連續式污泥厭氧消化對腐殖酸的適應性研究
本文介紹連續式污泥厭氧消化對腐殖酸的適應性研究
1 文章亮點
·采用連續式運行模式，探究不同濃度HA對厭氧消化的影響
·測定系統內關鍵酶活性、細菌豐度等微觀指標，進一步深究HA抑制厭氧消化機理
·比較間歇式與連續式厭氧消化運行結果，驗證連續式厭氧消化過程細菌是否被馴化而出現適應性
2 文章簡介
污水中所含化學能通過污泥厭氧消化能源轉化效率較低，其中重要原因是剩余污泥中存在的腐殖質物質對厭氧消化的抑制。剩余污泥中腐殖質主要來源于餐廚垃圾、樹葉、廁紙等，屬于較難降解有機物，最終轉移到剩余污泥中，占污泥VSS量6-20%。腐殖質進入厭氧消化系統，將抑制污泥厭氧消化效率。
前期針對腐殖酸（HA，腐殖質的重要組成成分）對間歇式厭氧消化影響研究發現：
在水解階段，HA通過靜電引力、共價鍵合和網捕卷掃與水解酶結合，減緩水解速率，降低水解效率，其抑制效率為38.2%（HA:VSS=15%）；
在酸化階段，HA作為電子傳遞體或電子受體可促進酸化，促進效率高達101.5%（HA:VSS=15%）；
在產甲烷階段，HA作為電子受體，爭奪中間產物電子，同時抑制F420酶的活性而降低產甲烷效率，抑制率為52.2%（HA:VSS=15%）；
最終HA表現為整體上抑制厭氧消化，抑制率高達35.1%（HA:VSS=15%）。以上間歇式厭氧消化研究發現，HA對厭氧消化能源轉化率的抑制隨其濃度的增加而不斷加劇；那么在連續式厭氧消化的長期馴化作用下，厭氧消化系統是否會對HA的存在逐漸適應，進而減弱其抑制影響？
因此，參考前期間歇式實驗，繼續采用不含HA的“純凈”剩余污泥，進行半連續式運行模式厭氧消化研究，在周期換/進泥過程中梯度增加HA投加濃度。通過分析系統生物氣/甲烷產量、水解產物、VFAs、關鍵酶活性、細菌等參數隨濃度及時間的變化，探究系統對HA的長期適應性是否存在。
結果顯示，隨著HA濃度由無增長到20%VSS，甲烷產量直接由192 mL/g VSS降低到75 mL/g VSS，抑制率高達74.3%（見圖1）。由圖2可知，水解產物（多糖、蛋白質）均隨著HA濃度的增加而不斷累積；圖3顯示，系統內最大VFAs累積量出現時間隨HA濃度增加而推遲，且最大產量表現為逐漸增加。對系統內關鍵水解酶、產甲烷酶活性研究發現，HA濃度的增加導致酶活性不斷降低。這些現象顯示，HA對連續式厭氧消化的宏觀影響基本與間歇式厭氧消化一致。但對系統內酸化酶的研究發現（圖4），隨著HA濃度的增加，其酶活性出現一定程度增長；分析可知，HA作為電子受體接受酸化反應過程中的電子，導致系統內氫氣生成量降低，從而解除了氫分壓對酸化反應的影響，促進了酸化反應的進行。這種促進作用抵消了HA對酸化酶的抑制負作用，表現為對酸化酶的間接促進作用。而對系統內主要細菌豐度檢測結果顯示（圖5），無論是酸化細菌，還是產甲烷細菌豐度都隨著HA濃度的增加而降低。以上實驗結果意味著連續式的厭氧消化馴化系統，并沒有出現對HA的適應性，甚至表現為更強的抑制作用（連續式74% vs間歇式35%）（圖6，間歇式與連續式結果對比）。
文章同樣指出，無論是間歇式還是連續式運行模式，HA抑制厭氧消化的能源轉化率現象客觀存在。解除該抑制無外乎：1）將HA從污泥中分離；2）采取措施緩解抑制。HA分離不存在技術難題，但分離工藝費時費力且成本較高，因此尋求有效的緩解抑制手段極為重要。而金屬離子與HA的相互作用將可能形成有效的解除抑制效果，此方面有待于進一步研究。
3 重要結論
HA對連續式厭氧消化也存在嚴重的抑制作用，隨著HA濃度增高，其抑制程度不斷增加。同間歇式相比，厭氧消化細菌并未因長期馴化運行而出現對HA的適應性，細菌豐度反而進一步降低，最終表現為更強的抑制，其最大抑制率（74%）達到間歇式（35%）的2倍。
(a)
(b)
(c)
圖1 周期內生物氣/甲烷產量：a) 生物氣/甲烷產量隨時間變化；b) 單周期內每日生物氣產量變化；c) 平均甲烷產量及抑制率
圖2 系統內多糖、蛋白質累積量
(a)
(b)
圖3 不同HA濃度條件下VFA累積量：a)典型周期內TVFA隨時間變化；b)最大VFAs累積量
圖4 系統內關鍵酸化酶活性
(a)
(b)
圖5系統內關鍵酸化細菌、產甲烷細菌豐度變化
圖6間歇式與連續式厭氧消化結果對比
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