纳米零价铁强化糖蜜乙醇废水厌氧处理效果

陈 阳 ，赵明星 *，3，阮文权 ，3

（1.江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡214122；2.江苏省厌氧生物技术重点实验室，江苏 无锡 214122；3.江苏省水处理技术与材料协同创新中心，江苏 苏州215009）

糖蜜乙醇废水是指采用糖蜜发酵蒸馏乙醇后排放的废液，具有有机污染物质量浓度（COD 80 000～130 000 mg/L）和硫酸盐质量浓度（SO42-8 000～10 000 mg/L）高的特点。糖蜜乙醇废水有机污染物的含量较高，排放总量很大，如果不进行处理而直接排入环境中，将会导致水体富营养化，对环境造成严重的污染[1-2]。目前糖蜜乙醇废水的处理方法主要有：生化处理法、絮凝-沉淀法、催化氧化法等[3]，其中厌氧生物处理法因具有有机负荷承受率高、运行过程稳定，产生可再生能源沼气等优点而受到广泛的关注。

但是在厌氧生物处理过程中，SO42-会被硫酸盐还原菌 （SRB）还原生成H2S，从而对产甲烷细菌（MPB）产生抑制作用。研究表明，当有机废水中SO42-质量浓度达到800 mg/L时就开始对MPB产生抑制[4]，所以降低或消除厌氧消化中的H2S抑制作用非常重要。目前的研究主要集中在采用预处理方式来降低废水中的硫酸根，任守军[5]等采用活性炭、BaCl2·2H2O、Ca （OH）2及铁碳微电池法对糖蜜乙醇废水中的硫酸盐进行预处理，产气性能得到较大的提升。除了预处理技术，直接降低或去除厌氧消化过程中产生的H2S也有利于提高废水处理效果。而通过向反应体系中外源投加纳米材料来降低或解除糖蜜乙醇废水厌氧处理过程中H2S抑制效应的研究较少。纳米零价铁具有粒子直径小、颗粒比表面积大，反应活性高等特性，从而具有良好的吸附性能和很高的还原活性[6]。Li[7]等研究了纳米零价铁与硫的不同结合形态，发现硫化氢除了和铁直接形成FeS沉淀，还能够吸附于纳米铁颗粒的表面与Fe和FeOOH发生反应，生成表面配合物，而这些配合物也能够与硫化氢反应生成二硫化物和聚硫化物。在厌氧体系中，纳米零价铁可以作为电子供体。如在产甲烷过程中，嗜氢产甲烷菌可利用纳米零价铁提供的电子将CO2还原生成甲烷。

作者通过向厌氧消化系统中添加NZVI对糖蜜乙醇废水进行中温厌氧消化处理。分析了反应过程中COD和SO42-的去除率、产气率和沼气中甲烷含量、废水中硫酸根和硫化物质量浓度、污泥EPS和脱氢酶活性等。通过分析厌氧颗粒污泥中添加不同质量NZVI对糖蜜乙醇废水厌氧消化处理的影响，以期为工程化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

纳米零价铁粉（粒径50 nm）：购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；厌氧颗粒污泥（TS：12.2%，VS：9.5%）：取自无锡某食品厂厌氧UASB反应器。颗粒污泥直径1～3 mm，实验用水为广西某糖厂的糖蜜乙醇废水，废水稀释10倍后作为原水，主要水质参数为 COD 8 350 mg/L，SO42-1 060 mg/L，pH 4.15。

钠米零价铁粉的表征实验所用的表征设备为X射线衍射仪：日本理学D/max；透射电子显微镜：S-570，日本；纳米铁粉的透射电镜图和XRD图谱见图 1、图 2，图 2 中横坐标为 2θ/（°）。 从图 1 可知，本次实验所用纳米铁粉为球形结构，因磁性和静电引力作用，纳米零价铁易形成链状结构，出现了团聚的现象。在衍射图中2θ为44.698°和65.054°处出现较强特征峰，通过与JCPDF标准卡片对照，与铁的标准衍射峰出峰度数一致，说明铁粉没有被氧化或表面氧化程度极低。以上结果表明，用于本次实验的纳米铁粉纯度较高。

图1 纳米零价铁粉的TEM图Fig.1 TEM image of zero valent iron

图2 纳米零价铁粉的XRD图谱Fig.2 XRD spectrum of zero valent iron

1.2 实验设计

每组实验采用有效容积为250 mL的反应瓶，产生的气体经过装有50 mL乙酸铅溶液的血清瓶吸收硫化氢后用集气袋收集，实验装置见图3。

实验共分为 7 组， 依次编号为 A、B、C、D、E、F和G，其中A组是空白对照组，每组做3个平行，文中数值为3组的平均值。各组添加废水体积、颗粒污泥和NZVI质量见表1。废水初始pH用碳酸钠调节至7.15左右，搅拌混匀，检查装置气密性保证气密性良好，放入（35±1）℃水浴锅中反应3 d。

图3 实验装置简图Fig.3 Diagrammatic drawing of experiment device

表1 实验设计Table 1 Design of experiment

1.3 指标和测定方法

废水COD浓度：采用重铬酸钾法测定[8]；硫酸根质量浓度：采用络合滴定法测定[9]；硫化物：采用碘量法测定[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质和多糖：分别采用Folin-酚法[12]和苯酚-硫酸法[13]测定；污泥脱氢酶活性：采用分光光度法测定[14]；沼气产量：采用排水法测定；气体中甲烷含量：采用气相色谱法测定[15]。

2 结果与讨论

2.1 废水COD的降解情况

反应前后废水COD质量浓度和去除率变化见图4。由图4可知，经过3 d的反应，废水中的有机物被微生物大量降解，反应结束时，各组废水COD质量浓度分别为 3 120、2 880、2 800、2 720、2 560、2 400、2 720 mg/L，COD 的去除率随着 NZVI添加量的增加呈现先上升后下降的趋势，各组降解率分别为 62.5%、65.4%、66.3%、67.2%、69.3%、71.1%和67.4%。NZVI添加量为0.5 g，COD去除效果最好，去除率为71.1%，比空白组提高14.7%。

图4 废水中COD质量浓度的变化情况Fig.4 Changes of COD concentration in wastewater

研究结果表明，NZVI的添加量在一定范围内对COD的去除有促进作用，NZVI产生的Fe2+对厌氧微生物的生长繁殖有利，但是NZVI添加量并不是越多越好。本课题组前期研究表明，在厌氧消化系统中，当亚铁离子质量浓度高于10 mg/L时会对微生物产生毒害作用[16]。过量的NZVI可能会对微生物细胞膜产生作用，影响微生物的代谢活动。Yang[17]等发现NZVI的添加量超过30 mmol/L时会导致厌氧体系混合溶液中的SCOD浓度明显升高，这表明NZVI的添加量过多会对微生物细胞产生破坏作用。Lee[18]等和Li[19]等的研究表明，NZVI的具体作用方式可能是其强还原性分解细胞膜和蛋白质官能团。

2.2 添加NZVI对系统氧化还原电位 （ORP）的影响

ORP作为介质环境条件的一个综合性指标，表征介质氧化性或还原性的相对程度。向厌氧消化体系中添加NZVI后，厌氧消化系统的ORP呈下降趋势，见图5。因为NZVI有强还原性，可导致厌氧消化系统的ORP降低。Li[7]等的研究表明，向有机污泥悬浮液中加入NZVI（0.5 g/L等），厌氧体系ORP迅速从-200 mV降低到-500～-600 mV。由图5可知，添加NZVI的量越多，系统的ORP越低，各组ORP分别为-308、-317、-324、-334、-346、-374、-409 mV。F组和G组ORP分别比A组低-66 mV和-101 mV。较低的ORP有利于MPB的生长，厌氧系统有利于向产甲烷的方向进行。

2.3 厌氧消化过程产气率及气体中甲烷体积分数情况

实验过程中产生的沼气通过乙酸铅溶液吸收硫化氢气体后，用集气袋收集并测定体积，根据COD的降解量计算产气率，每组产气率和气体中甲烷体积分数见图6。

图5 ORP的变化情况Fig.5 Changes of ORP

图6 沼气产率和甲烷体积分数Fig.6 Biogas generation yield and the percentage of methane

图6 表明，反应结束时空白组产气率为275.3 mL/gCOD，气体中甲烷体积分数为39.2%，其他组的产气率和甲烷含量均比空白组高，分别为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组产气率最大，比空白组提高35.6 mL/gCOD，气体中甲烷含量也最高，为58%，比空白组提高18.8%。NZVI在产甲烷的过程中可提供电子，Su[20]等认为NZVI能够为产甲烷过程提供电子，对产甲烷菌的生长代谢有促进作用，使得厌氧消化系统中甲烷产量提高。同时，NZVI产生的Fe2+对产甲烷过程有较大的促进作用，马素丽[21]等研究发现，当向厌氧消化体系中添加Fe2+为3 mg/L时，反应瓶中甲烷累积产量最高，为9 867 mL，比空白组提高了43倍。但是本实验中G组的产气率比F组低，说明NZVI添加过多会对产甲烷菌产生不利影响，这与图4中COD的变化趋势较一致。

NZVI加入厌氧消化系统可降低硫化氢对MPB的抑制作用。郭广寨[22]等的研究发现，向厌氧污泥中添加0.1%的NZVI后，硫化氢的释放速率降低了77.1%，甲烷的产生量提高了40.6%。硫化氢气体通过乙酸铅溶液会生成PbS黑色沉淀，反应结束后发现，A组血清瓶内产生黑色沉淀最多，B组、C组和D组的黑色沉淀也较多，但呈逐渐减少的趋势，而E组、F组和G组则没有观察到黑色沉淀，这也表明NZVI的添加量越多，产生的H2S气体就越少。

2.4 废水中硫酸根与硫化物质量浓度的变化情况

在富含硫酸盐的厌氧环境中，SRB以硫酸盐作为最终电子受体，分解水体中的有机物，获得合成细胞物质和维持生命所需的能量[23]。废水中硫酸根降解情况和反应结束时废水中硫化物质量浓度变化情况见图7。

图7 硫酸根和硫化物质量浓度变化情况Fig.7 Changes of sulfate concentration and sulfide concentration

由图7可知，添加NZVI对硫酸根的去除有促进作用，NZVI添加量越多，硫酸根去除效果越好。反应结束时各组废水硫酸根质量浓度分别为672.4、528.3、432.2、432.3、432.3、432.2、288.2 mg/L，去除率分别为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组，去除率为空白组的1.93倍。在NZVI加入厌氧消化系统中生成Fe2+的过程中会提供大量电子，SRB利用乙酸和氢气，以SO42-为电子受体，形成硫化氢，这可能是SO42-去除率变大的原因。

反应结束后测定各组硫化物质量浓度，分别为78.5、71.8、70.5、66.5、65.2、33.3、38.6 mg/L， 结果表明，添加NZVI可以降低废水中硫化物质量浓度，这有利于MPB和SRB的代谢活动。Li[7]等研究发现，NZVI加入到厌氧消化体系中，可以和硫化氢反应生成FeS、FeS2、FeSn，从而降低硫化氢的质量浓度。舒中亚[24]等的研究发现，NZVI以及铁的氧化产物对SRB有抑制其生长繁殖作用。这与本实验中观察到的现象不一致，分析原因可能是本实验中SRB主要存在于厌氧颗粒污泥中，而添加的NZVI主要分散在废水中，与SRB细菌直接接触较困难，而且SRB还原硫酸根产生的硫化氢释放到水中可以直接与Fe2+反应生成FeS沉淀。舒中亚等的实验中SBR是直接分布在废水中，与NZVI直接接触，导致SRB被抑制或杀灭。

2.5 污泥EPS的变化情况

胞外聚合物（EPS）是活性污泥絮体中三大组成部分之一[25]，主要包括聚集在细胞外部由细胞分泌的高分子聚合物形成的凝胶状物质和污水中含有的部分化合物[26-27]。污泥EPS一方面可为细胞储备碳源和能源，另一方面可减轻细胞所承受的外界环境压力。 EPS中主要是多糖和蛋白质，其他成分为核酸、腐殖酸和脂类等[28-31]。作者测定了反应结束后厌氧颗粒污泥EPS中蛋白质和多糖含量，结果见图8。

图8 污泥EPS中蛋白质和多糖质量分数Fig.8 Contention of protein and polysaccharide contained in EPS of the sludge

图8 表明，NZVI添加量越多，污泥EPS中蛋白质和多糖质量分数越高，各组污泥EPS中蛋白质质量 分 数 分 别 为 10.39、11.73、14.26、18.18、27.37、30.00、46.00 mg/gVSS；多糖质量分数分别为3.05、3.26、3.79、4.25、4.01、4.49、5.05 mg/gVSS。 其他各组污泥EPS质量分数均比空白组高，由EPS来源[26-28]可知，厌氧消化过程中微生物代谢活性的高低与污泥EPS质量分数的高低成正相关，这表明NZVI加入厌氧消化系统可使微生物代谢活性提高，加快废水中COD和硫酸根的降解，这与图4和图7所述的添加NZVI后，废水中COD和硫酸根去除效率增大的结果相符。另外，NZVI的加入提供了Fe2+，通常微生物的细胞表面主要由多聚糖、蛋白质和脂类组成，这些组成中可与金属离子相结合的主要官能基团有羧基、磷酰基、羟基、硫酸脂基、氨基和酰胺基等，其中N、O、P、S作为配位原子与金属离子配位络合[30]。Fe2+与这些官能团反应生成络合物，这也可能是污泥EPS质量分数增加的原因。

2.6 污泥脱氢酶活性的变化情况

脱氢酶可以催化反应体系中的氧化还原过程，能反映微生物菌群对底物的降解和转化能力，是厌氧发酵体系中污泥活性的表征参数[32-33]。

反应结束后测定了各组污泥脱氢酶活性，结果见图9。

图9 各组中污泥脱氢酶活性Fig.9 Activity of dehydrogenase in each group

由图9可知，空白组污泥脱氢酶活性最低为147.8 TFμg/（mL·h），其他各组污泥脱氢酶活性分别为 172.8、187.8、211.8、288.3、340.3、306.3 TFμg/（mL·h）。结果表明，脱氢酶活性随着NZVI添加量的增加呈先升高后降低的趋势，F组脱氢酶活性最大，比空白组提高 192.5 TFμg/（mL·h）。

铁和硫均是微生物合成脱氢酶的重要元素，NZVI加入厌氧消化系统对污泥脱氢酶活性的提高有促进作用。铁元素是构成机体内许多代谢酶的活性成分，如：铁硫蛋白、细胞色素等；铁与某些酶的活性有密切的关系，如乙酰辅酶A、琥珀酸脱氢酶、黄嘌呤氧化酶等，在细胞生物氧化过程中发挥着重要作用[34]。实验结果表明，添加NZVI有利于脱氢酶酶活的增加，而脱氢酶活性和底物降解密切相关，这也可解释添加NZVI后废水中COD和硫酸根降解率比空白实验组高的现象。

因为纳米材料的粒径较小，相对于普通材料更容易扩散到细胞表面[35]。污泥与纳米材料之间存在的静电力使得它们能相互结合[36]，但如果纳米材料和污泥之间的电荷屏障被打破，纳米金属材料就会对细胞造成伤害，严重时会导致细胞死亡[17]。 G组中脱氢酶活性低于F组，这表明NZVI的添加量需要有一个合适的浓度，NZVI添加量过多反而会对微生物产生不利影响。

3 结语

NZVI加入到厌氧反应系统中，由于其极高的还原活性，可提供大量电子和Fe2+，降低了系统的ORP，有利于产甲烷和硫酸盐还原过程，促进糖蜜乙醇废水COD和硫酸根的降解，Fe2+能够促进污泥EPS和脱氢酶活性的增加并降低废水中的硫化物浓度；另外，NZVI具有极强吸附性能，能够吸附H2S生成FeS沉淀，降低或消除硫化物对厌氧消化的抑制，提高糖蜜乙醇废水的厌氧处理效果。糖蜜乙醇废水中COD降解率、脱氢酶活性和产气性能随着NZVI添加量的增加呈现先升高后降低的趋势，NZVI添加量为0.5 g实验组的COD降解率、脱氢酶活性、产气率和甲烷含量最大，分别达到71.1%、340.3 TFμg/（mL·h）、310.9 mL/gCOD 和 58%。 废水中硫化物质量浓度呈先降低后升高的变化趋势，硫化物质量浓度最低为33.3 mg/L。硫酸根去除率和污泥EPS含量与NZVI添加量呈正相关，NZVI添加量为2.5 g实验组的硫酸根去除率、蛋白质和多糖质量分数最大，分别达到72.8%、46.00 mg/gVSS和5.05 mg/gVSS，分别是空白实验组的1.93倍、4.43倍和1.66倍。