徐雪芹,李小蘭*,黃善松,賈海江,周 蕓,李小明(.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,廣西 南寧 53000；.湖南大環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 4008)

游離亞硝酸預(yù)處理強(qiáng)化剩余污泥和煙草廢物共消化產(chǎn)甲烷

徐雪芹1,李小蘭1*,黃善松1,賈海江1,周 蕓1,李小明2(1.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,廣西 南寧 530001；2.湖南大環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

為了提高污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的效率,本研究報(bào)道了一種通過向污泥中添加煙草廢棄物(TW)和游離亞硝酸(FNA)的新方法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明污泥和TW的最佳混合比例為1:1,相應(yīng)的甲烷產(chǎn)量為203.6mL/g 每克揮發(fā)性懸浮固體(VSS),是污泥單獨(dú)消化的1.3倍.污泥和TW混合消化有助于消化基質(zhì)中蛋白質(zhì),多糖和纖維素的消耗.進(jìn)一步應(yīng)用FNA提高污泥和TW混合消化效率,FNA的最佳濃度為1.5mg/L,相應(yīng)的甲烷最大產(chǎn)量為286.4mL/g VSS.FNA預(yù)處理能夠促進(jìn)有機(jī)物的水解和酸化過程進(jìn)而為產(chǎn)甲烷古菌提供了充足的消化基質(zhì).此外,FNA預(yù)處理還強(qiáng)化了功能微生物Bacteroidetes和Firmicutes的相對(duì)豐度.

污泥；煙草廢棄物；游離亞硝酸；水解；甲烷

活性污泥法是污水處理廠治理水體中營養(yǎng)元素常用的處理技術(shù),該技術(shù)處理效率高,運(yùn)行成本低.然而活性污泥法會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥[1].剩余污泥中含大量的病原體和重金屬,若得不到有效處理和處置會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成二次污染[2].此外,剩余污泥中含有大量的有機(jī)物如蛋白質(zhì)和多糖(占中有機(jī)物的 60%左右),因此剩余污泥又是一種廉價(jià)且寶貴的資源[3-4].

厭氧消化技術(shù)是污泥處理常用的一種技術(shù),該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)物的減量化,無害化同時(shí)還能回收寶貴的能源物質(zhì)-甲烷[5].近年來,剩余污泥厭氧消化生產(chǎn)甲烷得到很多學(xué)者的關(guān)注.然而污泥厭氧消化過程常因污泥自身固有的 C/N過低而限制甲烷產(chǎn)量.微生物厭氧消化所需理想的C/N為(20～30)/1,而污泥中C/N僅為7/1左右[6].在以往的研究中為了提高甲烷產(chǎn)量常常向消化污泥中添加含C高的有機(jī)物以提高C/N進(jìn)而提高生物氣的產(chǎn)量.餐廚垃圾常用來與污泥混合發(fā)酵以平衡C/N,稀釋有害物質(zhì)進(jìn)而提高產(chǎn)氣量.然而餐廚垃圾中高鹽度,高油脂會(huì)降低產(chǎn)甲烷古菌的活性[7].

煙草是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物,其在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要的位置.中國培育和生產(chǎn)的煙草高居世界首位.煙草年產(chǎn)量約為450～500萬t,與此同時(shí),大約 25%的煙草會(huì)由于各種原因而被廢棄,進(jìn)而對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定的威脅[8].廢棄煙草(TW)通常采用焚燒的方式以減少生物量,然而焚燒會(huì)產(chǎn)生惡臭氣體,進(jìn)而對(duì)環(huán)境造成二次污染.由于煙草廢棄物含有大量的碳水化合物和木質(zhì)素,因此污泥和煙草廢棄物共消化可能是一種提高有機(jī)物甲烷產(chǎn)率的新方法.

有機(jī)物厭氧消化的水解過程通常較為緩慢,細(xì)胞外的胞外聚合物和細(xì)胞壁限制了胞內(nèi)有機(jī)物的釋放.緩慢的水解速率是厭氧消化的限速步驟.多種預(yù)處理方式如;熱堿,生物,機(jī)械等預(yù)處理方式被應(yīng)用以提高生物降解性[9].游離亞硝酸(FNA)是亞硝酸的質(zhì)子化形態(tài),FNA能夠破壞胞外聚合物和細(xì)胞壁,進(jìn)而釋放胞內(nèi)物質(zhì)[10].ZHAO等[4]應(yīng)用FNA預(yù)處理強(qiáng)化堿性發(fā)酵生產(chǎn)SCFA,當(dāng)FNA的濃度為1.54mg/L時(shí),SCFA的最大產(chǎn)量為370.1mgCOD/g VSS.Zhao等[10]單獨(dú)應(yīng)用FNA處置污泥時(shí)發(fā)現(xiàn)FNA能夠促進(jìn)污泥的水解過程.然而應(yīng)用FNA強(qiáng)化污泥和煙草廢棄物共消化產(chǎn)甲烷的研究至今尚未報(bào)道.因此本文探究了FNA預(yù)處理對(duì)污泥和煙草廢棄物厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響.并比較了FNA預(yù)處理作用下消化體系物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,關(guān)鍵酶的活性以及功能微生物的相對(duì)豐度.應(yīng)用煙草廢棄物和FNA預(yù)處理強(qiáng)化污泥產(chǎn)甲烷能夠充分利用污泥和煙草廢棄物中有機(jī)質(zhì),實(shí)現(xiàn)廢物的資源化,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 材料與方法

1.1 污泥與煙草廢棄物基本性質(zhì)

污泥取自南寧市第一污水處理廠二沉池污泥回流管,取回后的污泥在實(shí)驗(yàn)室中靜置 24h排掉上清液然后放置在 4℃的冰箱內(nèi)備用.沉淀后剩余污泥的基本屬性見表 1.本實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的煙草廢棄物取自廣西中煙有限公司.煙草廢棄物經(jīng)過粉碎機(jī)粉碎使其尺寸至小于1mm,然后與去離子水混合(質(zhì)量比 2:1)后貯存在 4℃的冰箱內(nèi)備用,煙草廢棄物質(zhì)基本屬性同樣見表1.

表1 污泥、TW和接種污泥的基本性質(zhì)Table 1 Main characteristics of sludge, TW and inoculated sludge

本實(shí)驗(yàn)中取用的接種污泥取自當(dāng)?shù)仄【茝S厭氧消化池,接種污泥取回后過1mm篩以去除不易消化的物質(zhì).接種污泥的基本性質(zhì)見表1.

1.2 污泥和煙草共消化產(chǎn)甲烷比例優(yōu)化

本實(shí)驗(yàn)在 6個(gè)相同的厭氧反應(yīng)器中進(jìn)行,厭氧反應(yīng)器的有效體積為 1.0L,反應(yīng)器為有機(jī)玻璃構(gòu)造,反應(yīng)器放置在水浴鍋中控制反應(yīng)溫度為35 ±1℃,反應(yīng)器器內(nèi)置攪拌器使消化基質(zhì)與接種污泥混合均勻,反應(yīng)器上方接集氣袋以便測定產(chǎn)氣體積.反應(yīng)器消化基質(zhì)與接種污泥比例為6:4(V/V).反應(yīng)器 1中消化基質(zhì)全部為剩余污泥,反應(yīng)器 2～5中消化基質(zhì)為污泥和煙草廢棄去的混合物,兩者的質(zhì)量比分別為9:1、7:3、5:5、2:8.而反應(yīng)器 6中消化基質(zhì)全部為煙草廢棄物.消化時(shí)間為30d.上述反應(yīng)器中pH均通過內(nèi)置的酸堿自動(dòng)滴定儀控制整個(gè)過程pH為7.0±0.1.最后向反應(yīng)器中沖氮?dú)?30s密封以排掉反應(yīng)器中固有的氧氣保證厭氧環(huán)境.上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次平行.

1.3 FNA預(yù)處理對(duì)污泥和煙草混合物厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響

本實(shí)驗(yàn)在 5個(gè)相同的反應(yīng)器中進(jìn)行,反應(yīng)器的有效體積為 1.0L.反應(yīng)溫度為 35±1℃,消化基質(zhì)與接種污泥的比例為 6:4(V/V).FNA=SNO-2-N/(Ka×10pH),其中 SNO2--N為亞硝酸鹽氮的濃度,Ka = e(-2300/(T+273)),T為35℃[11].本實(shí)驗(yàn)中消化基質(zhì)為污泥和煙草廢棄物按質(zhì)量比 1:1混合.FNA預(yù)處理的時(shí)間為24h[10].首先通過添加4.0M氫氧化鈉或者鹽酸的方式控制反應(yīng)器的pH 6.0,然后根據(jù)上述公式投加不同濃度的NaNO2以控制FNA的濃度為0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5mg/L.FNA預(yù)處理完成后人工向反應(yīng)器中投加4.0M氫氧化鈉或者鹽酸控制反應(yīng)過程 pH7.0±0.1.反應(yīng)器其他運(yùn)行條件見2.2實(shí)驗(yàn)部分.

1.4 分析方法

COD采用重鉻酸鉀氧化法測定,VSS和TSS采用重量法測定.甲烷和揮發(fā)性脂肪酸采用氣相色譜法測定,VFA檢測時(shí)色譜柱型號(hào) DB-FFAP;檢測器為氫火焰檢測器 FID;載氣(N2)流速為2.6mL/min;分流比為 10:1;進(jìn)樣器溫度為 250 ,℃檢測器溫度為300℃.甲烷的檢測檢測器為TCD,載氣為氬氣,載氣的流量為 20mL/min,填充柱為TDX-02柱,有效長度為 3.0m,TCD的溫度為120 ,℃進(jìn)樣口的溫度為 100℃.蛋白質(zhì)采用改良的BCA試劑盒法,而多糖的測定采用硫酸-苯酚法[12].C,N元素采用元素分析儀測定.纖維素的提取及檢測方法詳見文獻(xiàn)[13].厭氧發(fā)酵關(guān)鍵酶的檢測參考文獻(xiàn)[14].污泥和煙草廢棄物厭氧消化過程中功能微生物的檢測采用 454高通量測序,詳細(xì)的測定步驟詳見文獻(xiàn)[15].

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥和TW的比例對(duì)甲烷的影響

有機(jī)質(zhì)厭氧消化產(chǎn)甲烷是一系列的生物代謝作用,甲烷的產(chǎn)量受多種因素影響,有機(jī)質(zhì)的組成是影響甲烷產(chǎn)量的重要因素,因此本實(shí)驗(yàn)首先探究了污泥和TW的混合比例對(duì)甲烷的影響.由圖 1所知,污泥單獨(dú)消化產(chǎn)甲烷的最大產(chǎn)量為159.2mL/g VSS,該數(shù)值與之前的研究結(jié)果相似[16].當(dāng)污泥和TW混合后單位有機(jī)質(zhì)甲烷產(chǎn)量得到明顯提高.當(dāng)污泥和TW的質(zhì)量比由9:1降低至 5:5時(shí),甲烷的最大產(chǎn)量反而由 159.2mL/g VSS提高至203.6mL/g VSS,上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明適當(dāng)提高 TW 在污泥消化體系中的比例有助于提高甲烷的產(chǎn)量.而當(dāng)污泥和TW的質(zhì)量至進(jìn)一步降低至 2:8時(shí),甲烷的產(chǎn)量反而呈現(xiàn)下降趨勢并下降至191.6mL/g VSS.上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明TW與污泥的比例過高反而降低了甲烷的產(chǎn)量.C/N是影響混合消化的一個(gè)重要參數(shù),本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究了不同污泥和 TW 混合條件下有機(jī)質(zhì)的C/N,研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)污泥消化時(shí)其C/N為7.2/1,而當(dāng)污泥和TW按照比例9:1、7:3、5:5、2:8混合后,C/N分別為13/1,18/1,23/1和28/1.C/N是影響有機(jī)質(zhì)厭氧消化的一個(gè)重要因素,研究表明 C/N在 20～30/1有助于厭氧微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的利用并將有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷.適宜的 C/N是污泥與TW5:5混合有助于消化的重要因素.TW中C/N為34/1高于理論理想值,這也是TW單獨(dú)消化導(dǎo)致甲烷產(chǎn)氣量下降的原因.

圖1 污泥和TW混合比例對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of mixing ratio of sludge and TW on the production of methane

2.2 污泥和TW混合發(fā)酵對(duì)有機(jī)物利用的影響

蛋白質(zhì)和多糖是污泥中重要的有機(jī)物,而多糖和纖維素是TW主要的有機(jī)物.由于本研究為批式實(shí)驗(yàn),因此用進(jìn)水有機(jī)物含量(表1)減去實(shí)時(shí)有機(jī)物的含量(水相和固相總和)能夠表示有機(jī)物的消耗量.由表2可知,污泥和TW混合有助于消化體系中蛋白質(zhì),多糖和纖維素的降解.例如在消化第 6d,污泥單獨(dú)消化中蛋白質(zhì)的消耗量為841mg/L,而 TW 單獨(dú)消化中蛋白質(zhì)的消耗量為285mg/L.當(dāng)污泥和TW共消化時(shí),蛋白質(zhì)的消耗量為 1124mg/L,分別為污泥和 TW 單獨(dú)消耗的1.33和3.94倍.TW中纖維素和多糖的消耗量也呈現(xiàn)類似趨勢,例如在消化第6d,TW單獨(dú)消化實(shí)驗(yàn)中纖維素的消耗量為 821mg/L,而污泥中纖維素的消耗量為39mg/L.當(dāng)污泥和TW混合消化時(shí)纖維素的消耗量升高至 978mg/L.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明污泥和TW共消化有助于蛋白質(zhì),多糖和纖維素的消耗.

表2 污泥和TW混合對(duì)蛋白質(zhì),多糖和纖維素消耗量的影響Table 2 Effect of mixed sludge and TW on the consumption of protein, polysaccharide and cellulose

2.3 FNA濃度對(duì)污泥和TW共消化產(chǎn)甲烷的影響

圖2 FNA濃度對(duì)污泥和TW混合消化產(chǎn)甲烷的影響Fig.2 Effect of FNA concentration on the production of methane from co-digestion of sludge and TW

盡管污泥和 TW 共消化能夠優(yōu)化消化基質(zhì)的 C/N,然而污泥外包裹的胞外聚合物和細(xì)胞壁限制了胞內(nèi)有機(jī)物的釋放[17].同時(shí),TW 中的韌性結(jié)構(gòu)纖維素也限制了有機(jī)質(zhì)的利用[18].由圖2可知,各反應(yīng)器中甲烷的積累量呈現(xiàn)上升趨勢,并且在20d左右達(dá)到甲烷最大產(chǎn)量.當(dāng)FNA的濃度由0增加至1.5mg/L時(shí),甲烷的最大產(chǎn)量也由203.6增加至 286.4mL/g VSS.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明適當(dāng)提高FNA的濃度有助于提高甲烷的產(chǎn)量.而進(jìn)一步提高FNA濃度至2.5mg/L時(shí),甲烷的最大產(chǎn)量卻下降至196.1mL/g VSS,說明過高濃度的FNA能夠減少甲烷的產(chǎn)量.因此 FNA的最佳濃度為1.5mg/L,相應(yīng)的甲烷最大產(chǎn)量為286.4mL/g VSS,該產(chǎn)量為空白試驗(yàn)組的1.4倍.

2.4 FNA對(duì)污泥和TW混合消化系統(tǒng)中溶解性蛋白質(zhì)和多糖的影響

圖3 FNA濃度對(duì)污泥和TW混合消化反應(yīng)體系中SCOD的影響Fig.3 Effect of FNA concentration on SCOD in sludge and TW co-digestion system

水解反應(yīng)是有機(jī)物厭氧消化的第一步,其包括2個(gè)方面:1)固態(tài)狀的有機(jī)物逐步轉(zhuǎn)為為液態(tài),提高了 SCOD的含量,進(jìn)而為后續(xù)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸提高發(fā)酵基質(zhì);2)液態(tài)中大分子的有機(jī)物逐漸轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物,例如大分子的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為多肽,二肽以及氨基酸等,碳水化合物轉(zhuǎn)化為多糖或者單糖[19].反應(yīng)體系中 SCOD的變化能夠反應(yīng)有機(jī)物的水解情況.圖3為FNA投加量對(duì)污泥和TW混合消化系統(tǒng)中SCOD的變化情況.由圖3可知,反應(yīng)器中SCOD呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,上升的主要原因是 FNA分解消化體系中的有機(jī)物,而SCOD下降的主要原因是有機(jī)物被利用分解產(chǎn)生甲烷.由圖 3可知,各反應(yīng)器中SCOD含量在第6d達(dá)到最大值,并且在同一時(shí)間內(nèi)隨著FNA濃度的上升SCOD的含量也呈現(xiàn)出上升趨勢,例如在消化反應(yīng)第6d,FNA的濃度由0增加至1.5mg/L時(shí),SCOD的最大含量也由1259增加至2152mg/L,而繼續(xù)增加FNA的濃度至2.5mg/L時(shí),SCOD的含量為2459mg/L,該數(shù)值相較于 1.5mg FNA/L作用下增加不明顯.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 FNA能夠促進(jìn)污泥和 TW 混合消化系統(tǒng)中有機(jī)物的溶出,且 FNA的最佳濃度為1.5mg/L,相應(yīng)的SCOD的最大濃度為2152mg/L.

NO2--N在反應(yīng)體系中由于反硝化的存在會(huì)導(dǎo)致濃度下降.表2為各反應(yīng)器中NO2--N的濃度隨時(shí)間的變化.由表 2可知,NO2--N的濃度隨時(shí)間均呈現(xiàn)下降的趨勢,并且 FNA的濃度越高,在相同時(shí)間內(nèi)NO2--N的濃度也越高.例如當(dāng)FNA的濃度由0.5升高至2.5mg/L時(shí),15d NO2--N的濃度也由5.2升高至120.6mg/L.

表2 反應(yīng)器中NO2--N濃度隨反應(yīng)時(shí)間變化Table 2 Variations of NO2--N concentration in the reactor with the time

2.5 FNA濃度對(duì)污泥和 TW 共消化過程中SCFA的影響

SCFA是有機(jī)物厭氧消化過程中的代謝產(chǎn)物,其含量變化與甲烷的積累量存在密切的相關(guān)性[20].SCFA濃度過低會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)甲烷古菌所利用的有機(jī)質(zhì)利用不充分進(jìn)而導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量過低[21].由圖4可知,各反應(yīng)器中SCFA隨時(shí)間呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,當(dāng)FNA的濃度為0mg/L時(shí), SCFA的含量在第6d達(dá)到最大值且為658mg/L.而當(dāng)FNA的濃度由0增加至1.5mg/L時(shí),SCFA的最大濃度也增加至1025mg/L,該數(shù)值為空白對(duì)照組最大產(chǎn)酸量的1.55倍.當(dāng)FNA的濃度繼續(xù)增加時(shí),SCFA的最大積累量呈現(xiàn)下降的趨勢,例如當(dāng)FNA的濃度為2.5mg/L時(shí),SCFA的最大積累量僅為524mg/L.高濃度FNA能夠減少SCFA積累的主要原因在于其對(duì)產(chǎn)酸微生物的抑制作用.ZHAO等人也報(bào)道高濃度的FNA對(duì)污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)造成一定的抑制作用[4].當(dāng)FNA的濃度在0～1.5mg/L時(shí),FNA促進(jìn)了污泥和TW混合體系中 SCFA的積累,進(jìn)而為產(chǎn)甲烷古菌提供了消化基質(zhì).圖4中SCFA的變化趨勢與圖2和圖3不一致的主要原因在于累積的 SCFA被產(chǎn)甲烷古菌所利用,從而導(dǎo)致SCFA在6-15d呈現(xiàn)下降趨勢,而甲烷呈現(xiàn)上升趨勢.

圖4 FNA濃度對(duì)污泥和TW混合消化反應(yīng)體系中SCFA的影響Fig.4 Effect of FNA concentration on SCFA in sludge and TW co-digestion system

SCFA的組分同樣能夠影響甲烷的產(chǎn)量,據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道產(chǎn)甲烷古菌易于吸收和分解消化體系中乙酸,而對(duì)丙酸的利用程度較小[22].FNA濃度對(duì)SCFA的相關(guān)組分的影響詳見圖5.由圖5可知FNA預(yù)處理作用下污泥和 TW 混合發(fā)酵體系SCFA的組成中乙酸的比例最大(57.1%～61.6%),而丙酸的比例為 5.4%～10.1%.上述結(jié)果表明FNA預(yù)處理污泥和TW混合物產(chǎn)酸有利于產(chǎn)甲烷古菌的利用.進(jìn)一步研究表明各反應(yīng)器中SCFA的組分差異性不明顯,六種酸的比例依次為乙酸＞異戊酸＞丙酸＞異丁酸＞正丁酸＞正戊酸.

圖5 FNA濃度對(duì)污泥和TW混合消化反應(yīng)體系中SCFA組分的影響Fig.5 Effect of FNA concentration on the component of SCFA in sludge and TW co-digestion system各反應(yīng)器SCFA含量最大時(shí)測定

2.6 FNA預(yù)處理對(duì)厭氧消化相關(guān)關(guān)鍵酶活性劑關(guān)鍵微生物群落的影響

有機(jī)質(zhì)厭氧消化反應(yīng)是一系列復(fù)雜的反應(yīng)過程,該過程受多種酶的調(diào)控.蛋白質(zhì)的降解主要受到蛋白酶的影響,多糖的降解主要受α-葡萄糖苷酶影響[23].而TW中纖維素的降解主要由纖維素酶調(diào)控[24].AK和PTA的活性與乙酸有密切關(guān)系,F420與甲烷的產(chǎn)生有關(guān)[25].圖 6為不同濃度FNA作用下相關(guān)關(guān)鍵酶的活性.適宜濃度的FNA能夠促進(jìn)水解和酸化過程關(guān)鍵酶.例如當(dāng)FNA的濃度為1.5mg/L時(shí),蛋白酶,α-葡萄糖苷酶和纖維素酶的活性分別較空白組提高了21.1%,35.5%和42.2%.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與FNA能夠促進(jìn)混合發(fā)酵體系中SCOD和SCFA含量變化相一致.而高濃度 FNA卻對(duì)上述關(guān)鍵酶具有一定的一致作用,例如當(dāng)FNA的濃度為2.5mg/L時(shí),蛋白酶,α-葡萄糖苷酶和纖維素酶的活性分別是空白實(shí)驗(yàn)組的85.6%,86.4%和 89.1%,這與高濃度 FNA能夠破壞酶的關(guān)鍵因子.FNA的存在降低F420的活性,例如當(dāng)FNA的濃度為1.5mg/L時(shí),F420的活性為空白組的 94.2%,而進(jìn)一步提高 FNA的濃度至2.5mg/L時(shí),F420的活性僅為空白組的68.9%.低濃度的FNA對(duì)F420的活性抑制不明顯也是低濃度FNA促進(jìn)污泥和TW混合甲烷產(chǎn)量的一個(gè)重要原因.

圖6 不同濃度FNA對(duì)污泥和TW混合消化過程關(guān)鍵酶活性的影響Fig.6 Effect of different concentrations of FNA on the activities of key enzymes in the co-digestion process of sewage sludge and TW

由于FNA作用下甲烷產(chǎn)量在20d達(dá)到最大值,因此本研究選取了反應(yīng)器運(yùn)行 20d后種群樣品進(jìn)行鑒定[15].由圖 7 可知 Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria 和 Spirochaetes是各反應(yīng)器中主要的微生物種屬.當(dāng) FNA的濃度為0mg/L 時(shí) ,Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria和 Spirochaetes 的比例為 9.3%, 20.6%, 16.5% and 13.9%.當(dāng)FNA的濃度升高至1.5mg/L時(shí),Bacteroidetes和Firmicutes比例升高至33.5%和26.6%.Bacteroidetes和Firmicutes是重要的厭氧消化種屬,Bacteroidetes能夠分解糖苷鍵,促進(jìn)纖維素和半纖維素的裂解, Bacteroidetes的存在強(qiáng)化了TW中纖維素和半纖維的分解,進(jìn)而提供了更多可利用的有機(jī)質(zhì)為產(chǎn)甲烷古菌所消耗.Firmicutes 中含有分解 SCFA的種屬,適當(dāng)FNA濃度提高了Firmicutes的比例有助于SCFA的分解和轉(zhuǎn)化.高濃度FNA對(duì)厭氧微生物種屬的類別上沒有明顯差異,但是對(duì)微生物的比例產(chǎn)生一定的影響.例如當(dāng)FNA的濃度為2.5mg/L時(shí),Firmicutes的比例低于1.5mg/L FNA作用下的相應(yīng)的比例(21.4% VS 26.6%).這也是高濃度FNA導(dǎo)致污泥和TW混合消化產(chǎn)甲烷量小于1.5mg/L FNA作用.

圖7 不同濃度FNA對(duì)污泥和TW混合消化微生物群落結(jié)構(gòu)的影響Fig.7 Effect of different concentrations of FNA on the microbial community structure of co-digestion of sludge and TW a:0mg/L; B 1.5mg/L; c:2.5mg/L

3 結(jié)論

3.1 污泥和TW的最佳混合比例為1:1,甲烷的產(chǎn)量為 203.6mL/g VSS,該數(shù)值是空白試驗(yàn)組1.27倍.

3.2 FNA預(yù)處理的最佳濃度為1.5mg/L,污泥厭氧消化甲烷產(chǎn)量為286.4mL/g VSS.

3.3 FNA促進(jìn)了污泥和TW混合體系中有機(jī)物的水解和酸化.此外 FNA預(yù)處理強(qiáng)化了微生物Bacteroidetes和Firmicutes的相對(duì)比例.

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Free nitrite pretreatment enhanced methane production from co-digestion of waste activated sludge and tobacco waste.

XU Xue-qin1, LI Xiao-lan1*, HUANG Shan-song1, JIA Hai-jiang1, ZHOU Yun1, LI Xiao-ming2(1.China Tobaco Guangxi Industrial Co. Ltd, Nanning 530001, China；2.College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3423～3430

In order to improve the production efficiency of methane from sludge anaerobic digestion, this study reported a new method of adding tobacco waste (TW) and free nitrous acid (FNA) to the sludge. Experimental results showed that the optimal mixing ratio of sludge and TW was 1:1, and the corresponding methane yield was 203.6mL/g per gram volatile suspended solids (VSS), which was about 1.3times of that in sole sludge digestion. Co-digestion of sludge and TW benefited the consumption of protein, polysaccharide and cellulose in digestive matrix. Further application of free nitrous acid (FNA) pretreatment to improve the efficiency of co-digestion of sludge and TW, the optimal concentration of FNA was 1.5mg/L, the corresponding maximum methane yield was 286.4mL/g VSS. FNA pretreatment could promote the hydrolysis and acidification of organic matters, providing an sufficient digestive matrix for methanogenic Archaea. In addition, FNA pretreatment also enhanced the relative abundance of functional microorganisms of Bacteroidetes and Firmicutes.

sludge；tobacco waste；free nitrous acid；hydrolysis；methane

X703

A

1000-6923(2017)09-3423-08

2017-03-06

國家自然科學(xué)基金(51378188,51478170);廣西壯族自治區(qū)科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(桂科攻11194003)

* 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, xiaolan-dg@163.com

徐雪芹(1980-),女,河南南陽人,工程師,碩士,主要從事環(huán)境化學(xué)分析及研究.發(fā)表論文12篇.