pH值調控方法對剩余污泥厭氧發酵的影響

畢豪華,高春娣,劉奕偉,邢一言,彭永臻

pH值調控方法對剩余污泥厭氧發酵的影響

畢豪華,高春娣*,劉奕偉,邢一言,彭永臻

(北京工業大學環境與生命學部,城鎮污水深度處理與資源化利用技術國家工程實驗室,北京 100124)

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

厭氧發酵；可揮發性脂肪酸；pH值；高通量測序

隨著我國城鎮化的推進和污水處理設施的完善,我國城鎮污水處理量日漸增多,截至2020年我國城鎮污水處理規模已超過2億m3/d,污水處理總量559.2億m3[1],由此產生的污泥量突破6000萬m3/a(以含水率80%計).剩余活性污泥作為城鎮污水處理廠的主要副產物,每天都有大量產出.剩余污泥中富集了大量的有機物、污染物質與營養物質[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物和營養物質,實現污泥的無害化和資源化已經成為當今中外學者研究的熱點問題.厭氧發酵產酸因其可操作性強和能量回收率高等優點[4]被認為是一種有效且可持續的剩余污泥處理技術,厭氧發酵可釋放污泥中的大量有機物,得到富含揮發性短鏈脂肪酸(VFAs)的污泥消化液,這些發酵液可作為污水處理中的外加碳源[5],強化生物脫氮除磷性能.

厭氧消化包括水解酸化、產氫產乙酸和產甲烷3個階段,水解階段作為污泥厭氧發酵的初始階段,通常被認為是限速步驟[6],而酸化過程中產生的VFAs會被產甲烷菌迅速消耗,因此VFAs的積累主要依賴于水解酸化階段[7].目前大多數研究都是通過采用物理、化學、生物和聯合預處理方法來加速水解過程,以及改變操作條件如溫度、pH值、污泥停留時間等方式來抑制產甲烷菌的活性,從而增加VFAs的積累[8].其中調節pH值的污泥預處理方式因操作簡單、效果顯著而引起廣泛關注[9-11].

一方面,有研究表明高堿性環境(pH=10或11時)比酸性環境更有利于污泥破解和厭氧發酵有機物的溶出[12],中性pH值雖有利于與酸化相關的微生物生存,但它不利于有機物的水解,導致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境下厭氧發酵產酸的功能仍主要由微生物承擔[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,產乙酸菌的最適pH值范圍為4.5～8.0,而產甲烷菌的最適pH值范圍為6.6～7.5[14].研究發現當pH值為10.0時,可以通過破壞污泥結構和抑制產甲烷菌活性來提高VFAs的產量[15],然而高堿性條件會抑制產乙酸菌將有機物轉化為乙酸的能力,從而降低了VFAs產量最大化的潛力[16].因此可以考慮通過分階段調控pH值來實現抑制產甲烷菌活性的同時盡可能滿足產乙酸菌的最適環境條件,以達到提高VFAs產量的目的.

先前有關pH值對剩余污泥厭氧消化的影響研究大都聚焦在恒定pH值調控方式上,但分階段的pH值調控方式對發酵效果的影響研究較少,而后者對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值調控和新型分階段pH值控制策略對剩余污泥中溫厭氧發酵的影響,并從微生物種群結構變化角度初步闡述了分階段pH值控制策略強化污泥厭氧發酵的機理,系統分析了分階段pH值控制策略強化厭氧發酵效果的可行性,為剩余污泥資源化和工程應用提供了新視角.

1 材料與方法

1.1 實驗污泥

本實驗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目篩網去除污泥中較大顆粒物并用清水沖洗3次.經上述濃縮處理后加入厭氧發酵罐的污泥主要性質見表1.

表1 剩余污泥主要理化性質

1.2 實驗方法

本文實驗分為兩個部分,第一部分研究了恒定pH值調控方式對污泥厭氧發酵的影響.將濃縮后的污泥均勻分配在容積為3L的間歇式厭氧發酵罐中,利用4mol/L的NaOH和4mol/L的HCl溶液將反應器內pH值控制在恒定值(5/7/9/10),室溫下(25±2)℃運行9d.上述各體系的pH值每12h調節一次.每24h 取發酵污泥混合液 5000r/min 離心分離,測定上清液中SCOD、VFAs、氨氮、正磷酸鹽、蛋白質和多糖質量濃度.

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

表2 pH值分階段調節方案

1.3 常規指標分析與測定方法

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

1.4 微生物菌群結構分析方法

高通量測序方法如下: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提取效果.對提取的DNA進行PCR擴增,引物序列為338F(5'－ACTCCTACGGGAGG CAGCAG－3') 和806R(5'－GGACTACHVGGG TWTCTAAT－3'),擴增程序為: 95℃預變性3min,27個循環(95℃變性30s,55℃退火30s,72℃延伸45s),最后72℃延伸10min.每個樣品擴增3次并將PCR產物混合,混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測,完成檢測后使用AxyprepDNA凝膠回收試劑盒切膠回收PCR產物,PCR產物用QuantiFluorTM -ST藍色熒光定量系統進行檢測定量,并按照每個樣品的測序量要求進行相應比例混合,最后構建 Illumina PE文庫,進行Illumina Miseq高通量測序.

2 結果與分析

2.1 恒定pH值調節對水解酸化的影響

為了考察恒定pH值調節對污泥厭氧發酵水解酸化的影響,試驗測定了不同pH值環境中可溶性有機物的積累量,如圖1所示.隨著發酵時間的推移,不同pH值下的SCOD值均有顯著增加,其中pH=10時污泥發酵到第6d SCOD積累量達到最大值323.77mg/gVSS.不同pH值下有機物的溶出速率也明顯不同,這4種pH值調節方式下有機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物的釋放,且堿性條件下的促進作用更明顯,堿性越強有機物的溶出速率更快,同時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.出現上述現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構和微生物的細胞結構,從而加速釋放胞內物質,增加污泥中SCOD的產量[18].因此pH=10的堿性環境更有利于有機物的產生和積累,這與Yuan等[19]的研究結果一致.

圖1 pH值對可溶性有機物溶出的影響

如圖2,堿性和酸性條件促進了厭氧發酵體系中蛋白質和多糖的溶出,不同發酵罐中的蛋白質和多糖含量在發酵初期均有不同程度的增加.值得注意的是在pH=10的強堿條件下蛋白和多糖產量較有較大的提升,在發酵至第6d時蛋白質含量為134.88mg/VSS,多糖含量為39.10mg/VSS,二者的總產量達到最大值,相較于其他條件下(pH=5/7/9)分別提高了212%、431%和68%.這是因為酸和堿可以破壞細胞表面結構從而釋放出更多胞外聚合物(EPS),而EPS多帶負電荷[20],在堿性環境下,EPS 中的酸性基團更易分解,使帶負電荷的 EPS 產生排斥作用,破壞污泥的絮體結構,從而使蛋白質和多糖釋放到污泥發酵液中,表現為蛋白質與多糖總質量濃度增加,因此堿性環境更有利于蛋白質和多糖的溶出.在酸性或堿性條件下,體系內蛋白質和多糖含量均在第6d或第7d達到最大值,后續隨發酵時間的延長逐漸呈下降趨勢,這是因為厭氧產酸菌主要利用蛋白質和多糖作為底物生產揮發性脂肪酸,在厭氧發酵的后期蛋白質和多糖的消耗速率大于水解階段的生產速率,因此二者含量在后期呈下降趨勢.整體而言,在pH=10的條件下可以溶出更多的蛋白質和多糖,有利于后續產酸菌的利用分解.

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產量隨時間變化情況,堿性條件下(pH=9和pH=10)VFAs的產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的積累量隨發酵時間延長而逐漸增加,分別在第4d和第6d達到23.06和13.91mgCOD/ gVSS,為各自pH值調節下的VFAs總積累量的最大值,隨后呈下降趨勢;在pH=9和pH=10的堿性條件下,VFAs的積累量隨發酵時間延長而顯著增加,分別在第7d和第6d達到127.78和183.38mgCOD/ gVSS,pH=10時VFAs的積累量最高,這與Wu 等[21]的研究結論一致.這是因為堿性環境破壞了污泥絮體結構,促進了有機物的溶出,加速了有機物水解酸化,使有機酸產生量增加,同時pH=10的堿性環境嚴重抑制了產甲烷菌的活性[22],使有機酸的消耗量減少.

2.2 pH值分階段調節策略對水解酸化的影響

為了考察分階段pH值控制策略對污泥厭氧水解酸化過程的影響,本實驗測定了不同調控策略下可溶性有機物產量、蛋白質和多糖濃度的變化情況,如圖4所示.發酵前一階段的高堿性條件促進了污泥裂解,因此發酵產物中可溶性有機物、可溶性蛋白質和多糖的濃度均顯著增加.R3第6d SCOD濃度達到324.57mg/gVSS,為4種調節方式的最大值,同時段恒定pH=10(R0)調節下SCOD濃度為315.23mg/ gVSS,這說明在發酵前期pH=11的高堿性環境下污泥裂解程度更大,溶出的有機物更多,這與呂等[23]的研究結果一致.不同pH值調節方式下蛋白質與多糖的變化與SCOD的變化趨勢相同,在R3發酵罐中可溶性蛋白質和多糖的濃度達到最大,R3在第6d蛋白產出量為137.92mg/gVSS,在第5d多糖產出量為42.65mg/ gVSS,均為4種pH值調節方式下的最大產出量,這一結果表明強堿性條件有利于顆粒有機物的水解,這與以往的報道一致[24].對比R0和R1發現,相較于pH=10的恒定調節方式,前期pH=10的分階段調節并不能明顯促進SCOD和蛋白質多糖的產量.

圖4 分階段調節下SCOD、PN和PS的產生量

圖5 分階段調節下VFAs的積累量

與SCOD濃度和蛋白質多糖濃度變化不同的是,pH值分階段調節方式在促進VFAs產量上發揮了作用.圖5是不同分階段調控方式下VFAs產量隨發酵時間的變化關系,隨著發酵時間的延長,4種調節方式下的VFAs總量均出現了先增加后減小的趨勢,這與Luo等[25]的研究一致.分析R1的VFAs變化趨勢可知,在第7d時該發酵罐中VFAs的總積累量達到最大208.78mgCOD/gVSS,比同時期的R0總產量高出19.5%,比同pH值恒定調節下的VFAs總量最大值高出13.9%,由此可見R1發酵罐經過分階段pH值調節后可以產出更多的VFAs.分析R2和R3可知前期pH=11的分階段調節方式并不能促進VFAs的產出,兩者的最大產出量為151.13和163.18mgCOD/gVSS,均低于pH=10環境下的VFAs產出量,分析原因可能為pH=11的強堿性環境極不利于產酸菌的生長,抑制了其利用有機物產酸的過程,Xu等[26]的研究也證實了這一點.

結果表明,前期pH=10的分階段調節對有機物溶出的促進作用不大,但有利于產酸階段產出更多的VFAs.前期pH=11的分階段調節則相反,它雖促進了SCOD的產出,但不利于產酸,后續污水處理的利用率將大為降低,因此本文后續將主要對比R1與其他恒定pH值調節的差異.

2.3 不同pH值調節下VSS去除率

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

2.4 磷酸鹽和氨氮的釋放情況

剩余污泥厭氧發酵產物中含有大量的氨氮(NH4+-N)和無機磷(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,隨著發酵時間的延長,液相中氨氮濃度總體呈現上升趨勢.本實驗中,pH值為10時的液相氨氮濃度最高為35.81mg/gVSS,分別是 pH=5、pH=7和pH=9時的1.89倍、2.51倍和1.52倍.在堿性環境下,氨氮濃度從第5d開始逐漸趨于穩定.對比pH=10和R1發酵罐,在發酵前4d兩者氨氮釋放量接近,在分階段調節后,R1中氨氮濃度上升趨勢不明顯,而pH=10的發酵罐中氨氮濃度仍隨發酵時間的延長明顯升高,最高較R1多釋放了16.68%的氨氮.已有研究表明,堿性厭氧發酵同時產生大量的氨氮,并以游離氨的形式存在,然而游離氨可能從細胞膜擴散到細胞質導致細胞內缺鉀或質子失衡,從而抑制產酸過程[27].pH值階段調節方式可以減少污泥厭氧發酵產生的氨氮濃度,從而削弱游離氨對酸化過程的抑制作用.

圖6 不同pH值調節下VSS去除率

如圖7(b),厭氧發酵可以促進污泥中磷酸鹽的釋放,其中在pH=10的條件下,發酵罐中磷酸鹽濃度在第5d時達到最大值27.00mg/gVSS,較高pH值引起污泥細胞壁的破裂而釋放胞內物質,胞內的核酸、蛋白質以及含磷化合物等發生水解并釋放磷.不同pH值調節方式對磷酸鹽的釋放效果并無明顯的差異,5種調節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.總體而言,污泥厭氧發酵使得大量氨氮和可溶性磷釋放到發酵上清液中,但pH值階段調節方式可以降低污泥厭氧發酵產生的氨氮濃度,對于降低磷酸鹽濃度效果并不明顯.

圖7 不同pH值調節方式對氨氮和磷酸鹽釋放量的影響

2.5 不同pH值調控策略對微生物種群的影響

2.5.1 微生物群落豐度和多樣性分布 為進一步闡明不同pH值調節方式下微生物群落特征及多樣性,在厭氧發酵末期(第9d)選取發酵前原始污泥、不同恒定pH值調節污泥和唯一促進VFAs產量的R1泥樣進行 Illumina MiSeq高通量測序,多樣性分析結果和各樣本有效序列如表3所示,為便于不同樣本之間對比分析,以最小樣本序列數48844 進行數據抽平.由表3可知,所選取的樣本覆蓋度(Coverage)指數均在0.99以上,表明樣本測序深度足夠,測序結果可靠可用.ACE和Chao指數代表微生物豐度,數值越高豐度越高,厭氧發酵降低了體系內微生物豐度,且在高堿性條件下微生物豐度最低,對比pH10和R1發現分階段調節pH值的方式下微生物豐度變化并不明顯.Shannon 和 Simpson 指數代表微生物多樣性,Shannon 指數越高多樣性越高,Simpson 指數則相反,厭氧發酵降低了體系內微生物多樣性,且在高堿性條件下微生物多樣性更低,對比pH10和R1發現分階段調節pH值的方式提高了微生物多樣性.微生物豐度和多樣性結果表明不同pH值調節方式的群落豐度和多樣性有明顯差異,對于恒定pH值調節方式,pH=10的高堿性環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值調節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值調節方式下剩余污泥厭氧發酵中微生物群落結構存在差異,圖8是不同調節方式下微生物種群在門水平上的相對豐度,其中將樣本中豐度占比小于0.01的物種歸為others.不同pH值調節后微生物豐度在門水平上有明顯的不同,主要的優勢微生物均為Firmicutes、Proteobacteria、Actinobacteriota和Chloroflexi,這4類菌群也是傳統厭氧消化過程中的主要微生物類型[29].酸性和堿性環境均提高了Firmicutes和Actinobacteriota的相對豐度,在原始污泥中,兩者的相對豐度為3.93%和11.26%,而pH=5條件下Firmicutes和Actinobacteriota相對豐度分別增加至12.98%和40.53%,在pH=10的堿性環境中這兩類菌群的相對豐度為61.14%和15.57%,遠高于其他pH值恒定調節下的菌群豐度.Firmicutes門與揮發性有機酸的發酵生產有關[30],在厭氧環境下,該門菌屬可能溶解顆粒蛋白,同時參與酸化過程[31]. Actinobacteria也是污泥厭氧發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進行水解產酸[32],同時該門中的部分細菌能降解多糖生成單糖和 VFAs[33].因此,pH=10的恒定調節方式較其他恒定調節的水解酸化菌豐度更高,這是促進VFAs積累的重要原因.

對比R1和pH10的微生物種群在門水平上的相對豐度,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值分階段的有機物酸化產VFAs.當pH值調節方式由恒定值10改為分階段調節后(R1),Proteobacteria和Chloroflexi門相對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 與微生物細胞的裂解和胞內物質的釋放有密切相關[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胞,該門中部分菌群代謝碳水化合物,促進 VFAs 底物降解[35].研究通過對比門水平上的相對豐度發現分階段pH值調節方式提高了水解酸化有關微生物的豐度,這可能是R1的VFAs產量高于pH=10恒定調節的原因.

表3 微生物群落豐度和多樣性變化

注:樣本編號Sludge0代表厭氧發酵前的原始剩余污泥;pH5/7/9/10分別代表對應恒定pH值調節后的發酵泥樣;R1代表以pH=10發酵4d不再調節后發酵9d的泥樣.

圖8 微生物種群在門水平上的相對豐度

為進一步探究分階段pH值調控方式對污泥厭氧發酵產酸的微生物群落多樣性和功能的影響,需對微生物群落進行屬水平上的分析,圖9為微生物種群在屬水平上的相對豐度,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%)相對豐度占比較高,這兩種菌在pH=10的環境中相對豐度占比各為22.47%和0.44%,分階段調控方式提高了這兩種菌群的相對豐度.有研究表明作為嚴格的厭氧菌在蛋白質降解和利用中起著關鍵作用[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,可以降解蛋白質產生乙酸[39],較pH_10來說這兩種菌群相對豐度在R1中略有降低,分別從6.58%降至5.76%、從1.08%降至0.60%.在恒定調節下的相對豐度為1.82%,在R1中的相對豐度為4.99%,較pH=10的恒定調節略有升高.有研究認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化為乙酸鹽[40], 猜測分階段調節中乙酸在總VFAs中占比提升可能與該類菌群相對豐度的升高有關.從屬水平上來看,與水解酸化有關的菌群豐度在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值調節方式可以從整體上提高水解酸化菌的相對豐度,從而提升污泥厭氧發酵產酸量.

圖9 微生物種群在屬水平上的相對豐度

樣本編號pH10代表pH=10恒定調節下的泥樣;R1代表以pH=10發酵4d后不再調節后發酵9d的泥樣;Sludge0代表厭氧發酵前的原始剩余污泥

3 結論

3.1 恒定pH值調節對剩余污泥厭氧發酵隨pH值的變化產生不同的影響,堿性和酸性條件較中性調節可溶出更多的有機物,積累更多的蛋白質、多糖和VFAs,pH=10時積累量最大,SCOD濃度為323.77mg/gVSS,VFAs產量為183.38mgCOD/gVSS.

3.2 發酵初期pH=10(4d)的分階段調節對有機物溶出的促進作用不大,但有利于產酸階段產出更多的VFAs,最高為208.78mgCOD/gVSS,比pH=10恒定調節下的VFAs總量最大值高出13.9%.以發酵初期pH=11(3d和4d)的分階段調節則相反,它雖略有促進SCOD的產出,但不利于產酸,VFAs最大產出量為151.13和163.18mgCOD/gVSS,后續污水處理的利用率將大為降低.

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

3.4 分階段pH值調節方式整體上提高了水解酸化菌的相對豐度,更有利于發酵過程中 VFAs的積累.從屬水平上來看,與水解酸化有關的菌群(、和等)豐度在R0(pH=10恒定調節)中占比為32.38%,在R1(分階段調節)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,主要研究方向為城鎮污水深度處理與資源化利用.發表論文3篇.1720125370@qq.com.

畢豪華,高春娣,劉奕偉,等.pH值調控方法對剩余污泥厭氧發酵的影響 [J]. 中國環境科學, 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

國家自然科學基金資助項目(52270017)

* 責任作者, 教授, gaochundi@bjut.edu.cn