陳 陽(yáng) ，趙明星 *，3，阮文權(quán) ，3

（1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214122；2.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122；3.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州215009）

糖蜜乙醇廢水是指采用糖蜜發(fā)酵蒸餾乙醇后排放的廢液，具有有機(jī)污染物質(zhì)量濃度（COD 80 000～130 000 mg/L）和硫酸鹽質(zhì)量濃度（SO42-8 000～10 000 mg/L）高的特點(diǎn)。糖蜜乙醇廢水有機(jī)污染物的含量較高，排放總量很大，如果不進(jìn)行處理而直接排入環(huán)境中，將會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[1-2]。目前糖蜜乙醇廢水的處理方法主要有：生化處理法、絮凝-沉淀法、催化氧化法等[3]，其中厭氧生物處理法因具有有機(jī)負(fù)荷承受率高、運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定，產(chǎn)生可再生能源沼氣等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。

但是在厭氧生物處理過(guò)程中，SO42-會(huì)被硫酸鹽還原菌 （SRB）還原生成H2S，從而對(duì)產(chǎn)甲烷細(xì)菌（MPB）產(chǎn)生抑制作用。研究表明，當(dāng)有機(jī)廢水中SO42-質(zhì)量濃度達(dá)到800 mg/L時(shí)就開(kāi)始對(duì)MPB產(chǎn)生抑制[4]，所以降低或消除厭氧消化中的H2S抑制作用非常重要。目前的研究主要集中在采用預(yù)處理方式來(lái)降低廢水中的硫酸根，任守軍[5]等采用活性炭、BaCl2·2H2O、Ca （OH）2及鐵碳微電池法對(duì)糖蜜乙醇廢水中的硫酸鹽進(jìn)行預(yù)處理，產(chǎn)氣性能得到較大的提升。除了預(yù)處理技術(shù)，直接降低或去除厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生的H2S也有利于提高廢水處理效果。而通過(guò)向反應(yīng)體系中外源投加納米材料來(lái)降低或解除糖蜜乙醇廢水厭氧處理過(guò)程中H2S抑制效應(yīng)的研究較少。納米零價(jià)鐵具有粒子直徑小、顆粒比表面積大，反應(yīng)活性高等特性，從而具有良好的吸附性能和很高的還原活性[6]。Li[7]等研究了納米零價(jià)鐵與硫的不同結(jié)合形態(tài)，發(fā)現(xiàn)硫化氫除了和鐵直接形成FeS沉淀，還能夠吸附于納米鐵顆粒的表面與Fe和FeOOH發(fā)生反應(yīng)，生成表面配合物，而這些配合物也能夠與硫化氫反應(yīng)生成二硫化物和聚硫化物。在厭氧體系中，納米零價(jià)鐵可以作為電子供體。如在產(chǎn)甲烷過(guò)程中，嗜氫產(chǎn)甲烷菌可利用納米零價(jià)鐵提供的電子將CO2還原生成甲烷。

作者通過(guò)向厭氧消化系統(tǒng)中添加NZVI對(duì)糖蜜乙醇廢水進(jìn)行中溫厭氧消化處理。分析了反應(yīng)過(guò)程中COD和SO42-的去除率、產(chǎn)氣率和沼氣中甲烷含量、廢水中硫酸根和硫化物質(zhì)量濃度、污泥EPS和脫氫酶活性等。通過(guò)分析厭氧顆粒污泥中添加不同質(zhì)量NZVI對(duì)糖蜜乙醇廢水厭氧消化處理的影響，以期為工程化應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

納米零價(jià)鐵粉（粒徑50 nm）：購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；厭氧顆粒污泥（TS：12.2%，VS：9.5%）：取自無(wú)錫某食品廠厭氧UASB反應(yīng)器。顆粒污泥直徑1～3 mm，實(shí)驗(yàn)用水為廣西某糖廠的糖蜜乙醇廢水，廢水稀釋10倍后作為原水，主要水質(zhì)參數(shù)為 COD 8 350 mg/L，SO42-1 060 mg/L，pH 4.15。

鈉米零價(jià)鐵粉的表征實(shí)驗(yàn)所用的表征設(shè)備為X射線衍射儀：日本理學(xué)D/max；透射電子顯微鏡：S-570，日本；納米鐵粉的透射電鏡圖和XRD圖譜見(jiàn)圖 1、圖 2，圖 2 中橫坐標(biāo)為 2θ/（°）。 從圖 1 可知，本次實(shí)驗(yàn)所用納米鐵粉為球形結(jié)構(gòu)，因磁性和靜電引力作用，納米零價(jià)鐵易形成鏈狀結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了團(tuán)聚的現(xiàn)象。在衍射圖中2θ為44.698°和65.054°處出現(xiàn)較強(qiáng)特征峰，通過(guò)與JCPDF標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)照，與鐵的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰出峰度數(shù)一致，說(shuō)明鐵粉沒(méi)有被氧化或表面氧化程度極低。以上結(jié)果表明，用于本次實(shí)驗(yàn)的納米鐵粉純度較高。

圖1 納米零價(jià)鐵粉的TEM圖Fig.1 TEM image of zero valent iron

圖2 納米零價(jià)鐵粉的XRD圖譜Fig.2 XRD spectrum of zero valent iron

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

每組實(shí)驗(yàn)采用有效容積為250 mL的反應(yīng)瓶，產(chǎn)生的氣體經(jīng)過(guò)裝有50 mL乙酸鉛溶液的血清瓶吸收硫化氫后用集氣袋收集，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。

實(shí)驗(yàn)共分為 7 組， 依次編號(hào)為 A、B、C、D、E、F和G，其中A組是空白對(duì)照組，每組做3個(gè)平行，文中數(shù)值為3組的平均值。各組添加廢水體積、顆粒污泥和NZVI質(zhì)量見(jiàn)表1。廢水初始pH用碳酸鈉調(diào)節(jié)至7.15左右，攪拌混勻，檢查裝置氣密性保證氣密性良好，放入（35±1）℃水浴鍋中反應(yīng)3 d。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagrammatic drawing of experiment device

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Design of experiment

1.3 指標(biāo)和測(cè)定方法

廢水COD濃度：采用重鉻酸鉀法測(cè)定[8]；硫酸根質(zhì)量濃度：采用絡(luò)合滴定法測(cè)定[9]；硫化物：采用碘量法測(cè)定[10]；污泥胞外聚合物：采用硫酸法提取[11]；污泥胞外聚合物中蛋白質(zhì)和多糖：分別采用Folin-酚法[12]和苯酚-硫酸法[13]測(cè)定；污泥脫氫酶活性：采用分光光度法測(cè)定[14]；沼氣產(chǎn)量：采用排水法測(cè)定；氣體中甲烷含量：采用氣相色譜法測(cè)定[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢水COD的降解情況

反應(yīng)前后廢水COD質(zhì)量濃度和去除率變化見(jiàn)圖4。由圖4可知，經(jīng)過(guò)3 d的反應(yīng)，廢水中的有機(jī)物被微生物大量降解，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，各組廢水COD質(zhì)量濃度分別為 3 120、2 880、2 800、2 720、2 560、2 400、2 720 mg/L，COD 的去除率隨著 NZVI添加量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，各組降解率分別為 62.5%、65.4%、66.3%、67.2%、69.3%、71.1%和67.4%。NZVI添加量為0.5 g，COD去除效果最好，去除率為71.1%，比空白組提高14.7%。

圖4 廢水中COD質(zhì)量濃度的變化情況Fig.4 Changes of COD concentration in wastewater

研究結(jié)果表明，NZVI的添加量在一定范圍內(nèi)對(duì)COD的去除有促進(jìn)作用，NZVI產(chǎn)生的Fe2+對(duì)厭氧微生物的生長(zhǎng)繁殖有利，但是NZVI添加量并不是越多越好。本課題組前期研究表明，在厭氧消化系統(tǒng)中，當(dāng)亞鐵離子質(zhì)量濃度高于10 mg/L時(shí)會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒害作用[16]。過(guò)量的NZVI可能會(huì)對(duì)微生物細(xì)胞膜產(chǎn)生作用，影響微生物的代謝活動(dòng)。Yang[17]等發(fā)現(xiàn)NZVI的添加量超過(guò)30 mmol/L時(shí)會(huì)導(dǎo)致厭氧體系混合溶液中的SCOD濃度明顯升高，這表明NZVI的添加量過(guò)多會(huì)對(duì)微生物細(xì)胞產(chǎn)生破壞作用。Lee[18]等和Li[19]等的研究表明，NZVI的具體作用方式可能是其強(qiáng)還原性分解細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)官能團(tuán)。

2.2 添加NZVI對(duì)系統(tǒng)氧化還原電位 （ORP）的影響

ORP作為介質(zhì)環(huán)境條件的一個(gè)綜合性指標(biāo)，表征介質(zhì)氧化性或還原性的相對(duì)程度。向厭氧消化體系中添加NZVI后，厭氧消化系統(tǒng)的ORP呈下降趨勢(shì)，見(jiàn)圖5。因?yàn)镹ZVI有強(qiáng)還原性，可導(dǎo)致厭氧消化系統(tǒng)的ORP降低。Li[7]等的研究表明，向有機(jī)污泥懸浮液中加入NZVI（0.5 g/L等），厭氧體系ORP迅速?gòu)?200 mV降低到-500～-600 mV。由圖5可知，添加NZVI的量越多，系統(tǒng)的ORP越低，各組ORP分別為-308、-317、-324、-334、-346、-374、-409 mV。F組和G組ORP分別比A組低-66 mV和-101 mV。較低的ORP有利于MPB的生長(zhǎng)，厭氧系統(tǒng)有利于向產(chǎn)甲烷的方向進(jìn)行。

2.3 厭氧消化過(guò)程產(chǎn)氣率及氣體中甲烷體積分?jǐn)?shù)情況

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣通過(guò)乙酸鉛溶液吸收硫化氫氣體后，用集氣袋收集并測(cè)定體積，根據(jù)COD的降解量計(jì)算產(chǎn)氣率，每組產(chǎn)氣率和氣體中甲烷體積分?jǐn)?shù)見(jiàn)圖6。

圖5 ORP的變化情況Fig.5 Changes of ORP

圖6 沼氣產(chǎn)率和甲烷體積分?jǐn)?shù)Fig.6 Biogas generation yield and the percentage of methane

圖6 表明，反應(yīng)結(jié)束時(shí)空白組產(chǎn)氣率為275.3 mL/gCOD，氣體中甲烷體積分?jǐn)?shù)為39.2%，其他組的產(chǎn)氣率和甲烷含量均比空白組高，分別為298.9、293.7、299.3、272.0、310.9、279.8 mL/gCOD 和 54.0% ，53.5%、55%、55.4%、58%、53.5%。 F組產(chǎn)氣率最大，比空白組提高35.6 mL/gCOD，氣體中甲烷含量也最高，為58%，比空白組提高18.8%。NZVI在產(chǎn)甲烷的過(guò)程中可提供電子，Su[20]等認(rèn)為NZVI能夠?yàn)楫a(chǎn)甲烷過(guò)程提供電子，對(duì)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)代謝有促進(jìn)作用，使得厭氧消化系統(tǒng)中甲烷產(chǎn)量提高。同時(shí)，NZVI產(chǎn)生的Fe2+對(duì)產(chǎn)甲烷過(guò)程有較大的促進(jìn)作用，馬素麗[21]等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向厭氧消化體系中添加Fe2+為3 mg/L時(shí)，反應(yīng)瓶中甲烷累積產(chǎn)量最高，為9 867 mL，比空白組提高了43倍。但是本實(shí)驗(yàn)中G組的產(chǎn)氣率比F組低，說(shuō)明NZVI添加過(guò)多會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生不利影響，這與圖4中COD的變化趨勢(shì)較一致。

NZVI加入?yún)捬跸到y(tǒng)可降低硫化氫對(duì)MPB的抑制作用。郭廣寨[22]等的研究發(fā)現(xiàn)，向厭氧污泥中添加0.1%的NZVI后，硫化氫的釋放速率降低了77.1%，甲烷的產(chǎn)生量提高了40.6%。硫化氫氣體通過(guò)乙酸鉛溶液會(huì)生成PbS黑色沉淀，反應(yīng)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)，A組血清瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生黑色沉淀最多，B組、C組和D組的黑色沉淀也較多，但呈逐漸減少的趨勢(shì)，而E組、F組和G組則沒(méi)有觀察到黑色沉淀，這也表明NZVI的添加量越多，產(chǎn)生的H2S氣體就越少。

2.4 廢水中硫酸根與硫化物質(zhì)量濃度的變化情況

在富含硫酸鹽的厭氧環(huán)境中，SRB以硫酸鹽作為最終電子受體，分解水體中的有機(jī)物，獲得合成細(xì)胞物質(zhì)和維持生命所需的能量[23]。廢水中硫酸根降解情況和反應(yīng)結(jié)束時(shí)廢水中硫化物質(zhì)量濃度變化情況見(jiàn)圖7。

圖7 硫酸根和硫化物質(zhì)量濃度變化情況Fig.7 Changes of sulfate concentration and sulfide concentration

由圖7可知，添加NZVI對(duì)硫酸根的去除有促進(jìn)作用，NZVI添加量越多，硫酸根去除效果越好。反應(yīng)結(jié)束時(shí)各組廢水硫酸根質(zhì)量濃度分別為672.4、528.3、432.2、432.3、432.3、432.2、288.2 mg/L，去除率分別為37.7%、50.9%、59.4%、60.7%、58.8%、60.3%、72.8%，硫酸根去除效果最好的是G組，去除率為空白組的1.93倍。在NZVI加入?yún)捬跸到y(tǒng)中生成Fe2+的過(guò)程中會(huì)提供大量電子，SRB利用乙酸和氫氣，以SO42-為電子受體，形成硫化氫，這可能是SO42-去除率變大的原因。

反應(yīng)結(jié)束后測(cè)定各組硫化物質(zhì)量濃度，分別為78.5、71.8、70.5、66.5、65.2、33.3、38.6 mg/L， 結(jié)果表明，添加NZVI可以降低廢水中硫化物質(zhì)量濃度，這有利于MPB和SRB的代謝活動(dòng)。Li[7]等研究發(fā)現(xiàn)，NZVI加入到厭氧消化體系中，可以和硫化氫反應(yīng)生成FeS、FeS2、FeSn，從而降低硫化氫的質(zhì)量濃度。舒中亞[24]等的研究發(fā)現(xiàn)，NZVI以及鐵的氧化產(chǎn)物對(duì)SRB有抑制其生長(zhǎng)繁殖作用。這與本實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象不一致，分析原因可能是本實(shí)驗(yàn)中SRB主要存在于厭氧顆粒污泥中，而添加的NZVI主要分散在廢水中，與SRB細(xì)菌直接接觸較困難，而且SRB還原硫酸根產(chǎn)生的硫化氫釋放到水中可以直接與Fe2+反應(yīng)生成FeS沉淀。舒中亞等的實(shí)驗(yàn)中SBR是直接分布在廢水中，與NZVI直接接觸，導(dǎo)致SRB被抑制或殺滅。

2.5 污泥EPS的變化情況

胞外聚合物（EPS）是活性污泥絮體中三大組成部分之一[25]，主要包括聚集在細(xì)胞外部由細(xì)胞分泌的高分子聚合物形成的凝膠狀物質(zhì)和污水中含有的部分化合物[26-27]。污泥EPS一方面可為細(xì)胞儲(chǔ)備碳源和能源，另一方面可減輕細(xì)胞所承受的外界環(huán)境壓力。 EPS中主要是多糖和蛋白質(zhì)，其他成分為核酸、腐殖酸和脂類等[28-31]。作者測(cè)定了反應(yīng)結(jié)束后厭氧顆粒污泥EPS中蛋白質(zhì)和多糖含量，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 污泥EPS中蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.8 Contention of protein and polysaccharide contained in EPS of the sludge

圖8 表明，NZVI添加量越多，污泥EPS中蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，各組污泥EPS中蛋白質(zhì)質(zhì)量 分 數(shù) 分 別 為 10.39、11.73、14.26、18.18、27.37、30.00、46.00 mg/gVSS；多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.05、3.26、3.79、4.25、4.01、4.49、5.05 mg/gVSS。 其他各組污泥EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比空白組高，由EPS來(lái)源[26-28]可知，厭氧消化過(guò)程中微生物代謝活性的高低與污泥EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低成正相關(guān)，這表明NZVI加入?yún)捬跸到y(tǒng)可使微生物代謝活性提高，加快廢水中COD和硫酸根的降解，這與圖4和圖7所述的添加NZVI后，廢水中COD和硫酸根去除效率增大的結(jié)果相符。另外，NZVI的加入提供了Fe2+，通常微生物的細(xì)胞表面主要由多聚糖、蛋白質(zhì)和脂類組成，這些組成中可與金屬離子相結(jié)合的主要官能基團(tuán)有羧基、磷?；⒘u基、硫酸脂基、氨基和酰胺基等，其中N、O、P、S作為配位原子與金屬離子配位絡(luò)合[30]。Fe2+與這些官能團(tuán)反應(yīng)生成絡(luò)合物，這也可能是污泥EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的原因。

2.6 污泥脫氫酶活性的變化情況

脫氫酶可以催化反應(yīng)體系中的氧化還原過(guò)程，能反映微生物菌群對(duì)底物的降解和轉(zhuǎn)化能力，是厭氧發(fā)酵體系中污泥活性的表征參數(shù)[32-33]。

反應(yīng)結(jié)束后測(cè)定了各組污泥脫氫酶活性，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 各組中污泥脫氫酶活性Fig.9 Activity of dehydrogenase in each group

由圖9可知，空白組污泥脫氫酶活性最低為147.8 TFμg/（mL·h），其他各組污泥脫氫酶活性分別為 172.8、187.8、211.8、288.3、340.3、306.3 TFμg/（mL·h）。結(jié)果表明，脫氫酶活性隨著NZVI添加量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，F(xiàn)組脫氫酶活性最大，比空白組提高 192.5 TFμg/（mL·h）。

鐵和硫均是微生物合成脫氫酶的重要元素，NZVI加入?yún)捬跸到y(tǒng)對(duì)污泥脫氫酶活性的提高有促進(jìn)作用。鐵元素是構(gòu)成機(jī)體內(nèi)許多代謝酶的活性成分，如：鐵硫蛋白、細(xì)胞色素等；鐵與某些酶的活性有密切的關(guān)系，如乙酰輔酶A、琥珀酸脫氫酶、黃嘌呤氧化酶等，在細(xì)胞生物氧化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[34]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加NZVI有利于脫氫酶酶活的增加，而脫氫酶活性和底物降解密切相關(guān)，這也可解釋添加NZVI后廢水中COD和硫酸根降解率比空白實(shí)驗(yàn)組高的現(xiàn)象。

因?yàn)榧{米材料的粒徑較小，相對(duì)于普通材料更容易擴(kuò)散到細(xì)胞表面[35]。污泥與納米材料之間存在的靜電力使得它們能相互結(jié)合[36]，但如果納米材料和污泥之間的電荷屏障被打破，納米金屬材料就會(huì)對(duì)細(xì)胞造成傷害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡[17]。 G組中脫氫酶活性低于F組，這表明NZVI的添加量需要有一個(gè)合適的濃度，NZVI添加量過(guò)多反而會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)語(yǔ)

NZVI加入到厭氧反應(yīng)系統(tǒng)中，由于其極高的還原活性，可提供大量電子和Fe2+，降低了系統(tǒng)的ORP，有利于產(chǎn)甲烷和硫酸鹽還原過(guò)程，促進(jìn)糖蜜乙醇廢水COD和硫酸根的降解，F(xiàn)e2+能夠促進(jìn)污泥EPS和脫氫酶活性的增加并降低廢水中的硫化物濃度；另外，NZVI具有極強(qiáng)吸附性能，能夠吸附H2S生成FeS沉淀，降低或消除硫化物對(duì)厭氧消化的抑制，提高糖蜜乙醇廢水的厭氧處理效果。糖蜜乙醇廢水中COD降解率、脫氫酶活性和產(chǎn)氣性能隨著NZVI添加量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，NZVI添加量為0.5 g實(shí)驗(yàn)組的COD降解率、脫氫酶活性、產(chǎn)氣率和甲烷含量最大，分別達(dá)到71.1%、340.3 TFμg/（mL·h）、310.9 mL/gCOD 和 58%。 廢水中硫化物質(zhì)量濃度呈先降低后升高的變化趨勢(shì)，硫化物質(zhì)量濃度最低為33.3 mg/L。硫酸根去除率和污泥EPS含量與NZVI添加量呈正相關(guān)，NZVI添加量為2.5 g實(shí)驗(yàn)組的硫酸根去除率、蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，分別達(dá)到72.8%、46.00 mg/gVSS和5.05 mg/gVSS，分別是空白實(shí)驗(yàn)組的1.93倍、4.43倍和1.66倍。