pH值調控方法對剩余污泥與柑橘廢渣厭氧共發酵產酸影響

董姍燕,羅進財,王欣蕓,廖靖瑩,孫 鴻,朱易春,2(.江西理工大學土木與測繪工程學院,江西 贛州 34000；2.贛江流域水質安全保障工程技術研究中心,江西 贛州 34000)

隨著我國污水處理行業的快速發展,由此產生的大量剩余污泥亟需處理處置.2022年《污泥無害化處理和資源化利用實施方案》(發改環資[2022]1453 號)的發布為提高污泥無害化處理和資源化利用水平提供了重要依據.剩余污泥(WAS)是由微生物及其代謝殘體、胞外聚合物及吸附其中的有機物和礦物質組成的絮凝體結構,其中含有大量蛋白質、碳水化合物和脂質等有機物[1].剩余污泥經厭氧發酵后可生成具有附加值的產品和可利用的生物能源物質(如揮發性脂肪酸等),其中揮發性脂肪酸(VFA)具有可生化性好、附加價值高等優點而得到廣泛應用[2-4].因此,厭氧發酵產酸技術是處理剩余污泥的有效途徑,對我國實現碳中和與碳減排發揮重要作用.

我國是世界第一大柑橘產量大國,2021年柑橘產量已突破5000萬t[5].除了鮮食,柑橘加工廠每年會產生大量柑橘廢渣.大部分柑橘廢渣沒有得到有效處理和利用,被隨意丟棄或填埋,不僅對環境產生較大污染,而且也浪費了柑橘廢渣中含有的大量可利用基質.柑橘廢渣中的揮發性固體(VS)約占總固體(TS)的95.25%[6],適宜厭氧發酵處理.剩余污泥與柑橘廢渣均為具有高價值的生物質資源,將二者混合進行厭氧發酵可以避免單一基質發酵時存在的降低性能差、消化周期長和產酸產氣量低等問題[7],更重要的是剩余污泥與柑橘廢渣厭氧共發酵系統可以平衡碳氮比、降低有毒物質對系統的沖擊[8].研究發現柑橘皮中的橘皮精油對厭氧產甲烷過程具有一定的抑制作用[9].因此,將二者混合進行厭氧共發酵有利于將固體廢棄物轉化為VFA 和沼氣等產物.

pH值調節是常用的改變厭氧發酵環境條件的操作手段,如厭氧發酵初始pH值調節[10]、厭氧發酵過程中pH值調節[11]和pH 值逐步調節[12].研究表明,將剩余污泥初始pH值調節為堿性(如pH 值為8～11)時,厭氧發酵產VFA 效果較好[13-14],原因是堿性條件有利于促進污泥水解,為微生物提供更多可利用的溶解性有機物(DOM).厭氧發酵過程中持續調節pH 值也能有效提高VFA 產量,當柑橘廢渣VS與剩余污泥VS 比為2 時,最大VFA 產量是未調節pH 值的1.75 倍[15].目前關于厭氧發酵初始pH值調節比較常見,厭氧發酵過程中pH值調節也有一些研究應用,而關于pH值調節對厭氧發酵產酸性能的影響研究尚未見報道.因此,本文基于厭氧發酵初始pH值調節和厭氧發酵過程中pH值調節,考察不同pH值調控方法對剩余污泥與柑橘廢渣厭氧共發酵系統產酸性能的影響,并分析pH值調節對厭氧共發酵系統不同階段的影響、關鍵酶活性和微生物種群結構的影響,為促進剩余污泥與柑橘廢渣厭氧共發酵產酸提供科學依據和理論基礎,同時對利用剩余污泥和柑橘廢渣資源化利用和高效產酸具有積極意義.

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用剩余污泥取自贛州市某污水處理廠的污泥濃縮池,污泥經1mm×1mm 篩網過濾去除雜質后濃縮靜置24h,撇去上清液后置于4℃冰箱中保存備用.接種污泥為馴化后的剩余污泥.試驗所用柑橘為贛南沃柑,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,置于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.由表1 可知,柑橘廢渣呈酸性,有機質含量高且富含多糖類物質,其中溶解性COD(SCOD)含量占總COD(TCOD)約32%,溶解性多糖(SC)含量占SCOD約59%,溶解性蛋白質(SP)含量較低.

表1 剩余污泥和柑橘廢渣理化性質Table 1 Physicochemical of waste activated sludge and citrus waste

1.2 試驗方法

1.2.1 pH值調控對厭氧共發酵系統產酸性能影響試驗 基于前期試驗確定的剩余污泥與柑橘廢渣共發酵產酸的最適VS 配比(1:1,質量比),將二者混合物分別置于4 個厭氧發酵瓶中,前3 個發酵瓶內的初始pH值調節為5、6 和10(分別命名為1#、2#和3#),最后一個發酵瓶不調節pH 值,作為空白組.厭氧發酵過程中,1#和2#發酵瓶內的pH 值采用持續調節方式,3#發酵瓶內的pH 值僅在厭氧發酵初始調節為10.厭氧發酵瓶的有效容積為250mL,其中25mL 為接種污泥,225mL 為剩余污泥與柑橘廢渣混合物.試驗開始前向厭氧發酵瓶中充入氮氣5min,然后用橡膠塞密封于(35±1)℃的恒溫水浴池中;試驗過程中每隔12h 攪拌一次(攪拌頻率120r/min),每次攪拌15min.每日取樣測定發酵系統的pH 值、VFA、SCOD、產氣量等指標,取樣完畢后注入等體積等比例的剩余污泥與柑橘廢渣,然后用稀鹽酸溶液調節1#和2#發酵瓶的pH 值為5 和6.

1.2.2 pH值調控對厭氧共發酵系統產酸機理研究試驗 基于pH值調控對厭氧共發酵系統產酸性能影響試驗,采用持續調節pH 值為6 對厭氧共發酵系統的產酸機理進行試驗研究.在2 個500mL 的厭氧發酵瓶中分別加入50mL 接種污泥和450mL 剩余污泥與柑橘廢渣混合物(VS 配比為1:1),分別將其命名為空白組和2#試驗組.試驗開始前向厭氧發酵瓶中充入氮氣5min,然后用橡膠塞密封于(35±1)℃的恒溫水浴池中;試驗過程中每隔12h 攪拌一次(攪拌頻率120r/min),每次攪拌15min.根據前期試驗結果,確定空白組和2#試驗組厭氧發酵瓶的每日污泥更換量為500/t1mL 和500/t2mL(t1和t2分別是空白組和2#試驗組的最大產酸時間).厭氧發酵60d 后(至系統VFA 濃度不再變化),分析pH值調控對共發酵系統不同階段(增溶、水解、酸化和產甲烷)的影響,同時分析測定酶活性及微生物種群結構變化.

增溶試驗:取厭氧發酵60d 后的剩余污泥與柑橘廢渣混合液50mL,分析測定其中胞外聚合物(EPS)的變化情況,探究pH值調節對共發酵系統增溶階段的影響.

水解試驗:取厭氧發酵60d 后的剩余污泥與柑橘廢渣混合液30mL,加入300mL 去離子水、4.3g/L牛血清蛋白(BSA)和1g/L 葡聚糖,在水解12、24 和48h 時測定BAS 和葡聚糖濃度,探究pH值調節對共發酵系統水解階段的影響.

酸化試驗:取厭氧發酵60d 后的剩余污泥與柑橘廢渣混合液30mL,加入300mL 去離子水、1g/L葡萄糖,在發酵24 和48h 時測定葡萄糖的濃度,探究pH值調控對共發酵系統酸化階段的影響.

產甲烷試驗:取厭氧發酵60d 后的剩余污泥與柑橘廢渣混合液30mL,加入300mL去離子水和2g/L乙酸鈉,在發酵24和48h時測定乙酸鈉濃度,探究pH值調控對共發酵系統產甲烷階段的影響.

1.3 分析方法

剩余污泥和柑橘廢渣的常規指標測試方法基于《水和廢水監測分析方法(第四版)》[16]測定,其中pH 值采用玻璃電極法,TCOD、SCOD 采用快速密閉消解法,TS、VS 采用重量法,TN 采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法,TP 采用鉬酸鹽分光光度法,可溶性蛋白(SP)采用考馬斯亮藍G250 法,可溶性多糖(SC)采用苯酚-硫酸法.

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1.0μL;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.

輔酶F420與厭氧甲烷化相關,乙酸激酶AK 與厭氧產乙酸相關,二者均采用紫外分光光度法檢測[17].厭氧體系中細菌和古菌種群采用16S-rRNA 為靶點的高通量測序(HTS)進行分析,測序平臺為Illumina Miseq 測序系統(Illumina,USA):細菌 DNA 使用341F 和805R 進行擴增;古菌使用巢式PCR 進行三輪擴增,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.

試驗數據采用origin 2019b(9.65)作圖.樣品進行了3 次平行測定.

2 結果與討論

2.1 pH值調控對厭氧共發酵系統中VFA 產量的影響

2.1.1 溶解性有機物的變化 水解效率是影響厭氧發酵產酸的關鍵,水解效果的優劣決定了能被微生物利用的有機物的多少及其可利用程度,其中SCOD 是評價有機物水解的一個重要指標[18].由圖1a 可知,各組SCOD 濃度均呈現先上升后下降并逐漸穩定的趨勢.1#(持續調節pH 值為5)和3#(調節初始pH 值為10)試驗組中SCOD在第2d達到峰值,空白組和2#(持續調節pH 值為6)試驗組中SCOD 則在第4d 達到峰值,其中 3#試驗組中 SCOD 濃度最大(為39600.37mg/L),是空白組中SCOD 最大值的1.14 倍,表明初始pH值調節為10 可以有效促進柑橘廢渣的溶解和剩余污泥絮體的破壞,并達到有機物的有效釋放和快速水解的目的.有研究認為,污泥堿性發酵的最優pH 值為10,原因是pH 值為10 可以誘導水解酶的釋放,使得溶解態蛋白質和碳水化合物更易被微生物利用,從而實現VFA 的有效積累[19].1#和2#試驗組中SCOD 濃度最大值僅比空白組SCOD 最大值高1400.67 和3600.96mg/L,說明弱酸性環境對于SCOD的釋放效果沒有明顯影響.厭氧發酵中后期,隨著水解程度減弱,微生物開始利用有機物進行產酸,各組SCOD 逐漸降低并趨于穩定.厭氧結束時,1#～3#試驗組中SCOD 濃度與空白組SCOD 濃度相差不大,表明pH值調控對厭氧發酵中后期的SCOD變化影響不大.剩余污泥與柑橘廢渣共發酵系統中的SCOD 主要來源于溶解態多糖(SC),溶解態蛋白質(SP)占比較小.由圖1b 可知,各組SC 含量在厭氧發酵前3d 迅速下降,隨后緩慢趨于穩定.柑橘廢渣中含有大量易生物降解的糖類物質,能優先被厭氧微生物利用并使其含量迅速下降.由圖1c 可知,各組SP 含量總體變化不大.3#試驗組由于初始堿度較高,導致共發酵系統在發酵第2d 蛋白質快速溶出,隨后下降趨于穩定.厭氧發酵后期,各組SC 和SP 的濃度變化較小,與SCOD 末期的變化趨勢基本一致.

圖1 厭氧共發酵系統中SCOD、SC 及SP 變化情況Fig.1 Changes of SCOD,SC,and SP in anaerobic co-digestion system

2.1.2 VFA 含量及其組分的變化 VFA 是厭氧發酵過程的中間產物,是一種應用廣泛的易生物降解碳源[20].由圖2a 可知,各組VFA 濃度總體上均隨厭氧發酵時間的延長而增加并趨于穩定.在厭氧發酵15d 左右,各組VFA 產量基本達到峰值,1#試驗組與空白組的最大產酸量相差不大,2#和3#試驗組的VFA 產量分別是空白組的1.36 倍和1.16 倍,2#試驗組的VFA 產量最高達5575.28mg/L.VFA 濃度與發酵系統的pH 值密切相關.圖2b 為共發酵系統pH 值變化情況,其中2#和3#試驗組的pH 值為每日調節前的pH 值.由圖2b 可以看出,空白組和3#試驗組的pH 值總體呈下降趨勢,且在前2d 下降幅度較大,最后在pH 值為4.75 左右趨于穩定.空白組和1#試驗組的VFA 產量相對較低,原因是其共發酵系統的pH值較低,對厭氧發酵產酸過程產生了一定抑制作用.3#試驗組的最終pH 值雖然也降至4.75 左右,但由于其pH 值在厭氧發酵期間為逐漸下降,且由于最初的堿性發酵增加了溶解性有機質含量,因此在厭氧發酵過程可以生成更多的VFA.研究發現:厭氧發酵過程中pH 值在5.0～6.5 之間有利于食物垃圾的水解和產酸過程,pH 值為6 時可獲得最高的VFA 產率[11];在對食品廢乙醇糖化和離心后殘渣進行厭氧發酵時發現,pH 為6.5 時VFA 含量最高[21].由于接種物及發酵基質不同,pH 值對不同厭氧發酵系統的最佳產酸效率也存在差異[22].本研究中2#試驗組的VFA 產量最大,即持續調控厭氧共發酵系統pH 為6能有效促進厭氧共發酵系統產VFA 性能,一方面可利用基質的增加有利于VFA 生成,另一方面每日調節pH 為6 降低了發酵系統中酸的積累和抑制作用[23].

圖2 厭氧共發酵系統中VFA 濃度、pH 值和VFA 組分變化情況Fig.2 Changes of VFA,pH,and VFA components in anaerobic co-digestion system

pH 對厭氧發酵系統中VFA 的組成成分有一定影響[24-25].研究人員在對食品垃圾厭氧發酵過程中發現:將pH 控制為5 時,主要發酵產物為乙酸,其次是丁酸、丙酸和戊酸;將pH 控制為6 或7 時,丁酸為主要發酵產物[11];也有研究發現,將pH控制為5時丁酸為主要發酵產物[26].這些研究之間的差異可能是由于發酵基質和反應器的不同而造成的.本研究中各試驗組均以乙酸發酵為主(圖2c),空白組及1#～3#試驗組中乙酸含量分別占VFA 總量的43.32%、38.05%、48.23%和57.79%.相比于空白組,持續調節pH 為5 時,乙酸與正丁酸含量減少,戊酸含量增加;持續調節pH 為6 時,乙酸和丙酸含量略有增加,正丁酸和戊酸含量略有減少;初始pH值調節為10 時,戊酸含量顯著降低,乙酸含量比空白組增加了1.33 倍,表明堿性條件可以促進厭氧系統的乙酸型發酵,這與He 等[24]研究結果一致.

2.1.3 甲烷產量的變化 由圖3 可知,空白組與2#試驗組的累積甲烷產量變化趨勢基本相同,表現為持續穩定上升的趨勢,其中2#試驗組的最終累積沼氣產量是空白組的1.19 倍;1#和3#試驗組累積甲烷產量變化趨勢基本相同,表現為前2d 快速上升、隨后緩慢上升的趨勢,二者最終產氣量與空白組相差不大.根據產甲烷古菌的代謝途徑,共發酵系統中產甲烷古菌主要利用的底物為乙酸[27].由圖2(b)可知,3#試驗組的乙酸含量最高,但其累積甲烷產量較低,原因是3#試驗組中pH 值持續降低抑制了產甲烷菌的活性[28-29].有研究表明,VFA 積累引起的酸化現象是抑制甲烷生成的限制性因素,pH 值水平降低到5.0 左右時,導致甲烷產量降低了37.8%[30].2#試驗組的乙酸含量也較高,由于每日不斷調節pH 值降低了酸的抑制作用,促進了VFA 的產生,為產甲烷過程提供了更多的有效基質,因此2#試驗組的累積甲烷產量最高,為空白組的1.25 倍.

圖3 厭氧共發酵系統中累積甲烷產量變化情況Fig.3 Change of cumulative methane production in anaerobic co-digestion system

2.2 pH值調控對厭氧共發酵系統產酸機理分析

基于pH值調控對厭氧共發酵系統產酸性能的影響試驗,持續調節pH 值為6 對厭氧共發酵系統的產酸性能影響最佳.厭氧發酵過程中,顆粒態難降解有機物需要通過增溶和水解作用轉化為易生物降解的溶解態有機物,該過程與后續的產酸和產甲烷過程密切相關[31].因此,本研究考察了持續調節pH 值為6 對剩余污泥和柑橘廢渣厭氧共發酵系統不同階段(增溶、水解、酸化和甲烷化)的影響,以及對共發酵系統關鍵酶活性和微生物種群結構的影響.

2.2.1 對厭氧共發酵系統不同階段的影響 對厭氧共發酵系統增溶的影響.EPS 分布在污泥細胞外,主要由多糖、蛋白質、核酸和其他細胞成分組成,可分為溶解態EPS(S-EPS)、松散結合態EPS(LBEPS)和緊密結合態EPS(TB-EPS).通過復雜的相互作用(如氫鍵、靜電相互作用等),EPS 可以增強細胞間的聚集能力[32-34].由圖4a 可知,相比于空白組,持續調節pH 值為6 的2#試驗組對EPS 組分變化影響較大,其中S-EPS 占總EPS 的72.65%,是空白組的1.49 倍;TB-EPS 占總EPS 的20.30%,比空白組減少了15.63%.可見,持續調節pH 值為6 可以促進TB-EPS向S-EPS轉化,增加厭氧共發酵系統中溶解態有機質的含量,為水解酸化菌提供更多可利用的基質.

圖5 pH值調節對關鍵酶活性的影響Fig.5 Effects of pH regulation on key enzyme activities

對厭氧共發酵系統水解的影響.水解是微生物在厭氧消化過程中將大分子有機物分解為小分子物質的過程,基于BSA 和葡聚糖為發酵底物能表征pH值調節對厭氧共發酵系統水解過程的影響.由圖4b 可以看出,厭氧發酵12 和24h 時,2#試驗組的BSA降解率比空白組偏低,原因可能是BSA 降解過程中產生的硫化物對水解過程產生一定的負面影響[35];厭氧發酵24h 后,兩組BSA 降解率平均達到了95.89%.由圖4c 可以看出,葡聚糖比BSA 更難降解,其降解率達90.00%以上需要48h.2#試驗組各階段葡聚糖降解率相比于空白組平均增加了約5.67%.試驗結果表明:持續調節pH 值為6 促進了厭氧共發酵系統中葡聚糖的降解效果,略微抑制了BSA 的降解,但發酵24h 后對BSA 的降解抑制效果減弱.

對厭氧共發酵系統產酸和產甲烷的影響.由圖4d 可知,葡萄糖的降解率隨厭氧發酵時間的延長而增加,厭氧發酵24 和48h 時,2#試驗組的葡萄糖降解率分別比空白組增加了10.09%和12.74%;48h 時2#試驗組的葡萄糖降解率達到99.39%,表明調節pH值為6 能促進厭氧共發酵系統的酸化過程,從而加速VFA 的生成.由圖4e 可知,厭氧發酵24h 時,2#試驗組的乙酸鈉降解率較空白組增加了12.63%;厭氧發酵48h 后,空白組和2#試驗組的乙酸鈉降解率均在96.00%以上,表明調節pH 值為6 對厭氧共發酵系統的產甲烷過程有一定的促進作用.

2.2.2 對厭氧共發酵系統關鍵酶活性的影響 關鍵酶活性對厭氧發酵系統的各階段影響較大[36].蛋白酶和α-葡萄糖苷酶參與水解過程,主要影響可溶性有機物的含量;AK 酶和CODH 酶參與酸化過程,對VFA 的產生有較大影響;輔酶F420反映產甲烷菌的活性,影響產甲烷過程.由圖 5 可知,2#試驗組中蛋白酶相對活性較空白組下降了48.57%,這與前面試驗中調節pH 值為6 對BSA 降解過程產生抑制作用一致;α-葡萄糖苷酶相對活性較空白組增加了23.89%,表明調節pH 值為6 對糖類物質的水解有促進作用.有研究表明,在堿性和中性條件下溶解性蛋白質的降解效率高于酸性環境[37],因此調節pH 值為6 對蛋白酶的活性有一定的抑制作用.與空白組相比,AK 酶、CODH 酶和輔酶F420的相對活性分別增加了17.28%、5.57%和1.54%,表明調節pH 值為6 可以增強厭氧體系的穩定性,對厭氧共發酵系統的產酸過程和產甲烷過程均有促進作用,且對產酸過程的促進作用更為顯著,該結果與前面試驗中的產酸量和產甲烷量分析結果一致.

2.2.3 對厭氧共發酵系統微生物種群結構的影響 微生物種群豐度和多樣性.表2 為空白組和2#試驗組中微生物種群豐度和多樣性變化.由表2 可知,調節pH 值為6 時,共發酵系統中的細菌和古菌種類相比于空白組分別降低了20.67%和39.51%;細菌的Chao 1 指數、ACE 指數和Shanno 指數分別下降了13.66%、15.57%和14.16%,Simpson 指數上升了55.56%;古菌的Chao 1、ACE 和Shanno 指數分別下降了16.03%、13.53%和27.44%,Simpson 指數上升了57.54%.以上結果表明,調節pH 值為6 對共發酵系統中微生物種類、種群多樣性和豐富度影響較大,不僅降低了細菌和古菌的種類和多樣性,而且其豐富度也有所降低.

表2 微生物種群豐度和多樣性變化Table 2 Changes in microbial community abundance and diversity

細菌種群結構變化.由圖6a 可知,2#試驗組中的優勢菌門為厚壁菌門(Fimicutes)、變形菌門(Proteoacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes).與空白組相比,2#試驗組中厚壁菌門提高了39.97%,變形菌門降低了43.20%.變形菌門和厚壁菌門類微生物主要作用于厭氧發酵產酸過程,大部分擬桿菌門類微生物主要作用于厭氧發酵過程中有機質的水解過程[38-39].2#試驗組和空白組的優勢菌綱均為厚壁菌門的梭菌綱(Clostridia),其中2#試驗組比空白組提高了56.69%,見圖6b.在屬水平下,除了未分類的細菌和無法鑒定的菌群外,空白組中優勢菌屬為歐陸森氏菌屬(Olsenella)、梭菌屬(Clostridium)和乳桿菌屬(Lactobacillus);2#試驗組中優勢菌屬為梭菌屬IV(Clostridium_IV)和普雷沃氏菌屬(Prevotella),二者分屬厚壁菌門和擬桿菌門,見圖6c.歐陸森氏菌屬能促進丁酸的生成[40],空白組中歐陸森氏菌屬的相對豐度比2#試驗組高11.65%,其丁酸含量相應比2#試驗組提高了18.56%,見圖2c.以上結果表明,調節pH值為6 時,厭氧共發酵系統中的細菌種群結構發生了明顯變化,水解細菌和發酵產酸細菌的菌群豐度均有所增加,促進了厭氧發酵水解效率和產酸效率,從而增加了VFA 產量.

圖6 細菌相對豐度Fig.6 Relative abundance of bacteria

古菌種群結構變化.由圖7a 可知,空白組和2#試驗組中古菌的優勢菌門均為廣古菌門(Euryarchaeota)和奇古菌門(Thaumarchaeota),且2#試驗組中這兩個門的豐度總和達到99.80%.與空白組相比,2#試驗組中廣古菌門的相對豐度提高了50.27%,奇古菌門則降低了52.29%.產甲烷菌屬于古菌域廣古菌門[41].由圖7b 可知,2#試驗組中古菌優勢菌綱為甲烷桿菌綱(Methanobacteria)和甲烷微菌綱(Methanomicrobia),二者均屬于廣古菌門.該結果表明,持續調節pH 值為6 會抑制奇古菌門相對豐度和增加廣古菌門的相對豐度,促進產甲烷過程.在屬水平下,空白組中古菌的優勢菌群為亞硝化短小桿菌屬(Nitrosopumilus)和甲烷絲菌屬(Methanothrix),其相對豐度較 2#試驗組分別提高了 54.13%和76.31%;2#試驗組中古菌的優勢菌屬分別為甲烷球形菌屬(Methanosphaera)、亞硝化短小桿菌屬(Nitrosopumilus)和甲烷短桿菌屬(Methanobrevibacter),其相對豐度分別為36.07%、20.00%和13.07%,見圖7c.亞硝化短小桿菌屬屬于奇古菌門,它具有催化氨氧化獲取能量進行自養生長的代謝特征[42];甲烷絲菌屬主要以乙酸為發酵底物產生甲烷.甲烷球形菌屬和甲烷短桿菌屬均不能利用乙酸為基質,它們主要利用H2、CO2、甲基物質為底物生成甲烷.以上結果表明,調節pH 值為6 促使共發酵系統中的甲烷生成途徑從乙酰分解途徑轉向氫化營養途徑,即利用H2、CO2的產甲烷古菌豐度增加,而利用乙酸的產甲烷古菌豐度降低,因此減少了乙酸的消耗并促進VFA 的積累.

圖7 古菌相對豐度Fig.7 Relative abundance of archaea

3 結論

3.1 控制初始pH 值為10 可以有效促進剩余污泥和柑橘廢渣共發酵系統中溶解性有機物的釋放和達到快速水解的目的,從而促進共發酵系統的產酸性能,VFA 產量是空白組的1.16;對產甲烷過程有一定的抑制作用,原因是發酵過程中pH 值持續降至4.75 左右,抑制了產甲烷菌的活性.

3.2 持續調節pH 值為6 可以促進剩余污泥和柑橘廢渣共發酵系統的產酸性能和產甲烷性能,其VFA產量和累積甲烷量分別是空白組的1.36 倍和1.25倍;持續調節pH 值為5 對共發酵系統的產酸性能和產甲烷性能沒有明顯影響.

3.3 共發酵系統各階段機理分析及酶活性分析表明,持續調節pH 值為6 可以提高厭氧共發酵系統的增溶過程,對糖類物質的水解有促進作用,對產酸和產甲烷過程均有促進作用;持續調節pH 值為6 對共發酵系統的菌群結構影響顯著,提高了共發酵系統中水解細菌和發酵產酸細菌的菌群豐度,促使甲烷生成途徑從乙酰分解途徑轉向氫化營養途徑,從而減少乙酸的消耗并促進VFA 的積累.