鄧萍萍，閆曉帆，劉瑞霞，丁婷婷，陳介南，吳志平

(中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

楊木燃料乙醇蒸餾廢水，是實驗室通過預(yù)處理糖化發(fā)酵制備燃料乙醇蒸餾出來的殘液，冷藏4 ℃冰箱中備用；接種物(污泥)，取自學(xué)校環(huán)境研究所的污水處理池，在(35±1)℃密封馴化20 d后所得；硫酸鈉、硫酸亞鐵、硫酸鐵皆是分析純。實驗材料的理化性質(zhì)見表1。

表1 實驗材料基本性質(zhì)

DZKW-4恒溫水浴鍋；雷磁pHS-3E型pH計；連華科技COD消解儀；島津LC-20A型液相色譜儀；安捷倫7890 B氣相色譜儀；UV-5100紫外-可見光分光光度計；Liqui TOCⅡ總有機碳分析儀；K1100凱氏定氮儀。

1.2 實驗方法

圖1 不同類型硫酸鹽廢水厭氧消化裝置Fig.1 Anaerobic digestion equipment of different types of sulphates wastewater

表2 實驗設(shè)計

1.3 分析方法

1.3.1 水質(zhì)分析 根據(jù)GB 11901—89重量法測定楊木燃料乙醇蒸餾廢水和接種物的TS，采用灼燒法和GB 11901—89測定廢水和接種物的VS；根據(jù)HJ 84—2016鉻酸鋇分光光度法測定廢水的硫酸鹽濃度；根據(jù)HJ 501—2009燃燒氧化-非分散紅外吸收法測定廢水的總有機碳含量；根據(jù)HJ 636—2012堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定廢水的總氮含量；根據(jù) HJ 60—2000 碘量法測定廢水的硫化物含量。

1.3.2 液相成分及氣相成分測定 取出的發(fā)酵液以10 000 r/min離心15 min，上清液用以測定液相成分(pH、COD及VFAs)。采用pH計測定pH值；采用連華科技COD消解儀測定COD值；通過LC-20A液相色譜儀測定微生物代謝產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)含量。色譜條件為C18色譜柱，流動相為乙腈∶0.1%磷酸=5∶95，柱溫為30 ℃，紫外波長為210 nm，揮發(fā)性脂肪酸的濃度和組成用外標法測定，每個標準樣品的保留時間用乙酸、丙酸和丁酸測定。制備乙酸、丙酸和丁酸的混合標準溶液，并用超純水稀釋至幾種不同濃度。將混合溶液的保留時間與單一樣品的保留時間進行比較，根據(jù)已知標準樣品的濃度計算發(fā)酵液乙酸、丙酸和丁酸的含量，用6 mol/L 硫酸溶液調(diào)節(jié)上清液pH值為2.0，上清液通過0.45 μm濾膜，取10 μL濾液進行測定。

厭氧發(fā)酵過程中的每日產(chǎn)氣量采用排水法測量。氣體的主要成分是氫氣、氮氣、甲烷和二氧化碳。氣相組分采用外部標準方法測定氣體成分和含量，通過GC-7890 B五閥八柱三通道快速煉廠氣分析系統(tǒng)測定。色譜條件為：程序升溫(60 ℃，保持1 min，然后以20 ℃/min升至80 ℃，再以25 ℃/min升至190 ℃,保持0.3 min)，進樣口(溫度為250 ℃，壓力為9.994 9 psi，總流量為145 mL/min，隔墊吹掃為3 mL/min，分流比為70 ∶1)，F(xiàn)ID檢測器(溫度為250 ℃，空氣流量為350 mL/min，氫氣流量為40 mL/min，尾吹氣氮氣流量為27 mL/min)，TCD2、TCD3檢測器(溫度為250 ℃，參比流量為45 mL/min，尾吹氣流量為2 mL/min)[6]。

將累積產(chǎn)甲烷量實驗數(shù)據(jù)擬合到修正的Gompertz方程中(式1)[7]，產(chǎn)甲烷速率通過對修正的Gompertz方程進行微分得到(式2)[8]，當(dāng)V達到Rm時，由式(2)得到Tmax的方程(式3)。參數(shù)Pm、Rm、t和λ采用Curve Expert 1.4 版軟件確定，實驗數(shù)據(jù)和擬合曲線使用origin軟件8.5(origin software,Inc,USA)繪制。

(1)

(2)

(3)

式中P(t)——反應(yīng)時間t(d)內(nèi)的累計產(chǎn)甲烷量，mL/gVS；

Pm——最大產(chǎn)甲烷量，mL/gVS；

Rm——最大產(chǎn)甲烷率，mL/gVS·d；

λ——產(chǎn)甲烷滯后時間，d；

e——常數(shù)，2.718；

Tmax——最大產(chǎn)甲烷速率時的時間，d。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸鹽類型對楊木燃料乙醇蒸餾廢水的產(chǎn)甲烷性能的影響

圖2為硫酸鹽類型對楊木燃料乙醇廢水厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響。通過Gompertz模型擬合得出，添加Fe2(SO4)3、FeSO4、Na2SO4實驗組擬合值R2分別是0.996 1，0.991 6，0.995 3，說明曲線與實測值擬合效果好。

由圖2(A)可知，添加Fe2(SO4)3實驗組累計甲烷產(chǎn)量為543.0 mL/gVS，比添加FeSO4和Na2SO4實驗組分別高29.72%，35.82%，添加FeSO4比Na2SO4實驗組高4.70%，說明含鐵硫酸鹽可以改善產(chǎn)甲烷性能，原因是添加含鐵離子可以促進厭氧消化反應(yīng)器中微生物之間的電子傳遞，加速電子傳遞效率[9-10]。在0～8 d厭氧消化反應(yīng)過程中，添加Fe2(SO4)3比FeSO4實驗組的累計產(chǎn)甲烷量低，原因是過量的三價鐵離子可作為電子與MPA競爭電子，從而影響厭氧體系中電子的再分配過程，弱化產(chǎn)甲烷菌活性[11]。在8～18 d，添加Fe2(SO4)3比FeSO4實驗組的累計產(chǎn)甲烷量高，原因是部分Fe3+還原為Fe2+，F(xiàn)e2+能夠與硫酸鹽還原產(chǎn)生的S2-形成沉淀物，從而抑制H2S的產(chǎn)生，使得產(chǎn)甲烷菌能夠有效利用底物，另一部分Fe3+可以促進厭氧消化反應(yīng)器中微生物之間的電子傳遞，加速電子傳遞效率，改善產(chǎn)甲烷性能[10，12]。

圖2 硫酸鹽類型對厭氧消化累計產(chǎn)甲烷量的影響(A)，對產(chǎn)甲烷速率的影響(B)Fig.2 Effect of sulfate types on the cumulative methane production of anaerobic digestion (A),the rate of methane production of anaerobic digestion (B)

由圖2(B)可知，添加Fe2(SO4)3、FeSO4、Na2SO4各實驗組產(chǎn)甲烷最大速率分別是98.79，64.35，70.02 mL/gVS·d，厭氧微生物中的產(chǎn)甲烷菌對鐵的需求量較高，提高鐵的生物利用性，能夠顯著提高厭氧產(chǎn)甲烷菌活性[13]。添加FeSO4的最大產(chǎn)甲烷速率出現(xiàn)的時間最早但值最小，出現(xiàn)最大產(chǎn)甲烷速率時間最早的原因是Fe2+會提高水解酸化酶活性[14]，能快速有效的降解有機質(zhì)，這與COD含量變化相符合；產(chǎn)甲烷速率最小原因是SRB活性最強，這與硫酸鹽去除率相符合，因此發(fā)酵體系中SRB與MPA競爭底物能力更強，導(dǎo)致厭氧消化產(chǎn)甲烷速率減小[15]。

2.2 硫酸鹽類型對VFAs含量和pH的影響

硫酸鹽類型對楊木燃料乙醇蒸餾廢水的VFAs含量的影響見圖3(A)。

由圖3(A)可知，各實驗組前6 d厭氧消化以乙酸含量為主，前4 d不同類型硫酸鹽實驗組乙酸含量相差不大，但在第6 d各組乙酸含量相差較大，添加Fe2(SO4)3、FeSO4、Na2SO4實驗組乙酸含量分別是2.302 5，1.027 9，1.900 0 g/L，表明添加Fe2(SO4)3為厭氧微生物提供豐富的營養(yǎng)基質(zhì)，從而增強產(chǎn)甲烷菌在微生物菌群的活躍度。在8～18 d厭氧消化過程中，添加Fe2(SO4)3類型的厭氧消化過程中VFAs含量最高，說明Fe2(SO4)3能有效提高酸化過程，提高乙酸含量，這是由于在酸化過程中，F(xiàn)e3+可以富集異化鐵還原菌，該類細菌可以通過異化鐵還原過程參與到復(fù)雜有機物的降解過程中，轉(zhuǎn)化為更多酸類物質(zhì)，為產(chǎn)甲烷菌提供了良好的底物[16]。

圖3 硫酸鹽類型對VFAs含量的影響(A)，厭氧發(fā)酵體系pH變化(B)Fig.3 Effect of sulfate types on the content of VFAs (A) and the pH change of anaerobic digestion (B)

pH值是反映厭氧消化穩(wěn)定運行的重要指標，反映厭氧微生物的生存環(huán)境[17]。各實驗組pH值隨時間變化趨勢見圖3(B)。

由圖3(B)可知，各實驗組pH值先上升，隨后下降，再緩慢升高，最后趨向于平衡過程。pH值下降的原因是厭氧消化過程中水解酸化速率大于產(chǎn)甲烷速率。添加Fe2(SO4)3實驗組厭氧消化過程中pH值只有一個階段下降，而添加Na2SO4實驗組厭氧消化過程中pH值有2個階段下降，原因是Fe2(SO4)3的添加，使微生物、底物和Fe3+三者的接觸幾率變大，加快反應(yīng)器中微生物對有機物的消耗，進而加快反應(yīng)器達到穩(wěn)定狀態(tài)[18]。

2.3 硫酸鹽類型對厭氧消化COD去除的影響

COD是影響厭氧消化過程的關(guān)鍵參數(shù)，圖4(A)顯示厭氧消化過程中反應(yīng)器COD含量的變化過程。

圖4 COD含量隨厭氧消化過程的變化(A)，硫酸鹽類型對COD去除率的影響(B)Fig.4 COD content changes with anaerobic digestion process (A),the effect of sulfate types on COD removal rate (B)

由圖4(A)可知，各實驗組COD含量先快速下降，再升高，再下降，最后趨于穩(wěn)定，厭氧消化結(jié)束后，添加Fe2(SO4)3、FeSO4、Na2SO4各實驗組COD含量分別是0.5，0.42，0.60 g/L。當(dāng)厭氧發(fā)酵4～6 d 時，COD含量升高，原因是水解酸化速率大于產(chǎn)甲烷速率，導(dǎo)致體系中存在大量的小分子物質(zhì)。圖4(B)是硫酸鹽類型對COD去除率的影響。

由圖4(B)可知，添加Fe2(SO4)3、FeSO4、Na2SO4的實驗組COD去除率分別是97.74%，98.11%，97.30%，COD去除率沒有顯著差異，原因是反應(yīng)結(jié)束后COD作為碳源(<0.6 g/L)已被消耗完[19]。添加Fe2(SO4)3、FeSO4比Na2SO4實驗組的COD去除率略高。有研究表明，F(xiàn)e3+的添加有助于促進厭氧消化系統(tǒng)中蛋白酶和葡萄糖苷酶的活性，加速了蛋白質(zhì)和碳水化合物的分解，從而加快COD的去除[20]，而添加FeSO4對COD去除率效果更好，這是由于Fe2+存在會提高水解酸化酶的活性[14]，使得有機物降解得更徹底。

2.4 硫元素平衡分析

硫酸鹽類型對楊木燃料乙醇蒸餾廢水厭氧消化結(jié)束后硫酸鹽含量的影響見圖5(A)。

由圖5(A)可知，添加Fe2(SO4)3、FeSO4、Na2SO4各實驗組厭氧消化結(jié)束后，硫酸根含量分別是0.099，0.041，0.066 g/L，硫酸根含量均<0.1 g/L，達到排放標準，添加Fe2(SO4)3實驗組硫酸鹽去除率最低，原因是發(fā)酵液中含有一定量游離的Fe3+會對硫酸鹽還原過程中的關(guān)鍵酶——亞硫酸鹽還原酶活性產(chǎn)生明顯抑制，導(dǎo)致硫酸鹽還原過程受影響[21]。圖5(B)顯示厭氧消化結(jié)束后沼液中硫化物的含量。

圖5 硫酸鹽含量厭氧消化結(jié)束前后變化(A)，厭氧消化結(jié)束后沼液中硫化物濃度(B)Fig.5 The change of sulfate content before and the end of anaerobic digestion (A) and the concentration of sulfide in the biogas slurry at the end of anaerobic digestion (B)

由圖5(B)可知，由于厭氧消化過程pH為7.0～8.2，不利于H2S氣體的排出，因此在氣相中未檢測出H2S物質(zhì)，產(chǎn)生的硫化物主要以HS-和S2-的形式存在，它們對厭氧微生物的毒性較低，不會抑制產(chǎn)甲烷過程。理論上硫酸鹽還原菌還原的硫酸鹽含量應(yīng)等于液相中硫化物的含量和氣相中硫化氫的量之和。添加Fe2(SO4)3、FeSO4、Na2SO4各實驗組厭氧消化結(jié)束后，液相硫化物含量分別是51.40，107.56，75.53 mg/L，皆低于硫酸鹽還原過程理論產(chǎn)生的硫化物量，一方面是微生物自身代謝作用消耗部分硫酸鹽，將硫酸鹽還原成不溶性硫化物；另一方面是微生物具有吸附作用，活性污泥吸附 S元素[22]。添加Fe2(SO4)3實驗組液相中硫化物含量最少，這是由于添加Fe2(SO4)3促進S元素的成礦作用，對固定發(fā)酵液中的硫化物有重要影響[23-24]。

3 結(jié)論

(1)添加Fe2(SO4)3的楊木燃料乙醇蒸餾廢水厭氧消化產(chǎn)甲烷量最高，比添加FeSO4和Na2SO4分別提高了29.72%和35.82%；添加Fe2(SO4)3的VFAs含量最高，F(xiàn)e3+可以富集異化鐵還原菌，能夠提高乙酸含量，為產(chǎn)甲烷菌提供更多基質(zhì)，增強甲烷菌活性。