張立國,劉建忠,班巧英*,李建政(.山西大學環(huán)境與資源學院,山西 太原 030006；.哈爾濱工業(yè)大學市政與環(huán)境工程學院,黑龍江 哈爾濱 50090)

弱酸性條件下丙酸富集培養(yǎng)物的降解特性

張立國1,劉建忠1,班巧英1*,李建政2(1.山西大學環(huán)境與資源學院,山西 太原 030006；2.哈爾濱工業(yè)大學市政與環(huán)境工程學院,黑龍江 哈爾濱 150090)

為闡明厭氧生物處理系統(tǒng)中 pH降低對丙酸降解的影響,考察了弱酸性條件下丙酸富集培養(yǎng)物的降解特征.在污泥接種量為 0.22g MLVSS/L,初始丙酸濃度為1000mg/L條件下,對照組(pH7.0)的丙酸能夠被該富集培養(yǎng)物快速降解,在接種第6d時,丙酸去除率達到了98.5%.當pH從7.0分別降低至6.5和6.0時,丙酸降解速度立即下降.但經(jīng)過2～3d的適應后,丙酸降解速率恢復到對照的水平,并分別在培養(yǎng)至第8d和9d時其去除率達到了97%以上.當pH為5.5時,丙酸降解被完全抑制.在整個實驗過程中,均未檢測到氫氣,而乙酸也只有在培養(yǎng)初期有過短暫的積累.該結果表明,在該丙酸富集培養(yǎng)物中,產(chǎn)甲烷菌對弱酸性環(huán)境具有更好的耐受性和適應性.

丙酸；富集培養(yǎng)物；弱酸性條件；降解特性

有機物厭氧生物處理是在一系列微生物的協(xié)同代謝作用下完成的,包括水解發(fā)酵菌群,產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群,同型產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群[1-3].丙酸是厭氧生物處理過程中重要的中間代謝產(chǎn)物之一.在厭氧反應器中,丙酸的主要來源于脂肪,油脂以及碳水化合物等產(chǎn)生的奇數(shù)鏈脂肪酸[4-5].它的厭氧氧化是一個高度吸能的過程.當厭氧消化系統(tǒng)遭受溫度,有機負荷,氫分壓等沖擊時,丙酸很容易在系統(tǒng)中積累,導致系統(tǒng)pH下降,酸化,進而使系統(tǒng)運行失敗[6-8].由此可見,丙酸的高效降解對于維持厭氧消化系統(tǒng)的運行效能和穩(wěn)定性具有重要意義.

在產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中,丙酸的厭氧降解是在丙酸氧化菌和產(chǎn)甲烷菌的共同作用下完成的[9].一方面,丙酸氧化菌將丙酸轉化成乙酸和 H2/CO2,為產(chǎn)甲烷菌提供底物.反過來,產(chǎn)甲烷菌通過消耗乙酸和H2/CO2為丙酸降解解除反饋抑制作用[10-11].最新研究表明,厭氧消化過程中除種間氫傳遞機制外,直接種間電子傳遞(DIET)機制同樣存在,這在一定程度上緩解了氫分壓對丙酸厭氧降解的抑制作用[12-13].pH 作為厭氧生物處理反應器重要調控因子之一,直接影響著反應器的處理效能

[14].丙酸氧化菌特殊的代謝特征使其對 pH更加敏感[15].然而,關于丙酸氧化菌在弱酸性環(huán)境中代謝活性的相關研究還很少.因此,本研究丙酸富集培養(yǎng)為對象,研究弱酸性條件下丙酸的降解特征,其結果將為厭氧生物處理反應器的調控提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 接種污泥

接種污泥取自本實驗室的一個中溫丙酸富集培養(yǎng)物.初始污泥為厭氧顆粒污泥,經(jīng)過 15代連續(xù)傳代培養(yǎng)后污泥形態(tài)轉化為絮狀.該富集培養(yǎng)物的MLSS和MLVSS分別為1410mg/L和1100mg/L,污泥活性為 0.78.在 35℃,pH7.0,初始丙酸濃度 1000mg/L條件下,該富集培養(yǎng)物的丙酸降解速率為757.6mg/(g MLVSS·d).

1.2 靜態(tài)搖瓶試驗

靜態(tài)搖瓶試驗采用間歇培養(yǎng)方式進行,實驗容器為150mL血清瓶.每個血清瓶中加入10mL丙酸富集培養(yǎng)物(MLVSS為1100mg/L)和40mL液體培養(yǎng)基,其中碳源為丙酸(1000mg/L).將培養(yǎng)液pH值用1mol/L HCl或1mol/L NaOH分別調至7.0,6.5,6.0和5.5,充氮氣3min,確保血清瓶中為厭氧環(huán)境.然后將血清瓶置于恒溫空氣浴搖床(35℃)進行培養(yǎng).每個pH梯度做3個平行樣,數(shù)據(jù)分析取其平均值.每24h測定一次產(chǎn)氣量、氣體組成和揮發(fā)酸組成.

1.3 分析項目及方法

pH值和生物量(揮發(fā)性懸浮固體總量MLVSS)采用標準方法測定[16],甲烷發(fā)酵產(chǎn)氣量通過10～50mL的玻璃注射器排氣計量.發(fā)酵氣體的組分和揮發(fā)酸濃度分別采用山東魯南瑞虹化工儀器有限公司的 SP-6800A型(TCD檢測器)和SP-6890型(FID檢測器)氣相色譜測定.累計甲烷產(chǎn)量參照Owen法進行計算[17].

1.4 COD平衡計算

COD物質平衡按照以下公式計算,其中COD殘留(mg/L)為剩余 COD,即剩余丙酸和乙酸COD當量;CH4(mgCOD/L)為累計產(chǎn)甲烷量所消耗的COD;COD初始(mg COD/L)為初始COD含量.

2 結果與分析

2.1 丙酸降解特性

丙酸是有機廢水厭氧生物處理過程中重要的中間代謝產(chǎn)物之一,復雜有機物轉化成甲烷時30%左右的甲烷來自丙酸的氧化[15].本研究以丙酸富集培養(yǎng)物為實驗對象,通過間歇培養(yǎng)方式考察了該丙酸富集培養(yǎng)物在弱酸性條件的降解特性.前期的研究發(fā)現(xiàn)該丙酸富集培養(yǎng)物中的主要丙酸氧化菌在分類學上屬于互營桿菌屬(Syntrophobacte),而產(chǎn)甲烷菌在分類學上屬于產(chǎn)甲烷桿菌屬(Methanobacterium)和產(chǎn)甲烷絲狀菌屬(Methanosaeta)[9].Syntrophobacte spp.降解丙酸需要產(chǎn)甲烷菌的協(xié)同作用,且其生長的 pH范圍為6.0～8.8[18-19].Methanobacterium屬的產(chǎn)甲烷菌只能利用 H2/CO2或甲酸進行生長代謝產(chǎn)甲烷,而Methanosaeta屬只能以乙酸為底物[20].

本研究探討了 pH7.0,pH6.5,pH6.0,pH5.5條件下的丙酸降解特征.pH不僅是有機物厭氧生物處理過程中重要的運行參數(shù)之一,同時也會直接影響相關微生物的生長和代謝.pH影響著微生物代謝的多個方面,包括對碳源和能源的利用,底物降解速率,蛋白質及各種儲能物質的合成和代謝產(chǎn)物的釋放等[21].如圖1所示,當pH為 7.0時,該丙酸富集培養(yǎng)物表現(xiàn)出了較強的降解丙酸能力,接種第6d時,培養(yǎng)液中98.5%丙酸已經(jīng)被轉化.然而,當pH為6.5和6.0時,丙酸降解速度立即下降.富集培養(yǎng)物對丙酸的降解出現(xiàn)了短暫的停滯期.但經(jīng)過 2～3d的適應后,丙酸降解速率恢復到對照(pH7.0)水平,并分別在培養(yǎng)至第8d和9d時其去除率達到了98.7%和97.6%.當pH為5.5時,該富集培養(yǎng)物對丙酸的降能力喪失,即使連續(xù)培養(yǎng) 9d后丙酸去除率仍然幾乎為 0.這與Syntrophobacte spp.純培養(yǎng)的研究結果相一致[15].以上結果表明,低 pH(≤5.5)會對系統(tǒng)中的丙酸氧化菌群的代謝活性產(chǎn)生顯著的抑制作用.

圖1 弱酸性條件下丙酸降解歷時曲線Fig.1 The curve of propionate degradation at slightly acidic conditions

2.2 累計產(chǎn)甲烷量

在產(chǎn)甲烷環(huán)境中,丙酸的轉化主要依賴丙酸氧化菌群和產(chǎn)甲烷菌群的協(xié)同作用來完成的.因此,產(chǎn)甲烷活性的高低對于丙酸的氧化是十分重要的.如圖2所示,累計產(chǎn)甲烷量的變化趨勢與丙酸降解過程一致.pH為7.0時,在接種后第1d就表現(xiàn)出較高的活性,在第6d時累計產(chǎn)甲烷量就達到平臺期,為26.9mL.然而,當pH為6.5和6.0時,培養(yǎng)前期產(chǎn)甲烷速率較對照組低,然后隨著培養(yǎng)時間的延續(xù)逐漸提高.

圖2 弱酸性條件下累積產(chǎn)甲烷量特征Fig.2 The accumulative methane production at slightly acidic conditions

在pH 6.5和6.0條件,累積產(chǎn)甲烷量分別在第8d和9d達到最大值26.0mL和23.9mL.當pH為5.5時,沒有甲烷生成.盡管多數(shù)產(chǎn)甲烷菌在中性環(huán)境中的代謝活性較高[15].但是以前的研究也表明,在 pH5.5時氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌仍然具有較高的活性[22].由圖1可知,作為唯一的碳源和能源物質,丙酸在pH5.5時不能被分解.所以,pH5.5時沒有甲烷生成是由于產(chǎn)甲烷菌沒有可以利用的底物所致.

2.3 乙酸生成量

產(chǎn)甲烷菌根據(jù)可利用底物的不同可分為氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌和乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌.在整個實驗過程中,幾乎檢測不到 H2積累.可見,在pH7.0～5.5范圍內,pH高低對氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的活性沒有顯著的影響.當pH為7.0時,在接種后第 1～2d,乙酸發(fā)生了短暫的積累(約為128mg/L)(圖3).這可能是由于pH為7.0條件下丙酸氧化菌的活性較高,而作為食物鏈下游的乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的生長和代謝與之不匹配,導致乙酸發(fā)生了短暫的積累.經(jīng)過2d的調整適應后,乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌活性得到恢復,并在第3d將乙酸降至52.4mg/L,在隨后的培養(yǎng)過程中乙酸都保持較低的濃度(≤44.6mg/L).

圖3 不同pH條件下乙酸含量變化過程Fig.3 The acetate concentration at different pH conditions

當pH為6.5時,在培養(yǎng)第2～4d乙酸發(fā)生了積累(76.8～127.0mg/L),隨后積累被消除并保持較低水平.由圖1可知,從培養(yǎng)的第2d開始丙酸的降解速率加快,致使生成的乙酸迅速增加,而產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和活性難以與之適應.培養(yǎng)至第5d時,乙酸濃度降低至 50mg/L以下,可見乙酸型產(chǎn)甲烷菌的種群功能被增強.類似地,pH 6.0條件下在培養(yǎng)的第5d乙酸發(fā)生了短暫積累.當pH為5.5時,乙酸濃度始終保持在接種前的水平,因為在培養(yǎng)過程中丙酸降解完全被抑制(圖1),也就不會有乙酸積累現(xiàn)象的發(fā)生.

由此可見,氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌和乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌對于 pH的響應有所不同.弱酸性環(huán)境(pH6.5～6.0)對氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的活性不會造成明顯的抑制作用,但對乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌可產(chǎn)生一定的影響.以前的研究也表明,氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌比乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌更耐酸[22-23].

計算物質平衡可以了解厭氧發(fā)酵過程中代謝產(chǎn)物的分布[24].表1表明了弱酸性條件下丙酸降解生成的產(chǎn)物與初始底物之間的COD物質平衡.本研究中,COD物質平衡率達到了 90.9%～109.6%,說明本實驗獲得的數(shù)據(jù)是合理的.

綜合上述,弱酸性環(huán)境(pH5.5～6.5)對丙酸降解造成了不同程度的影響.pH6.0～6.5可以使丙酸降解出現(xiàn)短暫的停滯,隨后降解速率增加,且經(jīng)過較長時間的培養(yǎng)后總去除率與對照組(pH7.0)沒有顯著差異(表2).但是pH5.5卻導致丙酸幾乎不能氧化.除此之外,本研究還發(fā)現(xiàn),乙酸和H2/CO2沒有顯著積累,暗示了產(chǎn)甲烷菌對弱酸環(huán)境的適應能力要高于丙酸氧化菌.

表1 不同pH條件下的COD物質平衡Table 1 COD mass balance under different pH conditions

表2 弱酸性條件下的丙酸降解特征Table 2 Propionate degradation characteristics at slightly acidic conditions

3 結論

3.1 當初始丙酸濃度為1000mg/L時,弱酸性環(huán)境條件(pH5.5～6.5)可對丙酸富集培養(yǎng)物的降解能力造成不同程度的抑制.pH 6.5和pH 6.0使丙酸降解延長2～3d,而pH 5.5導致丙酸降解完全被抑制.

3.2 弱酸性條件未導致 H2和乙酸的持續(xù)積累,表明在該丙酸富集培養(yǎng)物中,產(chǎn)甲烷菌對弱酸性環(huán)境具有更好的耐受性和適應性.

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Degradation characteristics of a propionate enriched culture at slightly acidic conditions.

Z HANG Li-guo1, LIU Jian-zhong1, BAN Qiao-ying1*, LI Jian-zheng2(1.College of Environment and Resource, Shanxi University, Taiyuan 030006, China；2.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China). China Environmental Science, 2016,36(12)：3724～3728

To clarify the effects of pH on propionate degradation in an anaerobic system, the degradation characteristics of a propionate enriched culture at slightly acidic conditions were investigated. Under the biomass of 0.22g MLVSS/L and initial propionate of 1000mg/L conditions, propionate was rapidly oxidized at pH7.0 (control) and propionate removal achieved 98.5% after 6days cultivation. pH decrease, from 7.0 to 6.5 and 6.0, resulted in propionate removal rate was decreased instantaneously. But propionate degradation rate was recovered to the value at pH 7.0 after 2～3 days adaptation. Propionate removal at pH 6.5 and pH 6.0 were reached above 97% after 8 days and 9 days cultivation, respectively. Propionate was hardly decomposed at pH 5.5 during the whole cultivation. During the whole experiment, no hydrogen was detected and acetate was transient accumulation in the early culture. These results indicated methanogens were more acid resistance than propionate-oxidizing bacteria.

propionate；enriched culture；slightly acidic conditions；degradation characteristics

X703.5

A

1000-6923(2016)12-3724-05

張立國(1980-),男,河南安陽人,講師,博士,主要從事廢水厭氧生物處理研究.發(fā)表論文12篇.

2016-04-20

國家自然科學基金項目(51508316);山西省基礎研究項目(2015021136, 2015021134)

* 責任作者, 講師, banqiaoying@163.com