連續(xù)式污泥厭氧消化對腐殖酸的適應(yīng)性研究

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1 文章亮點

·采用連續(xù)式運行模式，探究不同濃度HA對厭氧消化的影響

·測定系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵酶活性、細菌豐度等微觀指標，進一步深究HA抑制厭氧消化機理

·比較間歇式與連續(xù)式厭氧消化運行結(jié)果，驗證連續(xù)式厭氧消化過程細菌是否被馴化而出現(xiàn)適應(yīng)性

2 文章簡介

污水中所含化學(xué)能通過污泥厭氧消化能源轉(zhuǎn)化效率較低，其中重要原因是剩余污泥中存在的腐殖質(zhì)物質(zhì)對厭氧消化的抑制。剩余污泥中腐殖質(zhì)主要來源于餐廚垃圾、樹葉、廁紙等，屬于較難降解有機物，最終轉(zhuǎn)移到剩余污泥中，占污泥VSS量6-20%。腐殖質(zhì)進入?yún)捬跸到y(tǒng)，將抑制污泥厭氧消化效率。

前期針對腐殖酸（HA，腐殖質(zhì)的重要組成成分）對間歇式厭氧消化影響研究發(fā)現(xiàn)：

在水解階段，HA通過靜電引力、共價鍵合和網(wǎng)捕卷掃與水解酶結(jié)合，減緩水解速率，降低水解效率，其抑制效率為38.2%（HA:VSS=15%）；

在酸化階段，HA作為電子傳遞體或電子受體可促進酸化，促進效率高達101.5%（HA:VSS=15%）；

在產(chǎn)甲烷階段，HA作為電子受體，爭奪中間產(chǎn)物電子，同時抑制F420酶的活性而降低產(chǎn)甲烷效率，抑制率為52.2%（HA:VSS=15%）；

最終HA表現(xiàn)為整體上抑制厭氧消化，抑制率高達35.1%（HA:VSS=15%）。以上間歇式厭氧消化研究發(fā)現(xiàn)，HA對厭氧消化能源轉(zhuǎn)化率的抑制隨其濃度的增加而不斷加劇；那么在連續(xù)式厭氧消化的長期馴化作用下，厭氧消化系統(tǒng)是否會對HA的存在逐漸適應(yīng)，進而減弱其抑制影響？

因此，參考前期間歇式實驗，繼續(xù)采用不含HA的“純凈”剩余污泥，進行半連續(xù)式運行模式厭氧消化研究，在周期換/進泥過程中梯度增加HA投加濃度。通過分析系統(tǒng)生物氣/甲烷產(chǎn)量、水解產(chǎn)物、VFAs、關(guān)鍵酶活性、細菌等參數(shù)隨濃度及時間的變化，探究系統(tǒng)對HA的長期適應(yīng)性是否存在。

結(jié)果顯示，隨著HA濃度由無增長到20%VSS，甲烷產(chǎn)量直接由192 mL/g VSS降低到75 mL/g VSS，抑制率高達74.3%（見圖1）。由圖2可知，水解產(chǎn)物（多糖、蛋白質(zhì)）均隨著HA濃度的增加而不斷累積；圖3顯示，系統(tǒng)內(nèi)最大VFAs累積量出現(xiàn)時間隨HA濃度增加而推遲，且最大產(chǎn)量表現(xiàn)為逐漸增加。對系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵水解酶、產(chǎn)甲烷酶活性研究發(fā)現(xiàn)，HA濃度的增加導(dǎo)致酶活性不斷降低。這些現(xiàn)象顯示，HA對連續(xù)式厭氧消化的宏觀影響基本與間歇式厭氧消化一致。但對系統(tǒng)內(nèi)酸化酶的研究發(fā)現(xiàn)（圖4），隨著HA濃度的增加，其酶活性出現(xiàn)一定程度增長；分析可知，HA作為電子受體接受酸化反應(yīng)過程中的電子，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)氫氣生成量降低，從而解除了氫分壓對酸化反應(yīng)的影響，促進了酸化反應(yīng)的進行。這種促進作用抵消了HA對酸化酶的抑制負作用，表現(xiàn)為對酸化酶的間接促進作用。而對系統(tǒng)內(nèi)主要細菌豐度檢測結(jié)果顯示（圖5），無論是酸化細菌，還是產(chǎn)甲烷細菌豐度都隨著HA濃度的增加而降低。以上實驗結(jié)果意味著連續(xù)式的厭氧消化馴化系統(tǒng)，并沒有出現(xiàn)對HA的適應(yīng)性，甚至表現(xiàn)為更強的抑制作用（連續(xù)式74% vs間歇式35%）（圖6，間歇式與連續(xù)式結(jié)果對比）。

文章同樣指出，無論是間歇式還是連續(xù)式運行模式，HA抑制厭氧消化的能源轉(zhuǎn)化率現(xiàn)象客觀存在。解除該抑制無外乎：1）將HA從污泥中分離；2）采取措施緩解抑制。HA分離不存在技術(shù)難題，但分離工藝費時費力且成本較高，因此尋求有效的緩解抑制手段極為重要。而金屬離子與HA的相互作用將可能形成有效的解除抑制效果，此方面有待于進一步研究。

3 重要結(jié)論

HA對連續(xù)式厭氧消化也存在嚴重的抑制作用，隨著HA濃度增高，其抑制程度不斷增加。同間歇式相比，厭氧消化細菌并未因長期馴化運行而出現(xiàn)對HA的適應(yīng)性，細菌豐度反而進一步降低，最終表現(xiàn)為更強的抑制，其最大抑制率（74%）達到間歇式（35%）的2倍。

(a)

(b)

(c)

圖1 周期內(nèi)生物氣/甲烷產(chǎn)量：a) 生物氣/甲烷產(chǎn)量隨時間變化；b) 單周期內(nèi)每日生物氣產(chǎn)量變化；c) 平均甲烷產(chǎn)量及抑制率

圖2 系統(tǒng)內(nèi)多糖、蛋白質(zhì)累積量

(a)

(b)

圖3 不同HA濃度條件下VFA累積量：a)典型周期內(nèi)TVFA隨時間變化；b)最大VFAs累積量

圖4 系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵酸化酶活性

(a)

(b)

圖5系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵酸化細菌、產(chǎn)甲烷細菌豐度變化

圖6間歇式與連續(xù)式厭氧消化結(jié)果對比

原標題:原創(chuàng)研究 | 連續(xù)式污泥厭氧消化對腐殖酸的適應(yīng)性研究