微量金属元素对甲烷菌的激活作用

第33卷　第5期2002年9月
太原理工大学学报
JO U RN A L OF T A IY U A N U NI VER SIT Y O F T ECHN OL O GY
V ol.33N o.5
　Sep.2002
文章编号:1007-9432(2002)05-0495-03
微量金属元素对甲烷菌的激活作用
董春娟 李亚新 吕炳南
(哈尔滨工业大学)　(太原理工大学建筑与环境工程学院)　(哈尔滨工业大学)
摘　要:综述迄今有关微量金属元素对甲烷菌激活作用的研究成果。

微量金属元素特别是Fe, Co,Ni的加入能使反应器内甲烷菌的优势菌种发生变化,从而使乙酸利用率提高数倍;微量金属元素对毒性物质产生强烈的拮抗作用。

厌氧消化过程中补充甲烷菌所需的无机营养元素,特别是微量金属元素是提高厌氧消化过程效率和稳定性的重要途径。

关键词:厌氧消化;甲烷菌;微量金属元素;激活作用
中图分类号:X703 文献标识码:A
所有微生物要很好地生长,均需许多营养。

人们通常认为废水中含有足够营养供微生物生长需要,事实并非如此,一些工业废水常常缺乏甲烷菌必需的N,P以外的营养。

厌氧消化过程缺乏无机营养所产生的不利影响比对好氧处理过程所产生的不利影响要大,厌氧发酵的甲烷发酵阶段对无机营养的缺乏更为敏感。

甲烷菌无机营养需要研究的先驱和奠基者,美国著名的厌氧生物技术学者Speece[1]指出:由于对甲烷菌营养需要认识不足,已经阻碍了厌氧生物技术的应用和发展。

1　甲烷菌对金属微量元素的需求
1.1　废水中缺乏微量金属元素对厌氧消化的影响
许多废水厌氧生物处理中,均出现了出水VFA 偏高,气体产率下降的现象。

起初人们认为是毒性物质抑制作用或是缺乏N,P营养。

但后来许多实验证明,极易生物降解的VFA,在厌氧出水中之所以浓度偏高,不是毒性物质的抑制作用,也不是缺乏N, P营养,而是缺乏微量营养元素。

乳清加工废水:Kelly和Sw itzenbaum[2]报道微量元素在很大程度上影响着厌氧反应系统的运行,当乳清加工废水厌氧系统仅仅加工N,P时出水VFA仍偏高,但同时加入Fe,Co,Ni或其组合时,出水VFA迅速下降。

例如,30℃时不加入微量元素时出水VFA为3300g/L,但加入上述微量元素后出水VFA迅速降为700mg/L.用厌氧流化床系统处理乳清加工废水,当加入Fe,Co,Ni及酵母抽提物时,COD去除率由6kg/(m3・d)增至40kg/(m3・d),并分析COD去除率的增加主要是因为加入Fe,Co,Ni及酵母抽提物后反应器中生物浓度提高。

生活污水:Ow ens在低负荷下启动生活污水厌氧反应系统,出水VFA渐渐由大约400mg/L增至4000mg/L,加入Fe,Co,Ni盐的混合液10d内,出水VFA浓度降至400mg/L.停止加入Fe,Co, Ni盐的混合液,VFA浓度又增至4000mg/L.当再次加入Fe,Co,Ni盐混合液时,10d内出水VFA 浓度再次降至400mg/L.Henry和Co lleran[3]　报道当系统启动或改变负荷时,最易出现微量元素缺乏,加入微量元素能提高系统稳定性和抗冲击负荷能力。

豆制品废水:Oleszkiew icz[4]运行了3个U ASB 系统处理豆制品废水。

参照系统; 反应器内加入Ca和P; 反应器内加入Fe,Co,Ni结果表明,Ca 和P对颗粒污泥形成不利,而Fe,Co,Ni有利于形成颗粒污泥;系统 VSS由70～100kg/m3降至1.5～3.3kg/m3,而系统 VSS可连续保持在1000kg/m3以上。

食品加工废水:食品加工废水厌氧处理系统启动后运行良好。

但一年后,发现其出水挥发酸浓度升高,两个月内由1000m g/L升至3000mg/L.当31.8M L的反应器加入70gCo以后,30d内VFA 由3000m g/L降至500mg/L以下。

这表明食品加
基金项目:山西省自然科学基金资助项目(971021)
作者简介:董春娟,女,1970年10月生,太原大学讲师,哈尔滨在读博士,研究方向:水污染控制,哈尔滨,150090 收稿日期:2001-12-24
工废水厌氧处理系统会慢慢出现营养不足的现象,但加入很少量的Co便能使系统运行良好[5]。

1.2　甲烷菌对Ni的需求
一般认为Ni对甲烷菌的生长并非必要,但近年来研究表明,Ni是甲烷菌必需的微量金属元素。

Ni是细菌尿素酶的重要成分,Whitman和Wolfe[6]研究表明,F430中包含大量Ni,Diekert[7]等人发现Ni是F430的必要成分,而Fe,Co,Mo没有包括在内;W hitman和W olfe[6]也发现,F430是第一种包含Ni的低分子量的生物物质。

Diekert[7]等人发现所考察的甲烷菌中均含有F430因子,并报道很可能所有甲烷菌中均含有含Ni的四吡咯。

F430至今还未报道存在于其它非甲烷菌中,Diekert[8]等人还报道,Ni还存在于某些蛋白质中。

Doddem a[9]报道甲烷菌的氢化酶可能是一种含Ni的蛋白质。

考虑到F430广泛存在于甲烷菌中且F430与血红蛋白结构类似,但其中央金属离子不是Fe而是Ni,从而F430对Ni有大量需求。

人们开始关注甲烷菌的Ni营养源,因为以往培养甲烷菌的营养液中不包含Ni营养,如Balch[10]等人进行甲烷菌研究,所用培养基含有0.2%酵母抽提物和0.2%胰蛋白酶,但并不补充Ni盐。

Dieker t[8]等人发现甲烷菌可以在这种培养基中迅速生长,但当培养基中酵母抽提物浓度大为减少的情况下,只有补充Ni盐,甲烷菌才能保持良好的生成状态。

酵母抽提物中含有相当数量的Ni,而且由于实验室使用不锈钢器具也造成培养基受到Ni的大量污染,再者配制培养基的其它无机盐及微量元素中也含有少量Ni盐。

这样,虽没有在培养基中另外补充Ni,但由于上述几方面原因,仍使培养基中含有大量Ni,Balch[10]等人报道,虽不加入Ni盐,但培养基中Ni盐浓度仍保持在0.1～0.5mmo l.Diekert[8]等人认为这也是长期以来人们忽视了甲烷菌对Ni 元素营养需要的原因。

甲烷菌生长除需要Ni以外,尚需Fe,Co,M o,Se,W等微量元素,但对甲烷菌中F430而言,其它微量金属元素均不能替代Ni的作用。

Speece[11]等人发现,Ni对甲烷菌的生长必不可少。

1.3　加入微量元素可以提高比乙酸利用率,缩短
HRT,提高V SS浓度
Van den Berg[12]等人报道,对于完全混合反应器,t SR=20d,不加入Ni,比乙酸利用率为2～4g/ (L・d),不超过4.6g/(L・d)乙酸利用率为3.3 g/(L・d);投加Ni,但不补充酵母抽提物,比乙酸利用率为10g/(L・d);同时补充Ni和酵母抽提物时,比乙酸利用率为12～15g/(L・d).Murray和v an den Ber g[13]报道,在厌氧生物滤池中加10nm ol 的Ni和50nm ol的Co,乙酸转化为甲烷的速率提高了。

处理食品工业废水,由于补充这些微量金属元素,甲烷产量提高了42%,缩短了HRT。

Speece[14]等人报道,Fe,Co,Ni的补充有助于维持较高的VSS浓度。

当只加酵母抽提物时, V SS=1.8g/L;当补充Fe,Co,Ni时, V SS= 3.0g/L;当同时补充Ni 和酵母抽提物时, V SS=7.0g/L.
1.4　微量元素的加入方式及甲烷菌优势菌种变化
T akashim a和Speece报道[15],微量金属元素Fe,Co.Ni的氯化物与无机营养液中其它物质混合,当生物停留时间SRT为20d时,只能达到很低的乙酸利用率4～8kg/(m3・d);但如果Fe,Co,Ni的氯化物直接加入反应器内,则当生物停留时间SRT 为5d时乙酸利用率即可高达30kg/(m3・d),如此高的乙酸利用率是由于FeCl2,NiCl2和CoCl2直接加入反应器后,反应器内甲烷菌的优势菌种发生了变化,由索氏甲烷丝菌M athano sata (M ethano thrix)占优势到巴氏甲烷八叠球菌M ethanosarcina(大多数是M.max ei)占优势,这两种甲烷菌均是能利用乙酸的,但两者生成速率有很大区别。

甲烷丝状菌比活性低,所以它在具有低醋酸浓度的系统中占优势,而在高醋酸浓度情况下,并且所需微量营养足够,则甲烷八叠球菌就占优势。

而且后者比活性是前者的3～5倍。

微量营养元素的加入方式是很重要的。

Speece 报道[5],如果微量金属盐不直接加入反应器,即使在特别高的乙酸浓度情况下,仍是甲烷丝菌占优势。

而当Fe,Co,Ni盐直接加入反应器后,甲烷八叠球菌占优势,其特点是乙酸利用率高并且世代时间短,并且报道如营养足够,控制得当的话,大约2～3周优势菌种发生转变。

2　微量金属元素对毒性物质拮抗作用
厌氧处理中甲烷菌对毒性物质往往较发酵菌更为敏感,且利用乙酸盐的甲烷菌较利用H2/CO2的甲烷菌更易受毒性物质抑制[5]。

因此毒性物质的存在及其浓度是影响厌氧处理重要因素。

甲烷菌对毒性物质反应受营养条件影响。

营养充足与否会减轻或加强毒性物质对甲烷菌的影响[1]。

据Li和Speece[15]报道,投加微量金属元素Fe,Co和Ni可以加快甲烷菌对高钠离子环境的驯化过程并可以缓解高钠离子对甲烷菌的抑制作用。

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Daom ing 和Forster [16]报道K +
离子是存在于咖啡废水中的抑制性物质,Ca 2+能有效地对其产生拮抗作用。

李亚新和董春娟等[17]报道,Fe,Co,Ni 能对高NH +4-N 的毒性产生明显拮抗作用,并且NH +4-N 浓度越高,拮抗作用越明显。

3　微量金属元素加入的经济可行性
Takashima 和Speece [14]
进行了厌氧消化过程中补充N ,P,S,Ca,Mg ,Fe,Ni,Co 等8种无机营养
元素的费用分析。

甲烷菌每转化1000kg 乙酸,需无机营养费用3.08＄.其中N,P 为2.29＄,S 为0.44＄,Ca ,M g ,Fe ,Ni ,Co 为0.29＄.如果假定每转化1000kg 乙酸产生甲烷368m 3.其价值为50＄,则补充8种无机营养盐的费用只占甲烷价值的6%,而补充N ,P 以外6种无机元素所需的费用仅占甲烷产值的1.5%.由此可见,补充N ,P 以外
无机营养元素的费用远小于由于增加甲烷产量所带
来的经济效益。

4　结语
虽然厌氧消化过程中N ,P 是主要的营养元素,但其它一些无机营养Fe ,Co ,Ni ,M o ,Se 等也是必需的。

微量金属元素特别是Fe,Co,Ni 的加入能使反映器内甲烷菌的优势菌种发生变化,由索氏甲烷八叠球菌占优势到巴氏甲烷八叠球菌占优势,从而使乙酸利用率提高数倍。

但Fe,Co ,Ni 等营养需直接加入反应器,从而保证甲烷菌的充分利用。

微量金属营养元素能对毒性物质产生强烈的拮抗作用。

在厌氧消化过程中补充甲烷菌所需的无机营养元素,特别是加入微量金属元是提高厌氧消化过程效率和稳定性的重要途径。

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LD Pumped Yb 3+
-doped Double -Cladding Fiber Laser
Cai Dongmei ,Wang Jilong ,WangYuncai
(T he S cience College of T U T )
Abstract :U sing Yb 3+-doped double-clad silica fiber and clad pumped techno logy ,the o utput of double-clad fiber in 10m and 20m have been studied.For the 10m fiber ,the laser o utput of 58m w at 1064nm was o btained w ith a pump threshold of 138.8m w and slope efficiency of 10%.Fo r 20m the laser output of 104.8mW at 1067nm w as o btained w ith a pump threshold of 109mW .
Key words :Double-clad ;Yb3+-do ping;fiber laser
(编辑:任万森)
(上接第497页)
Stimulation of Trace Metals on Methangens
Dong Chunjuan Li Yaxin
(H ar bin Univ er sity of T echnology )　(College of civil &E nv ir unmental Engineer ing of T U T )
Lu Bingnan
(H ar bin U niver sity of T echnology )
Abstract :T his review paper summ arizes r esarch results on trace metal stim ulation on methanog ens up to date .When tr ace m etals ,especially Fe ,Co ,and Ni ,w er e injected ,stim ulation o f acetate utilization w as discov ered to be accom panied by a shift in predo minance of methanog ens,trace metals exercised an obvious antago nism against the tox icant.supplement of mineral nutr ients,specially trace m etals,is an important approach fo r enhancement of dig estion pr ocess .
Key words :anaerobic digestion ;methanog ens ;trace metals ;stim ulation
(编辑:任万森)
505
　第5期 蔡冬梅等:L D 泵浦的掺Y b 3+双包层光纤激光器的实验研究。