污泥厌氧发酵产酸研究

污泥厌氧发酵产酸研究

1 引言

据统计,至“十二五”期末我国湿污泥量(含湿量80%)将突破4600万t,而污泥厌氧消化技术以其低能耗、高产出的经济优势成为污泥资源化利用的主要技术之一.除厌氧消化产甲烷以外,污泥产挥发性脂肪酸(VFA)也是实现污泥资源化的有效途径,近年来,越来越多的学者开始关注污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸.目前,有关污泥厌氧发酵产酸的研究主要集中在通过改进装置构型、产酸微生物生态、优化控制运行条件,如控温、pH等条件因素来提高产酸效率.已有研究表明,通过调节发酵污泥底物的C/N比可增加发酵产酸量并调控其产酸类型,然而,目前研究人员对污泥厌氧发酵产酸过程中不同C/N比与关键酶酶活及有机酸产酸量间的关系并不清楚.仅有为数不多的研究,如优化C/N比条件作为酒精发酵的实验模型研究,而对于数学模型则没有报道.数学模型法作为现代科学研究的重要手段,它有助于描述和理解生物处理系统的反应过程,可为工程设计提供理论上的指导;还有助于工艺的优化和控制,从而更好地指导实际生产运行.

多元线性回归是一种理想的描述多个因素之间关系的数学方法,能较好地确定被解释变量和解释变量之间的关系,在很多领域得到了应用(常盛等,2011).因此,本研究通过设置不同C/N比条件来调控污泥厌氧发酵产酸,在Matlab7.0平台上建立多元线性回归函数模型,拟合C/N比、关键酶酶活和产酸类型之间的关系,以期为今后污泥发酵产酸条件调控研究和工程放大提供参考.

2 材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 污泥与种泥

原始污泥取自无锡市太湖新城污水处理厂,发酵底物是经过热碱预处理的污泥上清液.污泥采集后置于阴凉处,风干10 d,采用机械粉碎仪粉碎,再过30目筛,密封置于-15 ℃冰柜中保存.

接种污泥来源于无锡某柠檬酸厂上流式厌氧污泥反应器(UASB)中的厌氧颗粒污泥.在

100 ℃下煮沸2 h以杀死产甲烷菌(Logan et al., 2002),然后导入有效容积为2 L的UASB中进行驯化,活化种泥中的产酸菌(郭磊等,2008),驯化温度为35 ℃.每日监测驯化种泥的pH值,待种泥驯化后出水pH值降低至4.0左右,稳定3~5 d后,认为种泥驯化成功.原始污泥和污泥预处理液及接种种泥的性质见表 1.

表 1 原始污泥、污泥预处理液和接种污泥的性质

2.1.2 厌氧发酵

调节热-碱预处理后离心液pH为10.0,取500 mL离心液置于1000 mL的厌氧反应瓶中,分别加入不同量葡萄糖,以使得底物混合液的初始C/N比为12、56、69、156.接入驯化后的种泥,种泥接种量为10%(种泥和待处理水的体积比).污泥发酵前充氮气10 min以去除氧气,然后迅速密封置于转速为120 r·min-1和温度(35±1)℃的摇床厌氧发酵.在发酵期间,每12 h调节pH为初始的10.0(Logan et al., 2002).每24 h取样1次,用针管吸出部分发酵液,取样完成后调节pH 并充氮气保持厌氧.

2.1.3 实验药品和材料

本实验采用的药品包括4-甲基戊酸(0.83 g·L-1)、磷酸溶液(3 mol·L-1)、NaOH(3 mol·L-1)、HCL(3 mol·L-1)等;主要仪器包括pH计(Mettler Toledo,Switzerland)、气相色谱仪(GC-2010 Shimadzu Corporation,Tokyo,Japan)、马弗炉、凯氏定氮仪(Buchi,Switzerland),离心机(Eppendorff,Germany)等.

2.2 试验方法 2.2.1 污泥初始指标测定

污泥预处理前后的总固体(TS)、溶解性固体(SCOD)及污泥挥发性固体(VS)的测定采用重量法(Bligh et al., 1959),具体操作详见GB11901-89和《水和废水监测分析方法》.pH值测定参照国标法.

污泥中的总脂类物质采用Bligh-Dyer方法提取后,在 80 ℃下干燥直至溶剂完全挥发后,采用重量法测定(Bligh et al., 1959).总氮采用凯氏定氮法测定.总蛋白含量通过凯氏氮减去氨氮后再乘以 6.25计算得到(Miron et al., 2000).氨氮采用纳氏试剂比色法测定,污泥中的总碳水化合物采用甲醛离心法提取后(Aquino et al., 2004),再用苯酚-硫酸法测定(Dubois et al., 1956).用 Liquid TOC 分析仪测定总有机碳,详见《水质总有机碳的测定燃烧氧化-非分散红外吸收法》(HJ/T71-2001).污泥中的总磷含量用钼酸铵分光光度法测定,详见《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》(GB11893-89).

2.2.2 关键酶活测定

乙酸激酶(AK)的活性采用文献(Rose,1955)的方法提取并测定.磷酸转移乙酰酶(PTA)的提取方法同乙酸激酶,活性测定参照文献(Andersch et al., 1983)方法.丁酸激酶(BK)微生物细胞的破壁方法和提取方法同乙酸激酶,活性测定采用文献(Zhu et al., 2003)方法.磷酸转移丁酰酶(PTB)微生物细胞的破壁和提取方法同乙酸激酶,活性测定采用文献(Zhu et al., 2003)方法. 甲基丙二酰CoA变位酶(MCM)活性测定采用文献(Kellermeyer et al., 1969)方法.

2.2.3 挥发性短链脂肪酸的测定

采用GC法检测挥发性短链脂肪酸的质量浓度,样品处理及色谱条件等参见文献(Liu et al., 2008).为方便不同条件下产酸效率的比较,将测得的VFAs浓度折算成 COD值,换算方法参见文献(Liu et al., 2008).

3 结果与讨论

3.1 有机酸浓度的变化

分别设定底物初始C/N比值为12、56、156,进行厌氧发酵.发酵过程中时,体系中有机酸的产量分别如图 1所示.由图 1可以看出,底物初始C/N比不同,厌氧发酵产生的末端酸化产物也不同.C/N比为12时,产量最大的为乙酸,在第5 d达到9.45 kg·m-3(以COD计,下同);其次是丙酸,第5 d时可以达到3.55 kg·m-3;最低是丁酸,第5 d时产量约为2.35 kg·m-3(图 2a).当C/N 比为56时,产量最大的为丙酸,在第5 d可达到10.36 kg·m-3;其次是乙酸,可以达到7.79 kg·m-3;最低是丁酸,产量约为2.79 kg·m-3(图 2b).当C/N比为156时,产量最大的为丁酸,在第5 d达到13.59 kg·m-3;其次是乙酸,可以达到5.89 kg·m-3;最低是丁酸,产量约为4.72 kg·m-3(图2c).

图 1 C/N比对发酵产酸的影响(a.C/N=12,b.C/N=56,c. C/N=156)