氣體分離循環(huán)對(duì)高溫厭氧消化過程的影響

何品晶,李 磊,郝麗萍,呂 凡,邵立明 (同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,固體廢物處理與資源化研究所,上海200092)

氣體分離循環(huán)對(duì)高溫厭氧消化過程的影響

何品晶*,李 磊,郝麗萍,呂 凡,邵立明 (同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,固體廢物處理與資源化研究所,上海200092)

采用厭氧序批式反應(yīng)器,研究了氣體循環(huán)(包括氣體直接循環(huán)和脫除氣體中的氫氣后循環(huán))對(duì)以葡萄糖和乙酸鈉配制的模擬廢水在高溫厭氧消化過程中乙酸代謝速率、出水性質(zhì)及微生物相的影響,并采用尺寸排除色譜和三維熒光光譜技術(shù),對(duì)溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)的分子量分布和熒光物質(zhì)組成進(jìn)行了分析.結(jié)果顯示,氣體循環(huán)使得出水中殘余揮發(fā)性脂肪酸的濃度由 238.2mg/L(未脫氫)和 129.6mg/L(脫氫)分別減少至8.5mg/L和8.2mg/L,并最終降低了SMP產(chǎn)量,45d時(shí)分別降至氣體循環(huán)前的36.8%和59.2%.脫氫氣體循環(huán)促進(jìn)了乙酸化和乙酸氧化,導(dǎo)致了微生態(tài)環(huán)境和甲烷化基質(zhì)濃度的差異,促進(jìn)了高分子量SMP向低分子量SMP的轉(zhuǎn)化,污泥中的微生物形態(tài)亦發(fā)生了較大變化.可見氣體循環(huán)改善了基質(zhì)與微生物的混合狀況,改善了出水水質(zhì),而脫氫氣體循環(huán)加速了乙酸的代謝,有望更快速地解除易降解有機(jī)物高溫厭氧消化過程中的酸抑制,提高厭氧消化效率.

氣體循環(huán)；氫分壓；高溫厭氧消化；溶解性微生物產(chǎn)物

厭氧消化是一種重要的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)[1].物料與微生物群的混合是厭氧消化過程重要的工藝操作措施,混合程度能夠極大地影響工藝的穩(wěn)定性和有機(jī)物的甲烷化速率[2].常用的混合方式包括機(jī)械攪拌、消化液循環(huán)和氣體循環(huán)[3-5].厭氧消化氣體循環(huán)可避免機(jī)電設(shè)備設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)部,且更加易于操作[4],在實(shí)際工程已有較多應(yīng)用.厭氧消化氣體的主要成分包括CH4、CO2和H2等,氫分壓(pH2)對(duì)于調(diào)節(jié)有機(jī)物的厭氧代謝產(chǎn)物分布起著關(guān)鍵作用[6].易降解有機(jī)物的快速發(fā)酵與慢速甲烷化常常伴隨著揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)和H2的積累,而高pH2又進(jìn)一步阻礙了丙酸、丁酸等的氧化,可加劇甲烷化的酸抑制;低的pH2則從熱力學(xué)上可促進(jìn)VFAs向甲烷化前體物的轉(zhuǎn)化,加速甲烷的產(chǎn)生[6].厭氧產(chǎn)氣循環(huán),并同時(shí)脫除循環(huán)氣體中的H2,對(duì)于改善酸化狀況、促進(jìn)工藝的高效穩(wěn)定運(yùn)行具有較大潛力.

溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)是厭氧消化工藝出水中溶解性有機(jī)物(DOM)的主要成分[7-8],其產(chǎn)量和性質(zhì)受到操作工況的影響,亦能反映工藝的運(yùn)行狀態(tài)[9],表征微生態(tài)的穩(wěn)定程度.當(dāng)微生態(tài)系統(tǒng)受到外界的干擾或抑制時(shí),微生物會(huì)應(yīng)激產(chǎn)生更多的SMP或改變其種類,如SMP的凈累積量正比于環(huán)境中毒性物質(zhì)濃度(如 CHCl3和Cr6+)[8];泥齡過長或鹽度過高,均會(huì)引起 SMP中高分子量(MW)物質(zhì)的顯著增加[9-10],進(jìn)而降低出水水質(zhì).

本實(shí)驗(yàn)采用厭氧序批式反應(yīng)器(ASBR),研究了直接氣體循環(huán)和脫除氣體中的氫氣后循環(huán)對(duì)以葡萄糖與乙酸鈉為碳源的模擬廢水進(jìn)行高溫厭氧消化過程中代謝速率、出水性質(zhì)及微生物相的影響,以期為高溫厭氧工藝調(diào)控條件的選擇和優(yōu)化提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

采用2個(gè)有效容積為3.5L的高溫ASBR(R0和 R1,見圖 1),處理以葡萄糖和乙酸鈉(4:1,以COD計(jì))為碳源配制的模擬廢水,其中COD:N:P=200:5:1,并添加1mL/L微量元素[11],pH值為 7.50.接種污泥取自上海市某工業(yè)廢水處理廠,實(shí)驗(yàn)前已于55℃下以葡萄糖和乙酸鈉為碳源培養(yǎng)馴化 100d.2個(gè)反應(yīng)器均設(shè)置了配有蠕動(dòng)泵的液體循環(huán)和氣體循環(huán)管路,R1則在氣體循環(huán)泵后增加了催化脫氫管(HOG-1,大連科聯(lián)新技術(shù)發(fā)展公司),以脫除循環(huán)氣體中的H2.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

R0和 R1均于 55℃下運(yùn)行,有機(jī)負(fù)荷為2000mg/(L?d) (以COD計(jì)),水力停留時(shí)間為10d;以24h為1個(gè)循環(huán)周期,其中0.5h進(jìn)水,22.5h反應(yīng),0.5h沉降,0.5h排水.反應(yīng)器運(yùn)行的前 20d內(nèi),僅通過消化液循環(huán)進(jìn)行混合.20d后,以氣體循環(huán)代替消化液循環(huán),通過氣體循環(huán)泵將反應(yīng)器液上空間的厭氧產(chǎn)氣以 100mL/min的流速通入反應(yīng)器底部的曝氣盤管.R1內(nèi)的循環(huán)氣體則通過催化脫氫管脫除其中約 99%的氫氣,使得液上空間的pH2由幾百Pa降至幾十Pa(圖2b).每天排水前采集氣體樣品,排水階段采集水樣.40d時(shí),R0和R1內(nèi)的pH值分別為7.35±0.10和7.44±0.12,根據(jù)各項(xiàng)測試指標(biāo)判斷,2個(gè)工況均已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行,于此時(shí)測試1個(gè)循環(huán)中由進(jìn)水后(0h)到乙酸濃度降至檢測限以下(9h)過程中的乙酸、無機(jī)碳(TIC)、pH2和 CH4含量變化.45d時(shí),采集污泥樣品并用電鏡掃描觀測其微觀形貌.

圖1 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)裝置示意Fig.1 Schematic of anaerobic sequenced batch reactors(ASBR) with biogas recirculation and H2removal

1.3 分析測試方法

SMP的 MW 分布由尺寸排除色譜法測得,測試系統(tǒng)配有HW-50S凝膠柱(TOSOH公司,日本);三維熒光光譜(EEM)采用美國Varian公司的Cary Eclipse分子熒光光度計(jì)測試,方法參考文獻(xiàn)[12];VFAs采用液相色譜儀(LC-20AD,Shimadzu公司,日本)測定,樣品分析前用0.22μm的濾膜過濾;pH值采用數(shù)字pH計(jì)(pHS-22F,上海精密科學(xué)儀器有限公司)測定;溶解性有機(jī)碳(DOC)和 TIC采用總有機(jī)碳測定儀(multi N/C 3000,Analytikjena公司,德國)測定,樣品分析前用0.45μm 的濾膜過濾;葡萄糖采用蒽酮比色法[13]測定;污泥顆粒采集后,經(jīng)過脫水、臨界點(diǎn)干燥等預(yù)處理,表面鍍金,采用 HITACHI-S2360N 掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀測.

1.4 EEM圖譜的定量化分析

將EEM圖譜定義為5個(gè)有機(jī)物類別區(qū)域[14]:區(qū)域 I,酪氨酸類蛋白質(zhì)區(qū)(λex/λem=200～250nm/280～330nm);區(qū) 域 II,色 氨 酸 類 蛋 白 質(zhì) 區(qū)(λex/λem=200～250nm/330～380nm);區(qū)域 III,富里酸類物質(zhì)區(qū)(λex/λem=200～250nm/380～550nm);區(qū)域IV,溶解性微生物副產(chǎn)物類蛋白質(zhì)區(qū)(λex/λem=250～400nm/280～380nm);區(qū)域 V,腐殖酸類物質(zhì)區(qū)(λex/λem=250～400nm/380～550nm).采用熒光區(qū)域綜合指數(shù)法(FRI)對(duì)上述 EEM 區(qū)域進(jìn)行定量化分析,該方法通過計(jì)算特定區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)體積(Φi,n)及各區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)體積百分比(Pi,n),以反映對(duì)應(yīng)區(qū)域具有特定結(jié)構(gòu)的熒光物質(zhì)的含量和相對(duì)比例.

2 結(jié)果與討論

氣體循環(huán)前,R0和 R1的出水 DOC為(520±40.0)mg/L,厭氧氣體產(chǎn)量為(0.48±0.02)L/g(以反應(yīng)器的COD計(jì)).盡管在氣體循環(huán)初期,出水的 DOC在短期內(nèi)增加(分別增至 655mg/L和776mg/L,最高值),但當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至第45d,即增加氣體循環(huán)后的25d時(shí),R0和R1出水的DOC已降低至153.7mg/L和176.7mg/L.與消化液循環(huán)相比,氣體循環(huán)后R0和R1穩(wěn)定階段的產(chǎn)氣量也略有 提 升 ,分 別 為 (0.57±0.02)L/g (COD)和(0.58±0.03)L/g (COD).由此可見,氣體循環(huán)提高了有機(jī)物的高溫厭氧轉(zhuǎn)化率,改善了ASBR的出水水質(zhì).

2.1 乙酸代謝速率和熱力學(xué)分析

圖2 穩(wěn)定階段R0和R1中單次進(jìn)料后乙酸濃度、H2/TIC/CH4的變化與吉布斯自由能變(ΔG)的變化Fig.2 Evaluation of acetate, H2/TIC/CH4and Gibbs Free Energy (ΔG) in the stable stage of R0and R1

如圖2a所示,穩(wěn)定階段(40d)R0和R1中累積的乙酸分別于進(jìn)水后10h和6h消耗完.R1中的乙酸在2h后達(dá)到最大值9.1mmol/L,但隨后其降解速率明顯快于R0,其中R0和R1的最大降解速率分別達(dá)到 1.4,4.0mmol/h.由此可見,H2脫除顯著增加了乙酸的代謝過程.厭氧消化中,乙酸產(chǎn)生于丙酸、丁酸的氧化過程(表1),而R1中低的pH2促進(jìn)了 VFAs向乙酸的轉(zhuǎn)化[15-16],表現(xiàn)為反應(yīng)階段初期乙酸的快速累積.

表1 厭氧產(chǎn)甲烷過程的生物化學(xué)反應(yīng)[20]Table 1 Biochemical reactions involved in anaerobic methanization

高溫下,乙酸主要通過乙酸氧化與氫營養(yǎng)型甲烷化聯(lián)合途徑(SAO-HM)和乙酸發(fā)酵型甲烷化途徑(AM)降解[17-18],前者包括兩個(gè)連續(xù)步驟:(1)乙酸氧化為 H2和 CO2(AO);(2) H2和 CO2通過CO2還原型甲烷化途徑(又稱氫營養(yǎng)型,HM)轉(zhuǎn)化為甲烷.各個(gè)反應(yīng)的吉布斯自由能變分別記作ΔGAM、ΔGAO和ΔGHM.由圖2c中的熱力學(xué)分析結(jié)果可知,雖然 R1中的 ΔGHM(-28.9～-17.5kJ/mol)高于 R0(-60.6～-34.1kJ/mol),ΔGAM(-33.2～-22.2kJ/mol)略高于 R0 (-32.3～-24.9kJ/mol),但 R0 中的 ΔGAO(2.8～29.2kJ/mol)始終為正值.從熱力學(xué)角度分析,SAO-HM僅存在于R1中,而在R0中卻受到高pH2的抑制難以進(jìn)行.H2的脫除加快了SAO-HM速率,進(jìn)而促進(jìn)了R1中乙酸的快速降解[19].廢水厭氧消化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行,主要取決于消耗H2和乙酸的末端反應(yīng)的快速進(jìn)行[6].脫氫氣體循環(huán)顯著加速了R1中有機(jī)物甲烷轉(zhuǎn)化體系內(nèi)的物質(zhì)流通.通過分析甲烷產(chǎn)生途徑(即AM 和HM)可以發(fā)現(xiàn),R0中的 ΔGAM略低于R1,而ΔGHM則顯著低于R1.R0內(nèi)較高的累積乙酸濃度和pH2在熱力學(xué)上有利于AM和HM的進(jìn)行,因而其產(chǎn)生的 CH4濃度高于 R1,但 HM 途徑對(duì)CO2的消耗則使其液相TIC低于R1(圖2a).低pH2下較高的TIC濃度和較低的CH4含量表明,H2脫除改變了產(chǎn)物的最終分布[20],而這主要源于低pH2下SAO-HM途徑對(duì)有機(jī)物甲烷化代謝的貢獻(xiàn)[21].

2.2 厭氧消化出水性質(zhì)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[8-9],采用以下方法計(jì)算 SMP的含量:SMP(以DOC計(jì))=出水DOC-(殘余葡萄糖+VFAs),并將SMP按照分子量水平分成3部分:高 MW(10～100k Da)、中等 MW(1～10k Da)和低MW(＜1k Da).

2.2.1 VFAs的變化 氣體循環(huán)前,R0和R1出水中殘存VFAs的濃度分別為238.2～280.4mg/L和 129.6～296.7mg/L(圖 3a).增加氣體循環(huán)操作后,R0出水中的VFAs相對(duì)緩慢地降低,于38d后達(dá)到17.9mg/L并維持穩(wěn)定;而R1出水中的VFAs于25d時(shí)(即氣體循環(huán)操作開始運(yùn)行后5d)即迅速降低至 41.2mg/L,之后波動(dòng)于(14.9±6.7)mg/L.與液體循環(huán)相比,氣體循環(huán)改善了厭氧環(huán)境中基質(zhì)與微生物的混合狀況,加快了物質(zhì)的傳遞速率,增加了微生物與基質(zhì)的接觸機(jī)會(huì)[22],提高了甲烷化等反應(yīng)的速率,從而緩解了VFAs的積累狀況.H2的脫除強(qiáng)化了乙酸代謝,加速了有機(jī)物的厭氧甲烷轉(zhuǎn)化,表現(xiàn)出殘存VFAs的迅速降低.Voolapalli等采用膜脫除中溫厭氧消化CSTR中的部分H2,也使得出水中的VFAs由3400mg/L下降至低于2000mg/L,H2的脫除加快了VFAs的降解并提高了工藝的穩(wěn)定性[23].

2.2.2 SMP的變化 已有對(duì)高溫ASBR出水中DOM的研究發(fā)現(xiàn),不同MW水平SMP的芳構(gòu)化程度和熒光物質(zhì)組成具有較大差異,因而具有不同的性質(zhì)和來源.鑒于SMP的產(chǎn)生量和特性對(duì)于了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況的重要作用,對(duì)氣體循環(huán)前后SMP的產(chǎn)量、分子量分布和熒光物質(zhì)組成進(jìn)行了分析.

SMP產(chǎn)量的變化:氣體循環(huán)初期,R0和R1內(nèi)的 SMP產(chǎn)生量急劇增加,分別由 310.0mg/L和287.3mg/L增加至451.2mg/L和735.4mg/L(最大值),之后又逐漸降低,38d后分別降至 151.2mg/L和 158.8mg/L,低于氣體循環(huán)前的水平(圖 3b).R1內(nèi)SMP的變化比R0內(nèi)更為劇烈.氣體循環(huán)在改善液相環(huán)境混合狀況的同時(shí),也對(duì)微生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了極大的擾動(dòng).氣液相傳質(zhì)的加速,使得液相TIC濃度增加,pH值略有升高(R0和R1均增加0.1左右,數(shù)據(jù)未顯示).而H2的脫除,則降低了pH2和溶解氫濃度,減少了 HM 途徑對(duì) CO2的消耗,使其TIC高于R0(圖2a).氣體循環(huán)初期,微生物未能適應(yīng)突然改變的環(huán)境,因而釋放出更多的SMP以抵抗環(huán)境壓力[10].另外,一些厭氧微生物,如聯(lián)合乙酸氧化菌株[17]和乙酸發(fā)酵型甲烷八疊球菌[24]更喜好穩(wěn)定的環(huán)境.氣體循環(huán)產(chǎn)生渦流,直接對(duì)污泥顆粒產(chǎn)生剪切力[24],氣體循環(huán)造成的巨大擾動(dòng)亦可能是初期SMP大量產(chǎn)生的原因.隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加,微生態(tài)環(huán)境趨于穩(wěn)定,微生物逐漸適應(yīng)新的環(huán)境(或者產(chǎn)生了新的功能微生物),SMP的產(chǎn)生量也隨之降低,達(dá)到穩(wěn)定期時(shí)已低于氣體循環(huán)前的水平,分別降至氣體循環(huán)操作前的 36.8%和 59.2%.氣體循環(huán)對(duì)混合狀況的改善,加快了厭氧生化反應(yīng)的速率,提高了微生物對(duì)包括殘余 SMP在內(nèi)的有機(jī)物的異化代謝活力,這亦可能是SMP濃度顯著低于氣體循環(huán)操作前的原因.

SMP的分子量分布:氣體循環(huán)初期,R0和R1內(nèi)的高 MW 部分分別由 27.2%和 22.2%增加到45.1%和43.7%,而后又逐漸降低,45d時(shí)分別降低至34.1%和24.8%,而此時(shí)的低MW部分則相應(yīng)升高至20.2%和32.4%(圖4).在反應(yīng)器運(yùn)行狀況逐漸穩(wěn)定的過程中,R1內(nèi)的低 MW 部分始終高于R0,高M(jìn)W部分則低于R0.

SMP分為低MW的基質(zhì)利用型微生物產(chǎn)物(UAP)和含有大量高 MW 的生物衰減型微生物產(chǎn)物(BAP)[9].氣體循環(huán)初期,SMP產(chǎn)生量的增加主要表現(xiàn)為高 MW-SMP含量的升高,這可能是微生物為了抵抗環(huán)境壓力而大量釋放高M(jìn)W-SMP,以保持顆粒污泥的形態(tài)[10].另一種可能,則是環(huán)境的突然改變導(dǎo)致了優(yōu)勢微生物種群的演替,不能適應(yīng)環(huán)境變化的劣勢種群的消亡亦會(huì)增加高M(jìn)W的BAP的產(chǎn)生.另外,Xu等[25]發(fā)現(xiàn),在滲濾液厭氧消化處理過程中,可降解的大分子量有機(jī)物逐漸被降解為小分子量有機(jī)物,導(dǎo)致了厭氧消化出水中高 MW-SMP的減少和低MW-SMP的增加.低 MW-SMP的進(jìn)一步降解,則使得出水中的 SMP逐漸減少.與此相似,本文中SMP的厭氧降解可能導(dǎo)致了SMP的逐漸減少,而R1中高M(jìn)W-SMP向低MW-SMP的轉(zhuǎn)化則可能是其MW分布變化的原因,H2的脫除顯然加速了高M(jìn)W-SMP的分解過程.

圖3 R0和R1出水中殘余VFAs與SMP的變化Fig.3 Evolution of the residual VFAs and SMP in the effluents from R0and R1

SMP的熒光物質(zhì)產(chǎn)生量和組成變化:圖5顯示了不同階段R0和R1出水SMP中不同種類熒光物質(zhì)濃度和相對(duì)含量的變化.本試驗(yàn)中,SMP的主要成分為酪氨酸類和色氨酸類芳香族蛋白,以及溶解性微生物副產(chǎn)物類蛋白,其約占總含量的 95%.從圖 5a中可以看到,在氣體循環(huán)初期各類蛋白質(zhì)均呈現(xiàn)增加趨勢,而后又逐漸減少,含量較少的腐殖酸和富里酸類物質(zhì)則變化較小.與氣體循環(huán)前相比,R0和R1中SMP的芳香蛋白組成發(fā)生了變化(圖 5b).R0中酪氨酸類物質(zhì)先增加,從 40.2%增至 50.4%,然后逐漸降低;色氨酸類物質(zhì)則先減少,從 43.8%降至 36.3%,而后再逐漸增加.R1中酪氨酸類物質(zhì)含量緩慢降低,從42.2%降至 37.3%,色氨酸類物質(zhì)則緩慢增加,從 42.6%增至47.0%.開始?xì)怏w循環(huán)操作后,R1中酪氨酸類蛋白含量低于 R0,色氨酸類蛋白則高于R1.蛋白質(zhì)(包括結(jié)構(gòu)蛋白和酶類)在微生物的結(jié)構(gòu)和功能中起著重要作用[26].蛋白質(zhì)組成的變化表明,微生物種群結(jié)構(gòu)或功能發(fā)生了改變[27].H2脫除導(dǎo)致的R0和R1內(nèi)微生態(tài)環(huán)境的差異,可能引發(fā)了優(yōu)勢微生物種群的演替.

圖4 R0和R1中SMP的MW分布變化Fig.4 MW Distribution of SMP in R0and R1

由此可見,氣體循環(huán)顯著降低了出水中DOM 的濃度,改善了高溫厭氧消化出水的水質(zhì).雖然在初期SMP的產(chǎn)生量增加,但隨著微生物對(duì)新環(huán)境的逐漸適應(yīng)和混合狀況改善對(duì)SMP厭氧降解的促進(jìn)作用,SMP濃度逐漸降低,穩(wěn)定期甚至低于氣體循環(huán)前的水平,其MW分布亦呈現(xiàn)出高M(jìn)W部分減少,低 MW部分增加的趨勢.保留與脫除循環(huán)氣體中的H2不僅導(dǎo)致了SMP的MW分布的細(xì)微差異,還使其蛋白質(zhì)類物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化,指示了其微生物功能或微生態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)的改變.

Barker等[28]發(fā)現(xiàn),高M(jìn)W有機(jī)物比低MW有機(jī)物更容易通過活性炭吸附(GAC)得以去除.何品晶等[11]認(rèn)為,高 MW 區(qū)域和中等 MW 區(qū)域的BAP、富里酸與腐殖酸類物質(zhì)可以通過超濾、反滲透等技術(shù)得以去除.Langenhoff等[29]研究表明,SMP濃度隨著水力停留時(shí)間(HRT)的減少而增加.本研究中,高溫厭氧消化 SMP主要分布在高M(jìn)W和中等MW區(qū)域(61%～88%),為了進(jìn)一步提高出水水質(zhì),中等MW-SMP和低MW-SMP可以通過適當(dāng)延長 HRT得到進(jìn)一步降解,高M(jìn)W-SMP則可以通過GAC、超濾、反滲透等技術(shù)去除.

圖5 各區(qū)域熒光物質(zhì)產(chǎn)量與SMP中熒光物質(zhì)組成的變化Fig.5 Changes in the production of fluorescence matters in different regions and percentage of the fluorescence response (Pi,n)

2.3 微生物形態(tài)分析

由圖6可以發(fā)現(xiàn),在第45d的穩(wěn)定狀態(tài)下,R0和 R1內(nèi)顆粒污泥的微生物形態(tài)存在極大差異.與R1相比,R0顯示了較高的微生物多樣性,其顆粒污泥內(nèi)部存在桿菌、球菌和絲狀菌;而在 R1中僅存在著聚集型球菌.由此可見,H2脫除導(dǎo)致了各環(huán)境因子和甲烷化基質(zhì)(H2、CO2、乙酸)濃度的改變,而微生態(tài)環(huán)境的差異又引發(fā)了微生物種群結(jié)構(gòu)的演變[30-31],這也是導(dǎo)致反應(yīng)速率、出水水質(zhì)以及SMP特性改變的原因.

圖6 顆粒污泥內(nèi)部的微生物微觀形態(tài)Fig.6 Scanning electron micrographs of microbes in the granules from R0 and R1

3 結(jié)論

3.1 氣體循環(huán)改善了基質(zhì)與微生物的混合狀況,降低了高溫厭氧消化出水中殘余 VFAs的濃度,提高了ASBR的運(yùn)行性能.雖然SMP在氣體循環(huán)初期產(chǎn)生量顯著增加,但之后逐漸減少,穩(wěn)定階段則低于氣體循環(huán)前的水平.

3.2 保留和脫除循環(huán)氣體中的 H2,導(dǎo)致了微生態(tài)環(huán)境和甲烷化基質(zhì)濃度的差異,由此引起了顆粒污泥中微生物微觀形態(tài)的變化.

3.3 低pH2進(jìn)一步促進(jìn)了乙酸化和乙酸氧化,加速了乙酸的代謝,使得出水中殘余 VFAs的濃度快速降低;脫氫氣體循環(huán)還促使高分子量SMP向低分子量SMP發(fā)生轉(zhuǎn)化,使其熒光物質(zhì)中酪氨酸類蛋白和色氨酸類蛋白的比例發(fā)生改變.

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Effect of biogas recirculation and hydrogen removal on the process of thermophilic anaerobic digestion.

Pin-jing*, LI Lei, HAO Li-ping, LU Fan, SHAO Li-ming (Institute of Waste Treatment and Reclamation, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China). China Environmental Science,2011,31(2)：245～252

Two anaerobic sequenced batch reactors (ASBR) fed with glucose and sodium acetate were applied to investigate the effect of biogas recirculation, i.e. recycling the biogas with and without hydrogen removal, on their performance. Acetate metabolic rate, effluent properties and microbial morphologies were studied. Meanwhile, molecular weight (MW) distribution and fluorescence feature of soluble microbial products (SMP) were analyzed by size exclusion chromatography and fluorescence excitation-emission matrix spectroscopy. Gas regulation improved the mixing condition,which accelerated the anaerobic reaction rates such as methanogenesis. The residual volatile fatty acids (VFAs) declined from 238.2mg/L (without hydrogen removal) and 129.6mg/L (with hydrogen removal) to 8.5mg/L and 8.2mg/L,respectively. Biogas recirculation eventually decreased the SMP content, which fell to 36.8% and 59.2% of the initial values respectively after 45days. Hydrogen removal promoted acetogenesis and acetate oxidation, and obviously changed the concentrations of methanogenic precursors and the microbial morphologies. It also promoted the conversion of high MW-SMP to low MW-SMP. Gas recirculation improved the quality of the effluent, while hydrogen removal accelerated the metabolism of acetate, thus is expected to facilitate the release of methanogensis from acidification and enhance the anaerobic conversion of organics.

biogas recirculation；hydrogen partial pressure；thermophilic anaerobic digestion；soluble microbial products

X705

A

1000-6923(2011)02-0245-08

2010-06-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50708069;50878166);國家“863”項(xiàng)目(2008AA062401);教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)基金課題(20070247009)

* 責(zé)任作者, 教授, solidwaste@#edu.cn

何品晶(1962-),男,浙江諸暨人,教授,博士,研究方向?yàn)楣腆w廢物處理與資源化技術(shù).發(fā)表論文280篇.