- 秸秆共接种厌氧发酵技术
- 邓玉营
- 2363字
- 2021-12-30 14:33:58
1.4.4 沼液指标分析
水解发生在固相秸秆上,产生的可溶性产物进入沼液发酵产酸。因此,沼液中发酵参数的变化反映了产酸与产甲烷的平衡。常用的监控指标有pH、VFAs、碱度、氨氮浓度、氧化还原电位等,在一些连续运行的反应器中,总VFAs和碱度比(TVFA/TIC)及溶解性有机物(DOM)组分的变化是重要的预警指标。
1.4.4.1 pH
不同的pH会形成不同的生态位,有利于特定菌群的生长。如Hu等[113]的研究表明,接种瘤胃体系纤维素降解效率会随着pH的提高而增加。而Romsaiyud等[114]的研究表明水解菌最适pH范围在5.3~8.3之间,过低pH会对水解菌产生离子毒性,降低水解酶活[115]。
甲烷菌最适的pH范围不同。如中温发酵中,Methanobacterium最适pH为6.6~7.8,Methanosarcina为6~7,Methanosaeta为7.0~7.5。而嗜热型甲烷菌的最适pH比中温高,如Methanothermobacter thermoautotrophicum最适范围为7.0~8.0[9],由此可见,甲烷菌的最适pH生态幅度比水解菌和产酸菌要窄。6.5~8.2是大多数研究所采用的产甲烷pH范围[116]。pH低于该范围产甲烷活性受到抑制[4]。因此调控pH有利于产甲烷效率的提高,如Yang等[117]研究表明,高固态餐厨垃圾厌氧发酵易引起严重的酸化和产甲烷抑制。将pH调为8时,甲烷产率和甲烷含量分别达到了171.0mL/g TS和53.1%,高于未调控组,研究者将pH效应归因于水解酶活和产甲烷途径中辅酶F420的提高。
1.4.4.2 总VFAs与碱度比(TVFA/TIC)
秸秆发酵体系VFAs主要包括乙酸、丙酸及丁酸等,它们对体系的影响各不相同。Romsaiyud等[114]的研究表明,乙酸浓度高于1.5g/L会影响纤维素酶的产生,从而导致纤维素水解菌的活性受到抑制。Xiao等[118]在研究乙酸对产甲烷活性影响时发现,乙酸浓度为1619.47mg/L时产甲烷不受抑制,但达到3000mg/L时,活性完全受到抑制。从反应动力学来看,乙酸作为嗜乙酸型甲烷菌和乙酸氧化菌的底物,浓度的高低同样影响乙酸代谢的途径[119]。丙酸(或丁酸)是厌氧发酵受抑制的重要指标。OLR提高,丁酸代谢加快,产生的氢和还原力NADH被利用产甲烷,但超过甲烷菌的代谢能力时,通过产丙酸途径得到释放[100]。如Ahring等[120]的研究表明,当温度从55℃升至59℃时,丁酸浓度升高的指标比体系受抑制出现时间提前2d。Deng等[42]在稻秸单瘤胃接种体系中发现,当OLR达到7g/(L·d)时,丙酸的积累标志着产甲烷受到了抑制。
VFAs积累易造成体系酸化,但体系中存在的碳酸盐、重碳酸盐及少量氨氮离子缓冲了VFAs对pH的影响,这种能力可以用碱度来表示。根据Raposo等[102]的报道,厌氧体系最理想的碱度范围为2500~5000mg CaCO3/L,能缓冲VFAs浓度升高造成的影响,使pH维持在小范围内变化。由此可见,pH对体系VFAs积累有一定的迟滞性,而TVFA/TIC,也称FOS/TAC,常用于衡量体系缓冲能力,能及时反映运行状况。当比值小于0.4,表明产酸与产甲烷达到平衡;比值大于0.8是体系酸化的信号[121]。
1.4.4.3 氨氮浓度
补充的氮源除被厌氧微生物利用外,剩余部分以氨氮离子和游离氨的形式存在于沼液中。高浓度游离氨能以被动扩散的方式自由透过细胞膜进入细胞,与K+发生交换,破坏K+依赖型ATP离子泵,从而对厌氧菌产生毒害[116,122,123]。游离氨浓度的计算如公式(1.1)所示:
(1.1)
式中,FAN为游离氨浓度,mg/L;TAN为总氨氮浓度,mg/L;pKa是氨氮的解离常数;T为温度,℃。
由此可见,游离氨的浓度受总氨氮、pH和温度的影响;当总氨氮浓度相同,高温发酵(50~55℃)中游离氨浓度大约是中温发酵(35~40℃)的6倍。因此高温发酵更易受到氨氮抑制[92]。研究表明,氨氮浓度在200mg/L就能保证厌氧微生物生长的需要[93];1500mg/L氨氮浓度作为抑制的阈值,对厌氧发酵有抑制作用;中温、pH 7.6条件下,超过3000mg/L阈值会对产甲烷活性产生显著抑制[93,124]。但研究也表明,活性污泥经过驯化,氨氮抑制的阈值浓度可以达到5000mg/L以上[123,125]。
甲烷菌受氨氮抑制的机制不同。如Methanosarcina是不规则的球菌,常形成包囊或聚合体,而Methanosaeta呈棒状结构,形态特征的不同决定了Methanosarcina比Methanosaeta对氨氮的耐受浓度更高[9]。如Calli等[76]在运行中温UASB反应器时,游离氨浓度达到100mg/L时,Methanosaeta丧失产甲烷活性,丝状结构受到破坏,Methanosarcina反而成为优势菌群。氨氮对嗜乙酸型和嗜氢型甲烷菌的影响有不同的报道。如Sprott等[122]研究认为游离氨进入嗜氢型甲烷菌(如Methanobrevibacter、Methanobacterium)细胞内部破坏K+平衡,比Methanosarcina更易受到氨氮影响。但也有报道认为,嗜乙酸产甲烷途径在高氨氮条件下受到抑制,一些对耐受性强的嗜氢型伴生菌(如Methanoculleus、Methanothermobacter)能形成互营氧化菌群发挥作用[125,126]。如在市政分选垃圾中温发酵中,当总氨氮浓度达到3000mg/L时,乙酸互营氧化逐渐成为主要产甲烷途径[126]。上述研究表明,还原氢通过乙酸互营氧化途径得到释放,是厌氧微生物应对氨氮抑制的重要适应性机制。
1.4.4.4 DOM中荧光组分分析
DOM主要包括来源于接种物的有机质、秸秆降解副产物及微生物代谢物等成分,会对厌氧发酵产生影响[127]。很多有机物都有特定的三维荧光峰,可以利用三维荧光光谱技术(excitation-emission matrix, EEM)来测定。
如污泥和环境水样中包含可溶性腐殖质,它们的荧光峰在一定荧光范围内出现,如根据Chen等[128]的划分,激发波长(Ex)<250nm,发射波长(Em)>350nm范围(Ⅲ区)属富里酸类物质;Ex>280nm,Em>380nm范围(Ⅴ区)属腐殖酸类物质。一些微生物代谢物也具有特定荧光峰。如280nm/340nm(Ex/Em)荧光峰是蛋白质芳香族氨基酸结构(色氨酸或酪氨酸)的特征峰,一般认为是微生物代谢产物或在衰亡自溶中产生[129];340nm/430nm(Ex/Em)是辅酶NADH的特征峰[130-132];辅酶F420是嗜氢型产甲烷代谢独有的电子载体,特征峰位于420nm/470nm(Ex/Em)[125,130]。
由于荧光强度能反映荧光组分浓度的变化[133],荧光峰可用于特征荧光物质的监控。如LI等[134]利用三维荧光光谱-平行因子分析技术(excitation-emission matrix and parallel factor analysis, EEM-PARAFAC)研究脱水污泥的厌氧消化过程,识别出腐殖酸类(humic-like)、富里酸类(fulvie-like)以及蛋白类荧光峰,根据荧光强度的变化,得出蛋白和腐殖酸类物质的降解顺序;发现腐殖酸类物质能竞争抑制嗜乙酸产甲烷活性,造成VFAs的积累[135]。刘怡心等[136]通过EEM-PARAFAC技术识别出了厌氧氨氧化反应器中富里酸类特征峰,而且还利用荧光代谢物表征反应器运行指标。Sabatini等[131]在中温厌氧产氢反应器出水中,解析出代谢物荧光蛋白和NADH。李卫华等[132]应用EEM表征了高温厌氧反应器的出水,采用PARAFAC法识别出3种荧光组分(蛋白类、辅酶NADH和核黄素),它们与反应器的运行密切相关。