pH值調控對柑橘廢渣與污泥厭氧共發酵產酸影響

孫 鴻,肖向哲,羅進財,章 亮,林 朋,董姍燕,2*,朱易春,2

pH值調控對柑橘廢渣與污泥厭氧共發酵產酸影響

孫 鴻1,肖向哲1,羅進財1,章 亮1,林 朋1,董姍燕1,2*,朱易春1,2

(1.江西理工大學土木與測繪工程學院,江西 贛州 341000；2.贛江流域水質安全保障工程技術研究中心,江西 贛州 341000)

為提高揮發性脂肪酸(VFA)的產量,探究了柑橘廢渣和剩余污泥不同VS(揮發性固體)配比及調控發酵過程pH值對產VFA性能的影響.結果表明:調節共發酵系統pH值為6對VFA的積累有促進作用,柑橘廢渣VS/剩余污泥VS為2時的最大VFA產量為11183.12mg/L,是未控制pH值組最高VFA濃度的1.75倍.柑橘廢渣中的橘皮精油能抑制產甲烷過程,發酵過程控制pH值則強化這種抑制作用.加入柑橘廢渣后,共發酵系統的菌群結構優勢顯著,產VFA相關微生物種群大量增加,而消耗乙酸的產甲烷菌群減少,從而有利于VFA的積累.研究結果將為優化柑橘廢渣與剩余污泥厭氧共發酵產VFA提供理論依據.

剩余污泥；柑橘廢渣；厭氧；共發酵；揮發性脂肪酸

剩余污泥是污水生物處理過程的副產物,我國每年約產生3900萬t剩余污泥,其中大部分污泥通過堆肥、焚燒及衛生填埋等方式進行處理和處置[1].目前我國剩余污泥資源化較多應用于制作建筑材料、有機肥等方面[2].厭氧發酵是較為穩定和資源化利用剩余污泥的一種技術,剩余污泥通過厭氧發酵會產生揮發性脂肪酸(VFA)、氫氣和甲烷等具有利用價值的產物.其中,VFA是一種碳氫化合物,能用作醇、長鏈脂肪酸和聚羥基烷酸酯等高價值化合物的前體物及易于生物降解的碳源.與甲烷相比,VFA具有更大的利用價值[3].

柑橘是我國第二大水果種類,且產量逐年攀升.除了鮮食,柑橘類加工業每年會產生大量廢棄皮渣,其中絕大多數皮渣被隨意丟棄或填埋處理.柑橘廢渣酸性較強,容易引起霉變發臭,嚴重污染環境.然而,柑橘廢渣中的揮發性固體(VS)約占總固體(TS)的95.25%[4],適宜厭氧發酵生物處理.當柑橘廢渣VS和剩余污泥VS以1:2混合厭氧共發酵時,其沼氣產率較剩余污泥和柑橘渣單獨厭氧消化分別提高了1.6倍和3.04倍[5].

柑橘廢渣與剩余污泥均為有效的生物質能源,將二者混合進行厭氧發酵不僅能解決剩余污泥單獨厭氧發酵存在的降解周期長、產酸效率低等問題[6],而且可以均衡系統碳氮比、降低有毒化合物濃度和增強微生物的協同作用[7].研究表明,橘皮中的橘皮精油(EO)對厭氧發酵產甲烷過程具有一定的抑制作用[8].橘皮厭氧發酵時發現,當EO濃度為111.2mg/(L?d)時,產甲烷過程幾乎被完全抑制[9].研究EO對污泥毒性的結果表明:當污泥中EO濃度為1350mg/kg時,其比產甲烷活性和輔酶F420活性較對照組降低了98.4%和23.1%[10].EO的主要成分為D-檸檬烯,它是一種單環單萜烯,可以作用于微生物細胞膜抑制微生物的生長繁殖而具有抑菌機制[11].目前關于柑橘廢渣與剩余污泥厭氧共發酵促進產酸的研究鮮少報道.鑒于此,本文以柑橘廢渣與剩余污泥不同基質比構建了多個厭氧共發酵系統,通過調控厭氧發酵過程的pH值,比較分析了共發酵系統不同基質比及其精油含量對厭氧產酸性能和產甲烷過程的影響,以期對柑橘廢渣與剩余污泥厭氧共發酵產酸性能提供理論基礎和技術支持,同時實現剩余污泥和柑橘廢渣的穩定化及資源化利用.

1 材料和方法

1.1 厭氧發酵裝置

厭氧發酵裝置由3部分組成:一是厭氧反應器,由10個1000mL厭氧發酵瓶組成,內部盛有800mL發酵底物,放入磁石轉子,以橡膠塞密封;二是自制的恒溫水浴箱,水浴箱采用加熱棒加熱,控制溫度為(35±1)℃,水浴箱下部配備2臺磁力攪拌器;三是集氣裝置,采用10個盛有2mol/L NaOH溶液的200mL史密斯發酵管,通過壓力差將產生的氣體導入其中,并記錄產氣量.圖1為厭氧發酵裝置簡圖.

圖1 厭氧發酵裝置簡圖

①進料兼取樣口 ②厭氧發酵瓶 ③恒溫水浴箱 ④潛水泵 ⑤加熱棒 ⑥磁力攪拌器 ⑦集氣裝置

1.2 試驗材料

試驗用剩余污泥取自贛州市某污水廠的污泥濃縮池,該污水廠采用A/A/O生物處理工藝.所取污泥經1mm×1mm篩網過濾去除雜質后濃縮靜置24h,撇去上清液,于4℃冰箱中保存備用.接種污泥為馴化后的剩余污泥,馴化方法與陳思遠等[12]研究一致.試驗用柑橘為贛南沃柑,將柑橘皮與少量果肉混合,采用榨汁機破碎后與等質量純水混勻,于4℃冰箱中保存備用.剩余污泥、接種污泥和柑橘廢渣理化性質見表1.

表1 污泥和柑橘廢渣理化性質

由表1可知,柑橘廢渣的有機質含量非常高,其VS/TS是剩余污泥的2.4倍,溶解性COD(SCOD)則是剩余污泥的240倍;柑橘廢渣中溶解性多糖(SC)占SCOD的含量約59%,溶解性蛋白質(SP)含量相對較低.

1.3 試驗方法

厭氧發酵試驗分2組進行,每組試驗包含5個反應器,分別為對照組CK(不添加柑橘廢渣)及柑橘廢渣和剩余污泥的混合厭氧發酵反應器(柑橘廢渣VS/剩余污泥VS的比例為0.25、0.50、1.00、2.00).兩組試驗初始條件均相同,不同在于I組厭氧發酵過程不調節pH值,II組厭氧發酵過程中每2d調節一次pH值至6(I、II組反應器編號分別為CK1、I-0.25、I-0.5、I-1、I-2和CK2、II-0.25、II-0.5、II-1、II-2).每個厭氧反應器有效容積為800mL,反應器加入80mL接種污泥和720mL柑橘廢渣和剩余污泥混合物.厭氧發酵前,反應器內充入氮氣排空氧氣后密封,置于(35±1)℃恒溫水浴箱內發酵21d,每12h用磁力攪拌器攪拌15min,磁力攪拌速率為120r/min.每天監測產氣量,每2d調節pH值前取樣測定VFA、SCOD等相關指標.

表2 柑橘廢渣與剩余污泥不同比例下的理化性質

注:指標數據為樣品測試3次的平均值(I組和II組除pH值不同外,其余指標均相同;II組的初始pH值均為6).

1.4 檢測項目與數據處理

1.4.1 常規及專項指標檢測 剩余污泥及柑橘廢渣的基本參數如COD、TS、VS、TN等常規指標均采用《水和廢水監測分析方法(第四版)》方法測定[13],SP采用考馬斯亮藍G250法,SC采用苯酚-硫酸法;EO采用蒸餾滴定法,與趙其陽等[14]研究一致.

VFA 采用Agilent 7890B氣相色譜儀測定.該色譜儀配有氫火焰離子檢測器(FID)和DB-FFAP毛細柱(規格為30m×0.25mm×0.25μm,載氣為N2,流速為30mL/min).測試條件:FID檢測器,溫度為280℃,進樣口溫度為250℃,分流比20:1,單針進樣量為1.0 μL;升溫程序為初始溫度60℃,停留5min,然后以 20℃/min的程序升溫至220℃,停留5min.VFA 主要由乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸和異戊酸6種有機酸構成.

厭氧體系中細菌和古菌群落采用16S-rRNA為靶點的高通量測序(HTS)進行分析:細菌DNA使用341F和805R進行擴增;古菌使用巢式PCR進行3輪擴增,第一輪擴增使用340F和1000R引物,第二輪擴增使用349F和806R引物,第三輪擴增引入Illumina橋式PCR兼容引物.

1.4.2 數據處理 VFA數據使用軟件Agilent Data Analysis進行處理,分析方法同任曉鳴等[15]一致.細菌及古菌群落結構測序平臺為Illumina Miseq,其相對豐度使用軟件R進行分析處理,測序結果由生工生物工程(上海)股份有限公司提供.

2 結果與討論

2.1 柑橘廢渣和剩余污泥共發酵對VFA產量的影響及變化

2.1.1 對VFA產量的影響 由圖2(a)可以看出, I組各反應器的VFA濃度隨厭氧發酵時間總體呈現先增大后減小并逐步趨于穩定的趨勢,且各試驗組的VFA濃度均高于對照組(CK1).柑橘廢渣與剩余污泥共發酵顯著促進了VFA的生成,原因是柑橘廢渣中含有大量SCOD和SC類物質,且其所含有的天然復合物EO對基質水解酸化過程有促進作用[16].厭氧發酵第7d時,I-1組VFA濃度達到最大(為6398.02mg/L),分別是CK1、I-0.25、I-0.5及I-2組的19.22倍、2.71倍、2.26倍和2.47倍.除I-2組外,其余各組的VFA產量總體隨柑橘廢渣VS與剩余污泥VS的比值增大而逐漸升高,原因是柑橘廢渣增加了厭氧體系中的有機物含量,有利于生成更多的VFA.碳氮比(C/N)是評估厭氧共發酵性能的重要參考指標之一[17-18].I-2組VFA產量總體上低于I-1組,原因可能是I-2組的C/N高于I-1組,其厭氧系統營養不均衡而不利于VFA的生成導致.此外,VFA含量與pH值密切相關,VFA含量越高,相應pH值越低.由圖3可以看出,I組中各反應器內pH值變化與VFA變化基本呈相反趨勢.其中, I-0.5、I-1和I-2組的pH值在反應前幾天迅速下降,達到最小值后又略有回升,隨后在pH=5附近趨于穩定;I-0.25和對照組CK1的最終pH值在6.50～6.80之間變化.

圖2(b)為II組控制pH值為6時VFA的濃度變化情況.其各反應器的VFA濃度變化與I組變化趨勢相同.除了對照組,II組所有反應器內的VFA最大值均高于I組對應反應器內的VFA最大值.厭氧發酵第11d時,II-2組VFA濃度最大值為11183.12mg/L,是I-1組VFA最大濃度的1.75倍.隨著柑橘廢渣VS和剩余污泥VS比值的增加,II組各反應器內最大產酸量逐漸增多且至最大產酸量的時間逐步推后,一方面是可利用基質增加有利于VFA的生成,另一方面是隔天調節pH值為6促進了VFA的積累,這與Bahriye等[19]研究一致.

2.1.2 VFA組分的變化 圖4為I組第7d和II組第9d時各反應器內VFA的組分變化圖.由圖4(a)可知,I組主要為乙酸型發酵,丙酸含量次之;各組的乙酸含量約占VFA總量的52%～65%,丙酸含量約占總量的11%.由圖4(b)可以看出,相較于I組,II組中各反應器內乙酸含量顯著降低,丙酸、丁酸和戊酸含量均有所增加;II組總體表現出以混合酸型發酵為主,其中乙酸含量相對較低,可能被微生物利用轉化為其余類型的酸所致.根據以上結果可知,在共發酵過程中控制反應器pH值為6會影響微生物的活性,并改變共發酵系統的產酸類型.

圖2 VFA的變化情況

圖3 I組共發酵系統中pH值的變化情況

Fig.3 Changes of pH in the co-fermentation system of group I

2.1.3 可溶性有機物產量的變化 SCOD濃度的變化反應了厭氧發酵過程中顆粒態有機物的水解程度及厭氧發酵程度.由圖5(a)和5(d)可以看出,各組反應器內的SCOD濃度約在厭氧發酵第5d時達到最大值,隨后呈逐漸下降的趨勢.這是因為厭氧反應前期混合底物中難溶性有機物經水解細菌分解轉化為溶解性有機物,厭氧中后期水解程度減弱,微生物開始大量利用有機物使SCOD下降[20].有研究表明,EO能破壞污泥細胞壁釋放胞內基質而不喪失活性[21],因此在水解細菌與EO的共同作用下難溶性有機物更易向可溶性有機物轉化.II組中各反應器內(CK2、II-0.25～II-2)最大SCOD濃度分別是I組(CK1、I-0.25～I-2)的1.49倍、1.09倍、1.03倍、1.22倍和1.19倍.但厭氧反應穩定后,II組的最終SCOD濃度均低于I組,這表明控制pH值促進了厭氧發酵的水解和酸化階段.

SC和SP屬于易被微生物利用的溶解性有機物.由圖5(b)和5(e)可以看出,I組和II組反應器內的SC在厭氧發酵前期先迅速下降后趨于穩定.由于柑橘廢渣中含有大量SC,因此共發酵系統中SC是溶解性有機物的主要成分,在發酵產酸菌的作用下可將其轉化為VFA[22].SP在共發酵系統中含量較低,在厭氧前期有一個上升過程,隨后下降趨于穩定.由I組和II組中SC和SP的變化可知,厭氧發酵過程控制pH值對其影響不大.

圖6 累積甲烷產量的變化情況

2.1.4 甲烷產量的變化 由圖6可以看出,隨著共發酵系統中柑橘廢渣VS和剩余污泥VS比值的增大,各組累積產甲烷量逐漸減小,其中I組中CK1最小,II組中II-2與CK2最終值相差不大.由此可知,柑橘廢渣的增加,使得共發酵系統中有機物含量增多,有利于甲烷的產生;但過量的柑橘廢渣,則可能對產甲烷過程產生一定的抑制作用,因為柑橘廢渣中的檸檬烯能抑制產甲烷過程[23].有研究表明,在亞致死濃度條件下,檸檬烯會使嗜熱甲烷八聯球菌細胞膜發生明顯變化,進而顯示出一定的抗菌作用[24-25].由圖6(a)可知,I組中柑橘廢渣VS/剩余污泥VS的比值分別為1和2時的累積產甲烷量明顯低于0.25和0.50時的累積產甲烷量;由圖6(b)可以看出,II組中各反應器生成的累積甲烷量顯著低于I組.II組中各反應器(CK2、II-0.25～II-2)的累積產甲烷量相比于I組(CK1、I-0.25～I-2)分別下降了20.10%、7.91%、12.83%、3.44%和30.87%,原因是II組中控制pH值促進了VFA的積累,相應甲烷產量有所降低.

2.2 共發酵系統中微生物群落的變化

微生物群落結構和功能微生物的相對豐度與厭氧發酵性能密切相關.通過高能量測序技術,比較分析了CK1、I-1、CK2和II-2四個厭氧反應器穩定運行后的細菌和古菌的群落變化情況.由圖7(a)可知,在目水平上, Methanomicrobiales和 Methanosarcinales為CK1和CK2的優勢菌目,分別占總古菌目的50%和29%以上;I-1和II-2中Methanomicrobiales仍為優勢菌目, Methanosarcinales的相對豐度減少到6%以下, Methanobacteriales則分別占了33%和26%.由圖7(b)可知,在屬水平上,Methanoregula和Methanothrix為CK1和CK2的優勢菌屬,分別占總古菌屬的30%和29%以上;I-1和II-2中Methanothrix相對豐度降低到5%以下, Methanosphaera的相對豐度分別增加到28%和11%.由此可知,剩余污泥中加入柑橘廢渣后,共發酵系統中微生物種群結構發生了變化,利用氫氣、甲酸鹽等電子供體還原CO2生成甲烷[26]的菌種Methanobacteriales和Methanoregula成為優勢菌種,而以乙酸為基質生成甲烷[27]的Methanosarcinales和Methanothrix菌群相對豐度減少,即乙酸消耗量減少,有利于VFA的積累.

圖7 古菌的相對豐度

圖8為CK1、I-1、CK2和II-2四個反應器內門和綱水平上細菌群落的變化情況.由圖8(a)可知,在門水平上, Proteobacteria和Chloroflexi為CK1和CK2的優勢菌群,分別占總細菌門的30%和13%以上;I-1和II-2中Firmicutes為優勢菌門,分別占總細菌門的52%和59%以上,Proteobacteria和Chloroflexi相對豐度則分別降低到18%和1%以下.Firmicutes門下的許多微生物能在厭氧條件下降解有機物生成VFA[28],而Proteobacteria和Chloroflexi是以消耗乙酸、丙酸和丁酸為主的細菌[29].因此共發酵系統中Firmicutes相對豐度的增加促進了VFA的生成,而Proteobacteria和Chloroflexi的活性降低減少了VFA的消耗,從而促進了VFA的積累.由圖8(b)可以看出,CK1和CK2綱水平上的菌群種類較多,無明顯優勢的菌群,而I-1和II-2中Clostridia為其優勢菌種,相對豐度分別為44%和47%.Clostridia中的許多菌種具有較強的水解能力[30],它們提高了共發酵系統中溶解性有機物的水解產酸效率.綜上可知,相比于剩余污泥單獨厭氧發酵系統,共發酵系統為微生物的生長提供了大量基質和養分,改變了剩余污泥單獨厭氧發酵時的菌群結構,形成了有利于VFA積累的微生物菌群,從而可以產生更多的VFA.

圖8 細菌的相對豐度

3 結論

3.1 柑橘廢渣與剩余污泥共發酵的產酸量顯著提高,且發酵過程中控制pH值有利于VFA的積累.未控制pH值時,柑橘廢渣VS/剩余污泥VS為1時產酸效果最好,最高VFA濃度為6398.02mg/L;控制pH值為6時,柑橘廢渣VS/剩余污泥VS為2的VFA最大濃度是I-1組的1.75倍,且產酸發酵類型由乙酸型發酵變為混合酸發酵.

3.2 柑橘廢渣和剩余污泥共發酵過程增加了系統的SCOD和SC濃度,且柑橘廢渣的添加對產甲烷過程具有一定的抑制作用,發酵過程控制pH值為6時加強了這種抑制作用.

3.3 共發酵系統的菌群結構優勢顯著,有利于VFA的積累.一方面水解發酵過程形成了能促進產酸的優勢菌群Firmicutes,另一方面產甲烷過程中消耗乙酸的Methanosarcinale和Methanothrix菌群相對豐度降低,甲烷的積累量減少,而利用氫氣的Methanobacteriales和Methanoregula成為優勢菌種,即乙酸消耗量減少,能促進VFA的積累.

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Effects of pH on the production of volatile fatty acids from citrus waste and waste activated sludge by anaerobic co-fermentation.

SUN Hong1, XIAO Xiang-zhe1, LUO Jin-cai1, ZHANG Liang1, LIN Peng1, DONG Shan-yan1,2*, ZHU Yi-chun1,2

(1. School of Civil and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China；2.Research Center for Water Quality Security Technology at Ganjiang River Basin, Ganzhou 341000, China)., 2022,42(4)：1762～1769

In order to improve the production of volatile fatty acids (VFA), the effects of different ratios of volatile solids(VS) from citrus waste and waste activated sludge and regulating pH in fermentation processes were studied. The results showed that adjusting the pH of the co-fermentation system to 6could promote the accumulation of VFA. When the ratio of VS from citrus waste and waste activated sludge reached 2, the maximum VFA yield was 11183.12mg/L, which was 1.75times higher than that without pH control. Furthermore, the essential oil from citrus waste could inhibit the methanogenic process, which was strengthened by controlling pH in the fermentation process. After adding citrus waste, the microbial community structure of the co-fermentation system showed significant advantages. VFA related microbial population increased significantly while methanogenic bacteria consuming acetic acid decreased, which was conducive to the accumulation of VFA. The results of this experiment can provide a theoretical basis for optimizing the performance of VFA production by anaerobic co-fermentation of citrus waste and waste activated sludge.

waste activated sludge；citrus waste；anaerobic；co-fermentation；volatile fatty acids

X705

A

1000-6923(2022)04-1762-08

孫 鴻(1998-),男,貴州遵義人,江西理工大學碩士研究生,主要研究方向為剩余污泥厭氧發酵產酸.

2021-09-19

國家自然科學基金資助項目(51868025);江西省教育廳科技項目(GJJ200835)

*責任作者, 講師, d_shanyan@126.com