連續(xù)式污泥厭氧消化對(duì)腐殖酸的適應(yīng)性研究
本文介紹連續(xù)式污泥厭氧消化對(duì)腐殖酸的適應(yīng)性研究
1 文章亮點(diǎn)
·采用連續(xù)式運(yùn)行模式，探究不同濃度HA對(duì)厭氧消化的影響
·測(cè)定系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵酶活性、細(xì)菌豐度等微觀指標(biāo)，進(jìn)一步深究HA抑制厭氧消化機(jī)理
·比較間歇式與連續(xù)式厭氧消化運(yùn)行結(jié)果，驗(yàn)證連續(xù)式厭氧消化過程細(xì)菌是否被馴化而出現(xiàn)適應(yīng)性
2 文章簡(jiǎn)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(duì)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(jī)物，最終轉(zhuǎn)移到剩余污泥中，占污泥VSS量6-20%。腐殖質(zhì)進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)，將抑制污泥厭氧消化效率。
前期針對(duì)腐殖酸（HA，腐殖質(zhì)的重要組成成分）對(duì)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(jià)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(jìn)酸化，促進(jìn)效率高達(dá)101.5%（HA:VSS=15%）；
在產(chǎn)甲烷階段，HA作為電子受體，爭(zhēng)奪中間產(chǎn)物電子，同時(shí)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(dá)35.1%（HA:VSS=15%）。以上間歇式厭氧消化研究發(fā)現(xiàn)，HA對(duì)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(zhǎng)期馴化作用下，厭氧消化系統(tǒng)是否會(huì)對(duì)HA的存在逐漸適應(yīng)，進(jìn)而減弱其抑制影響？
因此，參考前期間歇式實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)采用不含HA的“純凈”剩余污泥，進(jìn)行半連續(xù)式運(yùn)行模式厭氧消化研究，在周期換/進(jìn)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(xì)菌等參數(shù)隨濃度及時(shí)間的變化，探究系統(tǒng)對(duì)HA的長(zhǎng)期適應(yīng)性是否存在。
結(jié)果顯示，隨著HA濃度由無增長(zhǎng)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(dá)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)；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(duì)酸化反應(yīng)的影響，促進(jìn)了酸化反應(yīng)的進(jìn)行。這種促進(jìn)作用抵消了HA對(duì)酸化酶的抑制負(fù)作用，表現(xiàn)為對(duì)酸化酶的間接促進(jìn)作用。而對(duì)系統(tǒng)內(nèi)主要細(xì)菌豐度檢測(cè)結(jié)果顯示（圖5），無論是酸化細(xì)菌，還是產(chǎn)甲烷細(xì)菌豐度都隨著HA濃度的增加而降低。以上實(shí)驗(yàn)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(duì)HA的適應(yīng)性，甚至表現(xiàn)為更強(qiáng)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(duì)比）。
文章同樣指出，無論是間歇式還是連續(xù)式運(yùn)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(fèi)時(shí)費(fèi)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(jìn)一步研究。
3 重要結(jié)論
HA對(duì)連續(xù)式厭氧消化也存在嚴(yán)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(xì)菌并未因長(zhǎng)期馴化運(yùn)行而出現(xiàn)對(duì)HA的適應(yīng)性，細(xì)菌豐度反而進(jìn)一步降低，最終表現(xiàn)為更強(qiáng)的抑制，其最大抑制率（74%）達(dá)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(shí)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(shí)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(xì)菌、產(chǎn)甲烷細(xì)菌豐度變化
圖6間歇式與連續(xù)式厭氧消化結(jié)果對(duì)比
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