畢豪華,高春娣,劉奕偉,邢一言,彭永臻

pH值調(diào)控方法對(duì)剩余污泥厭氧發(fā)酵的影響

畢豪華,高春娣*,劉奕偉,邢一言,彭永臻

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部,城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

以城市污水處理廠剩余污泥為研究對(duì)象,采用批次試驗(yàn)考察了pH值為5,7,9,10的恒定調(diào)節(jié)方式和分階段pH值調(diào)節(jié)方式對(duì)厭氧發(fā)酵過程中有機(jī)物溶出情況的影響,并利用高通量測(cè)序技術(shù)分析不同pH值調(diào)控方法下的發(fā)酵污泥微生物群落結(jié)構(gòu).結(jié)果表明,pH值恒定調(diào)節(jié)方式下堿性和酸性條件可溶出更多的有機(jī)物,積累量在pH=10時(shí)達(dá)到最大,此時(shí)可溶性有機(jī)物(SCOD)濃度為323.77mg/gVSS, VFAs產(chǎn)量為183.38mgCOD/gVSS.在發(fā)酵初期,以前4d控制pH=10且后續(xù)使pH值自然下降的階段調(diào)節(jié)方式有利于產(chǎn)酸階段產(chǎn)出更多的VFAs,其產(chǎn)量最高為208.78mgCOD/gVSS,比pH=10恒定調(diào)節(jié)下的VFAs總量最大值高出13.90%.采用不同pH值調(diào)節(jié)方式后微生物豐度在門水平上有顯著差異,但主要的優(yōu)勢(shì)微生物均為、Proteobacteria、Actinobacteriota和Chloroflexi.對(duì)于恒定調(diào)節(jié)方式,Firmicutes和Actinobacteriota的相對(duì)豐度在pH=10的條件下達(dá)到最高,為61.14%和15.57%,遠(yuǎn)高于其他pH值恒定調(diào)節(jié)下的菌群豐度;對(duì)于分階段pH值調(diào)節(jié)方式,上述兩類微生物較pH=10恒定調(diào)節(jié)方式的相對(duì)豐度又有較大提升,分別提升至68.46%和18.43%.從屬水平上來看,與水解酸化有關(guān)的菌群(、和等)豐度在pH=10恒定調(diào)節(jié)中占比為32.38%,在分階段pH值調(diào)節(jié)方式中占比為51.62%.分階段pH值調(diào)節(jié)方式整體上提高了水解酸化菌的相對(duì)豐度,更有利于發(fā)酵過程中VFAs的積累.

厭氧發(fā)酵；可揮發(fā)性脂肪酸；pH值；高通量測(cè)序

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的推進(jìn)和污水處理設(shè)施的完善,我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理量日漸增多,截至2020年我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模已超過2億m3/d,污水處理總量559.2億m3[1],由此產(chǎn)生的污泥量突破6000萬m3/a(以含水率80%計(jì)).剩余活性污泥作為城鎮(zhèn)污水處理廠的主要副產(chǎn)物,每天都有大量產(chǎn)出.剩余污泥中富集了大量的有機(jī)物、污染物質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3],具有污染和資源的雙重屬性,因此如何有效地回收剩余污泥中的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),實(shí)現(xiàn)污泥的無害化和資源化已經(jīng)成為當(dāng)今中外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題.厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸因其可操作性強(qiáng)和能量回收率高等優(yōu)點(diǎn)[4]被認(rèn)為是一種有效且可持續(xù)的剩余污泥處理技術(shù),厭氧發(fā)酵可釋放污泥中的大量有機(jī)物,得到富含揮發(fā)性短鏈脂肪酸(VFAs)的污泥消化液,這些發(fā)酵液可作為污水處理中的外加碳源[5],強(qiáng)化生物脫氮除磷性能.

厭氧消化包括水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷3個(gè)階段,水解階段作為污泥厭氧發(fā)酵的初始階段,通常被認(rèn)為是限速步驟[6],而酸化過程中產(chǎn)生的VFAs會(huì)被產(chǎn)甲烷菌迅速消耗,因此VFAs的積累主要依賴于水解酸化階段[7].目前大多數(shù)研究都是通過采用物理、化學(xué)、生物和聯(lián)合預(yù)處理方法來加速水解過程,以及改變操作條件如溫度、pH值、污泥停留時(shí)間等方式來抑制產(chǎn)甲烷菌的活性,從而增加VFAs的積累[8].其中調(diào)節(jié)pH值的污泥預(yù)處理方式因操作簡(jiǎn)單、效果顯著而引起廣泛關(guān)注[9-11].

一方面,有研究表明高堿性環(huán)境(pH=10或11時(shí))比酸性環(huán)境更有利于污泥破解和厭氧發(fā)酵有機(jī)物的溶出[12],中性pH值雖有利于與酸化相關(guān)的微生物生存,但它不利于有機(jī)物的水解,導(dǎo)致VFAs生物合成底物的可用性有限,研究表明即使是在高堿性環(huán)境下厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的功能仍主要由微生物承擔(dān)[13];另一方面,厭氧消化過程中各菌群的最適pH值也有所不同,產(chǎn)乙酸菌的最適pH值范圍為4.5～8.0,而產(chǎn)甲烷菌的最適pH值范圍為6.6～7.5[14].研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值為10.0時(shí),可以通過破壞污泥結(jié)構(gòu)和抑制產(chǎn)甲烷菌活性來提高VFAs的產(chǎn)量[15],然而高堿性條件會(huì)抑制產(chǎn)乙酸菌將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為乙酸的能力,從而降低了VFAs產(chǎn)量最大化的潛力[16].因此可以考慮通過分階段調(diào)控pH值來實(shí)現(xiàn)抑制產(chǎn)甲烷菌活性的同時(shí)盡可能滿足產(chǎn)乙酸菌的最適環(huán)境條件,以達(dá)到提高VFAs產(chǎn)量的目的.

先前有關(guān)pH值對(duì)剩余污泥厭氧消化的影響研究大都聚焦在恒定pH值調(diào)控方式上,但分階段的pH值調(diào)控方式對(duì)發(fā)酵效果的影響研究較少,而后者對(duì)于剩余污泥資源化利用的最大化有著重要意義.本文探究了恒定pH值調(diào)控和新型分階段pH值控制策略對(duì)剩余污泥中溫厭氧發(fā)酵的影響,并從微生物種群結(jié)構(gòu)變化角度初步闡述了分階段pH值控制策略強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵的機(jī)理,系統(tǒng)分析了分階段pH值控制策略強(qiáng)化厭氧發(fā)酵效果的可行性,為剩余污泥資源化和工程應(yīng)用提供了新視角.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)污泥

本實(shí)驗(yàn)污泥為北京某污水處理廠二次沉淀池中的剩余污泥.將取回的污泥于4℃下靜置24h并排出上清液,使用40目篩網(wǎng)去除污泥中較大顆粒物并用清水沖洗3次.經(jīng)上述濃縮處理后加入?yún)捬醢l(fā)酵罐的污泥主要性質(zhì)見表1.

表1 剩余污泥主要理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分,第一部分研究了恒定pH值調(diào)控方式對(duì)污泥厭氧發(fā)酵的影響.將濃縮后的污泥均勻分配在容積為3L的間歇式厭氧發(fā)酵罐中,利用4mol/L的NaOH和4mol/L的HCl溶液將反應(yīng)器內(nèi)pH值控制在恒定值(5/7/9/10),室溫下(25±2)℃運(yùn)行9d.上述各體系的pH值每12h調(diào)節(jié)一次.每24h 取發(fā)酵污泥混合液 5000r/min 離心分離,測(cè)定上清液中SCOD、VFAs、氨氮、正磷酸鹽、蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量濃度.

第二部分探究分階段調(diào)節(jié)pH值策略對(duì)污泥厭氧發(fā)酵的影響.將濃縮后的污泥均勻分配在容積為3L間歇式厭氧發(fā)酵罐中,室溫下(25±2℃)分階段運(yùn)行,使用4mol/L的NaOH和4mol/L的HCl溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)pH值,具體調(diào)節(jié)方案見表2.該部分共設(shè)置了4組發(fā)酵罐,其中對(duì)照組(R0)發(fā)酵罐的pH值設(shè)為恒定值pH=10,第一組實(shí)驗(yàn)組(R1)發(fā)酵罐在發(fā)酵前期將其控制在pH=10,在運(yùn)行至第4d時(shí)停止投加NaOH,使發(fā)酵罐內(nèi)pH值自然下降.第二,三組實(shí)驗(yàn)組(R2、R3)發(fā)酵罐則將初始pH值調(diào)至11,分別在第3d和第4d不再進(jìn)行pH值的控制.每24h 取發(fā)酵污泥混合液 5000r/min 離心分離,測(cè)定上清液中SCOD、VFAs、蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量濃度.

表2 pH值分階段調(diào)節(jié)方案

1.3 常規(guī)指標(biāo)分析與測(cè)定方法

樣品經(jīng)5000r/min離心,0.45μm濾膜過濾后分析.TS、VS和COD采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定.利用氣相色譜儀(GC, Agilent)測(cè)定可揮發(fā)性脂肪酸的濃度.蛋白質(zhì)濃度使用以牛血清白蛋白(BSA)標(biāo)準(zhǔn)的Lowry- Folin法測(cè)定,采用蒽酮比色法測(cè)定碳水化合物濃度,pH值測(cè)定用pH/Oxi 分析儀(WTW公司,德國(guó)),采用納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮濃度.

1.4 微生物菌群結(jié)構(gòu)分析方法

高通量測(cè)序方法如下:首先利用土壤DNA提取試劑盒完成泥樣DNA提取,并利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)提取效果.對(duì)提取的DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,引物序列為338F(5'－ACTCCTACGGGAGG CAGCAG－3') 和806R(5'－GGACTACHVGGG TWTCTAAT－3'),擴(kuò)增程序?yàn)? 95℃預(yù)變性3min,27個(gè)循環(huán)(95℃變性30s,55℃退火30s,72℃延伸45s),最后72℃延伸10min.每個(gè)樣品擴(kuò)增3次并將PCR產(chǎn)物混合,混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),完成檢測(cè)后使用AxyprepDNA凝膠回收試劑盒切膠回收PCR產(chǎn)物,PCR產(chǎn)物用QuantiFluorTM -ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)定量,并按照每個(gè)樣品的測(cè)序量要求進(jìn)行相應(yīng)比例混合,最后構(gòu)建 Illumina PE文庫,進(jìn)行Illumina Miseq高通量測(cè)序.

2 結(jié)果與分析

2.1 恒定pH值調(diào)節(jié)對(duì)水解酸化的影響

為了考察恒定pH值調(diào)節(jié)對(duì)污泥厭氧發(fā)酵水解酸化的影響,試驗(yàn)測(cè)定了不同pH值環(huán)境中可溶性有機(jī)物的積累量,如圖1所示.隨著發(fā)酵時(shí)間的推移,不同pH值下的SCOD值均有顯著增加,其中pH=10時(shí)污泥發(fā)酵到第6d SCOD積累量達(dá)到最大值323.77mg/gVSS.不同pH值下有機(jī)物的溶出速率也明顯不同,這4種pH值調(diào)節(jié)方式下有機(jī)物溶出速率大小依次是:pH10>pH9>pH5>pH7,這說明投加酸或堿均有利于有機(jī)物的釋放,且堿性條件下的促進(jìn)作用更明顯,堿性越強(qiáng)有機(jī)物的溶出速率更快,同時(shí)SCOD也可以用來表征污泥裂解程度[17],因此堿性條件下污泥的裂解程度也更大.出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是堿性條件較酸性條件而言,更有利于破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu)和微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu),從而加速釋放胞內(nèi)物質(zhì),增加污泥中SCOD的產(chǎn)量[18].因此pH=10的堿性環(huán)境更有利于有機(jī)物的產(chǎn)生和積累,這與Yuan等[19]的研究結(jié)果一致.

圖1 pH值對(duì)可溶性有機(jī)物溶出的影響

如圖2,堿性和酸性條件促進(jìn)了厭氧發(fā)酵體系中蛋白質(zhì)和多糖的溶出,不同發(fā)酵罐中的蛋白質(zhì)和多糖含量在發(fā)酵初期均有不同程度的增加.值得注意的是在pH=10的強(qiáng)堿條件下蛋白和多糖產(chǎn)量較有較大的提升,在發(fā)酵至第6d時(shí)蛋白質(zhì)含量為134.88mg/VSS,多糖含量為39.10mg/VSS,二者的總產(chǎn)量達(dá)到最大值,相較于其他條件下(pH=5/7/9)分別提高了212%、431%和68%.這是因?yàn)樗岷蛪A可以破壞細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)從而釋放出更多胞外聚合物(EPS),而EPS多帶負(fù)電荷[20],在堿性環(huán)境下,EPS 中的酸性基團(tuán)更易分解,使帶負(fù)電荷的 EPS 產(chǎn)生排斥作用,破壞污泥的絮體結(jié)構(gòu),從而使蛋白質(zhì)和多糖釋放到污泥發(fā)酵液中,表現(xiàn)為蛋白質(zhì)與多糖總質(zhì)量濃度增加,因此堿性環(huán)境更有利于蛋白質(zhì)和多糖的溶出.在酸性或堿性條件下,體系內(nèi)蛋白質(zhì)和多糖含量均在第6d或第7d達(dá)到最大值,后續(xù)隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸呈下降趨勢(shì),這是因?yàn)閰捬醍a(chǎn)酸菌主要利用蛋白質(zhì)和多糖作為底物生產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸,在厭氧發(fā)酵的后期蛋白質(zhì)和多糖的消耗速率大于水解階段的生產(chǎn)速率,因此二者含量在后期呈下降趨勢(shì).整體而言,在pH=10的條件下可以溶出更多的蛋白質(zhì)和多糖,有利于后續(xù)產(chǎn)酸菌的利用分解.

圖2 不同pH值下蛋白和多糖的積累量

圖3 不同pH值下VFAs的積累量

圖3顯示了不同pH值下VFAs產(chǎn)量隨時(shí)間變化情況,堿性條件下(pH=9和pH=10)VFAs的產(chǎn)量要高于中性和酸性條件.在pH=5和pH=7的酸性和中性條件下,VFAs的積累量隨發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增加,分別在第4d和第6d達(dá)到23.06和13.91mgCOD/ gVSS,為各自pH值調(diào)節(jié)下的VFAs總積累量的最大值,隨后呈下降趨勢(shì);在pH=9和pH=10的堿性條件下,VFAs的積累量隨發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)而顯著增加,分別在第7d和第6d達(dá)到127.78和183.38mgCOD/ gVSS,pH=10時(shí)VFAs的積累量最高,這與Wu 等[21]的研究結(jié)論一致.這是因?yàn)閴A性環(huán)境破壞了污泥絮體結(jié)構(gòu),促進(jìn)了有機(jī)物的溶出,加速了有機(jī)物水解酸化,使有機(jī)酸產(chǎn)生量增加,同時(shí)pH=10的堿性環(huán)境嚴(yán)重抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性[22],使有機(jī)酸的消耗量減少.

2.2 pH值分階段調(diào)節(jié)策略對(duì)水解酸化的影響

為了考察分階段pH值控制策略對(duì)污泥厭氧水解酸化過程的影響,本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同調(diào)控策略下可溶性有機(jī)物產(chǎn)量、蛋白質(zhì)和多糖濃度的變化情況,如圖4所示.發(fā)酵前一階段的高堿性條件促進(jìn)了污泥裂解,因此發(fā)酵產(chǎn)物中可溶性有機(jī)物、可溶性蛋白質(zhì)和多糖的濃度均顯著增加.R3第6d SCOD濃度達(dá)到324.57mg/gVSS,為4種調(diào)節(jié)方式的最大值,同時(shí)段恒定pH=10(R0)調(diào)節(jié)下SCOD濃度為315.23mg/ gVSS,這說明在發(fā)酵前期pH=11的高堿性環(huán)境下污泥裂解程度更大,溶出的有機(jī)物更多,這與呂等[23]的研究結(jié)果一致.不同pH值調(diào)節(jié)方式下蛋白質(zhì)與多糖的變化與SCOD的變化趨勢(shì)相同,在R3發(fā)酵罐中可溶性蛋白質(zhì)和多糖的濃度達(dá)到最大,R3在第6d蛋白產(chǎn)出量為137.92mg/gVSS,在第5d多糖產(chǎn)出量為42.65mg/ gVSS,均為4種pH值調(diào)節(jié)方式下的最大產(chǎn)出量,這一結(jié)果表明強(qiáng)堿性條件有利于顆粒有機(jī)物的水解,這與以往的報(bào)道一致[24].對(duì)比R0和R1發(fā)現(xiàn),相較于pH=10的恒定調(diào)節(jié)方式,前期pH=10的分階段調(diào)節(jié)并不能明顯促進(jìn)SCOD和蛋白質(zhì)多糖的產(chǎn)量.

圖4 分階段調(diào)節(jié)下SCOD、PN和PS的產(chǎn)生量

圖5 分階段調(diào)節(jié)下VFAs的積累量

與SCOD濃度和蛋白質(zhì)多糖濃度變化不同的是,pH值分階段調(diào)節(jié)方式在促進(jìn)VFAs產(chǎn)量上發(fā)揮了作用.圖5是不同分階段調(diào)控方式下VFAs產(chǎn)量隨發(fā)酵時(shí)間的變化關(guān)系,隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),4種調(diào)節(jié)方式下的VFAs總量均出現(xiàn)了先增加后減小的趨勢(shì),這與Luo等[25]的研究一致.分析R1的VFAs變化趨勢(shì)可知,在第7d時(shí)該發(fā)酵罐中VFAs的總積累量達(dá)到最大208.78mgCOD/gVSS,比同時(shí)期的R0總產(chǎn)量高出19.5%,比同pH值恒定調(diào)節(jié)下的VFAs總量最大值高出13.9%,由此可見R1發(fā)酵罐經(jīng)過分階段pH值調(diào)節(jié)后可以產(chǎn)出更多的VFAs.分析R2和R3可知前期pH=11的分階段調(diào)節(jié)方式并不能促進(jìn)VFAs的產(chǎn)出,兩者的最大產(chǎn)出量為151.13和163.18mgCOD/gVSS,均低于pH=10環(huán)境下的VFAs產(chǎn)出量,分析原因可能為pH=11的強(qiáng)堿性環(huán)境極不利于產(chǎn)酸菌的生長(zhǎng),抑制了其利用有機(jī)物產(chǎn)酸的過程,Xu等[26]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn).

結(jié)果表明,前期pH=10的分階段調(diào)節(jié)對(duì)有機(jī)物溶出的促進(jìn)作用不大,但有利于產(chǎn)酸階段產(chǎn)出更多的VFAs.前期pH=11的分階段調(diào)節(jié)則相反,它雖促進(jìn)了SCOD的產(chǎn)出,但不利于產(chǎn)酸,后續(xù)污水處理的利用率將大為降低,因此本文后續(xù)將主要對(duì)比R1與其他恒定pH值調(diào)節(jié)的差異.

2.3 不同pH值調(diào)節(jié)下VSS去除率

VSS的去除率可以用來表征發(fā)酵系統(tǒng)中厭氧污泥轉(zhuǎn)化為無機(jī)物的趨勢(shì)、厭氧污泥的減少以及顆粒有機(jī)質(zhì)的水解效應(yīng).如圖6所示,與中性(pH=7)相比,酸性和堿性條件都對(duì)VSS去除有一定的促進(jìn)作用,具體效果為pH7

2.4 磷酸鹽和氨氮的釋放情況

剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)物中含有大量的氨氮(NH4+-N)和無機(jī)磷(PO43--P),如圖7(a),相較于中性和酸性條件,堿性條件更有利于厭氧污泥向液相中釋放氨氮,隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),液相中氨氮濃度總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì).本實(shí)驗(yàn)中,pH值為10時(shí)的液相氨氮濃度最高為35.81mg/gVSS,分別是 pH=5、pH=7和pH=9時(shí)的1.89倍、2.51倍和1.52倍.在堿性環(huán)境下,氨氮濃度從第5d開始逐漸趨于穩(wěn)定.對(duì)比pH=10和R1發(fā)酵罐,在發(fā)酵前4d兩者氨氮釋放量接近,在分階段調(diào)節(jié)后,R1中氨氮濃度上升趨勢(shì)不明顯,而pH=10的發(fā)酵罐中氨氮濃度仍隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)明顯升高,最高較R1多釋放了16.68%的氨氮.已有研究表明,堿性厭氧發(fā)酵同時(shí)產(chǎn)生大量的氨氮,并以游離氨的形式存在,然而游離氨可能從細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)胞質(zhì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)缺鉀或質(zhì)子失衡,從而抑制產(chǎn)酸過程[27].pH值階段調(diào)節(jié)方式可以減少污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氨氮濃度,從而削弱游離氨對(duì)酸化過程的抑制作用.

圖6 不同pH值調(diào)節(jié)下VSS去除率

如圖7(b),厭氧發(fā)酵可以促進(jìn)污泥中磷酸鹽的釋放,其中在pH=10的條件下,發(fā)酵罐中磷酸鹽濃度在第5d時(shí)達(dá)到最大值27.00mg/gVSS,較高pH值引起污泥細(xì)胞壁的破裂而釋放胞內(nèi)物質(zhì),胞內(nèi)的核酸、蛋白質(zhì)以及含磷化合物等發(fā)生水解并釋放磷.不同pH值調(diào)節(jié)方式對(duì)磷酸鹽的釋放效果并無明顯的差異,5種調(diào)節(jié)方式所釋放的磷酸鹽濃度基本上都在17.29～23.46mg/gVSS間來回浮動(dòng).總體而言,污泥厭氧發(fā)酵使得大量氨氮和可溶性磷釋放到發(fā)酵上清液中,但pH值階段調(diào)節(jié)方式可以降低污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氨氮濃度,對(duì)于降低磷酸鹽濃度效果并不明顯.

圖7 不同pH值調(diào)節(jié)方式對(duì)氨氮和磷酸鹽釋放量的影響

2.5 不同pH值調(diào)控策略對(duì)微生物種群的影響

2.5.1 微生物群落豐度和多樣性分布 為進(jìn)一步闡明不同pH值調(diào)節(jié)方式下微生物群落特征及多樣性,在厭氧發(fā)酵末期(第9d)選取發(fā)酵前原始污泥、不同恒定pH值調(diào)節(jié)污泥和唯一促進(jìn)VFAs產(chǎn)量的R1泥樣進(jìn)行 Illumina MiSeq高通量測(cè)序,多樣性分析結(jié)果和各樣本有效序列如表3所示,為便于不同樣本之間對(duì)比分析,以最小樣本序列數(shù)48844 進(jìn)行數(shù)據(jù)抽平.由表3可知,所選取的樣本覆蓋度(Coverage)指數(shù)均在0.99以上,表明樣本測(cè)序深度足夠,測(cè)序結(jié)果可靠可用.ACE和Chao指數(shù)代表微生物豐度,數(shù)值越高豐度越高,厭氧發(fā)酵降低了體系內(nèi)微生物豐度,且在高堿性條件下微生物豐度最低,對(duì)比pH10和R1發(fā)現(xiàn)分階段調(diào)節(jié)pH值的方式下微生物豐度變化并不明顯.Shannon 和 Simpson 指數(shù)代表微生物多樣性,Shannon 指數(shù)越高多樣性越高,Simpson 指數(shù)則相反,厭氧發(fā)酵降低了體系內(nèi)微生物多樣性,且在高堿性條件下微生物多樣性更低,對(duì)比pH10和R1發(fā)現(xiàn)分階段調(diào)節(jié)pH值的方式提高了微生物多樣性.微生物豐度和多樣性結(jié)果表明不同pH值調(diào)節(jié)方式的群落豐度和多樣性有明顯差異,對(duì)于恒定pH值調(diào)節(jié)方式,pH=10的高堿性環(huán)境下微生物群落豐度和多樣性均為最低,這與Liu等人[28]的研究一致,而分階段pH值調(diào)節(jié)方式提高了微生物的多樣性.

2.5.2 微生物群落組成分析 不同pH值調(diào)節(jié)方式下剩余污泥厭氧發(fā)酵中微生物群落結(jié)構(gòu)存在差異,圖8是不同調(diào)節(jié)方式下微生物種群在門水平上的相對(duì)豐度,其中將樣本中豐度占比小于0.01的物種歸為others.不同pH值調(diào)節(jié)后微生物豐度在門水平上有明顯的不同,主要的優(yōu)勢(shì)微生物均為Firmicutes、Proteobacteria、Actinobacteriota和Chloroflexi,這4類菌群也是傳統(tǒng)厭氧消化過程中的主要微生物類型[29].酸性和堿性環(huán)境均提高了Firmicutes和Actinobacteriota的相對(duì)豐度,在原始污泥中,兩者的相對(duì)豐度為3.93%和11.26%,而pH=5條件下Firmicutes和Actinobacteriota相對(duì)豐度分別增加至12.98%和40.53%,在pH=10的堿性環(huán)境中這兩類菌群的相對(duì)豐度為61.14%和15.57%,遠(yuǎn)高于其他pH值恒定調(diào)節(jié)下的菌群豐度.Firmicutes門與揮發(fā)性有機(jī)酸的發(fā)酵生產(chǎn)有關(guān)[30],在厭氧環(huán)境下,該門菌屬可能溶解顆粒蛋白,同時(shí)參與酸化過程[31]. Actinobacteria也是污泥厭氧發(fā)酵中酸化階段的重要菌種,可以利用葡萄糖、淀粉和纖維素等碳源物質(zhì)進(jìn)行水解產(chǎn)酸[32],同時(shí)該門中的部分細(xì)菌能降解多糖生成單糖和 VFAs[33].因此,pH=10的恒定調(diào)節(jié)方式較其他恒定調(diào)節(jié)的水解酸化菌豐度更高,這是促進(jìn)VFAs積累的重要原因.

對(duì)比R1和pH10的微生物種群在門水平上的相對(duì)豐度,Firmicutes和Actinobacteriota門豐度R1較pH10有較大提升,分別從61.14%和15.57%提升至68.46%和18.43%,這有利于pH值分階段的有機(jī)物酸化產(chǎn)VFAs.當(dāng)pH值調(diào)節(jié)方式由恒定值10改為分階段調(diào)節(jié)后(R1),Proteobacteria和Chloroflexi門相對(duì)豐度有小幅度的降低,分別從11.36%和7.74%降至5.31%和5.07%,有研究表明,Proteobacteria 與微生物細(xì)胞的裂解和胞內(nèi)物質(zhì)的釋放有密切相關(guān)[34],在R1中Proteobacteria豐度的降低可能影響了SCOD的溶出與積累.Chloroflexi 門主要降解碳水化合物和微生物細(xì)胞,該門中部分菌群代謝碳水化合物,促進(jìn) VFAs 底物降解[35].研究通過對(duì)比門水平上的相對(duì)豐度發(fā)現(xiàn)分階段pH值調(diào)節(jié)方式提高了水解酸化有關(guān)微生物的豐度,這可能是R1的VFAs產(chǎn)量高于pH=10恒定調(diào)節(jié)的原因.

表3 微生物群落豐度和多樣性變化

注:樣本編號(hào)Sludge0代表厭氧發(fā)酵前的原始剩余污泥;pH5/7/9/10分別代表對(duì)應(yīng)恒定pH值調(diào)節(jié)后的發(fā)酵泥樣;R1代表以pH=10發(fā)酵4d不再調(diào)節(jié)后發(fā)酵9d的泥樣.

圖8 微生物種群在門水平上的相對(duì)豐度

為進(jìn)一步探究分階段pH值調(diào)控方式對(duì)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的微生物群落多樣性和功能的影響,需對(duì)微生物群落進(jìn)行屬水平上的分析,圖9為微生物種群在屬水平上的相對(duì)豐度,其中將樣本中豐度占比小于0.1的物種歸為others.在R1樣本中,Firmicutes門的(33.29%)和芽孢桿菌(6.98%)相對(duì)豐度占比較高,這兩種菌在pH=10的環(huán)境中相對(duì)豐度占比各為22.47%和0.44%,分階段調(diào)控方式提高了這兩種菌群的相對(duì)豐度.有研究表明作為嚴(yán)格的厭氧菌在蛋白質(zhì)降解和利用中起著關(guān)鍵作用[36],它可以將蛋白水解為乙酸、丙酸和異丁酸[37].和也屬于水解酸化菌,前者是一種能將H2和CO2轉(zhuǎn)化為乙酸的厭氧菌[38],后者屬于專性厭氧菌,可以降解蛋白質(zhì)產(chǎn)生乙酸[39],較pH_10來說這兩種菌群相對(duì)豐度在R1中略有降低,分別從6.58%降至5.76%、從1.08%降至0.60%.在恒定調(diào)節(jié)下的相對(duì)豐度為1.82%,在R1中的相對(duì)豐度為4.99%,較pH=10的恒定調(diào)節(jié)略有升高.有研究認(rèn)為可以利用丙酸鹽或丁酸鹽等作為電子供體或碳源將其轉(zhuǎn)化為乙酸鹽[40], 猜測(cè)分階段調(diào)節(jié)中乙酸在總VFAs中占比提升可能與該類菌群相對(duì)豐度的升高有關(guān).從屬水平上來看,與水解酸化有關(guān)的菌群豐度在pH10中占比為32.38%,在R1中占比為51.62%,通過屬水平分析來看分階段pH值調(diào)節(jié)方式可以從整體上提高水解酸化菌的相對(duì)豐度,從而提升污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸量.

圖9 微生物種群在屬水平上的相對(duì)豐度

樣本編號(hào)pH10代表pH=10恒定調(diào)節(jié)下的泥樣;R1代表以pH=10發(fā)酵4d后不再調(diào)節(jié)后發(fā)酵9d的泥樣;Sludge0代表厭氧發(fā)酵前的原始剩余污泥

3 結(jié)論

3.1 恒定pH值調(diào)節(jié)對(duì)剩余污泥厭氧發(fā)酵隨pH值的變化產(chǎn)生不同的影響,堿性和酸性條件較中性調(diào)節(jié)可溶出更多的有機(jī)物,積累更多的蛋白質(zhì)、多糖和VFAs,pH=10時(shí)積累量最大,SCOD濃度為323.77mg/gVSS,VFAs產(chǎn)量為183.38mgCOD/gVSS.

3.2 發(fā)酵初期pH=10(4d)的分階段調(diào)節(jié)對(duì)有機(jī)物溶出的促進(jìn)作用不大,但有利于產(chǎn)酸階段產(chǎn)出更多的VFAs,最高為208.78mgCOD/gVSS,比pH=10恒定調(diào)節(jié)下的VFAs總量最大值高出13.9%.以發(fā)酵初期pH=11(3d和4d)的分階段調(diào)節(jié)則相反,它雖略有促進(jìn)SCOD的產(chǎn)出,但不利于產(chǎn)酸,VFAs最大產(chǎn)出量為151.13和163.18mgCOD/gVSS,后續(xù)污水處理的利用率將大為降低.

3.3 不同pH值調(diào)節(jié)后微生物豐度在門水平上有明顯的不同,但主要的優(yōu)勢(shì)微生物均為Firmicutes、Proteobacteria、Actinobacteriota和Chloroflexi.在pH=10的條件下Firmicutes和Actinobacteriota的相對(duì)豐度為61.14%和15.57%,遠(yuǎn)高于其他pH值恒定調(diào)節(jié)下的菌群豐度,而分階段pH值調(diào)節(jié) R1較pH=10條件下和的相對(duì)豐度又有較大提升,分別提升至68.46%和18.43%.

3.4 分階段pH值調(diào)節(jié)方式整體上提高了水解酸化菌的相對(duì)豐度,更有利于發(fā)酵過程中 VFAs的積累.從屬水平上來看,與水解酸化有關(guān)的菌群(、和等)豐度在R0(pH=10恒定調(diào)節(jié))中占比為32.38%,在R1(分階段調(diào)節(jié))中占比為51.62%.

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effects of pH control methods on anaerobic fermentation of waste activated sludge.

BI Hao-hua, GAO Chun-di*, LIU Yi-wei, XING Yi-yan, PENG Yong-zhen

(National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Faculty of Environment and Life, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2023,43(9)：4648～4657

This experiment focuses on the wasted sludge from municipal sewage treatment plants. Batch texts were taken to explore the effects of different pH regulation methods, which include constant pH adjustment with values of 5,7,9,10 and phased pH adjustment, on the dissolution of organic matter in anaerobic fermentation. The variations of microbial community structure of fermentation sludge under different pH adjustment conditions were analyzed by High-throughput sequencing technology. Results showed that more organic matter could be dissolved under both alkaline and acidic conditions with constant pH adjustment, and the accumulation reached the maximum when pH value was 10. At this point, solluted chemical oxigen demand (SCOD) concentration was 323.77mg/gVSS, and the VFAs was 183.38mgCOD/gVSS. In the case of phased pH adjustment, a constant pH of 10was controlled only in the initial stage of fermentation (the first 4days) and the pH value was naturally reduced in the later stage, this method showed more conducive to the production of VFAs in the acid production stage. This maximum yield was 208.78mgCOD/gVSS, which was 13.90% higher than the maximum total VFAs of same pH value but with constant pH adjustment. At the phylum level, significant differences in microbial abundance appeared after different pH adjustment operations , but the main dominant microorganisms were still Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteriota and Chloroflexi. Under constant pH regulation, the relative abundance of Firmicutes and Actinobacteriota reached 61.14% and 15.57% when pH value was 10, which was the highest beyond other pH values. As for the phased pH regulation, the relative abundance of Firmicutes and Actinobacteriota increased to 68.46% and 18.43% respectively , which grew more proportion than the condition of constant pH adjustment mentioned above. At the genus level, the bacterial abundance related to hydrolytic acidification (,.) accounted for 32.38% when pH value was constantly 10, and 51.62% under phased regulation. The phased pH regulation improved the relative abundance of hydrolytic acidifying bacteria and was more contributive to the accumulation of VFAs during fermentation.

anaerobic fermentation；volatile fatty acid (VFA)；pH；high-throughput sequencing

X703

A

1000-6923(2023)09-4648-10

畢豪華(1998-),男,河南南陽人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槌擎?zhèn)污水深度處理與資源化利用.發(fā)表論文3篇.1720125370@qq.com.

畢豪華,高春娣,劉奕偉,等.pH值調(diào)控方法對(duì)剩余污泥厭氧發(fā)酵的影響 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(9):4648-4657.

Bi H H,Gao C D, Liu Y W, et al. effects of pH control methods on anaerobic fermentation of waste activated sludge [J]. China Environmental Science, 2023,43(9):4648-4657.

2023-02-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52270017)

* 責(zé)任作者, 教授, gaochundi@bjut.edu.cn