基于pH值調控的厭氧酸化產物分布及微生物群落特征研究

吳娟娟， 徐 恒， Nasir Ali ， 苑 泉， 黃 博, 3， 于彩虹， 王凱軍

(1.中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院， 北京 100083; 2. 清華大學 環境學院，環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室， 北京 100084； 3. 北京中源環保工程有限公司， 北京 100101)

果蔬和餐廚垃圾是我國城市生活垃圾的重要組成部分，其有效處理處置仍面臨巨大挑戰[1]。由于它們的含水率高、有機質含量高且易降解，相比于衛生填埋、焚燒和堆肥等技術，厭氧消化技術因具有更加顯著的經濟、環保和能源效益而得到廣泛應用[2-4]。在實際工程應用中，一般采用單相全混流反應器(CSTR)處理這類易降解固體物料。此外，考慮到物料水解酸化過程非常迅速，通常設計采用較長的停留時間(30 d左右)和較低的有機負荷(低于3 gVS·L-1d-1)，以避免厭氧反應系統出現酸化和維持穩定的污泥產甲烷活性。為提高厭氧處理過程的效率和穩定性，目前，國內外學者大多關注兩相厭氧消化技術工藝的研發[5-6]。根據水解酸化和產甲烷微生物的生理生態特性差異，在空間上將傳統單相厭氧反應器分為產酸相和產甲烷相兩個反應器，以維持各自最佳性能[7-8]。然而，通過分析現有文獻報道結果可知，單相和兩相厭氧工藝效果的優劣尚存在較大爭議[9-12]。這可能主要由于在不同物料組分、接種物等條件下產酸相的酸化產物類型存在波動，從而影響兩相工藝整體效果。因此，有必要對酸化產物分布特征進行考察，以便于實現產物的定向調控和產酸相過程優化。

前期研究[13-15]表明，在諸多環境因子中，pH值對酸化產物分布和產量具有重要影響，且容易在實際操作中進行調控。同時，考慮到碳水化合物是果蔬和餐廚垃圾的重要組分之一，因此，筆者研究擬以純物質葡萄糖為原料，在pH值分別控制為4.0，5.0和6.0條件下，考察酸化產物分布情況，并與不控制pH值的對照組進行對比。此外，與其他短周期的間歇式產酸實驗研究方法不同[16-18]，筆者擬在半連續長期運行條件下開展酸化產物分布特征研究，同時輔以污泥沉淀操作，以期獲得穩定的產酸微生物群落，最后對不同酸化產物分布下的優勢菌群特征進行分析與比較。筆者研究結果有望為后續果蔬和餐廚垃圾產酸調控和兩相厭氧消化工藝高效穩定運行提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 接種污泥

原污泥取自北京市某污水處理廠的污泥厭氧消化池，其VSS為16.74 g·L-1，VS/TS為0.538，接種污泥VSS為8 g·L-1。

1.2 實驗裝置與方法

如圖1所示，實驗采用的反應器有效容積為1 L，HRT設為4 d，并借助pH值控制系統對其pH值進行實時監測與調控。實驗設置4套反應裝置(分別命名為R0，R1，R2和R3)，其中R0為對照組，其pH值不作控制，R1，R2和R3的pH值分別控制在4.0，5.0和6.0左右。所有反應器放置在35 ℃恒溫室內磁力攪拌器上(轉速280 rpm)。實驗基質為葡萄糖溶液(由厭氧培養液[19]配制而成，葡萄糖濃度為20 g·L-1)。為富集穩定的產酸微生物群落，出料前反應器靜置30 min。實驗期間定期取樣監測反應器內產氣和酸化產物特性，實驗結束后對產酸微生物的群落進行分析。

圖1 實驗裝置示意圖

1.3 分析與計算方法

產氣特性分析：氣體產量(mL)由氣袋法測量；采用安捷倫A7890氣相色譜儀對氣體組分(H2，CH4等)進行測定，采用的氣相色譜儀配備有4.6 m×3.2 mm 不銹鋼Carboxen-1000(60/80 目)填充柱。氬氣作為載氣，其流速為30 mL·min-1，保持7 min。其他運行參數包括：進樣口溫度(150℃)，TCD 檢測器溫度(250 ℃)，柱溫(150℃)。

酸化產物種類和濃度(mmol·L-1)：采用安捷倫A7890氣相色譜儀對酸化產物中的揮發性有機酸(乙醇、乙酸等)的進行測定,毛細管柱為DB-FFAP(30 m，0.53 mm，I.D×1.0 μm)；使用FID檢測器，進樣器和檢測器溫度分別為230℃，230℃；柱溫箱溫度為180℃；載氣為氮氣，柱流量恒定在2.77 mL·min-1。采用島津高效液相色譜儀(LC-20D)測定樣品中的乳酸，色譜柱為Aminex HPX-87H，300×7.8 mm，檢測器為UV 檢測器(210 nm)，采用的流動相為0. 005 mol·L-1稀硫酸。

微生物群落分析：采用OMEGA 土壤提取試劑盒提取污泥基因組DNA，具體方法參照試劑盒說明書；PCR 擴增采用341f(5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′)和805r (5′-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3′)引物；PCR 結束后，PCR 產物進行瓊脂糖電泳，對DNA 進行回收；利用Qubit2.0DNA檢測試劑盒對回收的DNA精確定量，以方便按照1∶1 的等量混合后測序；最后使用Illumina MiSeq 高通量測序平臺進行基因測。

酸化率計算方法：總酸化產物(以COD計)占進料TCOD的百分比。

2 結果與分析

2.1 不同 pH值對酸化產物組成的影響

不同pH值條件下的酸化產物分布與酸化率變化情況如圖2～圖5所示。R0的酸化產物總量在9.46～71.79 mmol·L-1之間波動，明顯低于R1、R2和R3，說明控制pH值能顯著提高反應器酸化產物總量，這與張玉靜[20]等人的研究結果一致。對比R1、R2、R3的酸化產物情況可知，R2的酸化產物總量最高，基本穩定在204.47 mmol·L-1左右，其酸化率高達97.44%, 明顯高于R1(最高酸化率為47.83%)和R3(最高酸化率79.35%)，這說明，相比于pH 值為4.0和6.0，pH值控制為5.0時有助于提高反應器酸化效率和酸化產物總量。從圖5還可以看出，pH值為6.0時酸化產物波動較大，反應器穩定性較差。

就酸化產物分布情況而言(見圖2)，不控制pH值的R0以乙醇為主，其含量高達91.23%；當pH值為4.0(見圖3)時，反應器酸化產物以乙醇和乳酸為主，其中，乙醇占比在12.41～75.86%之間，乳酸占比高達75.3%。這與前期研究中的pH值為4.0時果蔬垃圾酸化產物分布情況比較類似[24]。pH值為5.0(見圖4)時，反應器主要以乙醇、乳酸和乙酸為主，3者占比之和高達93.83%，且較pH值為6.0(見圖5)時酸化產物組分占比更平穩，乙醇和乳酸的占比波動較大，分別為2.04～46.0%和1.58～36.67%，可能是由于乙醇和乳酸容易轉化成乙酸的緣故。pH值為6.0(見圖5)時，酸化產物分布波動較大，在反應器運行前期有丙酸和正丁酸出現；之后正丁酸的占比逐漸降低，而丙酸占比隨之增加；且此時的酸化產物種類最豐富。前期文獻研究表明[3, 21-22]，相比于乙醇和乳酸，丙酸在熱力學上具有難降解性，容易造成厭氧反應器內酸積累，對微生物活性產生抑制，進而對反應器運行效率產生不利影響。因此，上述研究結果表明，當pH值為5.0(見圖4)時，不僅反應器酸化率最高，而且酸化產物以相對易降解的乙醇、乳酸和乙酸為主，有望作為兩相厭氧消化工藝中酸化相的優選條件。

圖2 不控制pH值條件下酸化產物分布與酸化率的變化情況(R0)

圖3 控制pH值為4.0條件下酸化產物分布與酸化率的變化情況(R1)

圖4 控制pH值為5.0條件下酸化產物分布與酸化率的變化情況(R2)

圖5 控制pH值為6.0條件下酸化產物分布與酸化率的變化情況(R3)

2.2 不同pH值對產氣特性的影響

在實驗穩定期間，4個反應器產氣速率差別不大，平均值分別為224.7 mL·d-1, 218.4 mL·d-1, 262.2 mL·d-1和227.7 mL·d-1，其中，R2產氣速率最高，與此條件下最高的酸化率基本吻合。圖6和圖7給出了氣體中氫氣和甲烷組分的變化情況。反應器運行初期，4個反應器均有少量氫氣產生。然而，僅R2一直有極少量氫氣的產生，其含量約為0.84 (±0.19)%，關于氫氣產生的具體原因，有待進一步實驗分析和研究。 值得注意的是，在R3中能檢測到較高含量的甲烷(0～30%)，這說明在pH值為6的條件下，產甲烷古菌的活性很難得到完全抑制。

圖6 不同pH值條件下氫氣組分的變化情況

圖7 不同pH值條件下甲烷組分的變化情況

2.3 微生物群落分析

圖8給出了實驗結束后各反應器污泥樣品屬水平細菌的相對豐度分布情況。接種原泥中屬水平微生物種類豐富，相對豐度<5%的細菌一共占58.09%，相對豐度較大的僅有Levilinea(13.83%)和Ornatilinea(6.5%)。與接種污泥相比，R0(pH值在3.21～3.62之間波動)和R1(pH值4.0)的屬水平微生物優勢菌群較為單一，Lactobacillus為優勢菌屬，相對豐度分別為86.4%和93.48%。原泥中Lactobacillus的相對豐度僅為0.03%，這說明在不控制pH值和pH值控制為4.0的條件下形成了穩定的以產乳酸菌群為主的菌群結構[23-24]。

圖8 屬水平細菌相對豐度分布

從圖8還可以看出，pH值為5.0(R2)和6.0 (R3) 時反應器污泥中優勢菌群種類明顯增多，主要有Lactobacillus，Prevotella，Bifidobacterium，Clostridiumsensustricto，ClostridiumIV，Sporolactobacillus。其中，Peseudomonas和Bifidobacterium為常見的碳水化合物水解酸化細菌[25]；Clostridiumsensustricto和ClostridiumIV等梭狀芽孢桿菌屬，同樣具有水解產酸代謝功能，但同時還具有產芽孢和耐酸的特性[25]；Sporolactobacillus是除Lactobacillus外具有產乳酸特性[26-27]的菌屬，在R2和R3中的相對豐度分別為11.41%和2.03%，與這兩種pH值條件下產乳酸的情況相符。此外，在R3 (pH值為6.0)中還檢測到大量的Petrimonas菌屬，它主要存在于弱堿性條件下[28]。上述研究結果表明，不同pH值對酸化細菌具有明顯的選擇調控作用，且優勢菌群分布情況與酸化產物特征基本一致。

3 結論

通過考察并比較了不同pH值條件下有機物(葡萄糖)厭氧酸化特性和作用微生物群落結構，得到以下主要結論：

(1)pH值為5.0時，反應器酸化率最高，且酸化產物以相對容易降解的乙醇、乳酸和乙酸為主，有利于兩相厭氧消化工藝的長期穩定運行，可作為酸化相的優選條件。

(2)在不同pH值條件下，接種污泥的細菌群落結構發生了明顯變化，隨著pH值的升高，優勢菌群種類增多；pH值為5.0時形成了以Lactobacillus(8.9%)，Prevotella(32.0%)，Bifidobacterium(22.4%)，Clostridium(22.3%) 和Sporolactobacillus(11.4%)為主的細菌群落結構，主要參與葡萄糖的水解和產乳酸、乙醇等過程。

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