鐵強(qiáng)化厭氧水解酸化微生物種間氫傳遞及其調(diào)控.pdf

1、水解酸化作為厭氧產(chǎn)甲烷的前一階段，承擔(dān)著為產(chǎn)甲烷菌提供適宜底物（一元碳和乙酸）的任務(wù)，同時也是工業(yè)廢水提高可生化性的重要預(yù)處理手段，但其在實(shí)際應(yīng)用中效率通常較低。一個重要的原因是厭氧產(chǎn)酸常受限于較高H2分壓——H+作為酸化段厭氧氧化有機(jī)物的電子受體，其氧化還原電位較低(EH+/H2=-414 mV，pH=7)，只有在較低的H2分壓(＜10-4-10-5 atm)下，有機(jī)酸的厭氧氧化才能在熱力學(xué)上自發(fā)進(jìn)行。同型產(chǎn)乙酸菌和嗜氫產(chǎn)甲烷菌作為厭

2、氧耗H2的主要微生物，在許多厭氧系統(tǒng)中豐度較低，容易造成H+積累，進(jìn)而導(dǎo)致厭氧工藝失敗。因此，降低H2分壓是推動厭氧水解酸化的關(guān)鍵?；诖耍菊撐拈_展厭氧水解酸化中的種間氫傳遞的強(qiáng)化方法和機(jī)制研究，分別采用零價鐵強(qiáng)化同型產(chǎn)乙酸、磁鐵礦強(qiáng)化異化鐵還原以及生物電化學(xué)系統(tǒng)強(qiáng)化嗜氫產(chǎn)甲烷等厭氧耗H2手段，加速有機(jī)物的水解酸化，同時形成具有特殊結(jié)構(gòu)的水解酸化顆粒污泥，為后續(xù)產(chǎn)甲烷過程提供適合的底物和環(huán)境條件。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　(

3、1)為了強(qiáng)化厭氧水解酸化階段同型產(chǎn)乙酸（耗氫）代謝，推動該平衡反應(yīng)向右進(jìn)行，本研究將零價鐵投加至厭氧水解酸化反應(yīng)器，以有機(jī)酸（丙酸）為底物，隨進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷升高(3500-10000 mg/L)，零價鐵反應(yīng)器出水COD(680-3400 mg/L)始終低于空白反應(yīng)器(1020-5860 mg/L)。化學(xué)計量學(xué)評估表明零價鐵反應(yīng)器丙酸向乙酸轉(zhuǎn)化率從25％-78％提升至42％-88％。零價鐵能夠有效富集同型產(chǎn)乙酸菌，提高水解酸化階段微生物種群

4、豐富度，推動其與產(chǎn)氫菌之間的氫傳遞，并形成結(jié)構(gòu)緊湊、密實(shí)的水解酸化顆粒污泥(粒徑達(dá)535μm)。
　　(2)零價鐵在空氣中極易銹蝕，其表面易形成Fe(Ⅲ)氧化物。而在厭氧條件下，F(xiàn)e(Ⅲ)氧化物能夠觸發(fā)異化鐵還原過程，加速有機(jī)物厭氧水解酸化種間氫傳遞。將磁鐵礦(主要成分是Fe3O4)投加至厭氧水解酸化反應(yīng)器，結(jié)果表明，磁鐵礦能夠有效地富集異化鐵還原菌，使水解酸化反應(yīng)器在酸性沖擊和高有機(jī)負(fù)荷條件下仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行。隨著反應(yīng)時間的延長

5、，異化鐵還原菌能夠得到有效富集，其可利用有機(jī)物氧化所產(chǎn)生的H2作為電子供體，降低氫含量，并促進(jìn)乙醇型發(fā)酵進(jìn)行(當(dāng)進(jìn)水COD濃度為40000 mg/L時乙醇產(chǎn)量達(dá)到2400 mg/L)。高通量測序分析證實(shí)磁鐵礦能夠顯著富集Megasphaera——該細(xì)菌被推測同時具備產(chǎn)乙醇和胞外電子傳遞至Fe(Ⅲ)氧化物的能力，進(jìn)而促進(jìn)高濃度有機(jī)廢水的厭氧水解酸化。
　　(3)水力停留時間較短的水解酸化過程通常很難富集嗜氫產(chǎn)甲烷菌。本研究將一對石墨

6、電極置于厭氧水解酸化反應(yīng)器，構(gòu)成電場強(qiáng)化的厭氧水解酸化反應(yīng)器。結(jié)果表明，在進(jìn)水COD為7000 mg/L，水力停留時間為6h時，電場-厭氧水解酸化反應(yīng)器的COD去除率為72％，甲烷產(chǎn)量為250 mL/h;而對比反應(yīng)器COD的去除率僅為41％，甲烷產(chǎn)量僅為50 mL/h。電場-厭氧水解酸化反應(yīng)器電流密度可達(dá)62 A/m2，能量效率達(dá)392％。高通量測序分析表明，電場-厭氧水解酸化反應(yīng)器的陰極周圍富集大量嗜氫產(chǎn)甲烷菌，其對氫的消耗有效緩解水

7、解酸化階段酸性的積累，推動有機(jī)物分解的平衡反應(yīng)向右移動，進(jìn)而在短HRT的水解酸化反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的高效去除和甲烷化。
　　(4)復(fù)雜有機(jī)物的水解酸化效率通常較低，在纖維素廢水研究中，內(nèi)置零價鐵作為電極的反應(yīng)器COD去除率達(dá)88％，而內(nèi)置石墨作為電極的反應(yīng)器COD去除率為66％，對照反應(yīng)器（無內(nèi)置電極）COD去除率僅為39％。該現(xiàn)象的主要原因是:一方面，零價鐵可強(qiáng)化同型產(chǎn)乙酸，加速對水解酸化中的氫消耗，緩解有機(jī)酸的積累;另一方面，電

8、生物反應(yīng)器內(nèi)陰極嗜氫產(chǎn)甲烷，也有助于推動有機(jī)酸分解反應(yīng)向右進(jìn)行并產(chǎn)生甲烷。零價鐵作為電極也可顯著提高纖維素水解酶活性，其中對β-葡萄糖苷酶促進(jìn)效果最為明顯，Pseudobacteroides，Saccharomonospora, Ruminiclostridum和Thermanaerovibrio四類水解酸化菌的豐度也得到顯著提高，加速了纖維素廢水的水解酸化。
　　(5)實(shí)際印染廢水水質(zhì)波動大、生物難降解，是典型的難處理廢水之一。

9、將鐵屑置于中試規(guī)模厭氧反應(yīng)器內(nèi)處理實(shí)際印染廢水，結(jié)果表明，鐵屑有效提高廢水的脫色率(40％ vs20％)和COD(19％ vs10％)的去除效率。對微生物形態(tài)和種群結(jié)構(gòu)分析可知，鐵屑中零價鐵強(qiáng)化同型產(chǎn)乙酸、Fe(Ⅲ)氧化物強(qiáng)化異化鐵還原加速耗氫代謝，富集水解酸化細(xì)菌，實(shí)現(xiàn)水解酸化階段顆粒污泥的形成，污泥粒徑約為500μm左右，顆粒污泥的形成使厭氧水解酸化反應(yīng)器有效抵抗實(shí)際廢水的沖擊，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的脫色及COD去除。因此，內(nèi)置鐵屑的水解酸化設(shè)