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基于pH值调控的厌氧酸化产物分布及微生物群落特征研究
时间 : 2019-02-21 浏览量 : 49

厌氧发酵是沼气工程中的关键过程,今天为大家分享一篇关于些过程的行业论文


本文转自《中国沼气》2018第1期,作者吴娟娟 徐恒 Nasir Ali 苑泉 黄博 于彩虹 王凯军


果蔬和餐厨垃圾是我国城市生活垃圾的重要组 成部分,其有效处理处置仍面临巨大挑战。由于它们的含水率高、有机质含量高且易降解,相比于卫生填埋、焚烧和堆肥等技术,沼气工程厌氧消化技术因具有更加显著的经济、环保和能源效益而得到广泛应  用-。在沼气工程应用中,一般采用单相全混流  反应器(CSTR)处理这类易降解固体物料。此外,考虑到物料水解酸化过程非常迅速,通常设计采用较  长的停留时间(30d左右)和较低的有机负荷(低于  3gs·Ld-1),以避免沼气工程厌氧反应系统出现酸化和  持稳定的污泥产甲烷活性。为提高厌氧处理过程  的效率和稳定性,目前,国内外学者大多关注两相厌  氧消化技术工艺的研发3°。根据水解酸化和产甲  烷微生物的生理生态特性差异,在空间上将传统单  厌氧反应器分为产酸相和产甲烷相两个反应器,  以维持各自最佳性能2=8。然而,通过分析现有文  献报道结果可知,单相和两相厌氧工艺效果的优劣  尚存在较大争议12。这可能主要由于在不同物  料组分、接种物等条件下产酸相的酸化产物类型存  波动,从面影响两相工艺整体效果。因此,有必要  对酸化产物分布特征进行考察,以便于实现产物的  定向调控和产酸相过程优化  前期研究表明,在诸多环境因子中,pH  值

对酸化产物分布和产量具有重要影响,且容易在实  际操作中进行调控。同时,考虑到碳水化合物是果  蔬和餐厨垃圾的重要组分之一,因此,笔者研究拟以  纯物质葡萄糖为原料,在pH值分别控制为4.0,5.0  和6.0条件下,考察酸化产物分布情况,并与不控制  pH值的对照组进行对比。此外,与其他短周期的间

歇式产酸沼气工程实验研究方法不同3,笔者拟在半连续

长期运行条件下开展沼气工程酸化产物分布特征研究,同时

辅以污泥沉淀操作,以期获得稳定的产酸微生物群

落,最后对不同酸化产物分布下的优势菌群特征进

行分析与比较。笔者研究结果有望为后续果蔬和餐

厨垃圾产酸调控和沼气工程两相厌氧消化工艺高效稳定运行

提供理论依据。

1材料与方法

1.1接种污泥

原污泥取自北京市某污水处理厂的污泥厌氧消化池,其VSS为16.74g·L1,Vs/TS为0.538,接种污泥VSs为8g·L

1.2实验装置与方法

如图1所示,沼气工程实验采用的反应器有效容积为1  L,HRT设为4d,并借助pH值控制系统对其ph值  进行实时监测与调控。实验设置4套反应装置(分  别命名为R0,R1,R2和R3),其中R0为对照组,其  pH值不作控制,R1,R2和R3的pH值分别控制在  4.0,5.0和6.0左右。所有反应器放置在35℃恒


温室内磁力搅拌器上(转速280mm)。实验基质为  葡萄糖溶液(由厌氧培养液配制而成,葡萄糖浓  度为20g·1)。为富集稳定的产酸微生物群落,2  出料前反应器静置30min。实验期间定期取样  反应器内产气和酸化产物特性,实验结束后对产2微生物的群落进行分析

和总量化4


图1沼气工程实验装置示意图

1.3分析与计算方法  沼气工程产气特性分析:气体产量(mL)由气袋法测量  采用安捷伦A7890气相色谱仪对气体组分(H  CH4等)进行测定,采用的气相色谱仪配备有4.6m  3.2mm不锈钢 Carboxen-100060/80目)填充  柱。缸气作为截气其流速为30m,m像  min。其他运行参数包括:沼气工程进样口温度(150℃),TCD  检测器温度(250℃),柱温(150℃)。  酸化产物种类和浓度(mmol·L):采用安捷  伦A7890气相色谱仪对酸化产物中的挥发性有机  酸(乙醇、乙酸等)的进行测定,毛细管柱为DB  FFAP(30m,0.53mm,L.D×1.0μm);使用FID检  测器,进样器和检测器温度分别为230℃,230℃;柱  温箱温度为180℃;载气为氮气,柱流量恒定在  L·minl。采用岛津高效液相色谱仪(LC-201  测定样品中的乳酸,色谱柱为 Aminex HPX87H,300  7,8m,检测器为UY检测器(20m),采用的  流动相为0.005mol·L稀硫酸。  微生物群落分析:采用 OMEGA土壤提取试剂  盒提取污泥基因组DNA,具体方法参照试剂盒说明  书;PCR扩增采用341f(5′ CCTACGGGNGGCWG  CAG-3)和805r(5′ GACTACHVGGGTATCTAATCC  3)引物;PCR结束后,PCR产物进行琼脂糖电泳  对DNA进行回收;利用 Qubit2.0DNA检测试剂盒  对回收的DNA精确定量,以方便按照1:1的等量混  合后测序;最后使用 Illumina MiSeq高通量测序平台进行基因测。  沼气工程酸化率计算方法:总酸化产物(以COD计)占进料TCO的百分比。


2结果与分析  2.1不同pH值对酸化产物组成的影响  8如不同pH值条件下的沼气工程酸化产物分布与酸化率变  况如图2-图5所示。RO的酸化产物总量在  46-71.79mmol·L之间波动,明显低于R1、R2  R3,说明控制pH值能显著提高反应器酸化产物  量,这与张玉静等人的研究结果一致。对比  R1、R2、R3的酸化产物情况可知,R2的酸化产物总  量最高,基本稳定在204.47mmol·L左右,其酸  化率高达97.4%,明显高于R1(最高酸化率为

和R3(最高酸化率79.35%),这说明,相比于pH值为4.0和6.0,pH值控制为5.0时有助于提高反应器酸化效率和酸化产物总量。从图5还可以看出,pH值为6.0时酸化产物波动较大,反应器稳定性较差。

就酸化产物分布情况而言(见图2),不控制pH值的R0以乙醇为主,其含量高达91.23%;当pH值为4.0(见图3)时,反应器酸化产物以乙醇和乳酸


为主,其中,乙醇占比在12.41-75.86%之间,乳  占比高达75.3%。这与前期沼气工程研究中的pH值为4.0  时果蔬垃圾酸化产物分布情况比较类似。pH值  为5.0(见图4)时,反应器主要以乙醇、乳酸和乙酸  为主,3者占比之和高达93.83%,且较pH值为6.0(见图5)时酸化产物组分占比更平稳,乙醇和乳酸的占比波动较大,分别为2.04-46.0%和1.5836.67%,可能是由于乙醇和乳酸容易转化成乙酸的缘故。pH值为6.0(见图5)时,酸化产物分布波动较大,在反应器运行前期有丙酸和正丁酸出现;之后正丁酸的占比逐渐降低,而丙酸占比随之增加;且此时的酸化产物种类最丰富。前期文献研究表明3,21-2),相比于乙醇和乳酸,丙酸在热力学上具有难降解性,容易造成厌氧反应器内酸积累,对微生  物活性产生抑制,进而对反应器运行效率产生不利  影响。因此,上述研究结果表明,当pH值为5.0(见  图4)时,不仅反应器酸化率最高,而且酸化产物以  相对易降解的乙醇、乳酸和乙酸为主,有望作为沼气工程两相  厌氧消化工艺中酸化相的优选条件。


2.2不同pH值对沼气工程产气特性的影响  在沼气工程实验稳定期间,4个反应器产气速率差别不  大,平均值分别为224.7mL·d-,218.4mL·d-1,  262.2mL·d-1和227.7mL·d-1,其中,R2产气速  率最高,与此条件下最高的酸化率基本吻合。图6  和图7给出了气体中氢气和甲烷组分的变化情况。  反应器运行初期,4个反应器均有少量氢气产生。  然而,仅R2一直有极少量氢气的产生,其含量约为0.84(±0.19)%,关于氢气产生的具体原因,有待进一步实验分析和研究。值得注意的是,在R3中能检测到较高含量的甲烷(0~30%),这说明在pH值为6的条件下,产甲烷古菌的活性很难得到完全抑制。


2.3微生物群落分析

图8给出了沼气工程实验结束后各反应器污泥样品属水平细菌的相对丰度分布情况。接种原泥中属水平微生物种类丰富,相对丰度<5%的细菌一共占58.09%,相对丰度较大的仅有 Levitina(13.83%)和 Ornatilinea(6.5%)。与接种污泥相比,RO(pH值在3.21~3.62之间波动)和R1(pH值4.0)的属水平微生物优势菌群较为单一, Lactobacillus为优势菌属,相对丰度分别为86.4%和93.48%。原泥中


Lactobacillus的相对丰度仅为0.03%,这说明在不  制pH值和pH值控制为4.0的条件下形成了稳?  的以产乳酸菌群为主的菌群结构(2-2x。


图8属水平细菌相对丰度分布

从图8还可以看出,pH值为5.0(R2)和6.0  (R3)时沼气工程反应器污泥中优势菌群种类明显增多,主24 Lactobacillus, Prevotella, Bifidobacterium, Clostridium sensu stricto, Clostridium /V, Sporolactobacillus. JI中, Pseudomonas Fll Bifidobacterium为常见的碳水化合物水解酸化细菌23; Clostridium sensu stricto和Clostridium /1等梭状芽孢杆菌属,同样具有水解产  酸代谢功能,但同时还具有产芽孢和耐酸的特性(23); Sporolactobacillus是除 lactobacillus外具有乳酸特性2-2的菌属,在R2和R3中的相对丰分别为1141%和2.03%,与这两种pH值条件下产乳酸的情况相符。此外,在R3(pH值为6.0)中还检测到大量的 Petrimonas菌属,它主要存在于弱性条件下2。上述研究结果表明,不同pH值对酸  化细菌具有明显的选择调控作用,且优势菌群分布情况与酸化产物特征基本一致。


3结论

通过考察并比较了不同pH值条件下有机(葡萄糖)厌氧酸化特性和作用微生物群落结构,得到以下主要沼气工程结论

(1)pH值为5.0时,反应器酸化率最高,且酸化产物以相对容易降解的乙醇、乳酸和乙酸为主,有利于两相厌氧消化工艺的长期稳定运行,可作为酸化相的优选条件。

2)在不同pH值条件下,接种污泥的细菌群结构发生了明显变化随着pH值的升高,优势菌  种类增多;pH值为5.0时形成了以 lactobacill  (8.9%), Prevotella( 32. 0%1), Bifidobacterium( 22.49).Cm2.3%)和Somi.14%)为  的细菌群落结构主要参与葡萄糖的水解和产乳酸  醇等过程。


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