连续式污泥厌氧消化对腐殖酸的适应性研究.doc

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1、连续式污泥厌氧消化对腐殖酸的适应性研究本文介绍连续式污泥厌氧消化对腐殖酸的适应性研究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

2、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

3、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

4、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

5、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7