连续式污泥厌氧消化对腐殖酸的适应性研究
本文介绍连续式污泥厌氧消化对腐殖酸的适应性研究
1 文章亮点
·采用连续式运行模式，探究不同浓度HA对厌氧消化的影响
·测定系统内关键酶活性、细菌丰度等微观指标，进一步深究HA抑制厌氧消化机理
·比较间歇式与连续式厌氧消化运行结果，验证连续式厌氧消化过程细菌是否被驯化而出现适应性
2 文章简介
污水中所含化学能通过污泥厌氧消化能源转化效率较低，其中重要原因是剩余污泥中存在的腐殖质物质对厌氧消化的抑制。剩余污泥中腐殖质主要来源于餐厨垃圾、树叶、厕纸等，属于较难降解有机物，最终转移到剩余污泥中，占污泥VSS量6-20%。腐殖质进入厌氧消化系统，将抑制污泥厌氧消化效率。
前期针对腐殖酸（HA，腐殖质的重要组成成分）对间歇式厌氧消化影响研究发现：
在水解阶段，HA通过静电引力、共价键合和网捕卷扫与水解酶结合，减缓水解速率，降低水解效率，其抑制效率为38.2%（HA:VSS=15%）；
在酸化阶段，HA作为电子传递体或电子受体可促进酸化，促进效率高达101.5%（HA:VSS=15%）；
在产甲烷阶段，HA作为电子受体，争夺中间产物电子，同时抑制F420酶的活性而降低产甲烷效率，抑制率为52.2%（HA:VSS=15%）；
最终HA表现为整体上抑制厌氧消化，抑制率高达35.1%（HA:VSS=15%）。以上间歇式厌氧消化研究发现，HA对厌氧消化能源转化率的抑制随其浓度的增加而不断加剧；那么在连续式厌氧消化的长期驯化作用下，厌氧消化系统是否会对HA的存在逐渐适应，进而减弱其抑制影响？
因此，参考前期间歇式实验，继续采用不含HA的“纯净”剩余污泥，进行半连续式运行模式厌氧消化研究，在周期换/进泥过程中梯度增加HA投加浓度。通过分析系统生物气/甲烷产量、水解产物、VFAs、关键酶活性、细菌等参数随浓度及时间的变化，探究系统对HA的长期适应性是否存在。
结果显示，随着HA浓度由无增长到20%VSS，甲烷产量直接由192 mL/g VSS降低到75 mL/g VSS，抑制率高达74.3%（见图1）。由图2可知，水解产物（多糖、蛋白质）均随着HA浓度的增加而不断累积；图3显示，系统内最大VFAs累积量出现时间随HA浓度增加而推迟，且最大产量表现为逐渐增加。对系统内关键水解酶、产甲烷酶活性研究发现，HA浓度的增加导致酶活性不断降低。这些现象显示，HA对连续式厌氧消化的宏观影响基本与间歇式厌氧消化一致。但对系统内酸化酶的研究发现（图4），随着HA浓度的增加，其酶活性出现一定程度增长；分析可知，HA作为电子受体接受酸化反应过程中的电子，导致系统内氢气生成量降低，从而解除了氢分压对酸化反应的影响，促进了酸化反应的进行。这种促进作用抵消了HA对酸化酶的抑制负作用，表现为对酸化酶的间接促进作用。而对系统内主要细菌丰度检测结果显示（图5），无论是酸化细菌，还是产甲烷细菌丰度都随着HA浓度的增加而降低。以上实验结果意味着连续式的厌氧消化驯化系统，并没有出现对HA的适应性，甚至表现为更强的抑制作用（连续式74% vs间歇式35%）（图6，间歇式与连续式结果对比）。
文章同样指出，无论是间歇式还是连续式运行模式，HA抑制厌氧消化的能源转化率现象客观存在。解除该抑制无外乎：1）将HA从污泥中分离；2）采取措施缓解抑制。HA分离不存在技术难题，但分离工艺费时费力且成本较高，因此寻求有效的缓解抑制手段极为重要。而金属离子与HA的相互作用将可能形成有效的解除抑制效果，此方面有待于进一步研究。
3 重要结论
HA对连续式厌氧消化也存在严重的抑制作用，随着HA浓度增高，其抑制程度不断增加。同间歇式相比，厌氧消化细菌并未因长期驯化运行而出现对HA的适应性，细菌丰度反而进一步降低，最终表现为更强的抑制，其最大抑制率（74%）达到间歇式（35%）的2倍。
(a)
(b)
(c)
图1 周期内生物气/甲烷产量：a) 生物气/甲烷产量随时间变化；b) 单周期内每日生物气产量变化；c) 平均甲烷产量及抑制率
图2 系统内多糖、蛋白质累积量
(a)
(b)
图3 不同HA浓度条件下VFA累积量：a)典型周期内TVFA随时间变化；b)最大VFAs累积量
图4 系统内关键酸化酶活性
(a)
(b)
图5系统内关键酸化细菌、产甲烷细菌丰度变化
图6间歇式与连续式厌氧消化结果对比
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