趙洪顏,李 雪,李 楠,劉虹豆,樸仁哲,許廣波,李艷茹,王偉東,崔宗均 (.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院,

吉林 延吉 133002；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命技術(shù)學(xué)院,黑龍江 大慶 163000；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)工程中心,北京 100091)

溫度是影響有機(jī)廢水厭氧發(fā)酵的重要因素之一.厭氧發(fā)酵溫度大體上分為低溫發(fā)酵(＜20℃)、中溫發(fā)酵(25～40℃)、高溫發(fā)酵(＞45℃)[1].高溫厭氧發(fā)酵可以縮短發(fā)酵時(shí)間,底物廣泛,殺死農(nóng)業(yè)害蟲,出水滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[2],但能耗較高;中溫厭氧消化目前研究較為廣泛,但是對(duì)大腸桿菌等滅菌率低,反應(yīng)運(yùn)行也需要一定的能耗.研究表明未來厭氧發(fā)酵趨勢(shì)是發(fā)展低溫和室溫厭氧發(fā)酵技術(shù),因?yàn)楦邷睾椭袦貐捬醴磻?yīng)器運(yùn)行過程中要消耗一定的熱能,所以低溫或室溫厭氧發(fā)酵將會(huì)提高一定的經(jīng)濟(jì)利益[3-4].

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同溫度環(huán)境下,不同類型的反應(yīng)器處理有機(jī)廢水和人工合成廢水工藝進(jìn)行了大量的研究.對(duì)高溫(55℃)、中溫(35℃)、低溫(18～5℃)等溫度條件下,用膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器(EGSB)、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)、厭氧折流板反應(yīng)器、攪拌式反應(yīng)器和固定床厭氧反應(yīng)器,處理工業(yè)廢水、人工合成的葡萄糖廢水等,均在單一溫度或不同溫度的運(yùn)行效果和微生物群落變化進(jìn)行了研究,結(jié)果表明在不同的溫度下不同類型反應(yīng)器的運(yùn)行效果和微生物的群落豐富性及優(yōu)勢(shì)菌群存在一定的差異[5-8].但對(duì)同一類型反應(yīng)器的 3個(gè)溫度下微生物群落的變化研究較少,尤其是對(duì)固定床厭氧反應(yīng)器不同溫度下運(yùn)行效果和微生物群落變化的研究尚未見到報(bào)道.

本研究以炭纖維為載體的固定床厭氧反應(yīng)器(FBAR),研究不同溫度下反應(yīng)器運(yùn)行效果及微生物群落.通過產(chǎn)氣量、甲烷含量、出水的 VFA指標(biāo)比較運(yùn)行特性,采用克隆文庫和定量PCR技術(shù)分析微生物群落的變化,探索固定床厭氧反應(yīng)器最佳的運(yùn)行溫度及最佳溫度條件下微生物群落的動(dòng)態(tài)變化,旨在為將來固定床厭氧反應(yīng)器在沼氣工程中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

固定床反應(yīng)器使用 10mm厚的有機(jī)玻璃自行設(shè)計(jì)加工制作而成,有效容積為 10L,外徑為24cm,總高度31cm,采用比表面積為1100m2/g的炭纖維(CF, Japan Carbon Company)作為反應(yīng)器的微生物載體,用不銹鋼絲包裹成 7個(gè)圓柱形的炭纖維載體(高：27cm;直徑：5.5cm)放入反應(yīng)器內(nèi).糖蜜廢水由蠕動(dòng)泵從反應(yīng)器底部泵入反應(yīng)器內(nèi),反應(yīng)器所產(chǎn)的沼氣由頂部所連接的集氣袋來進(jìn)行收集,通過排水法來進(jìn)行氣體體積的測(cè)量.在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段,定期對(duì)反應(yīng)器的出水與產(chǎn)氣進(jìn)行取樣,用于檢測(cè) COD、pH值和甲烷含量.反應(yīng)器置于生化培養(yǎng)箱內(nèi)(Model MIR 254, Sanyo, Janpan),來控制反應(yīng)器的運(yùn)行溫度,整套裝置如圖1所示.

圖1 反應(yīng)器裝置示意Fig.1 Schematic diagrams of the fixed-bed reactor

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

反應(yīng)器接種污泥的量為4L.接種污泥從天津可口可樂加工廠廢水處理反應(yīng)器中取得(種泥為長(zhǎng)期處理含糖量較高的廢水),總固體(TS)含量為33.63%,揮發(fā)性固體(VS)含量為6.16%.由10L的糖蜜(垂度：70%;糖度：45%),800g 貓糧和90L 的自來水配成COD為100000mg/L的原始糖蜜廢水,稀釋成所需要的 COD并且 COD： N： P維持在300～500：5：1 以提供微生物的生長(zhǎng)所需.

1.3 反應(yīng)器運(yùn)行條件

反應(yīng)器處理恒定 COD的糖蜜廢水,糖蜜是微生物生長(zhǎng)的主要碳源.3個(gè)反應(yīng)器在中溫(35℃)啟動(dòng)成功,初始COD為5000mg/L,水力停留時(shí)間(HRT)為3d,每個(gè)HRT增加5000mg/L,直至COD為20000mg/L.R1反應(yīng)器在中溫(35℃)正常運(yùn)行,反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷(OLR)為 6.7kg/(m3·d),運(yùn)行14d;R2反應(yīng)器COD濃度恒定,逐漸增加溫度,每2個(gè) HRT 增加 5℃,直至溫度達(dá)到 50℃,反應(yīng)器的OLR 為 6.7kg/(m3·d),運(yùn)行 14d;R3 反應(yīng)器逐漸降低溫度,每 2個(gè) HRT 降低 5℃,當(dāng)溫度達(dá)到 15℃時(shí),COD 降低到 10000mg/L,直至溫度達(dá)到 4℃時(shí),COD為 10000mg/L,反應(yīng)器的 OLR為3.33kg/(m3·d),運(yùn)行 14d.糖蜜廢水用 5 當(dāng)量的氫氧化鈉來調(diào)節(jié)其pH值在7.0±0.2.

1.4 測(cè)定項(xiàng)目和方法

進(jìn)出水pH值測(cè)定：用日本HOBA公司生產(chǎn)的B-212型微量pH計(jì)測(cè)定每天的進(jìn)出水的pH值;進(jìn)出水COD測(cè)定：在運(yùn)行過程中,每隔2d分別取一次進(jìn)、出水樣,用COD速測(cè)儀(型號(hào)ET99731,德國 Lovibond公司產(chǎn))按照說明書的方法進(jìn)行測(cè)定;產(chǎn)氣量：用濕式氣體流量計(jì)(LML.1型,長(zhǎng)春汽車濾清器有限責(zé)任公司)記錄產(chǎn)氣量;污泥總固體(TS)和揮發(fā)性固體(VS)：采用重量法測(cè)定污泥總固體(TS)和揮發(fā)性固體(VS)[9];出水中揮發(fā)性脂肪酸(VFA)測(cè)定：島津高效液相色譜(LCMS2020)測(cè)定[2].

1.5 微生物群落分析

1.5.1 樣品DNA提取與16S rRNA基因PCR擴(kuò)增 每個(gè)反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束時(shí)取樣 2個(gè),分別是炭纖維載體上附著的生物膜污泥與反應(yīng)器底部的沉積污泥.沉積污泥的取樣點(diǎn)在反應(yīng)器的底部;附著污泥的取樣點(diǎn)為每個(gè)反應(yīng)器內(nèi)部的 3小片活性炭纖維載體(15mm×30mm×2mm),取出這些小片從而得到附著污泥生物量.顆粒污泥樣品經(jīng)8000r/min離心 10min去掉上清液,每個(gè)樣品取0.3g的沉淀用于DNA提取.基因組DNA用核酸提取試劑盒(百泰克生物科技有限公司,中國)的方法進(jìn)行提取.

16S rRNA基因 PCR擴(kuò)增在 Mastercycler gradient(Eppendorf,Germany)PCR儀中進(jìn)行.用于DGGE分析的引物為 A348IF(5’-GGIGCAICAGGCGCGAAA-3’, Escherichia coli positions 348-365) plus U806IR-GC(5’-CGCCCGCCGCGCCCCGCGCCCGGCCCGCCGCCCCCGCCCC GGACTACCIGGGTITCTAA-3’,E. coli positions,788-806),擴(kuò)增程序均為：首先 95℃預(yù)變性 5min,接著 25個(gè)熱循環(huán)(93℃解鏈 1min,50℃退火1min,72℃延伸 1min 30s),最后 72℃延伸 5min.PCR產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠檢測(cè)[10].

1.5.2 產(chǎn)甲烷古菌 16S rRNA基因克隆文庫和系統(tǒng)發(fā)育分析 構(gòu)建古菌 16S rDNA 克隆文庫的 PCR 引物為：A109f (5′-ACKGCTCAGTAACACGT-3′) and A 912rt (5′-GTGCTCCCCCGCCAATTCCTTTA-3′)[11]. PCR 純化后,連接到質(zhì)粒pGEM?-T Easy Vector(Promega, Chiba, Japan),方法步驟按照試劑盒的說明進(jìn)行.隨機(jī)挑選 200個(gè)克隆子,然后通過雙酶切(Hif one 和MSP one)篩選出不同的克隆子用于測(cè)序和序列分析.質(zhì)粒中插入的DNA通過引物T7/SP6進(jìn)行測(cè)序,測(cè)序送測(cè)序公司(上海生工).DNA序列通過GenBank網(wǎng)站,用 BLAST 軟件進(jìn)行比對(duì),通過 http：//www.ncbi.nlm.nih.gv/BLAST/數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相似性檢索,進(jìn)行同源性分析和相關(guān)信息檢索,近緣種序列及本研究所獲得序列一起載入 CLUSTAL X軟件包,通過程序MEGA 4構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,分析親緣關(guān)系及相似性[12].

1.5.3 產(chǎn)甲烷古菌的定量 PCR 對(duì)于實(shí)時(shí)定量PCR分析 不同古菌特異的引物對(duì)和5’-探針的序列,MBT (Methanobacteriales; MBT857F,MBT929F, MBT1196R;擴(kuò)增長(zhǎng)度：343bp); MMB(Methanomicrobiales; MMB282F, MMB749F,MMB832R; 擴(kuò) 增 長(zhǎng) 度 ： 506bp);MSC(Methanosarcinaceae; MSC380F, MSC492F,MSC828R;擴(kuò)增 長(zhǎng) 度; 408bp) 和 MST(Methanosaetaceae; MST702F, MST753F,MST862R; 擴(kuò)增長(zhǎng)度： 164bp).在 TaqMan 探針上標(biāo)上 FAM(熒光基團(tuán))和 BHQ-1(猝滅基團(tuán)).定量PCR(Q-PCR)反應(yīng)在ABI 7500儀器(Model 7500,Applied Biosystems, USA)中進(jìn)行.定量PCR反應(yīng)體系使用2 × TaqMan Universal PCR Master mix來配成 20μL,反應(yīng)體系如下：5μL 的去離子水,1μL的引物(最終濃度：10μmol/L), 2μL的TaqMan probe(最終濃度：1μmol/L), 10μL 的 2×reaction solution,和1μL的DNA模板.兩步PCR擴(kuò)增程序如下：94℃變性 10min,接著 40個(gè)熱循環(huán)(94℃變性 10s,60℃退火與延伸 30s),甲烷微菌的退火溫度為63℃[13].

培養(yǎng)5株上述的甲烷古菌用其基因組DNA制作定量 PCR的標(biāo)準(zhǔn)曲線,這些標(biāo)準(zhǔn)菌株由NITE Biological Research Center (NBRC, Chiba,Japan)提供.通過傳統(tǒng) PCR用以上提到的相應(yīng)引物對(duì)每一株甲烷菌的目的 rRNA基因進(jìn)行擴(kuò)增,純化后連入 pGEM-T載體內(nèi).對(duì)每一個(gè)質(zhì)粒DNA按照10倍濃度梯度進(jìn)行102～109copies/μL不同梯度稀釋,用于制作定量 PCR的標(biāo)準(zhǔn)曲線.根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算在樣品中目的種群16S rRNA基因的濃度.通過每一個(gè)用于提取微生物DNA的顆粒污泥樣品的VS濃度,把基于體積的濃度(copies/μL)換算成基于顆粒生物量的濃度(copies/g granule VSS).本實(shí)驗(yàn)中用于定量PCR分析的所有DNA樣品都做3次重復(fù)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度條件下產(chǎn)氣量的變化

由圖 2可見,在 35℃中溫環(huán)境下,單位有機(jī)負(fù)荷的產(chǎn)氣量為1.97～2.84L;在低溫環(huán)境4℃下,單位有機(jī)負(fù)荷產(chǎn)氣量在 1.78～2.5L;在高溫 50℃的環(huán)境下,單位有機(jī)負(fù)荷的產(chǎn)氣量在 1.35～1.98L.中溫環(huán)境 35℃產(chǎn)氣量最高,其次是低溫 4℃的環(huán)境,高溫環(huán)境 50℃固定床厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)氣量最差.說明以炭纖維為載體的固定床厭氧反應(yīng)器,最適合的溫度條件是中溫,主要原因是中溫條件下,運(yùn)行反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷菌群微生物的數(shù)量和豐富性最好,顆粒污泥的活性高,反應(yīng)器運(yùn)行效率高,所以單位有機(jī)負(fù)荷內(nèi)處理糖蜜廢水的能力最強(qiáng),單位有機(jī)負(fù)荷產(chǎn)氣量高,與其他研究結(jié)果相一致[14]. 4,35,50℃的加熱料液消耗熱量分別為 1003.3,1330,1330kg/m3[15],4℃時(shí)消耗熱量最少,其他研究也證實(shí) 4℃處理廢水是可行的[16-17].低溫厭氧消化生產(chǎn)沼氣在能耗和經(jīng)濟(jì)效益方面具有一定的優(yōu)越性.

圖2 不同溫度條件下產(chǎn)氣量的變化Fig.2 Change of biogas production under different temperature

2.2 不同溫度條件下甲烷含量變化

由圖 3可見,在 35℃中溫環(huán)境下,甲烷含量為63.5%～70.7%;4℃時(shí),甲烷含量維持在70.8%～74.5%之間;在 50℃時(shí),甲烷含量維持在 57.3%～62.5%.說明在低溫環(huán)境下,雖然甲烷的產(chǎn)氣量低,但是甲烷含量一直處于較高的含量.主要原因是低溫環(huán)境,產(chǎn)甲烷菌的代謝途徑是嗜氫甲烷菌為主的代謝途徑,消耗一部分剩余的 CO2,所以甲烷含量高[18].

圖3 不同溫度條件下甲烷含量的變化Fig.3 Change of methane content under different temperature

2.3 不同溫度條件下?lián)]發(fā)性脂肪酸(VFA)的變化

圖4 不同溫度條件下有機(jī)酸含量的變化Fig.4 Change of VFA content under different temperature

由圖4可見,50℃的高溫環(huán)境中,乙酸、丙酸的含量分別為 0.022,0.048g/L;35℃的中溫環(huán)境,乙酸、丙酸的含量分別為0.038g/L; 4℃的低溫環(huán)境,乙酸、丙酸的含量分別為0.12,0.14g/L.說明溫度對(duì)固定床厭氧反應(yīng)器的代謝有一定的影響,低溫環(huán)境中,由于受到溫度的沖擊,使反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)酸來不及轉(zhuǎn)化為CH4和CO2等無機(jī)物,而產(chǎn)生乙酸和丙酸累積現(xiàn)象[19].熱力學(xué)分析表明,在低溫環(huán)境中降解丙酸的能量效率低,所以低溫環(huán)境中有利于嗜氫產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)[18];在高溫和中溫環(huán)境中,主要是嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌代謝為主,所以沒有產(chǎn)生VFA累積的現(xiàn)象[20].

2.4 不同溫度條件下古菌克隆文庫分析

由圖5可見,在沉積污泥中,原始污泥檢測(cè)到8個(gè)不同的克隆子,低溫(4℃)污泥檢測(cè)到5個(gè)克隆子;中溫(35℃)污泥檢測(cè)到 4個(gè)克隆子,高溫(50℃)污泥檢測(cè)到 9個(gè)克隆子;在炭纖維載體污泥中,低溫(4℃)中檢測(cè)到7個(gè)克隆子,中溫(35℃)中檢測(cè)到 7個(gè)克隆子,高溫(50℃)中檢測(cè)到 6個(gè)克隆子.在原始污泥中只有2個(gè)甲烷鬃毛菌科和泉古菌門,其中甲烷鬃毛菌是優(yōu)勢(shì)菌株;不同溫度下沉積污泥中檢測(cè)到的克隆子分別代表甲烷八疊球菌目、甲烷微菌目、泉古菌門,其中甲烷鬃毛菌是優(yōu)勢(shì)菌株;不同溫度下炭纖維載體污泥中,分別代表甲烷八疊球菌目、甲烷微菌目、甲烷球菌目,其中甲烷鬃毛菌和甲烷微菌是優(yōu)勢(shì)菌株,產(chǎn)甲烷微菌在 3個(gè)溫度中均存在,尤其低溫(4℃)炭纖維載體上占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì).說明在不同溫度微生物群落的優(yōu)勢(shì)菌株有一定的變化[21],主要原因是不同溫度環(huán)境下反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌的代謝途徑有關(guān).

由系統(tǒng)發(fā)育樹可知,在高溫(50℃)和中溫(35℃)的環(huán)境中,甲烷鬃毛菌和甲烷八疊球菌是優(yōu)勢(shì)菌,原因是在高溫環(huán)境中嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌為主要代謝途徑,乙酸氧化成氫和二氧化碳,為嗜氫甲烷菌提高了大量的氫[22-23],產(chǎn)生的分子態(tài)氫受到氫分壓的調(diào)控,對(duì) VFA 的利用非常重要.前人研究已經(jīng)證實(shí),在產(chǎn)甲烷菌的微生物群落生態(tài)系統(tǒng)多樣性中,乙酸的濃度與嗜乙酸甲烷菌有直接的關(guān)系[5].此結(jié)果也解釋了50℃時(shí),乙酸濃度低的原因.其次,甲烷八疊球菌在 50℃高溫的沉積污泥中是優(yōu)勢(shì)菌,甲烷八疊球菌是優(yōu)勢(shì)種群時(shí)的顆粒污泥很小,污泥容易從反應(yīng)器中沖出,而顆粒污泥結(jié)構(gòu)影響反應(yīng)器的運(yùn)行效率,所以在高溫50℃時(shí)的產(chǎn)量比中溫35℃低.

圖5 不同溫度條件下(50℃、35℃、4℃)炭纖維載體污泥和沉積污泥克隆系統(tǒng)發(fā)育分析Fig.5 Phylogenetic tree analysis of carbon fiber carrier sludge and depostion sludge under different temperature(50℃、35℃、4℃)

低溫(4℃)的炭纖維載體上的產(chǎn)甲烷微菌是3個(gè)溫度的優(yōu)勢(shì)種群,例如克隆子 4℃-4(Methanoculleus sp., 98%)從勝利油田中分離的嗜氫產(chǎn)甲烷菌;4℃-5(Uncultured Methanomicrobiaceae archaeon gene, 99%)和 4℃-6 (Uncultured Methanomicrobiaceae archaeon gene, 99%)是以丙酸為底物,低H2分壓的條件下分離培養(yǎng)的產(chǎn)甲烷微菌[24].已有研究證實(shí)固定床厭氧反應(yīng)器在低溫環(huán)境中運(yùn)行時(shí),附著在炭纖維載體上的優(yōu)勢(shì)菌是產(chǎn)甲烷微菌[7,18].因?yàn)樘坷w維為產(chǎn)甲烷微菌的生長(zhǎng)提供了附著的載體,所以低溫下厭氧反應(yīng)器中的顆粒污泥中產(chǎn)甲烷微菌是優(yōu)勢(shì)菌,同時(shí)證實(shí)產(chǎn)甲烷微菌主要是以嗜氫產(chǎn)甲烷菌的代謝途徑為主[18,25-26].基于熱力學(xué)原因分析有五種不同的機(jī)理[27],最主要是低溫環(huán)境中嗜氫產(chǎn)甲烷菌的代謝途徑需要?dú)涞臐舛鹊?在系統(tǒng)中保持較低的氫分壓,有利于嗜氫產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)[24,28],所以低溫時(shí)的甲烷含量高于中溫和高溫.甲烷鬃毛菌在低溫 4℃時(shí)炭纖維載體污泥中微生物多樣性比較豐富,研究表明甲烷鬃毛菌為炭纖維載體上的顆粒污泥的形成有很大的貢獻(xiàn),為固定床厭氧反應(yīng)器在低溫或其它環(huán)境沖擊下穩(wěn)定運(yùn)行提供了良好的微生物生態(tài)系統(tǒng).分析表明,不同環(huán)境條件下固定床厭氧反應(yīng)器內(nèi)部微生物群落的豐富性存在很大的差異.

2.5 不同溫度條件下產(chǎn)甲烷菌定量分析

由圖6可見,在原始污泥中,甲烷鬃毛菌是優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌,其中 16S rRNA 基因濃度占測(cè)定16S rRNA 基因組總濃度的52.96%.與在厭氧環(huán)境的顆粒污泥中含有大量的產(chǎn)甲烷鬃毛菌的報(bào)道相符合[18,26,29].同時(shí)也與克隆文庫系統(tǒng)發(fā)育樹分析的結(jié)果相一致.

高溫 50℃運(yùn)行的反應(yīng)器,沉積污泥中產(chǎn)甲烷桿菌是優(yōu)勢(shì)菌,16S rRNA基因濃度占測(cè)定16S rRNA 基因組總濃度的61.90%;炭纖維載體污泥中產(chǎn)甲烷鬃毛菌是優(yōu)勢(shì)菌,其16S rRNA 基因濃度占測(cè)定16S rRNA 基因組總濃度的55.09%;中溫35℃運(yùn)行的反應(yīng)器中,沉積污泥和炭纖維載體污泥中產(chǎn)甲烷鬃毛菌均是優(yōu)勢(shì)菌,16S rRNA 基因濃度占測(cè)定 16S rRNA 基因組總濃度分別是78.07%和 56.03%;低溫 4℃運(yùn)行的反應(yīng)器,沉積污泥和炭纖維載體污泥中的優(yōu)勢(shì)菌都是甲烷微菌,16S rRNA 基因濃度分別占測(cè)定 16S rRNA基因組總濃度的74.15%和80.85%.

圖6 不同溫度條件下產(chǎn)甲古菌定量分析Fig.6 Quantitative analysis of the methanogenic group under different temperature

林長(zhǎng)松等[30]的研究指出在中溫 35℃的條件下固定床厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)氣量、COD去除率、累積產(chǎn)氣量明顯與普通的UASB反應(yīng)器.在低溫4.8℃溫度條件下普通UASB厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)量是 0.11gCOD/(L?d)[17],而本研究 4℃環(huán)境中固定床厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)氣量是 0.35gCOD/(L?d),原因是 35℃和 4℃附著在炭纖維載體污泥中的 16S rRNA基因組總濃度分別比沉積污泥中 16S rRNA 基因組總濃度增加 64.58%和 79.60%;而50℃附著在炭纖維載體上污泥中 16S rRNA 基因組總濃度分別比沉積污泥中 16S rRNA 基因組總濃度減少了60.32%.說明炭纖維載體為固定床的厭氧反應(yīng)器在中溫和低溫環(huán)境中起到了附著顆粒污泥、固定微生物的作用,使反應(yīng)器內(nèi)污泥具有較高的活性.另外,中溫和低溫環(huán)境中容易附著在炭纖維載體上的產(chǎn)甲烷微菌逐漸增加[7],尤其是低溫環(huán)境中產(chǎn)甲烷微菌 16S rRNA 基因濃度增加的數(shù)量較大,而產(chǎn)甲烷微菌主要代謝途徑是利用嗜氫甲烷菌代謝,有利于嗜氫甲烷菌(甲烷微菌)生長(zhǎng),所以低溫環(huán)境固定床厭氧反應(yīng)器產(chǎn)氣量增加較大,至于甲烷微菌喜歡附著在炭纖維載體上的原因有待于進(jìn)一步分析.

高溫環(huán)境中沉積污泥中產(chǎn)甲烷桿菌是優(yōu)勢(shì)菌群,與前人的報(bào)道在55℃的高溫厭氧反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷桿菌是優(yōu)勢(shì)菌群的結(jié)果相一致,同時(shí)也指出高溫厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷菌活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中溫厭氧反應(yīng)器和低溫厭氧反應(yīng)器[31].所以固定床厭氧反應(yīng)器更適合中溫和低溫環(huán)境運(yùn)行,產(chǎn)氣量的結(jié)果也可以證實(shí)這一點(diǎn).

3 結(jié)論

3.1 不同溫度條件下,中溫 35℃單位產(chǎn)氣量最高,最高值達(dá)到 2.84L;低溫環(huán)境 4℃,產(chǎn)甲烷含量最高,其值達(dá)到74.5%;低溫環(huán)境容易引起VFA的累積導(dǎo)致反應(yīng)器酸敗.

3.2 不同溫度條件下古菌克隆和定量分析表明,產(chǎn)甲烷鬃毛菌是中溫和高溫反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌,高溫50℃附著在炭纖維載體上的16S rRNA基因濃度占測(cè)定 16S rRNA基因組總濃度的55.09%,中溫35℃16S rRNA基因濃度占測(cè)定16S rRNA基因組總濃度的 56.03%;低溫 4℃炭纖維載體污泥中的優(yōu)勢(shì)菌都是產(chǎn)甲烷微菌16S rRNA基因濃度分別占測(cè)定16S rRNA基因組總濃度的80.85%.

3.3 從能源和經(jīng)濟(jì)效益角度分析低溫條件更適合沼氣發(fā)酵,而且以嗜氫產(chǎn)甲烷菌代謝途徑為主.

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