增加。

（2）在Fe2+质量浓度0～12 mg·L-1范围内，厌氧颗粒污泥对SO42-去除率随Fe2+浓度的增加略有增高，但在Co2+质量浓度0～0.5 mg·L-1、Ni2+质量浓度0～2.0 mg·L-1范围内，厌氧颗粒污泥的SO42-去除率分别随Co2+和Ni2+浓度的增加而降低。

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The Influence of Trace Metal on Granular Sludge of Anaerobic Treating Sulphate Organic Wastewater

JIANG Yongrong1, LIU Kehui1, WEN Qilin2, LIU Chengliang1*, LI Tianyu1, LIN Jinbiao1, WANG Chunfeng1, YUAN Die1

1. College of Life and Environmental Science, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China; 2. Gongcheng Yao Autonomous County Environmental Protection Monitoring Station, Guilin 542500, China

Bach tests in anaerobic bioreactor were conducted to investigate the effects of trace metals (Fe2+, Co2+, Ni2+) on the removal efficiencies of chemical oxygen demand (COD) and sulfate along with methane production rate of anaerobic granular sludge. The artificial sulfate organic wastewater was the influent water with sucrose as the carbon source, and the seeding sludge was from a lab-scale running up-flow anaerobic sludge blanket (UASB). The results showed that both COD removal efficiency and methane production rate increased with increasing mass concentrations of trace metals (Fe2+0 to12 mg·L-1, Co2+0 to 0.5 mg·L-1, Ni2+0 to 0.6 mg·L-1, respectively). However, the sulfate removal efficiency showed downtrend with increasing mass concentrations of Co2+from 0 to 0.5 mg·L-1and Ni2+from 0 to 2.0 mg·L-1, respectively. And it slightly increased with increasing mass concentration of Fe2+from 0 to12 mg·L-1. Thus, the addition of Fe2+could activate the activity of methane production bacteria (MPB) and sulfate-reducing bacteria (SRB). However, the addition of Co2+and Ni2+have contrary effects which was realized by activation on MPB and inhibition on SRB, respectively. The results of this study provided a theoretical guidance for the treatment of sulfate organic wastewater.

sulfate organic wastewater; anaerobic treatment; trace metal; granular sludge; biological activity

X703

A

1674-5906（2014）11-1821-05

蒋永荣，刘可慧，文麒麟，刘成良，李天煜，林金彪，王春锋，袁碟. 微量金属对硫酸盐有机废水厌氧处理颗粒污泥活性的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(11): 1821-1825.

JIANG Yongrong, LIU Kehui, WEN Qilin, LIU Chengliang, LI Tianyu, LIN Jinbiao, WANG Chunfeng, YUAN Die. The Influence of Trace Metal on Granular Sludge of Anaerobic Treating Sulphate Organic Wastewater [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(11): 1821-1825.

国家自然科学基金项目(51368011)；广西自然科学基金项目(2012GXNSFAA053189)；桂林市科学研究与技术开发计划项目(20140121)

蒋永荣(1970年生)，女，副教授，硕士，研究方向为污水生物处理及微生物学。E-mail: svmsung2996@sina.com

*通信作者：E-mail: diancibode@qq.com

2014-07-05