投加顆粒活性炭強化餐廚垃圾的厭氧處理

馮顯露,劉新穎,孫德智,劉潔琦,霍 達,馬嘉苑,張 真,黨 巖

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投加顆粒活性炭強化餐廚垃圾的厭氧處理

馮顯露,劉新穎,孫德智,劉潔琦,霍 達,馬嘉苑,張 真,黨 巖*

(北京林業大學環境科學與工程學院,水體污染源控制技術北京市重點實驗室,北京市污染水體源控與生態修復技術高等學院工程研究中心,北京 100083)

通過投加顆粒活性炭(GAC)強化直接種間電子傳遞(DIET)進而提升餐廚垃圾的厭氧產甲烷處理效能,并研究了GAC投加導致的微生物群落變化.研究發現,投加了GAC的實驗組反應器能夠在更高的有機負荷下(10.4kgCOD/(m3·d))穩定運行并維持較高的甲烷產率,不投加GAC的對照組在有機負荷7.8kgCOD/(m3·d)時甲烷產率及pH值均明顯降低,揮發酸大量積累,反應器酸化崩潰.微生物群落結構分析發現,GAC表面富集了大量可以胞外電子傳遞的細菌(占細菌豐度的34%)和可以參與DIET的產甲烷菌(占古菌豐度的88%),表明GAC的加入可以有效富集這兩類微生物的生長,并可能通過GAC強化DIET促進了餐廚垃圾的厭氧消化.

直接種間電子傳遞；厭氧產甲烷；餐廚垃圾；顆粒活性炭

餐廚垃圾是城市生活垃圾的主要組成部分,全世界每年產出餐廚垃圾達13億t以上[1].目前,我國處理餐廚垃圾主要通過垃圾填埋和焚燒[2].隨著我國城市生活垃圾分類舉措的大力開展,具有高含水率、高熱值、易腐爛、營養豐富等特點的餐廚垃圾更適合采用厭氧消化手段來單獨處理[3],不但可以實現能源的回收,還可以有效緩解我國垃圾填埋場地緊張、垃圾滲瀝液產量巨大的問題[4].然而,餐廚垃圾厭氧消化的處理效率一直是制約其發展的一個重要原因[5].

厭氧產甲烷體系中的直接種間電子傳遞(DIET)是近年發現的不同于傳統種間氫傳遞的全新的產甲烷過程[6].DIET是具有胞外電子傳遞功能的微生物(例如等)將降解有機物產生的電子通過導電菌毛(e-pili)的電子傳遞能力直接傳遞給產甲烷菌,產甲烷菌接受電子并還原CO2的過程.近期的研究發現,DIET可以通過向產甲烷體系中投加導電材料強化DIET過程[7].

針對餐廚垃圾厭氧消化的處理效率問題,本文通過在厭氧消化反應器中投加顆粒活性炭(GAC)來強化餐廚垃圾的處理,考察了反應器穩定運行所能承受的最高有機負荷(OLR),并對GAC表面、懸浮污泥的微生物群落進行了分析,討論了GAC強化餐廚垃圾厭氧消化的原因.

1 材料與方法

1.1 反應器與接種污泥

實驗室反應器裝置如圖1所示.

圖1 反應器示意

設置2組每組3個共6個反應器,一組額外投加100g顆粒活性炭(實驗組,顆粒活性炭呈黑色、粒徑為8~20目、比表面積約為1000m3/g、電導率約為26μS/cm),一組不投加材料(對照組).實驗所用反應器為有效容積2L的玻璃瓶,其上由橡膠塞密封.每個反應器上有一個加(取)樣口和一個出氣口,出氣口連接一個10L氣袋.所有反應器在37℃、100rpm轉速、避光條件下運行.接種污泥為河北某處理啤酒廢水的厭氧懸浮污泥,TSS為12,000mg/L,VSS/ TSS為0.70.

1.2 餐廚垃圾及反應器運行

選用商品狗糧(Vita-one,Nihon,東京,以餐廚垃圾制成)作為處理對象,通過表1的配方配制成餐廚垃圾漿體加入反應器內進行厭氧消化.

表1 餐廚垃圾漿體成分

注: 以每升含量參考,未標明數值單位均為mg. DL維生素,DL微量元素具體配方請參考Zhao等[8]的報道.

啟動初期向兩組反應器內裝入500mL接種污泥,400mL去離子水,100mL配置好的餐廚垃圾漿體.進水OLR逐漸提高,進樣中狗糧混合物濃度為10,20,40,60,80g/L,對應OLR分別為1.3, 2.6,5.2,7.8,10.4kgCOD/(m3·d).以24h為一個運行周期,每個周期的前23.5h反應器厭氧消化,剩余的0.5h從每個反應器內排出100mL消化液,再注入100mL新配置的餐廚垃圾漿體,進入下一個運行周期,保證每個OLR下水力停留時間為10d.

1.3 分析項目與方法

pH值采用Denver UB-10pH測定儀;揮發性脂肪酸(VFAs)的測定采用高效液相色譜儀(Waters e2695,美國);COD利用重鉻酸鉀法測定;氣體體積利用氣體流量計(FMA4000,Omega,美國)測定;氣體用配有氫火焰檢測器(GC-8A)的氣相色譜儀(Agilent 7890A)測定.

1.4 DNA提取與高通量測序

取泥樣1.0mL或顆粒活性炭1.0g,樣品立即放入液氮中凍結并儲存于-80℃條件下.樣品提取前利用研缽將樣品破碎,DNA的提取根據DNA快速提取試劑盒說明書(艾德萊,北京),提取后DNA經微量紫外分光光度計(NanoDrop)測定純度,并委托北京奧維森生物技術公司測序.通過引物27F和394F對其細菌和古菌進行16S rRNA基因擴增[9].高通量測序的原始序列已上傳至NCBI數據庫,序列號為SAMN07344859、SAMN07344860.

1.5 數據處理

平行實驗均設置3個平行,利用Micosoft Excel 2013軟件計算平均值(average)和標準偏差(standard deviation),各種指標以平均值±標準偏差在圖中以誤差棒的形式表示.

2 結果與討論

2.1 反應器運行

由圖2可知,兩組厭氧消化反應器同步運行, OLR由1.3kgCOD/(m3·d)起逐步提升,投加了GAC的實驗組最終提升至10.4kgCOD/ (m3·d),而對照組則提升至7.8kgCOD/(m3·d),反應器崩潰時停止運行.整個運行過程中HRT始終保持10d.

兩組反應器在OLR為1.3kgCOD/(m3·d)和2.6kgCOD/(m3·d)時(1~14d)均高效穩定運行,pH值維持在7.0~7.5之間,每個運行周期末反應體系內VFAs含量接近0,剩余COD濃度均低于200mg/L,表明餐廚垃圾厭氧消化產生的VFAs被及時充分的降解.并且兩組反應器在這一階段甲烷產率基本一致.然而,當反應器OLR進一步提升至5.2kgCOD/(m3·d)時(15~24d),雖然兩組反應器仍能穩定運行,且甲烷轉化率均在86%以上(以實際產甲烷折算成COD計[10]),但是實驗組的甲烷產率呈現出高于對照組的趨勢,對照組的VFAs濃度有上升趨勢,而實驗組仍接近0,實驗組剩余COD濃度均低于200mg/L,而對照組的剩余COD濃度上升至約560mg/L.

進一步提升OLR提升至7.8kgCOD/(m3·d) (25~34d),實驗組反應器仍能夠穩定運行,運行周期末反應體系內剩余COD濃度仍低于380mg/L,甲烷轉化率維持在80%以上(以實際產甲烷折算成COD計),pH值穩定在7.3以上,雖然乙酸、丙酸的濃度有所升高,但明顯低于對照組;相比較而言,在這一負荷下,對照組的甲烷產率直線下降,在短短5d時間內由>2000mL/d降低至不足100mL/d,pH值也顯著下降至5.3左右,運行周期末反應器內剩余COD仍高達5200mg/L以上,乙酸、丙酸、丁酸均大量積累,總量超過了100mmol/L,反應器酸化崩潰.此時停止了對照組反應器的運行.

圖2 兩組反應器的運行情況

(A)甲烷產率;(B)pH值;(C)出水揮發酸含量

繼續提升實驗組反應器的OLR至10.4kgCOD/(m3·d)(35~44d),此時實驗組pH值維持在7.0以上,運行周期末反應器內剩余COD濃度上升至3200mg/L,VFAs積累濃度相比于上一負荷提升至約60mmol/L,以丙酸和乙酸為主,丁酸仍維持在極低的水平,且VFAs總量低于對照組在上一負荷酸化崩潰時的積累濃度.此時甲烷產率有所降低,甲烷轉化率也降低至65%(以實際產甲烷折算成COD計),但反應器仍能在較低處理效率的情況下穩定運行.以上實驗結果表明在厭氧消化反應器內投加GAC可以顯著提升餐廚垃圾的處理效能,穩定運行的最高OLR高達7.8kgCOD/(m3·d),相比于對照組提升了33%以上,且明顯高于其他餐廚垃圾厭氧消化的相關報道[4,11-12].

2.2 微生物群落分析

通過高通量測序技術對實驗組的GAC表面、懸浮污泥,對照組的懸浮污泥進行微生物群落結構分析(圖3).對于細菌,3個樣品的群落結構在門的層級上類似,主要分布于厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、互養菌門(Synergistetes)等,其中厚壁菌門的細菌占絕對優勢地位,在3個樣品中的豐度均超過68%(圖3A).對細菌群落結構進一步深入到菌科和菌屬的層級進行分析,3個樣品的群落結構差異變得明晰:大量具有胞外電子傳遞能力的細菌在GAC表面和GAC懸浮污泥中富集生長,總豐度分別達到了34.1%和26.7%,而在沒有投加GAC的對照組反應器內,具有胞外電子傳遞能力的細菌的總豐度僅為7.5%(圖3B).具有胞外電子傳遞能力的微生物往往能將降解有機物產生的電子傳遞到細胞外的電子受體,如Fe(III)、電極和產甲烷菌等,使得它們具有潛在的“產電”能力[13].例如,屬于厚壁菌門的、和3個菌屬的菌在GAC顆粒表面(豐度分別為4.4%、3.7%和9.9%)和GAC懸浮污泥中(豐度分別為12.3%、5.5%、5.0%)均富集生長,而在對照組的懸浮污泥中的豐度均低于1%.

圖3 實驗組反應器中GAC表面、GAC懸浮污泥和對照組懸浮污泥的微生物群落結構的對比

(A)細菌;(B)具有胞外電子傳遞能力的細菌;(C)古菌

Kim等[13]發現可以利用多種可發酵有機物作為電子供體,將降解這些有機物產生的電子通過胞外電子傳遞的形式傳遞給Fe(III);Hernandez-Eugenio等[14]發現可以在硫單質做電子受體時將氨基酸、糖類等有機物降解產生的電子傳遞給硫單質并生成H2S,Lovley等[15]也證實微生物能將電子傳遞給硫單質,通常也能傳遞給Fe(III)或電極;Cord-Ruwisch和Garcia[16]研究發現同樣具有將有機物降解產生的電子傳遞給硫單質的能力.

此外,屬于、-和菌科的菌在GAC表面專性附著生長,其豐度分別為1.2%、6.0%和3.7%,而在GAC懸浮污泥和空白懸浮污泥中均含量極低(<0.3%)或未檢出(圖3B).已報道著名的產電細菌[17]和[18]分別屬于和菌科;而,具有胞外電子傳遞能力[19],則是屬于菌科的代表菌屬.

上述對細菌群落結構的分析表明,厭氧消化反應器在投加了GAC后有利于富集這些具有潛在“產電”能力的細菌的生長,而具有導電性的GAC則可能作為電子傳遞載體將這些細菌降解餐廚垃圾過程中產生的電子傳遞給該反應器體系中的電子受體——產甲烷菌.截止到目前,通過實驗明確證實能夠通過DIET的形式直接接受電子還原CO2產甲烷的產甲烷菌只有2類:甲烷髦毛菌屬()和甲烷八疊球菌屬()[6,20].從古菌的群落結構可以看出,GAC表面的豐度(74.5%)明顯高于GAC懸浮污泥(38.2%)和對照組懸浮污泥(42.0%),而的含量差異更為明顯,在GAC表面的豐度為14.3%,而在GAC懸浮污泥和對照組懸浮污泥樣品中的豐度僅為0.8%和1.1%(圖3C).

投加GAC的厭氧消化反應器處理餐廚垃圾的效能明顯提升,在OLR為10.4kgCOD/(m3·d)的條件下仍能穩定運行,而對照組在OLR為7.8kgCOD/(m3·d)時已經酸化崩潰.餐廚垃圾易于水解發酵,中間代謝產物VFAs產生速率較快,其中丙酸等小分子VFAs如不能及時進一步降解去處會在反應器中積累,對微生物活性和生長產生抑制作用[21].已有研究表明,在生物反應器中投加導電碳材料(如生物炭)或磁鐵礦可以通過強化DIET加速小分子VFAs比如丙酸、丁酸的降解[8,22].本文投加GAC后,厭氧消化反應器中這些小分子VFAs的濃度在高OLR條件下仍然維持在較低水平,產甲烷性能良好;而對照組則在OLR7.8kgCOD/(m3·d)時就出現了VFAs的大量積累,短時間內產甲烷能力幾乎完全喪失.微生物群落結構的分析結果可以看出,具有胞外電子傳遞能力的細菌在GAC反應器內大量富集,這些微生物可以將降解有機物產生的電子傳遞到細胞外,并通過GAC的導電性傳遞給能夠直接接受電子的產甲烷菌,古菌的分析結構進一步驗證了這一猜想,具有直接接受電子能力的產甲烷菌和均在GAC表面明顯富集,表明GAC在反應體系中強化了這兩類微生物的富集生長,并且起到了電子傳遞載體的作用,加速了這兩類微生物之間的電子傳遞效率.

截止到目前,通過微生物純培養證實的DIET過程均有產電菌的參與,的體外導電菌毛(e-pili)和細胞色素在DIET過程中起到了決定作用[23-24].然而,Liu等[7]發現GAC的存在可以解除發生DIET所依賴的e-pili和細胞色素.因此,GAC的介入為除了以外的其他具有胞外電子傳遞能力的微生物與產甲烷菌之間發生電子傳遞提供了可能性.對于該猜想,大多數研究還停留在混合菌群的體系,更直接的證據需要在今后通過純菌培養實驗進一步驗證.

3 結論

3.1 投加GAC可以顯著提升厭氧消化處理餐廚垃圾的處理效率,穩定運行的最高OLR可達10.4kgCOD/(m3·d),相比于對照組提升了33.3%以上.

3.2 在高有機負荷條件下,投加GAC反應器內VFAs的積累程度明顯降低,甲烷產率提高,表明投加GAC可以強化VFAs的降解和甲烷的轉化.

3.3 實驗組GAC表面和懸浮污泥富集生長了大量具有胞外電子傳遞能力的細菌(豐度分別為34.1%、26.7%)和具有直接接受電子能力的產甲烷菌(豐度分別為18.0%、22.8%),對照組懸浮污泥中上述兩類微生物豐度分別為7.5%和小于1.0%,推測GAC作為電子傳遞載體將這部分細菌降解有機污染物產生的電子傳遞給產甲烷菌,因此強化了餐廚垃圾的處理效率.

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Enhancing anaerobic methanogenic treatment of kitchen wastes by incorporating granular activated carbon.

FENG Xian-lu, LIU Xin-ying, SUN De-zhi, LIU Jie-qi, HUO Da, MA Jia-yuan, ZHANG Zhen, DANG Yan*

(Beijing Key Laboratory for Source Control Technology of Water Pollution, Engineering Research Center for Water Pollution Source Control and Eco-remediation, College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)., 2018,38(3)：1018~1023

This paper investigated the hypothesis that enhancing anaerobic digestion of kitchen wastes by accelerating DIET through incorporating granular activated carbon (GAC). Besides, changes of microbial communities by the incorporation of GAC were also studied. The experimental results showed that, GAC reactors could operate stably with high methane production rate under the organic loading rate (OLR) as high as 10.4kgCOD/(m3·d). In contrast, for the control reactors without GAC incorporation, the methane production rate and pH declined sharply when the OLR increased to only 7.8kgCOD/(m3·d). In addition, the volatile fatty acids severelyaccumulated and resulted in the treatment efficiency of control reactors deteriorated. Microbial community analysis showed that bacteria capable of extracellular electron transfer (34% of bacterial community) and methanogens known to participate in DIET (88% of archaeal community) were significantly enriched on the GAC surface. It demonstrated that the addition of GAC could enrich these two groups of microbes and enhance the anaerobic digestion of kitchen waste through DIET.

direct interspecies electron transfer；methanogenesis；kitchen waste；granular activated carbon

X705

A

1000-6923(2018)03-1018-06

馮顯露(1996-),女,貴州黔東南人,北京林業大學碩士研究生,主要從事廢水的生物處理研究.發表論文1篇.

2017-08-19

北京林業大學青年教師科學研究中長期項目(2015ZCQ- HJ-01);國家自然科學基金資助項目(51708031);大學生創新訓練項目(240-131705003)

* 責任作者, 講師, yandang@bjfu.edu.cn