不同接種物對木薯乙醇廢液高溫厭氧發(fā)酵的影響

卞志明 ，趙明星 ， 廖家林 ，阮文權(quán) *

（1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點實驗室，江南大學(xué)，江蘇 無錫214122）

新鮮木薯或木薯干作為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的過程中每生產(chǎn)1 t乙醇需排放廢水約15 t[1]。木薯乙醇廢液是一種高含固率、高COD和低pH的高濃度有機(jī)廢水，但這種高濃度有機(jī)廢水本身也是一種潛在的可利用資源，在處理過程中若能高效利用，不僅可解決其環(huán)境污染問題，而且能增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)前，厭氧發(fā)酵技術(shù)在處理該類高濃度有機(jī)廢水領(lǐng)域已成為主要的方法之一，可將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可再生的清潔能源沼氣[2-3]，但是厭氧發(fā)酵過程中也容易受到眾多環(huán)境因子的影響，其中接種微生物的性質(zhì)是決定厭氧發(fā)酵效率的關(guān)鍵因素之一。Syutsubo等[4]通過接種高溫纖維素富集微生物培養(yǎng)獲得菌株J3作為厭氧發(fā)酵微生物，結(jié)果表明，菌株J3具有良好的纖維素降解效果。何江等[5]從富含腐爛纖維質(zhì)的環(huán)境中取樣，以木薯渣及濾紙為碳源的蛋白胨纖維素培養(yǎng)基不斷地富集培養(yǎng)，構(gòu)建了一組高效穩(wěn)定的纖維質(zhì)分解復(fù)合菌群作為接種微生物，結(jié)果表明，該復(fù)合菌群具有高效的纖維質(zhì)分解效果。由此可見，接種微生物的種類和性能對厭氧發(fā)酵至關(guān)重要。除了構(gòu)建高效纖維質(zhì)降解菌種之外，針對采用不同厭氧反應(yīng)器中的污泥作為接種物的研究方法也有報道。陳金榮等[6]以某乙醇廠UASB中顆粒污泥作為接種污泥處理木薯乙醇廢液，韋雪梅等[7]采用某糖廠厭氧污泥池中的厭氧活性污泥和縣城生活污水處理廠的剩余活性污泥作為厭氧發(fā)酵接種污泥，處理木薯乙醇廢液。在厭氧發(fā)酵過程中，不同接種物的酶活對反應(yīng)效率也有較大的影響。厭氧發(fā)酵過程中相關(guān)酶活如脫氫酶、輔酶F420和纖維素酶活性等可以反映體系的穩(wěn)定性以及不同物質(zhì)降解和生成的效率。因此，分析關(guān)鍵酶活性與代謝產(chǎn)物之間的關(guān)聯(lián)，對物質(zhì)轉(zhuǎn)化和降解機(jī)理具有重要的指導(dǎo)意義。然而，不同的接種污泥在功能菌群組成成分和結(jié)構(gòu)上存在一定的差異性，對不同混合污泥在實際處理木薯乙醇廢液過程中發(fā)酵特性的差異性仍需深入研究，同時對厭氧發(fā)酵過程中的關(guān)鍵酶系和代謝產(chǎn)物之間的關(guān)系也需要進(jìn)行探討。

本研究評價了4種不同性質(zhì)的接種污泥對木薯乙醇廢液高溫厭氧處理的影響，通過反應(yīng)過程的參數(shù)分析，研究不同接種物之間的差異性，獲得乙醇廢液厭氧處理的最佳模式，為木薯乙醇廢液的工業(yè)化處置提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

底物：木薯乙醇廢液，取自鎮(zhèn)江長興乙醇廠，其基本特性見表1。

4種污泥的性質(zhì)見表2。接種污泥分別為鎮(zhèn)江某乙醇廠的高溫厭氧污泥、實驗室保存的牛瘤胃與絮狀污泥組成的中溫復(fù)配污泥，該污泥是絮狀厭氧污泥與牛瘤胃微生物按照VS 1∶1的比例在中溫35℃的CSTR反應(yīng)器中經(jīng)過長時間的運(yùn)行反應(yīng)而得到的復(fù)配污泥、無錫某食品加工廠的中溫厭氧顆粒污泥和無錫某糖精加工廠的中溫厭氧絮狀污泥。

表1 木薯乙醇廢液水質(zhì)特性Table 1 Characteristics of cassava alcohol wastewater

表2 4種不同接種污泥的性質(zhì)Table 2 Characteristics of four different inoculation

1.2 實驗裝置

實驗反應(yīng)裝置由3個部分組成：500 mL玻璃反應(yīng)瓶，專用集氣袋和恒溫振蕩水浴鍋。反應(yīng)瓶有效體積為450 mL，反應(yīng)溫度為55℃，搖床振蕩頻率為35 r/min，共設(shè)置4組不同的接種污泥實驗。實驗中每個反應(yīng)瓶中接種一定量的污泥和經(jīng)過稀釋6倍的廢水，用去離子水補(bǔ)充至450 mL，接種污泥濃度為 9 gVS/L，TCOD 為 12 000 mg/L，SCOD 為 6 000 mg/L。各實驗組設(shè)置3個平行，同時設(shè)置空白組，文中的數(shù)值為3組的平均值。反應(yīng)開始前向反應(yīng)裝置中通入5 min的氮?dú)庖耘趴昭b置中的空氣，采用橡皮塞密封，整個發(fā)酵時間為15 d。

1.3 測定方法

TS/VS采用灼燒減重法測定[8]；纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的成分采用范式法[9]；脂肪采用索氏提取法[10]；脫氫酶采用分光光度法[11]；輔酶F420采用分光光度法[12]；纖維素酶和半纖維素酶是將發(fā)酵液在5 000 r/min離心5min后取上清液，羧甲基纖維素酶（CMCase）和木聚糖酶酶活測定參照文獻(xiàn)[13]。酶活定義：1 mL粗酶液1 min酶解底物產(chǎn)生1 g還原糖定義為一個酶活力單位U；SCOD是將樣品經(jīng)0.45 μm的微孔濾膜過濾后，利用重鉻酸鉀法測定，具體參考國家水和廢水檢測分析方法[14]；總VFA采用比色法測定[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 SCOD變化情況

不同實驗組SCOD質(zhì)量濃度的變化見圖1。4種不同接種污泥組基本上都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，除了中溫顆粒污泥組外，其他3組未有明顯的SCOD累積現(xiàn)象。高溫絮狀污泥組和中溫復(fù)配污泥組SCOD在厭氧消化的第4天和第5天達(dá)到最大值，分別為6 519.0 mg/L和6 681.6 mg/L。中溫顆粒污泥組在第5天達(dá)到最大值6 148.6 mg/L。中溫絮狀污泥組在第1天和第5天達(dá)到兩個高峰，分別為7 686.1 mg/L和7 182.2 mg/L。隨著發(fā)酵的進(jìn)行，4組的SCOD都有不同程度的下降，至反應(yīng)結(jié)束時，高溫絮狀污泥組、中溫顆粒污泥組、中溫復(fù)配污泥組和中溫絮狀污泥組的SCOD質(zhì)量濃度分別為1 672.4、4 927.7、3 148.704、1 671.4 mg/L， 其 4 組SCOD的降解率分別為 72.1%、17.8%、47.5%和72.2%。由此可見，高溫絮狀污泥組和中溫絮狀污泥組具有較好的SCOD去除效率。微生物可以將木薯乙醇廢液中的固體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性的小分子物質(zhì)，使得反應(yīng)過程中各組SCOD的升高，這不僅提高了廢液的可再生能源回收利用率，也減少了對周圍環(huán)境的危害。

2.2 沼氣產(chǎn)氣率

圖2為4種不同接種污泥組沼氣產(chǎn)氣率。可知，高溫絮狀污泥和中溫絮狀污泥組具有較好的產(chǎn)氣效果，沼氣產(chǎn)率分別為188.8、182 mL/gTCODadded。中溫顆粒污泥組沼氣產(chǎn)率最低，僅為53.7 mL/gTCODadded，中溫復(fù)配污泥組沼氣產(chǎn)率為109 mL/gTCODadded。不同沼氣產(chǎn)量反映了不同厭氧體系的產(chǎn)沼氣潛力。經(jīng)過15 d的厭氧發(fā)酵后，中溫顆粒污泥組的沼氣產(chǎn)量較低，這是由于整個發(fā)酵過程中反應(yīng)體系處于酸化狀態(tài)，抑制了產(chǎn)甲烷菌群的生長，因此，適當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)酵體系中的pH值有利于沼氣產(chǎn)量的提高。

圖1 4種不同污泥組SCOD變化情況Fig.1 Change of SCOD in four different sludge groups

圖2 4種不同接種污泥組沼氣產(chǎn)率的情況Fig.2 Biogas production rate of four different sludge groups

2.3 反應(yīng)體系pH和VFA的變化

pH是衡量和評價厭氧發(fā)酵過程的重要影響因子，產(chǎn)甲烷菌最適pH范圍在6.8～7.2之間[16]。魯真等[17]認(rèn)為厭氧過程中微生物釋放的酶只有在合適的pH生長范圍之內(nèi)才能發(fā)揮最大活性，系統(tǒng)內(nèi)pH過高過低都會影響酶活力，進(jìn)而影響微生物細(xì)胞內(nèi)生物化學(xué)過程。圖3為在厭氧發(fā)酵過程中各組pH的變化情況?？芍猵H整體上呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。中溫絮狀污泥組pH始終在7.0以上，高溫絮狀污泥組前2天pH低于6.8，第2天最低為6.7。中溫復(fù)配污泥組前5天pH都低于6.8，并在第1天時達(dá)到最低值6.6，反應(yīng)初始階段處于弱酸化狀態(tài)，從第6天開始，pH恢復(fù)至正常產(chǎn)甲烷狀態(tài)。Liu等[18]研究認(rèn)為，pH先下降后上升現(xiàn)象符合復(fù)合菌群降解含有大量木質(zhì)纖維素類物質(zhì)過程的規(guī)律，同時也是復(fù)合菌群正常分解能力的體現(xiàn)，本實驗與其研究結(jié)果較一致。中溫顆粒污泥組在整個發(fā)酵過程的pH一直低于6.8，并在第5天達(dá)到最低值5.88，系統(tǒng)始終處于酸化狀態(tài)。中溫絮狀污泥組pH始終在7.0以上，并在第7～9天pH處于8.0以上，這可能是由于接種來自處理含氮物質(zhì)廢水的中溫絮狀污泥中含有一定量的含氮物質(zhì)，在發(fā)酵過程中形成NH4+，導(dǎo)致系統(tǒng)pH升高。

圖3 4種不同反應(yīng)組pH變化Fig.3 pH in four different groups

圖4 是4組實驗組發(fā)酵過程中VFA質(zhì)量濃度變化情況。從圖4可知，VFA質(zhì)量濃度變化總體上呈先上升后下降的趨勢。因為，在發(fā)酵初始階段，由于產(chǎn)酸菌占主導(dǎo)地位，基質(zhì)被產(chǎn)酸菌代謝成各種有機(jī)酸，此時產(chǎn)甲烷菌活性較低，產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)酸無法迅速轉(zhuǎn)化為沼氣而不斷累積，隨著發(fā)酵的不斷進(jìn)行，產(chǎn)甲烷菌逐漸適應(yīng)了體系環(huán)境，產(chǎn)甲烷能力不斷提升，使得揮發(fā)性有機(jī)酸濃度不斷降低。高溫絮狀污泥、中溫復(fù)配污泥、中溫顆粒污泥組在第4天時VFA質(zhì)量濃度達(dá)到最大值，分別為5 247.8、7 127.7、7 929.4 mg/L，中溫絮狀污泥組在第3天達(dá)到最大值，為6 108 mg/L。隨著發(fā)酵的進(jìn)行，VFA質(zhì)量濃度不斷降低，至反應(yīng)結(jié)束時，高溫絮狀污泥、中溫復(fù)配污泥、中溫顆粒污泥、中溫絮狀污泥組VFA質(zhì)量濃度分別為695.0、830.7、3 361.8、791.6 mg/L。

圖4 4種不同反應(yīng)組VFA變化Fig.4 VFA in four different groups

2.4 反應(yīng)體系中酶活性的變化情況

圖5 為4組厭氧發(fā)酵過程中脫氫酶活性變化情況?？芍?，中溫顆粒污泥組的脫氫酶活性在第2天時達(dá)到最大，為 68.9 TFμg/（mL·h），之后不斷下降。其他3個污泥組脫氫酶活性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。高溫絮狀污泥、中溫復(fù)配污泥和中溫絮狀污泥組分別在第3天、第9天和第5天達(dá)到最大值，為 67.8、80.1、77.3 TFμg/（mL·h）。 中溫復(fù)配污泥組酶活性達(dá)到最大值的時間相比其他反應(yīng)體系有滯后現(xiàn)象，這可能是因為由大量纖維質(zhì)降解菌組成的中溫復(fù)配污泥組在降解木薯乙醇廢液過程中需要更長的適應(yīng)時間，才能夠獲得更好的纖維質(zhì)降解能力，較高的酶活力也表明了對底物具有良好的轉(zhuǎn)化能力。李美群等[19]在研究酒糟發(fā)酵過程中發(fā)現(xiàn)，厭氧纖維素菌的增長較緩慢。

圖5 脫氫酶活性的變化Fig.5 Dehydrogenase activity in four different groups

微生物降解木薯乙醇廢液過程中，微生物分泌的水解酶系，如纖維素、半纖維素等酶，從而破壞和分解纖維素半纖維素等不溶性大分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，然后再降解和轉(zhuǎn)化為更加簡單的糖類、脂肪酸和氨基酸等小分子物質(zhì)[20]。

圖6為4種不同接種污泥厭氧發(fā)酵過程中纖維素和半纖維素酶活性變化情況。從圖6可知，高溫絮狀污泥、中溫絮狀污泥組的半纖維素酶和纖維素酶酶活性在第5天時達(dá)到最大，分別為10.6、18.7 U和24.6、28.7 U。中溫顆粒污泥組在第3天半纖維素酶和纖維素酶活性達(dá)到最大值，分別為9.79、5.5 U。中溫復(fù)配污泥組在第9天半纖維素酶和纖維素酶活性最大值，分別為48.2 U和51.3 U。4個實驗組纖維素和半纖維素酶活性整體上呈先升后降的趨勢。在出現(xiàn)峰值之后，水解酶活性呈逐漸下降趨勢，這可能是因為隨著厭氧過程的不斷進(jìn)行，體系內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的累積導(dǎo)致微生物活性降低，并抑制了相關(guān)的酶活性。

圖6 纖維素和半纖維素酶活性的變化Fig.6 Cellulosic and hemicellulosic enzyme activity in four different groups

輔酶F420是產(chǎn)甲烷菌特有的一種輔酶。Delafontaine等[21]提出了用輔酶F420作為厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)甲烷能力的度量指標(biāo)。實驗過程中輔酶F420變化見圖7?？芍?，高溫絮狀污泥和中溫絮狀污泥組在第8天時達(dá)到最大值，分別為0.022、0.024 μmol/gvss。中溫顆粒污泥組輔酶F420從第2天開始不斷下降，第5天時達(dá)到最小值0.006 μmol/gvss，這可能是由于中溫顆粒污泥組發(fā)酵過程中始終處于酸化狀態(tài)，抑制了產(chǎn)甲烷菌的生長和繁殖，使得反應(yīng)體系中輔酶F420受到一定程度的抑制。同時中溫復(fù)配污泥組輔酶F420在第12天時達(dá)到最大值 0.016 μmol/gvss，但相比于其它3組的最大值，該組較低，這可能是因為由大量的瘤胃微生物組成的中溫復(fù)配污泥組，而瘤胃微生物在自然環(huán)境中具有弱產(chǎn)甲烷菌體系特征，使得產(chǎn)甲烷菌活性較低，因此在厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)甲烷能力較弱。除中溫顆粒污泥組外，其他三個污泥組輔酶F420均呈先上升后下降的趨勢。

圖7 輔酶F420的變化Fig.7 Coenzyme F420 in four different groups

2.5 木薯乙醇廢液中固體物質(zhì)的降解效果及其對理論產(chǎn)甲烷的貢獻(xiàn)率

木薯乙醇廢液中固體物質(zhì)的降解效果見圖8?？芍?，高溫絮狀污泥、中溫顆粒污泥、中溫復(fù)配污泥和中溫絮狀污泥組經(jīng)過15 d的厭氧發(fā)酵，木薯乙醇廢液中粗纖維降解率分別為25.8%、16.1%、41.5%、29.4%。Zhen等[22]認(rèn)為接種牛瘤胃微生物的厭氧反應(yīng)器對木質(zhì)纖維素類廢水具有更高的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化率。中溫復(fù)配污泥組表現(xiàn)出較好的降解率，這可能是因為中溫復(fù)配污泥中的牛瘤胃微生物起到了一定的降解作用。與此同時，由關(guān)鍵酶活性與粗纖維降解效果分析可知，關(guān)鍵酶活性與粗纖維降解率具有一定的相關(guān)性，但在實際的纖維質(zhì)厭氧分解過程中，酶的釋放和酶活性會受到各種因素的干擾和影響，如底物中各成分含量、底物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及與底物的吸附性能等[23]。

圖8 不同接種污泥組粗纖維降解率的變化Fig.8 Crude cellulose degradation rate of four different sludge groups

同時，為了分析不同有機(jī)物質(zhì)降解率對理論總甲烷產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，利用Buswell方程[24]進(jìn)行理論產(chǎn)甲烷貢獻(xiàn)率計算：

利用公式（1）可知，纖維素（C6H10O5）、半纖維素（C5H8O4）和脂肪（C57H104O6）的理論產(chǎn)甲烷貢獻(xiàn)率分別為 414.8、424.2、1 013.45 mL CH4/g dry。

表3為4個不同反應(yīng)體系各有機(jī)物質(zhì)降解效率?？梢钥闯觯琤組纖維素和半纖維的降解效率最大，a和d組相近，c組最小。表4為木薯乙醇廢液中有機(jī)物質(zhì)降解效率對理論產(chǎn)甲烷的貢獻(xiàn)率。計算結(jié)果可得，纖維素和半纖維素對理論產(chǎn)甲烷貢獻(xiàn)率最大，這表明纖維素和半纖維的降解效率對理論產(chǎn)甲烷具有重要的貢獻(xiàn)作用。

表3 不同反應(yīng)體系各有機(jī)物質(zhì)降解效率Table 3 Removal rate of different organics in each digested group

表4 各有機(jī)物質(zhì)降解效率對理論產(chǎn)甲烷的貢獻(xiàn)率Table 4 Methane potential attributable to the removal performance of each digested organic compound

3 結(jié)語

通過評價4種不同接種污泥在處理木薯乙醇廢液過程中的發(fā)酵特性，分析和比較它們之間的差異性，得出以下結(jié)論：1）4組實驗中，高溫絮狀污泥、中溫復(fù)配污泥、中溫顆粒污泥和中溫絮狀污泥組4個反應(yīng)組中SCOD去除率分別為72.1%、47.5%、17.8%、72.2%， 沼氣產(chǎn)率分別為 188.8、109、53.7、182 mL/gTCODadded；2）中溫復(fù)配污泥組具有較好的纖維素和半纖維素酶活性，并在第9天半纖維素酶和纖維素酶活性最大，分別為48.2 U和51.3 U，中溫顆粒污泥組酶活性較差，在第3天半纖維素酶和纖維素酶活性達(dá)到最大，分別為9.79和5.5 U；3）經(jīng)過15 d厭氧發(fā)酵，高溫絮狀污泥、中溫復(fù)配污泥、中溫顆粒污泥和中溫絮狀污泥4個反應(yīng)組對木薯乙醇廢液中粗纖維降解率分別為25.8%、41.5%、16.1%、29.4%，這表明中溫復(fù)配污泥組對木薯乙醇廢液中纖維質(zhì)成分具有良好的降解能力。

不同接種污泥對木薯乙醇廢液的降解效果不同，這可能是由于組成污泥的微生物菌群的差異性導(dǎo)致的，因此，要深入了解不同接種污泥之間的降解機(jī)理，需要對發(fā)酵過程中微生物群落的變化和功能進(jìn)行深入的研究。