厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的啟動運行及活性污泥的優(yōu)勢菌群分析

王靖媛, 秦 智, 尹 夢

(上海師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 植物種質(zhì)資源開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200234)

0 引 言

兩相厭氧處理系統(tǒng)中,產(chǎn)酸相反應(yīng)器的運行不僅能利用活性污泥中微生物的代謝活動處理高濃度有機(jī)廢水,將大分子有機(jī)物降解為乙醇、乙酸和丁酸等小分子物質(zhì),還可在分解廢水污染物的同時使反應(yīng)器產(chǎn)生氫氣.氫氣作為21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?對改善以石化燃料為主的能源結(jié)構(gòu),實現(xiàn)社會環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展起著重要作用.兩相厭氧生物處理系統(tǒng)中產(chǎn)酸相效能的高低直接影響著整個工藝系統(tǒng)的處理能力和運行的成敗.

厭氧發(fā)酵技術(shù)在許多發(fā)達(dá)國家應(yīng)用廣泛[1].楊景亮等[2]利用兩相厭氧工藝處理含高濃度硫酸鹽的廢水,獲得較好的效果.李建政等[3]對兩相厭氧反應(yīng)器中產(chǎn)酸相反應(yīng)器的快速啟動以及污泥馴化進(jìn)行研究,結(jié)果表明:在接種污泥質(zhì)量濃度不少于6.5 g·L-1,并控制進(jìn)水化學(xué)需氧量(COD)、水力停留時間(HRT)和pH值的情況下,可在20 d內(nèi)完成產(chǎn)酸相的快速啟動,并可在45 d左右實現(xiàn)對乙醇型發(fā)酵菌群的馴化.班巧英等[4]利用厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)馴化污泥,并考察系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌群的空間分布特征,證實了ABR中產(chǎn)甲烷菌的多樣性明顯高于產(chǎn)氫/產(chǎn)乙酸菌,當(dāng)反應(yīng)器受到?jīng)_擊時,產(chǎn)氫/產(chǎn)乙酸作用更容易成為限速步驟.胡小兵等[5]利用序列間歇式活性污泥法反應(yīng)器(SBR)培養(yǎng)馴化階段的活性污泥,證實活性污泥培養(yǎng)馴化是微型動物群落物種多樣性水平增高后趨于穩(wěn)定的過程.于鳳慶等[6]在研究膜生物反應(yīng)器(MBR)啟動運行階段的活性污泥馴化過程中發(fā)現(xiàn),活性污泥中微生物群落演替明顯,并且隨反應(yīng)器內(nèi)不同時期及環(huán)境的變化逐漸演變成適應(yīng)MBR工藝的群落結(jié)構(gòu).Chen等[7]利用連續(xù)流攪拌槽式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器(CSTR)對活性污泥進(jìn)行馴化培養(yǎng),在啟動運行階段控制HRT,采用半連續(xù)進(jìn)料,當(dāng)出水pH值降到5.18時,控制pH值在6.70左右,同時將半連續(xù)進(jìn)料改為連續(xù)進(jìn)料.經(jīng)過60 d馴化,將活性污泥馴化成理想狀態(tài),并從中篩選到產(chǎn)氫菌種.昌盛等[8]利用厭氧接觸式發(fā)酵制氫反應(yīng)器(ACR)馴化活性污泥,并通過調(diào)控反應(yīng)器pH值考察反應(yīng)器中產(chǎn)酸發(fā)酵類型和產(chǎn)氫性能,發(fā)現(xiàn)在不同pH值的控制下,活性污泥中會形成不同的頂級微生物群落結(jié)構(gòu),使得系統(tǒng)呈現(xiàn)出不同的發(fā)酵類型和產(chǎn)氫性能.

本文作者以糖蜜廢水為底物,在CSTR中,進(jìn)行反應(yīng)器的啟動運行和活性污泥的馴化,并對反應(yīng)器運行前后活性污泥的優(yōu)勢菌群進(jìn)行分析,以期為厭氧發(fā)酵反應(yīng)器順利完成啟動運行,并實現(xiàn)產(chǎn)氫活性污泥的馴化提供控制參數(shù)的參考數(shù)據(jù),并為在有機(jī)廢水處理的同時制取氫氣提供研究基礎(chǔ).

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

圖1 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器裝置.1 蠕動泵;2厭氧發(fā)酵反應(yīng)器;3攪拌槳;4溫控儀;5濕式氣體流量計

CSTR由有機(jī)玻璃制成.反應(yīng)器的有效容積為5.9 L,整體反應(yīng)裝置采用密閉設(shè)計,反應(yīng)器攪拌裝置通過軸封保證反應(yīng)器內(nèi)部的厭氧環(huán)境.配制的甘蔗糖蜜廢水通過計量泵連續(xù)泵入反應(yīng)器中,厭氧發(fā)酵反應(yīng)器產(chǎn)生的氣體從排氣管經(jīng)過氣體流量計排出.反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有攪拌裝置使活性污泥與底物充分完全接觸和混合.反應(yīng)器通過水浴加熱裝置將運行溫度控制在(35±1)℃,厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的流程圖如圖1所示.

1.2 實驗底物及污泥的培養(yǎng)

實驗采用的底物是甘蔗糖蜜廢水,原料為甘蔗制糖生產(chǎn)過程中經(jīng)壓榨和濃縮等工序制糖后的剩余廢液,通過稀釋形成一定濃度的甘蔗糖蜜廢水.向糖蜜廢水中投加適量NH4Cl和K2HPO4,使反應(yīng)器進(jìn)水中化學(xué)需氧量(COD)與氮、磷的質(zhì)量比控制在:m(COD)∶m(N)∶m(P)=1000∶5∶1.反應(yīng)器內(nèi)投加的活性污泥是取自生活污水處理廠初沉池的底泥,經(jīng)過曝氣培養(yǎng)后接種于厭氧發(fā)酵反應(yīng)器裝置中.

1.3 反應(yīng)器運行的工程參數(shù)控制

反應(yīng)器的運行主要分為3個階段,分別為反應(yīng)器啟動運行初期、中期和后期.第一階段從活性污泥投加到反應(yīng)器中啟動反應(yīng)器連續(xù)運行開始,至反應(yīng)器運行第29 d.在此階段進(jìn)水COD控制在3200 mg·L-1左右,運行共29 d.第二階段從反應(yīng)器運行第30 d至反應(yīng)器運行第47 d,在此階段進(jìn)水COD提升到4200 mg·L-1左右,共運行18 d.第三階段從反應(yīng)器運行第48 d至第58 d,進(jìn)水COD進(jìn)一步提升至5500 mg·L-1左右,共運行11 d.反應(yīng)器啟動運行階段的HRT通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器的進(jìn)水流量控制.反應(yīng)器中投加的活性污泥的混合液懸浮物固體質(zhì)量濃度(MLSS)為18.4 g·L-1.攪拌槳的轉(zhuǎn)速控制在130 r·min-1.

1.4 測定方法

COD采用重鉻酸鉀法進(jìn)行測定[9].使用pH計進(jìn)行pH值的測定.液相發(fā)酵產(chǎn)物的質(zhì)量濃度采用氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用進(jìn)行測定.采用美國國家環(huán)保局方法測定乙醇的質(zhì)量濃度[10].乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的質(zhì)量濃度采用氣相色譜法[11]進(jìn)行測定.活性污泥沉降體積測定方法參考文獻(xiàn)[12].采用Illumina MiSeq測序平臺進(jìn)行活性污泥優(yōu)勢菌群分析[13-14].高通量測序主要針對細(xì)菌的V3—V4區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增,采用E.Z.N.ATMMag Bind Soil DNA Kit試劑盒進(jìn)行厭氧活性污泥的總DNA提取.擴(kuò)增采用的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)引物是Miseq測序平臺的通用引物.341F引物序列為:5′-CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG-3′.805R引物序列為:5′-GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCA-3′.PCR的反應(yīng)體系為:2×Taq master Mix 15μL,Bar-PCR primer F(10 μmol·L-1) 1μL,Primer R(10 μmol·L-1) 1 μL,Genomic DNA 10～20 mg 加蒸餾水至30 μL.第二輪PCR擴(kuò)增體系為:2×Taq master Mix 15 μL,Primer F(10 μmol·L-1) 1 μL,Primer R(10 μmol·L-1) 1 μL,PCR products 20 μL.PCR擴(kuò)增條件為:預(yù)變性94 ℃,3 min后執(zhí)行94 ℃,30 s;45 ℃,20 s;65 ℃,30 s,共5個循環(huán),然后執(zhí)行94 ℃,20 s;72 ℃,30 s,共20個循環(huán),最后退火72 ℃,5 min.PCR擴(kuò)增結(jié)束后進(jìn)行瓊脂糖電泳檢測,觀察電泳結(jié)果,進(jìn)行DNA純化回收.再利用Qubit 3.0 DNA試劑盒對回收的DNA進(jìn)行精確定量.測序委托上海生工生物工程股份有限公司完成.測序結(jié)果與美國國立生物技術(shù)信息中心(NCBI)的BlastX進(jìn)行序列比對.

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)器啟動運行階段進(jìn)出水COD的變化規(guī)律

圖2 反應(yīng)器運行過程中進(jìn)、出水COD濃度及COD去除率的變化情況

COD是反映廢水污染程度的重要指標(biāo)之一,在糖蜜廢水的厭氧發(fā)酵的啟動運行階段,采用較高的進(jìn)水COD濃度,既可發(fā)揮厭氧發(fā)酵過程有效處理高濃度有機(jī)廢水的優(yōu)勢,也可加速厭氧反應(yīng)器的啟動,使其快速完成啟動過程,進(jìn)入穩(wěn)定運行階段.厭氧發(fā)酵反應(yīng)器啟動運行階段的進(jìn)、出水COD以及COD去除率的測定結(jié)果如圖2所示.由圖2可知,反應(yīng)器在運行過程中對高濃度有機(jī)廢水的COD具有一定的降解作用.反應(yīng)器啟動運行初期進(jìn)水COD控制在3200 mg·L-1左右,此階段COD去除率較低,在3.6%～13.4%之間浮動,這可能與反應(yīng)器處于啟動運行初期,活性污泥沒有經(jīng)過長期馴化而未能達(dá)到理想的生理狀態(tài)有關(guān).反應(yīng)器啟動運行中期進(jìn)水COD維持在4200 mg·L-1左右,反應(yīng)器的COD去除率有明顯的提高,此階段的出水COD基本維持在3500 mg·L-1,平均COD去除率為19%左右.反應(yīng)器啟動運行后期進(jìn)水COD為5200 mg·L-1左右.整個階段的COD去除率維持在穩(wěn)定水平,出水COD為4300 mg·L-1左右,COD的平均去除率達(dá)到約20%,其中COD的去除率最高值出現(xiàn)在運行第44 d,為33.7%,此時的進(jìn)水COD是5504 mg·L-1,出水COD是3651 mg·L-1.進(jìn)水COD為4200 mg·L-1左右與進(jìn)水COD為5200 mg·L-1左右時的COD去除率無明顯差異.研究結(jié)果表明:厭氧發(fā)酵反應(yīng)器在啟動運行過程中具有一定的COD去除能力,在反應(yīng)器的進(jìn)水COD達(dá)到較高濃度時,仍具有較為穩(wěn)定的COD去除率.

2.2 水力停留時間對COD去除率的影響

HRT是指待處理污水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間,即污水與生物反應(yīng)器內(nèi)微生物作用的平均反應(yīng)時間.對HRT的控制是影響反應(yīng)器運行的指標(biāo)之一.在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器運行過程中,控制反應(yīng)器的HRT,觀察COD去除率、出水懸浮物以及活性污泥生物量的變化情況.結(jié)果如圖3,表1所示.

由圖3和表1可知,當(dāng)HRT控制在12 h時,COD去除率最高,是最佳HRT.當(dāng)HRT控制在6 h時,測得出水懸浮物平均質(zhì)量濃度為1.897 g·L-1,生物量(質(zhì)量濃度)由12.7 g·L-1減少到7.0 g·L-1,大量污泥隨出水被沖出.當(dāng)HRT控制在8 h時,出水懸浮物平均質(zhì)量濃度為1.224 g·L-1,可觀察到出水中有少量污泥,此時被沖出反應(yīng)器的污泥量雖然減少,但活性污泥與底物作用時間不夠充分,因此COD的去除率仍然不高.當(dāng)HRT控制在10 h時,出水懸浮物平均質(zhì)量濃度為0.467 g·L-1,出水較清,生物量由8.0 g·L-1增加到10.8 g·L-1,并且此階段的COD平均去除率為19.5%,有所提高.當(dāng)HRT控制在12h時,出水懸浮物平均質(zhì)量濃度為0.479 g·L-1,出水較清,COD平均去除率為22.8%,進(jìn)一步提高,生物量也進(jìn)一步提高到12.6 g·L-1,因此最佳HRT為12 h.HRT過短會導(dǎo)致活性污泥大量沖出,污泥中的微生物大量損失,并且活性污泥中的微生物與底物作用時間不夠充分.HRT適當(dāng),則活性污泥中的微生物與底物作用時間充分,并且活性污泥不易被沖出,COD的去除率維持較高水平.控制好HRT能夠為反應(yīng)器的良好運行提供保障.

圖3 HRT對COD去除率的影響

表1 活性污泥生物量隨HRT的變化關(guān)系

2.3 液相發(fā)酵產(chǎn)物

液相發(fā)酵產(chǎn)物是判斷活性污泥運行狀況的重要指標(biāo)之一,通過對液相發(fā)酵產(chǎn)物含量的分析,可以考察厭氧發(fā)酵反應(yīng)器啟動運行階段微生物菌群的代謝情況,分析反應(yīng)器中活性污泥的發(fā)酵類型.選取啟動運行初期和啟動運行后期的出水樣品,進(jìn)行發(fā)酵液發(fā)酵產(chǎn)物的測定.測定結(jié)果詳見表2.

表2 反應(yīng)器啟動運行初期及后期的液相發(fā)酵產(chǎn)物的質(zhì)量濃度 mg·L-1

由表2可知,厭氧反應(yīng)器啟動運行初期,液相發(fā)酵產(chǎn)物中乙醇質(zhì)量濃度較低,為28.2 mg·L-1,乙酸的質(zhì)量濃度最高為612.0 mg·L-1,液相發(fā)酵產(chǎn)物總質(zhì)量濃度為1027.2 mg·L-1.在啟動運行初期的發(fā)酵產(chǎn)物中,乙酸占有絕對優(yōu)勢,乙酸的質(zhì)量占發(fā)酵產(chǎn)物總質(zhì)量的59.6%.在反應(yīng)器啟動運行后期,乙醇、丁酸和正戊酸的含量均有所增加,液相發(fā)酵產(chǎn)物的總質(zhì)量濃度也增加至1298 mg·L-1.反應(yīng)器啟動運行后期的發(fā)酵產(chǎn)物中,乙酸和丁酸質(zhì)量占發(fā)酵產(chǎn)物總質(zhì)量的73.1%,屬于丁酸型發(fā)酵.對比反應(yīng)器運行同時間段的COD運行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):反應(yīng)器啟動運行第5 d,進(jìn)水COD為3252 mg·L-1;運行至第46 d時,進(jìn)水COD提高為5486 mg·L-1,這可能是反應(yīng)器運行后期發(fā)酵產(chǎn)物總量上升的主要原因.另外,綜合反應(yīng)器啟動運行階段的進(jìn)、出水COD和發(fā)酵產(chǎn)物分析可知,雖然在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的運行過程中,整體COD去除率不高,在反應(yīng)器啟動運行后期COD去除率為16.7%,但在連續(xù)運行的厭氧發(fā)酵過程中,活性污泥可將糖蜜廢水中的大分子物質(zhì)降解為乙酸、丙酸、丁酸等小分子物質(zhì),厭氧發(fā)酵反應(yīng)器作為兩相厭氧廢水處理工藝中的產(chǎn)酸相,可為后續(xù)的廢水處理單元——產(chǎn)甲烷相提供降解后的小分子物質(zhì),有利于后續(xù)廢水處理單元達(dá)到較高的COD去除效果.

2.4 pH值的變化規(guī)律

圖4 pH值的變化情況

pH值是影響厭氧發(fā)酵反應(yīng)系統(tǒng)中活性污泥的代謝產(chǎn)物和微生物群落組成的重要工程運行參數(shù)[15].在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器運行過程中,較高的有機(jī)負(fù)荷易造成有機(jī)酸的大量積累,引起pH值的大幅度下降,影響反應(yīng)器的發(fā)酵性能,這一現(xiàn)象就是厭氧發(fā)酵過程中的“酸化”[16-17].CSTR運行過程中進(jìn)、出水pH值的變化規(guī)律如圖4所示.

由圖4可知,在啟動階段,進(jìn)水pH值維持在6.0～6.5,出水pH值在啟動運行初期出現(xiàn)了劇烈的下降過程.運行第1d,反應(yīng)器的出水pH值為5.4,運行至第3d時,反應(yīng)器的出水pH值迅速下降到4.9,此后出水pH值基本維持在4.7～4.9.出水pH值的迅速下降主要是由于反應(yīng)器中活性污泥微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生較多的酸性發(fā)酵產(chǎn)物,酸性發(fā)酵產(chǎn)物的大量累積導(dǎo)致pH值的下降.在反應(yīng)器運行的中期和后期,進(jìn)水COD逐漸提升到5000 mg·L-1以上,在此過程中,出水pH值一直穩(wěn)定在4.7～4.9之間,說明反應(yīng)器內(nèi)活性污泥菌群在提高容積負(fù)荷的條件下仍然具有較高的pH值緩沖能力.

2.5 活性污泥沉降體積分析

實驗采用的反應(yīng)器為CSTR,在反應(yīng)器啟動運行期間,始終保持連續(xù)進(jìn)水和連續(xù)出水,而且反應(yīng)器的出水口位于反應(yīng)裝置頂部,因此反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥只有保持良好的沉降性能才能避免其隨著出水的連續(xù)流動而流失.活性污泥沉降體積是判斷厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)部活性污泥運行狀況的重要參數(shù)之一.在反應(yīng)器啟動運行的初期、中期和后期,分別取活性污泥進(jìn)行污泥沉降體積測試,分析反應(yīng)器中活性污泥的沉降性能,研究結(jié)果如圖5所示.由圖5(a)可知,在反應(yīng)器啟動運行初期,活性污泥的沉降速度較慢,沉降30 min時,沉降污泥的體積分?jǐn)?shù)為66%;經(jīng)過長達(dá)1 h的沉降后,沉降污泥的體積分?jǐn)?shù)為55%,沉降性能較差.觀察發(fā)現(xiàn),啟動第1 d投入反應(yīng)器中的活性污泥呈現(xiàn)黑色,肉眼無法觀察到片狀絮凝污泥.在反應(yīng)器運行到第45d時,污泥沉降體積結(jié)果如圖5(b)所示,在沉降30 min時沉降活性污泥的體積分?jǐn)?shù)為46%,沉降1h后的沉降體積分?jǐn)?shù)為36%,此時期活性污泥的沉降速度逐漸提高,沉降性能有所改善.當(dāng)反應(yīng)器運行到第57 d,污泥沉降體積結(jié)果如圖5(c)所示,沉降30 min時沉降活性污泥的體積分?jǐn)?shù)為37%,沉降1 h時沉降污泥的體積分?jǐn)?shù)為28%.反應(yīng)器啟動運行后期,污泥沉降速度較快,此時反應(yīng)器中的活性污泥具有良好的沉降性能.觀察發(fā)現(xiàn),此時的活性污泥呈現(xiàn)黃棕色,形成明顯的片狀絮凝污泥.由此可知,活性污泥在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)過較長時間的馴化后,具備了較好的沉降性能.

圖5 反應(yīng)器啟動運行(a) 初期,(b) 中期,(c) 后期污泥沉降體積變化

2.6 啟動初期和啟動后期活性污泥的優(yōu)勢菌群對比分析

在反應(yīng)器啟動運行的過程中,選取反應(yīng)器啟動運行初期(第3 d)和啟動運行后期(第59 d)的活性污泥進(jìn)行了馴化前后的活性污泥優(yōu)勢菌群對比分析.表3和表4分別為反應(yīng)器啟動運行初、后期活性污泥中的優(yōu)勢菌群組成.由表3,4可知,活性污泥在投加到反應(yīng)器的初始階段,活性污泥中的微生物種類較豐富,其中Spartobacteria微生物的總體數(shù)量較高,在活性污泥微生物總量中的物種豐度比例為26.10%,其他微生物的占比均不高.產(chǎn)乙醇桿菌屬(Ethanoligenens)在啟動運行初期僅占活性污泥微生物總量的1.43%,梭菌屬(ClostridiumⅣ)占活性污泥微生物總量的4.69%.經(jīng)過60 d左右的反應(yīng)器運行和活性污泥馴化,在反應(yīng)器啟動運行后期,活性污泥的微生物種類發(fā)生巨大變化,優(yōu)勢菌群分別為產(chǎn)乙醇桿菌屬(Ethanoligenens)、巨型球菌屬和梭菌屬.其中,產(chǎn)乙醇桿菌屬的菌數(shù)占活性污泥微生物總量的24.16%,巨型球菌屬(Megasphaera)為21.44%,梭菌屬(ClostridiumⅣ)為15.52%.研究結(jié)果表明:經(jīng)過馴化后的活性污泥中與產(chǎn)氫功能相關(guān)的菌種屬占活性污泥中微生物總量的40%以上[18-19].其中,Clostridiums.s和ClostridiumIV等梭狀芽孢桿菌屬具有水解產(chǎn)酸代謝功能,同時還具有產(chǎn)芽孢和耐酸的特性[20].Spartobacteriagenera_incertae_sedis屬的水平分類未定,相關(guān)背景資料較少[21].研究結(jié)果表明:在反應(yīng)器啟動運行期間,通過控制進(jìn)水COD和進(jìn)、出水pH值,可實現(xiàn)活性污泥菌群的定向馴化,使之形成與產(chǎn)氫功能密切相關(guān)的優(yōu)勢菌群.

表3 反應(yīng)器啟動運行初期活性污泥的優(yōu)勢菌群對比

表4 反應(yīng)器啟動運行后期活性污泥的優(yōu)勢菌群對比

3 結(jié) 論

CSTR在溫度為35 ℃,進(jìn)水COD從3200 mg·L-1逐漸增加至5500 mg·L-1的條件下啟動運行,經(jīng)過60 d左右可較好地完成反應(yīng)器的啟動過程,形成較為穩(wěn)定的運行狀態(tài),實現(xiàn)活性污泥的定向馴化.

在反應(yīng)器運行較為穩(wěn)定的啟動運行后期,反應(yīng)器出水的液相發(fā)酵產(chǎn)物總量為1298 mg·L-1,其中乙酸和丁酸質(zhì)量占發(fā)酵產(chǎn)物總質(zhì)量的73.1%,形成丁酸型發(fā)酵的主要發(fā)酵產(chǎn)物.分析認(rèn)為,反應(yīng)器的pH值是影響反應(yīng)器發(fā)酵類型的重要因素,啟動運行階段的發(fā)酵產(chǎn)物形成丁酸型發(fā)酵與反應(yīng)器出水pH值基本穩(wěn)定在4.7～4.9有關(guān).大量研究表明,當(dāng)CSTR運行階段的出水pH值在4.0～4.5時,反應(yīng)器的液相發(fā)酵產(chǎn)物通常以乙醇和乙酸為主,形成乙醇型發(fā)酵;當(dāng)反應(yīng)器出水pH值為4.5～5.0時,反應(yīng)器基本形成丁酸型發(fā)酵,產(chǎn)生以乙酸和丁酸為主的發(fā)酵產(chǎn)物;當(dāng)反應(yīng)器出水pH值為5.0以上時,反應(yīng)器更容易形成混合酸發(fā)酵,此時乙醇、乙酸、丙酸、丁酸等多種發(fā)酵產(chǎn)物同時存在,且沒有發(fā)酵產(chǎn)物占有絕對優(yōu)勢[22-24].綜上所述,在反應(yīng)器的運行中通過控制進(jìn)水COD的濃度,進(jìn)而使反應(yīng)器出水pH值控制在一定范圍內(nèi),可有效實現(xiàn)反應(yīng)器啟動階段的發(fā)酵類型控制.

反應(yīng)器啟動運行過程中經(jīng)過馴化的活性污泥,形成以產(chǎn)乙醇桿菌屬(Ethanoligenes)、巨型球菌屬(Megasphaera)和Ⅳ型梭菌(ClostridiumⅣ)為主的優(yōu)勢菌群.其中產(chǎn)乙醇桿菌和Ⅳ型梭菌均為產(chǎn)氫能力較高的產(chǎn)氫菌株,在每摩爾葡萄糖中的產(chǎn)生氫氣的最大物質(zhì)的量分別為2.81 mol和1.57 mol[25-26],因此在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器啟動運行期間,通過COD和pH值的參數(shù)控制,可實現(xiàn)活性污泥菌群的定向馴化,形成以產(chǎn)氫為主的功能性菌群,產(chǎn)氫功能性菌群占活性污泥微生物總量的40%以上.