游離亞硝酸預處理強化剩余污泥和煙草廢物共消化產甲烷

徐雪芹,李小蘭*,黃善松,賈海江,周 蕓,李小明(.廣西中煙工業有限責任公司,廣西 南寧 53000；.湖南大環境科學與工程學院,湖南 長沙 4008)

游離亞硝酸預處理強化剩余污泥和煙草廢物共消化產甲烷

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

為了提高污泥厭氧消化產甲烷的效率,本研究報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.實驗結果表明污泥和TW的最佳混合比例為1:1,相應的甲烷產量為203.6mL/g 每克揮發性懸浮固體(VSS),是污泥單獨消化的1.3倍.污泥和TW混合消化有助于消化基質中蛋白質,多糖和纖維素的消耗.進一步應用FNA提高污泥和TW混合消化效率,FNA的最佳濃度為1.5mg/L,相應的甲烷最大產量為286.4mL/g VSS.FNA預處理能夠促進有機物的水解和酸化過程進而為產甲烷古菌提供了充足的消化基質.此外,FNA預處理還強化了功能微生物Bacteroidetes和Firmicutes的相對豐度.

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元素常用的處理技術,該技術處理效率高,運行成本低.然而活性污泥法會產生大量的剩余污泥[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對生態環境造成二次污染[2].此外,剩余污泥中含有大量的有機物如蛋白質和多糖(占中有機物的 60%左右),因此剩余污泥又是一種廉價且寶貴的資源[3-4].

厭氧消化技術是污泥處理常用的一種技術,該技術能夠實現有機物的減量化,無害化同時還能回收寶貴的能源物質-甲烷[5].近年來,剩余污泥厭氧消化生產甲烷得到很多學者的關注.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量常常向消化污泥中添加含C高的有機物以提高C/N進而提高生物氣的產量.餐廚垃圾常用來與污泥混合發酵以平衡C/N,稀釋有害物質進而提高產氣量.然而餐廚垃圾中高鹽度,高油脂會降低產甲烷古菌的活性[7].

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

有機物厭氧消化的水解過程通常較為緩慢,細胞外的胞外聚合物和細胞壁限制了胞內有機物的釋放.緩慢的水解速率是厭氧消化的限速步驟.多種預處理方式如;熱堿,生物,機械等預處理方式被應用以提高生物降解性[9].游離亞硝酸(FNA)是亞硝酸的質子化形態,FNA能夠破壞胞外聚合物和細胞壁,進而釋放胞內物質[10].ZHAO等[4]應用FNA預處理強化堿性發酵生產SCFA,當FNA的濃度為1.54mg/L時,SCFA的最大產量為370.1mgCOD/g VSS.Zhao等[10]單獨應用FNA處置污泥時發現FNA能夠促進污泥的水解過程.然而應用FNA強化污泥和煙草廢棄物共消化產甲烷的研究至今尚未報道.因此本文探究了FNA預處理對污泥和煙草廢棄物厭氧消化產甲烷的影響.并比較了FNA預處理作用下消化體系物質的轉化,關鍵酶的活性以及功能微生物的相對豐度.應用煙草廢棄物和FNA預處理強化污泥產甲烷能夠充分利用污泥和煙草廢棄物中有機質,實現廢物的資源化,具有重要的現實意義.

1 材料與方法

1.1 污泥與煙草廢棄物基本性質

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

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

本實驗中取用的接種污泥取自當地啤酒廠厭氧消化池,接種污泥取回后過1mm篩以去除不易消化的物質.接種污泥的基本性質見表1.

1.2 污泥和煙草共消化產甲烷比例優化

本實驗在 6個相同的厭氧反應器中進行,厭氧反應器的有效體積為 1.0L,反應器為有機玻璃構造,反應器放置在水浴鍋中控制反應溫度為35 ±1℃,反應器器內置攪拌器使消化基質與接種污泥混合均勻,反應器上方接集氣袋以便測定產氣體積.反應器消化基質與接種污泥比例為6:4(V/V).反應器 1中消化基質全部為剩余污泥,反應器 2～5中消化基質為污泥和煙草廢棄去的混合物,兩者的質量比分別為9:1、7:3、5:5、2:8.而反應器 6中消化基質全部為煙草廢棄物.消化時間為30d.上述反應器中pH均通過內置的酸堿自動滴定儀控制整個過程pH為7.0±0.1.最后向反應器中沖氮氣 30s密封以排掉反應器中固有的氧氣保證厭氧環境.上述實驗進行3次平行.

1.3 FNA預處理對污泥和煙草混合物厭氧消化產甲烷的影響

本實驗在 5個相同的反應器中進行,反應器的有效體積為 1.0L.反應溫度為 35±1℃,消化基質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].本實驗中消化基質為污泥和煙草廢棄物按質量比 1:1混合.FNA預處理的時間為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器的pH 6.0,然后根據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預處理完成后人工向反應器中投加4.0M氫氧化鈉或者鹽酸控制反應過程 pH7.0±0.1.反應器其他運行條件見2.2實驗部分.

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.甲烷和揮發性脂肪酸采用氣相色譜法測定,VFA檢測時色譜柱型號 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 ,℃進樣口的溫度為 100℃.蛋白質采用改良的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[13].厭氧發酵關鍵酶的檢測參考文獻[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,詳細的測定步驟詳見文獻[15].

2 結果與討論

2.1 污泥和TW的比例對甲烷的影響

有機質厭氧消化產甲烷是一系列的生物代謝作用,甲烷的產量受多種因素影響,有機質的組成是影響甲烷產量的重要因素,因此本實驗首先探究了污泥和TW的混合比例對甲烷的影響.由圖 1所知,污泥單獨消化產甲烷的最大產量為159.2mL/g VSS,該數值與之前的研究結果相似[16].當污泥和TW混合后單位有機質甲烷產量得到明顯提高.當污泥和TW的質量比由9:1降低至 5:5時,甲烷的最大產量反而由 159.2mL/g VSS提高至203.6mL/g VSS,上述實驗結果表明適當提高 TW 在污泥消化體系中的比例有助于提高甲烷的產量.而當污泥和TW的質量至進一步降低至 2:8時,甲烷的產量反而呈現下降趨勢并下降至191.6mL/g VSS.上述實驗數據表明TW與污泥的比例過高反而降低了甲烷的產量.C/N是影響混合消化的一個重要參數,本實驗進一步探究了不同污泥和 TW 混合條件下有機質的C/N,研究發現單獨污泥消化時其C/N為7.2/1,而當污泥和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是影響有機質厭氧消化的一個重要因素,研究表明 C/N在 20～30/1有助于厭氧微生物對有機質的利用并將有機質轉化為甲烷.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單獨消化導致甲烷產氣量下降的原因.

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

2.2 污泥和TW混合發酵對有機物利用的影響

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

表2 污泥和TW混合對蛋白質,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濃度對污泥和TW共消化產甲烷的影響

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

盡管污泥和 TW 共消化能夠優化消化基質的 C/N,然而污泥外包裹的胞外聚合物和細胞壁限制了胞內有機物的釋放[17].同時,TW 中的韌性結構纖維素也限制了有機質的利用[18].由圖2可知,各反應器中甲烷的積累量呈現上升趨勢,并且在20d左右達到甲烷最大產量.當FNA的濃度由0增加至1.5mg/L時,甲烷的最大產量也由203.6增加至 286.4mL/g VSS.上述實驗結果表明適當提高FNA的濃度有助于提高甲烷的產量.而進一步提高FNA濃度至2.5mg/L時,甲烷的最大產量卻下降至196.1mL/g VSS,說明過高濃度的FNA能夠減少甲烷的產量.因此 FNA的最佳濃度為1.5mg/L,相應的甲烷最大產量為286.4mL/g VSS,該產量為空白試驗組的1.4倍.

2.4 FNA對污泥和TW混合消化系統中溶解性蛋白質和多糖的影響

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

水解反應是有機物厭氧消化的第一步,其包括2個方面:1)固態狀的有機物逐步轉為為液態,提高了 SCOD的含量,進而為后續污泥厭氧發酵產酸提高發酵基質;2)液態中大分子的有機物逐漸轉化為小分子有機物,例如大分子的蛋白質轉化為多肽,二肽以及氨基酸等,碳水化合物轉化為多糖或者單糖[19].反應體系中 SCOD的變化能夠反應有機物的水解情況.圖3為FNA投加量對污泥和TW混合消化系統中SCOD的變化情況.由圖3可知,反應器中SCOD呈現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物,而SCOD下降的主要原因是有機物被利用分解產生甲烷.由圖 3可知,各反應器中SCOD含量在第6d達到最大值,并且在同一時間內隨著FNA濃度的上升SCOD的含量也呈現出上升趨勢,例如在消化反應第6d,FNA的濃度由0增加至1.5mg/L時,SCOD的最大含量也由1259增加至2152mg/L,而繼續增加FNA的濃度至2.5mg/L時,SCOD的含量為2459mg/L,該數值相較于 1.5mg FNA/L作用下增加不明顯.上述實驗結果表明 FNA能夠促進污泥和 TW 混合消化系統中有機物的溶出,且 FNA的最佳濃度為1.5mg/L,相應的SCOD的最大濃度為2152mg/L.

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

表2 反應器中NO2--N濃度隨反應時間變化Table 2 Variations of NO2--N concentration in the reactor with the time

2.5 FNA濃度對污泥和 TW 共消化過程中SCFA的影響

SCFA是有機物厭氧消化過程中的代謝產物,其含量變化與甲烷的積累量存在密切的相關性[20].SCFA濃度過低會導致產甲烷古菌所利用的有機質利用不充分進而導致甲烷產量過低[21].由圖4可知,各反應器中SCFA隨時間呈現出先上升后下降的趨勢,當FNA的濃度為0mg/L時, SCFA的含量在第6d達到最大值且為658mg/L.而當FNA的濃度由0增加至1.5mg/L時,SCFA的最大濃度也增加至1025mg/L,該數值為空白對照組最大產酸量的1.55倍.當FNA的濃度繼續增加時,SCFA的最大積累量呈現下降的趨勢,例如當FNA的濃度為2.5mg/L時,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產酸微生物的抑制作用.ZHAO等人也報道高濃度的FNA對污泥厭氧發酵系統造成一定的抑制作用[4].當FNA的濃度在0～1.5mg/L時,FNA促進了污泥和TW混合體系中 SCFA的積累,進而為產甲烷古菌提供了消化基質.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被產甲烷古菌所利用,從而導致SCFA在6-15d呈現下降趨勢,而甲烷呈現上升趨勢.

圖4 FNA濃度對污泥和TW混合消化反應體系中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量,據文獻報道產甲烷古菌易于吸收和分解消化體系中乙酸,而對丙酸的利用程度較小[22].FNA濃度對SCFA的相關組分的影響詳見圖5.由圖5可知FNA預處理作用下污泥和 TW 混合發酵體系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%.上述結果表明FNA預處理污泥和TW混合物產酸有利于產甲烷古菌的利用.進一步研究表明各反應器中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濃度對污泥和TW混合消化反應體系中SCFA組分的影響Fig.5 Effect of FNA concentration on the component of SCFA in sludge and TW co-digestion system各反應器SCFA含量最大時測定

2.6 FNA預處理對厭氧消化相關關鍵酶活性劑關鍵微生物群落的影響

有機質厭氧消化反應是一系列復雜的反應過程,該過程受多種酶的調控.蛋白質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控[24].AK和PTA的活性與乙酸有密切關系,F420與甲烷的產生有關[25].圖 6為不同濃度FNA作用下相關關鍵酶的活性.適宜濃度的FNA能夠促進水解和酸化過程關鍵酶.例如當FNA的濃度為1.5mg/L時,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%.上述實驗結果與FNA能夠促進混合發酵體系中SCOD和SCFA含量變化相一致.而高濃度 FNA卻對上述關鍵酶具有一定的一致作用,例如當FNA的濃度為2.5mg/L時,蛋白酶,α-葡萄糖苷酶和纖維素酶的活性分別是空白實驗組的85.6%,86.4%和 89.1%,這與高濃度 FNA能夠破壞酶的關鍵因子.FNA的存在降低F420的活性,例如當FNA的濃度為1.5mg/L時,F420的活性為空白組的 94.2%,而進一步提高 FNA的濃度至2.5mg/L時,F420的活性僅為空白組的68.9%.低濃度的FNA對F420的活性抑制不明顯也是低濃度FNA促進污泥和TW混合甲烷產量的一個重要原因.

圖6 不同濃度FNA對污泥和TW混合消化過程關鍵酶活性的影響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作用下甲烷產量在20d達到最大值,因此本研究選取了反應器運行 20d后種群樣品進行鑒定[15].由圖 7 可知 Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria 和 Spirochaetes是各反應器中主要的微生物種屬.當 FNA的濃度為0mg/L 時 ,Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria和 Spirochaetes 的比例為 9.3%, 20.6%, 16.5% and 13.9%.當FNA的濃度升高至1.5mg/L時,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,促進纖維素和半纖維素的裂解, Bacteroidetes的存在強化了TW中纖維素和半纖維的分解,進而提供了更多可利用的有機質為產甲烷古菌所消耗.Firmicutes 中含有分解 SCFA的種屬,適當FNA濃度提高了Firmicutes的比例有助于SCFA的分解和轉化.高濃度FNA對厭氧微生物種屬的類別上沒有明顯差異,但是對微生物的比例產生一定的影響.例如當FNA的濃度為2.5mg/L時,Firmicutes的比例低于1.5mg/L FNA作用下的相應的比例(21.4% VS 26.6%).這也是高濃度FNA導致污泥和TW混合消化產甲烷量小于1.5mg/L FNA作用.

圖7 不同濃度FNA對污泥和TW混合消化微生物群落結構的影響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 結論

3.1 污泥和TW的最佳混合比例為1:1,甲烷的產量為 203.6mL/g VSS,該數值是空白試驗組1.27倍.

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

3.3 FNA促進了污泥和TW混合體系中有機物的水解和酸化.此外 FNA預處理強化了微生物Bacteroidetes和Firmicutes的相對比例.

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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

國家自然科學基金(51378188,51478170);廣西壯族自治區科技攻關資助項目(桂科攻11194003)

* 責任作者, 高級工程師, xiaolan-dg@163.com

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