镍及其螯合物对甲烷发酵的影响及机理研究

摘要

以厌氧消化为核心技术、以废弃物资源化为目的沼气工程目前正成为处理、利用城市垃圾、工业有机废水、畜禽粪便和污水厂剩余污泥最有效、前景最广阔的手段之一。微量元素在甲烷发酵过程中具有重要作用，缺乏必要的微量元素会导致生物活力下降，进而影响整个厌氧反应器的运行效果和稳定性。工业废水、城市污泥及其处理过程中常会产生或含有硫化物，而硫化物及其他一些阴离子如磷酸根和碳酸根等能与金属离子生成沉淀，因此在实际厌氧消化处理系统中，微量元素不能以充足量和有效的生物学形式存在，底物的最大转化率受到影响。本研究以镍离子为主要研究对象，通过采用向厌氧发酵系统中添加金属离子螯合剂的方法，提高了微量元素的生物可利用性，优化了产甲烷菌的营养条件，甲烷发酵得到增强。主要研究内容如下：
　　 (1)考察了微量元素镍在甲烷发酵过程中的重要作用。镍对甲烷发酵存在Hormesis即“低促高抑”效应。在一定浓度范围内，甲烷产量随着镍离子浓度的提高而提高。硫化物的存在使得镍的投加量大幅增加。金属离子螯合剂与镍之间的螯合作用则使镍的存在形态发生了改变，从硫化物沉淀形态向溶解态转化，此时，镍离子不再成为产甲烷过程的限制因子。柠檬酸(CA)、氨三乙酸(NTA)、乙二胺四乙酸(EDTA)等金属离子螯合剂都是较好的厌氧消化促进剂。在乙酸钠浓度为7 g/L、Ni2+浓度为20μM、消化温度为35℃的条件下，10μM氨三乙酸、乙二胺四乙酸和柠檬酸的添加，可使甲烷产量分别提高49.2%、38.6%和34.1%。
　　 (2)利用单因素试验方法，研究了基质种类、底物浓度、初始pH、氨氮浓度等关键因素对螯合剂施用效果的影响。结果表明：NTA对以乙酸、丙酸、丁酸为基质的甲烷发酵均具有促进作用；NTA对厌氧发酵的促进作用与底物浓度有关。底物浓度越高，促进作用越强。当乙酸钠浓度为6 g/L、12 g/L时，甲烷产量分别比对照系统提高30.0%、95.9%。米门方程描述的厌氧降解动力学常数Vmax由84.8提高到147.1 mlCH4·gSS-1·d-1，半饱和常数Ks则由2.95提高到7.57gNaAc·L-1。NTA的应用与初始pH值有关。在初始pH=5.5、6.0时NTA对甲烷发酵没有促进作用，但在初始pH大于6.5时则有较明显的促进作用。氨氮浓度为0.4 g/L时，对产甲烷具有促进作用，最终甲烷产量比对照提高20%。但当氨氮浓度为2g/L时，开始抑制产甲烷，抑制作用主要发生在消化反应后期，当氨氮浓度超过2 g/L时，产甲烷活性显著下降，抑制作用弥漫在整个反应期；随着氨氮浓度提高到5 g/L，厌氧污泥的产甲烷活性下降50%。微量元素镍对氨氮的毒性具有拮抗效应，氨氮的抑制作用可因镍的投加被减弱或消除，说明微量元素的获得对于产甲烷菌的耐毒能力提高具有重要影响。但NTA的添加不能减弱氨氮对产甲烷菌的毒害作用。
　　 (3)在批式试验中，研究了厌氧发酵含硫酸盐废水时，NTA对产甲烷及硫酸盐还原作用的影响。在硫酸盐浓度小于5000 mg/L时，100μM NTA的存在可使甲烷产率提高11.9%～44.1%，硫酸盐还原率下降33%～76%。NTA增强了微量金属元素对产甲烷菌的生物可利用性，使得产甲烷菌提高了抵抗硫化物毒性的能力，从而在与硫酸盐还原菌的竞争中更占优势。但当硫酸盐浓度达到5000 mg/L时，产甲烷过程被严重抑制，NTA的添加并未对产甲烷过程起到促进作用，同时，硫酸盐还原过程也受到抑制。
　　 (4)为了解NTA在连续运行的反应器系统中的施用效应及影响机理，论文研究了向连续运行的槽式搅拌反应器(CSTR)系统中添加NTA后反应器的运行效果、反应器系统中微量元素Ni的形态变化、辅因子F430. CoM浓度与污泥产甲烷活性的关系，并运用荧光原位杂交(FISH)技术解析了产甲烷菌群的变化。结果表明：在有机负荷为3g/L·d、进水COD为4500 mg/L的条件下，COD去除率提高近20%，产气量提高近60%。NTA的添加改变了Ni在污泥中的存在形态，镍的硫化物形态浓度由62μg/gTSS降低到29μg/gTSS，而剩余态的浓度则增加了1.89倍。所以NTA提高了产甲烷菌对微量元素镍的生物吸取，镍的生物有效度得到提高。荧光原位杂交(FISH)结果表明：NTA还影响着微生物的种群结构，在NTA添加系统中，利用底物能力强的甲烷八叠球菌的生长得到促进。F430、辅酶M含量与污泥的产甲烷活性具有较好的相关性。添加NTA的反应器系统中F430与辅酶M含量分别比未添加系统提高4.5和2.8倍。
　　 (5)微量元素的生物吸收与生物亲和力常数a和生物转化率b有关。NTA促进了产甲烷菌对微量元素镍的生物吸收，生物吸收过程不符合自由离子活度模型，微生物对微量金属元素的吸收并不完全由自由态的金属浓度决定，微量元素螯合物的形成对产甲烷菌的生物吸收有着重要作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2 产甲烷研究进展

1.2.1 甲烷的生物合成途径及其形成过程的酶学

1.2.2 产甲烷菌研究进展

1.2.3 产甲烷新工艺

1.3 微量元素在甲烷发酵过程中的作用

1.3.1 金属元素的生物效应

1.3.2 产甲烷菌对微量元素的需求

1.3.3 微量金属元素促进甲烷发酵的研究进展

1.3.4 微量金属元素生物有效度

1.4 本论文的主要研究内容

1.4.1 当前研究中存在的问题：微量金属元素形态及其生物可利用性

1.4.2 本论文的主要研究内容

第二章 镍及其螯合物对甲烷发酵的影响

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验方法

2.2.3 分析方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 镍离子浓度对产甲烷过程的Hormesis效应

2.3.2 螯合剂对厌氧消化产甲烷的影响

2.3.3 螯合剂对总溶解性镍离子浓度的影响

2.3.4 Ni2+—NTA螯合物对厌氧消化过程的影响

2.3.5 Ni的形态及其生物可利用性讨论

2.4 本章小结

第三章 不同环境条件下镍及其螯合物的施用效应研究

3.1 引言

3.2 材料和方法

3.2.1 厌氧污泥

3.2.2 NTA在不同硫化物浓度下的添加效应

3.2.3 NTA对不同VFA基质的产甲烷促进效应

3.2.4 NTA在不同基质浓度下的产甲烷促进效应

3.2.5 不同初始pH值条件下NTA对产甲烷的影响

3.2.6 不同氨氮浓度下NTA对产甲烷的影响

3.2.7 分析方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 NTA在不同硫化物浓度下的添加效应

3.3.2 NTA对不同VFA基质的产甲烷促进效应

3.3.3 NTA在不同基质浓度下的产甲烷促进效应

3.3.4 不同初始pH值条件下NTA对产甲烷的影响

3.3.5 不同氨氮浓度下NTA对产甲烷的影响

3.4 本章小结

第四章 镍及其螯合物促进甲烷发酵的动力学与酶学机制

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验方法

4.2.3 分析方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 Ni—NTA螯合物促进厌氧消化反应的动力学

4.3.2 厌氧污泥中的辅因子浓度

4.4 本章小结

第五章 镍及其螯合物在含硫酸盐废水甲烷发酵中的应用研究

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 接种污泥

5.2.2 合成废水

5.2.3 实验装置

5.2.4 实验设计

5.2.5 实验方法

5.2.6 分析方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 NTA对含硫酸盐废水发酵甲烷产量的影响

5.3.2 NTA对含硫酸盐废水发酵乙酸去除的影响

5.3.3 NTA对硫酸盐还原的影响

5.3.4 NTA对厌氧污泥中微量元素形态分布的影响

5.3.5 NTA浓度对甲烷发酵的影响

5.3.6 厌氧污泥中辅因子含量

5.3.7 NTA抑制硫酸盐还原、促进甲烷发酵的机理探讨

5.4 本章小结

第六章 镍及其螯合物影响甲烷发酵过程的机理分析

6.1 引言

6.2 金属元素的生物吸收理论

6.3 材料和方法

6.3.1 反应器运行实验

6.3.2 荧光原位杂交实验

6.3.3 镍的生物吸收实验

6.4 结果与讨论

6.4.1 COD去除情况对比

6.4.2 微量元素形态变化过程

6.4.3 辅因子浓度与产甲烷活性的关系

6.4.4 产甲烷菌数量的演变

6.4.5 镍的生物吸收模型讨论

6.5 本章小结

第七章 研究结论

论文创新点

致谢

参考文献

附录:攻读博士学位期间取得的学术成果