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1 文章亮点
·采用连续式运行模式,探究不同浓度HA对厌氧消化的影响
·测定系统内关键酶活性、细菌丰度等微观指标,进一步深究HA抑制厌氧消化机理
·比较间歇式与连续式厌氧消化运行结果,验证连续式厌氧消化过程细菌是否被驯化而出现适应性
2 文章简介
污水中所含化学能通过污泥厌氧消化能源转化效率较低,其中重要原因是剩余污泥中存在的腐殖质物质对厌氧消化的抑制。剩余污泥中腐殖质主要来源于餐厨垃圾、树叶、厕纸等,属于较难降解有机物,最终转移到剩余污泥中,占污泥VSS量6-20%。腐殖质进入厌氧消化系统,将抑制污泥厌氧消化效率。
前期针对腐殖酸(HA,腐殖质的重要组成成分)对间歇式厌氧消化影响研究发现:
在水解阶段,HA通过静电引力、共价键合和网捕卷扫与水解酶结合,减缓水解速率,降低水解效率,其抑制效率为38.2%(HA:VSS=15%);
在酸化阶段,HA作为电子传递体或电子受体可促进酸化,促进效率高达101.5%(HA:VSS=15%);
在产甲烷阶段,HA作为电子受体,争夺中间产物电子,同时抑制F420酶的活性而降低产甲烷效率,抑制率为52.2%(HA:VSS=15%);
最终HA表现为整体上抑制厌氧消化,抑制率高达35.1%(HA:VSS=15%)。以上间歇式厌氧消化研究发现,HA对厌氧消化能源转化率的抑制随其浓度的增加而不断加剧;那么在连续式厌氧消化的长期驯化作用下,厌氧消化系统是否会对HA的存在逐渐适应,进而减弱其抑制影响?
因此,参考前期间歇式实验,继续采用不含HA的“纯净”剩余污泥,进行半连续式运行模式厌氧消化研究,在周期换/进泥过程中梯度增加HA投加浓度。通过分析系统生物气/甲烷产量、水解产物、VFAs、关键酶活性、细菌等参数随浓度及时间的变化,探究系统对HA的长期适应性是否存在。
结果显示,随着HA浓度由无增长到20%VSS,甲烷产量直接由192 mL/g VSS降低到75 mL/g VSS,抑制率高达74.3%(见图1)。由图2可知,水解产物(多糖、蛋白质)均随着HA浓度的增加而不断累积;图3显示,系统内最大VFAs累积量出现时间随HA浓度增加而推迟,且最大产量表现为逐渐增加。对系统内关键水解酶、产甲烷酶活性研究发现,HA浓度的增加导致酶活性不断降低。这些现象显示,HA对连续式厌氧消化的宏观影响基本与间歇式厌氧消化一致。但对系统内酸化酶的研究发现(图4),随着HA浓度的增加,其酶活性出现一定程度增长;分析可知,HA作为电子受体接受酸化反应过程中的电子,导致系统内氢气生成量降低,从而解除了氢分压对酸化反应的影响,促进了酸化反应的进行。这种促进作用抵消了HA对酸化酶的抑制负作用,表现为对酸化酶的间接促进作用。而对系统内主要细菌丰度检测结果显示(图5),无论是酸化细菌,还是产甲烷细菌丰度都随着HA浓度的增加而降低。以上实验结果意味着连续式的厌氧消化驯化系统,并没有出现对HA的适应性,甚至表现为更强的抑制作用(连续式74% vs间歇式35%)(图6,间歇式与连续式结果对比)。
文章同样指出,无论是间歇式还是连续式运行模式,HA抑制厌氧消化的能源转化率现象客观存在。解除该抑制无外乎:1)将HA从污泥中分离;2)采取措施缓解抑制。HA分离不存在技术难题,但分离工艺费时费力且成本较高,因此寻求有效的缓解抑制手段极为重要。而金属离子与HA的相互作用将可能形成有效的解除抑制效果,此方面有待于进一步研究。
3 重要结论
HA对连续式厌氧消化也存在严重的抑制作用,随着HA浓度增高,其抑制程度不断增加。同间歇式相比,厌氧消化细菌并未因长期驯化运行而出现对HA的适应性,细菌丰度反而进一步降低,最终表现为更强的抑制,其最大抑制率(74%)达到间歇式(35%)的2倍。
(a)
(b)
(c)
图1 周期内生物气/甲烷产量:a) 生物气/甲烷产量随时间变化;b) 单周期内每日生物气产量变化;c) 平均甲烷产量及抑制率
图2 系统内多糖、蛋白质累积量
(a)
(b)
图3 不同HA浓度条件下VFA累积量:a)典型周期内TVFA随时间变化;b)最大VFAs累积量
图4 系统内关键酸化酶活性
(a)
(b)
图5系统内关键酸化细菌、产甲烷细菌丰度变化
图6间歇式与连续式厌氧消化结果对比
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