1 引言

　　垃圾滲濾液是一種高濃度難降解有機廢水，多年來滲濾液的處理仍以厭氧生物法為主.滲濾液中過高的金屬離子、氨氮、鹽分等會對厭氧過程產生抑制作用，同時，硫酸鹽的存在也會對產甲烷菌產生競爭抑制，硫酸鹽最終還原產物硫化物更是對厭氧菌有直接的毒害作用.滲濾液成分復雜，嚴重抑制了其厭氧處理進程.

　　一些微量元素如：Fe、Co、Ni、Zn、Cu、Mn、Mo、Se、W、B等，對提高厭氧生物處理效率有積極的作用.微量元素不僅促進微生物細胞和酶的合成，同時可以激活相關酶活性.研究表明，微量元素Fe2+、Co2+、Ni2+的添加，促進了厭氧消化及產甲烷過程，其中投加Fe元素可以提高甲醇降解率，并能減緩高硫酸鹽滲濾液對厭氧產甲烷過程的抑制作用，低濃度的Ni促進厭氧降解效果，而加入微量元素Co促使以甲醇作為基質的厭氧顆粒污泥SMA明顯提高.同時，投加Fe、Co和Ni等微量金屬元素時可緩解高鈉離子對甲烷菌的抑制和毒害，并對NH+4-N毒性產生明顯的拮抗作用.不同微量元素在復雜底物為原料的厭氧發酵系統中的作用不一，其生物有效性也受到多種因素的影響，目前微量元素對滲濾液厭氧過程的影響鮮有報道.

　　本文通過單因素和正交試驗，研究Fe2+、Co2+、Ni2+對滲濾液厭氧過程的影響，為確定滲濾液厭氧消化系統所需的適宜的微量元素投加量、提高滲濾液處理效率提供依據.

　　2 材料與方

　　2.1 接種污泥及試驗用水

　　接種顆粒污泥取自南寧市龍州縣南華糖業穩定運行的厭氧罐，污泥色澤黑亮，形狀圓潤，粒徑≤4 mm.顆粒污泥經清水淘洗，去除無機顆粒后過32目篩網備用，污泥TS=66.87 g · L-1，VS=51.41 g · L-1，TS/VS=0.769.

　　滲濾液取自南寧市馬山縣生活垃圾填埋場調節池原水，填埋場場齡2~3年.主要水質指標如表 1所示，其中Fe、Co、Ni的背景值不影響微量元素的添加量.試驗用水添加少量葡萄糖和KH2PO4補充碳源和磷源，控制廢水COD≈3000 mg · L-1，保持C : N : P≈300 : 5 : 1.

　　表1 滲濾液主要水質指標

　　2.2 試驗裝置

　　試驗裝置如圖 1所示，主要由容積500 mL的厭氧反應瓶和500 mL集氣瓶組成，瓶口以翻口膠塞密封，確保嚴格厭氧條件.厭氧發酵產甲烷量通過排水法計量，倒置的排水集氣瓶內裝有濃度為3%的NaOH，以化學吸收法消除產氣中的CO2和H2S.反應瓶均置于恒溫水浴箱(35±2 ℃)內，以提供厭氧微生物適宜的溫度環境.

　　圖 1 厭氧間歇試驗裝置

　　2.3 試驗方法

　　血清瓶內接種100 mL顆粒污泥和300 mL滲濾液，并通入N2 3 min以排出瓶內空氣，瓶口密封后插入導氣管，連接至排水瓶，中溫(35±2 ℃)產氣發酵，量筒內測量的排水體積等同于厭氧發酵產甲烷量.試驗過程反應瓶以振蕩方式保證泥水混合均勻.試驗開始前，以滲濾液原液淘洗培養污泥3~5 d.試驗過程中，投加的微量元素離子濃度換算為相應的FeC12 · 4H2O、CoCl2 · 6H2O、NiCl2 · 6H2O分子濃度，以溶液形態加入.

　　試驗分為單因素試驗和正交試驗.單因素試驗微量元素的投加量分別為Fe2+：5、10、15、25、50 mg · L-1，Co2+：0.5、1、3、5、10 mg · L-1，Ni2+：0.5、1、3、5、10 mg · L-1.正交試驗依據單因素試驗結果，選取較優的濃度范圍，選擇L9(34)正交表進行設計并試驗.各組試驗均設置6個平行試驗，并設置對照組C(未添加微量元素)和空白組(內源產氣).每組反應時間均為1 d，測定上清液pH值、COD值，記錄甲烷產量.

　　2.4 測定項目和分析方法

　　CODCr、pH分析項目及測試方法參照《水和廢水監測分析方法》(國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》，產氣通過排水法收集并計量.圖表繪制使用Origin8進行繪制，數據使用SPSS Statistics 19進行統計學分析.

　　3 結果與分析

　　3.1 單因素試驗

　　3.1.1 投加Fe2+對厭氧過程的影響

　　研究表明，Fe元素在合成產甲烷菌組織的金屬元素中含量最高，同時是合成厭氧系統中多種酶(如CO脫氫酶、乙酰輔酶A合成酶、氫化酶等)所必須的元素，并能夠激活相關酶的活性.投加Fe2+對COD去除率、產甲烷量和pH值的影響如圖 2所示.由圖 2可知，Fe2+的投加對滲濾液厭氧處理的COD去除率和產甲烷量均有顯著提高(p<0.05).隨著Fe2+投加濃度的增加，COD去除率和產甲烷量均呈現先上升后下降的趨勢，當Fe2+投加量為10~25 mg · L-1時，對滲濾液厭氧過程的促進效果較為接近，其中當Fe2+投加量為25 mg · L-1時，COD去除率和產甲烷量較對照分別提高了15.38%、23.16%.與此不同的是，低濃度的Fe2+(≤3 mg · L-1)則對藍藻厭氧發酵的促進效果最好，投加0.56 mg · L-1的Fe2+時提高了以甲醇為基質時顆粒污泥的產甲烷活性，這可能是由于滲濾液成分復雜，外加的Fe2+(或氧化成Fe3+)通常與滲濾液中大量的無機配位體(如S2-、CO2-3等)形成鐵鹽沉淀，影響了鐵元素的生物有效性，導致此滲濾液厭氧系統對鐵元素的需求量增加.而Fe2+投加濃度過高，同樣對厭氧進程產生抑制，研究報道，當Fe2+投加濃度超過50 mg · L-1時，對發酵產氫過程中的COD去除率和硝基苯降解過程中的污泥產甲烷活性均有輕微的抑制作用，與本文研究一致.由于滲濾液堿度充足，Fe2+濃度的提高對各組試驗上清液pH值無顯著影響，均保持在7.0~7.1之間，無酸化現象發生.

　　圖 2 投加Fe2+對COD去除率、產甲烷量和pH值的影響(注：圖中同一指標含不同小寫字母(a、b、c)表示差異顯著(p<0.05)，下同.)

　　3.1.2 投加Co2+對厭氧過程的影響

　　Co同樣參與CO脫氫酶的合成，同時是輔酶B12、甲基轉移酶的組成成分，對厭氧體系中乙酸的形成、互養微生物間的電子轉移、產甲烷過程等階段起著重要的作用.投加Co2+對COD去除率、產甲烷量和pH值的影響如圖 3所示，隨著Co2+投加濃度的增加，COD去除率和產甲烷量均呈現先上升后下降的趨勢.報道稱，投加0.295 mg · L-1(5 μmol · L-1)的Co2+能有效提高污泥以甲醇為基質時的產甲烷活性，而Bartacek等的毒性試驗也表明，自由Co2+離子濃度達到0.767 mg · L-1(13 μmol · L-1)時則抑制了50%的產甲烷活性.本試驗條件下，當Co2+投加濃度為0.5~3 mg · L-1時，COD去除率和產甲烷量較對照明顯提高，特別是當Co2+投加濃度為1 mg · L-1時對COD去除率和產甲烷量促進顯著(p<0.05)，較對照分別提高了10.33%、43.2%.當Co2+投加濃度高于5 mg · L-1時，產甲烷量顯著下降，其濃度可能超過了甲烷菌的耐受限度，產生了毒性作用，抑制了厭氧產氣進程.由此表明，Co元素在此滲濾液厭氧系統下的生物有效性同樣受到限制，表現為其對厭氧過程的促進和毒性作用濃度較其他研究偏高.各組試驗上清液pH值隨Co2+濃度的提高無顯著變化，均維持在7.05~7.15之間，無酸化現象發生.

　　圖 3 投加Co2+對COD去除率、產甲烷量和pH值的影響

　　3.1.3 投加Ni2+對厭氧過程的影響

　　Ni元素參與CO脫氫酶、乙酰輔酶A合成酶、氫化酶等重要酶的合成，同時是輔酶M和輔酶F430的重要成分，對甲基輔酶M還原酶(MCR)催化甲烷的生成起著關鍵作用.投加Ni2+對COD去除率、產甲烷量和pH值的影響如圖 4所示，隨著Ni2+投加濃度的增加，產甲烷量呈現先上升后下降的趨勢.其中當Ni2+投加濃度為0.5 mg · L-1時，COD去除率較對照提高了0.39%，而投加量超過0.5 mg · L-1時，COD去除率逐步降低，Ni2+濃度達到10 mg · L-1時，COD去除率下降顯著(p<0.05).而Ni2+的投加，顯著提高了產甲烷量，當Ni2+濃度為0.5 mg · L-1時產甲烷量較對照提高了42.23%，超過此值時產甲烷量逐步降低，到達10 mg · L-1時與投加量0.5 mg · L-1相比下降顯著(p<0.05)，這與報道的當溶解態鎳離子濃度達到8~12 mg · L-1時厭氧體系受到嚴重抑制的結果相.農麗薇等的研究表明，低濃度的Ni2+(0.2 mg · L-1)促進稻草厭氧消化，陳皓等研究也證實了Ni2+<5 mg · L-1時對2-氯酚厭氧降解表現出輕度促進，而受到基質種類、厭氧條件等因素的影響，不同厭氧體系對Ni2+的需求量不同，Ni2+的投加量過高則會產生毒性作用，本滲濾液厭氧體系下，厭氧微生物對Ni2+的反應較為敏感，表現為低濃度促進高濃度抑制，可能與滲濾液成分復雜有關.各組試驗上清液pH值均保持在7.09~7.17之間，無酸化現象發生.

　　圖 4 投加Ni2+對COD去除率、產甲烷量和pH值的影響

　　3.2 正交試驗

　　依據單因素試驗結果，正交試驗設置三水平，其中水平1：Fe2+：10 mg · L-1，Co2+：0.5 mg · L-1，Ni2+：0.5 mg · L-1;水平2：Fe2+：15 mg · L-1，Co2+：1 mg · L-1，Ni2+：1 mg · L-1;水平3：Fe2+：25 mg · L-1，Co2+：3 mg · L-1，Ni2+：3 mg · L-1.正交試驗設計見表 2.

　　表2 L9(34)正交表

　　正交試驗COD去除率、產甲烷量和pH值變化見圖 5，可以看出，微量元素Fe2+、Co2+、Ni2+組合投加后，厭氧料液pH值和產甲烷量有顯著提升(p<0.05，較對照分別提高了5.74%±0.36%和61.68%±5.53%)，這可能是由于3種微量元素在產甲烷過程中存在協同作用，甲烷菌的對底物揮發性脂肪酸(VFAs，主要為乙酸)的利用程度增大，有效降低了溶液中VFAs含量，使料液pH值接近于接種廢水(pH=8.15)，并提高了產甲烷量(明顯優于單因素試驗組)，由此也說明了缺乏某一元素會使污泥的產甲烷活性明顯降低，同時驗證了微量元素在促進微生物新陳代謝中的作用并非是孤立的.厭氧廢水中被去除的COD主要轉化為甲烷，通常情況下，產甲烷量與COD去除率呈相關的關系，但試驗表明，Fe2+、Co2+、Ni2+的組合投加在顯著提高產甲烷量的同時COD去除率卻有所下降，較對照低6.67%±4.84%(其中3號和9號COD去除率顯著下降)，可能是因為產氣量的增大，部分死亡的微生物細胞在水力和氣體劇烈擾動下發生破裂，其細胞內有機成分釋放到溶液中增大了COD的值，但影響溶液COD濃度的因素較為復雜，仍需進一步研究.

　　圖 5 正交試驗COD去除率、產甲烷量和pH值變化

　　為考察Fe2+、Co2+、Ni2+三因素對厭氧過程影響作用的順序，對正交試驗進行直觀分析，結果見表 3.在Fe2+、Co2+、Ni2+同時存在于滲濾液厭氧體系的情況下，以COD去除率為指標，極差值的大小順序為：Co2+>Ni2+>Fe2+.厭氧過程中，水解酸化和產乙酸階段將大分子的有機物降解為小分子有機物，此階段并不能有效降低溶液中COD的值，而Co元素作為重要的轉甲基酶組成成分，對小分子有機物轉化為甲烷氣體排出的產甲烷過程起到關鍵作用，增強了甲烷轉化效果，能顯著降低溶液中COD含量，這也表明了Co2+是影響COD去除率的主要因素;以產甲烷量為指標，極差值的大小順序為：Fe2+>Ni2+>Co2+.Fe元素能夠參與微生物體內細胞色素及氧化酶的合成，還可作為胞內氧化還原反應的電子載體，促進了揮發性脂肪酸的產生，提供了大量供甲烷菌利用的中間產物，提高了甲烷產量，因此，Fe2+是影響產甲烷量的主要因素.同時，影響產甲烷量的各微量元素排序與Scherer等測定的產甲烷菌細胞中微量元素含量的順序(Fe>Ni>Co)是一致的，表明了微量元素對產甲烷量的影響還與合成甲烷菌細胞體內的元素含量相關.

　　表3 正交試驗極差分析表

　　為考察Fe2+、Co2+、Ni2+三因素對厭氧過程影響的顯著性，對正交試驗進行方差分析，見表 4.顯著性水平10%時，經F檢驗，當Fe2+、Co2+、Ni2+在促進厭氧過程的較優濃度范圍(三水平)內時，對厭氧過程中COD去除率和產甲烷量的影響均不顯著(Fa< F0.1，2，2=9，Fb< F0.1，2，4=4.32，α=0.1)，表明3種微量元素在其各自適宜的投加濃度范圍內時，對滲濾液厭氧過程的促進效果較為相近.

　　表4 正交試驗方差分析

　　3.3 COD去除率、產甲烷量和pH值相關性分析

　　對單因素和正交試驗的COD去除率、產甲烷量和pH值進行雙因素Pearson相關性分析，結果見表 5. pH值是反映厭氧體系穩定性的重要指標之一，試驗中各試驗組的pH值維持在7.05~7.53之間，厭氧體系較為穩定.在厭氧過程中，水解發酵階段和產氫、產乙酸階段將復雜的有機物降解為小分子有機物，并產生大量VFAs，使料液pH值下降，而產甲烷階段中甲烷菌以VFAs為底物進行新陳代謝，產生甲烷，使料液pH值回升.因此，甲烷菌產甲烷效率的高低，直接影響著厭氧料液中pH值的大小.表 5可以看出厭氧產甲烷量與pH值呈現顯著的相關關系，其中在Co2+、Ni2+單因素試驗和正交試驗條件下，厭氧產甲烷量與pH值呈現顯著的正相關關系，即隨著pH值的升高厭氧過程中的產甲烷量相應增加，但在Fe2+單因素試驗下，產甲烷量與pH值呈現顯著的負相關關系，如前所述，Fe2+能夠有效促進揮發性脂肪酸的產生，而由于缺乏其他必要的微量元素(如Ni2+、Co2+等)，產甲烷過程重要的酶活性降低，使厭氧產甲烷速率低于產酸速率，引起有機酸的積累，因而導致產甲烷量與pH值在數值上呈現負相關關系.試驗中，厭氧料液內COD含量受微量元素種類、細胞破碎程度、微生物活性等多種因素的影響，因而導致COD去除率與pH值及產甲烷量的相關性不顯著(見表 5).

　　表5 COD去除率、產甲烷量和pH值Pearson相關性分析(雙因素比較)

　　4 討論

　　試驗表明，投加Fe2+、Co2+、Ni2+后對滲濾液厭氧過程均有一定的影響，3種微量元素(特別是Co2+和Ni2+)的影響作用表現出了Hormesis效應，即低濃度促進高濃度抑制，各元素在適宜的投加量下對COD去除率和產甲烷量均有顯著的促進作用.單因素試驗組對比發現，Fe2+的投加部分起到了絮凝作用，并具有一定的氧化性，因此對COD的去除效果較Co2+和Ni2+的好，而Co2+和Ni2+參與了產甲烷過程中多種重要酶的合成，促進甲烷菌對中間產物VFAs的利用(表現為Co和Ni試驗組pH值較Fe的稍高)，提高了產甲烷量.而3種微量元素組合投加時，對產甲烷量起到了協同促進作用，Patidar和Tare報道Fe和Co能夠協同激活甲烷菌的作用，而Ni的存在卻影響了甲烷菌對Co的吸收，因此，不同微量元素的協同或拮抗作用有待進一步研究.

　　滲濾液中污染物成分與垃圾中有機組分相近，Lo等研究多種元素對城市生活垃圾厭氧發酵的影響，表明Co濃度為0.15~0.58 mg · L-1，Ni濃度為0.80~5.36 mg · L-1時增強了厭氧產氣率，而當Co濃度為8.63 mg · L-1，Ni濃度為7.24 mg · L-1時半數活性受到抑制，與本文研究相近.本試驗微量元素投加量較其他多數研究偏高的原因之一，是由于多數研究微量元素的促進或毒性作用均以單一的甲醇、醋酸或H2/CO2等作為產甲烷基質，微量元素的生物有效性受廢水組成的影響不大，而滲濾液水質組成較為復雜，不同廢水中無機配位體不同及微量元素不同的化學形態，影響了微量元素的生物有效性或毒性，且不同溫度下厭氧發酵系統對微量元素的需求也不同，因此有必要研究不同廢水、不同處理工藝及不同微生物菌落對微量元素的需求.具體參見污水寶商城資料或http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。

　　5 結論

　　1)投加Fe2+、Co2+、Ni2+對滲濾液厭氧過程的影響表現出了Hormesis效應，其中分別投加Fe2+=25 mg · L-1、Co2+=1 mg · L-1、Ni2+=0.5 mg · L-1時COD去除率和產甲烷量較對照分別提高了15.38%、10.33%、0.39%和23.16%、43.2%、42.23%;3種微量元素組合投加時，協同促進了甲烷的產生，較對照提高了61.68%±5.53%;正交試驗得出3種微量元素對促進COD降解效率的排序為：Co2+>Ni2+>Fe2+，對促進甲烷產量的排序為：Fe2+>Ni2+>Co2+，但3種微量元素在各自適宜的投加濃度范圍內時，對滲濾液厭氧過程的促進效果較為相近;試驗過程中，各試驗組pH值維持在7.05~7.53之間，并與產甲烷量呈顯著的相關關系.

　　2)受基質成分、厭氧條件、優勢微生物不同的影響，滲濾液厭氧體系對微量元素的需求較別的體系偏高，同時，滲濾液成分較為復雜，微量元素的生物有效性一定程度上受到了限制.