藻酸盐降解菌群强化剩余污泥厌氧发酵产酸

胡之弈, 林鸿飞, 王帅, 王庆霆, 戴昆, 曾建雄, 张放. 藻酸盐降解菌群强化剩余污泥厌氧发酵产酸[J]. 环境工程学报, 2022, 16(1): 245-252. doi: 10.12030/j.cjee.202109102
引用本文: 胡之弈, 林鸿飞, 王帅, 王庆霆, 戴昆, 曾建雄, 张放. 藻酸盐降解菌群强化剩余污泥厌氧发酵产酸[J]. 环境工程学报, 2022, 16(1): 245-252. doi: 10.12030/j.cjee.202109102
HU Zhiyi, LIN Hongfei, WANG Shuai, WANG Qingting, DAI Kun, ZENG Jianxiong, ZHANG Fang. Enhanced acidogenesis of waste activated sludge fermentation by an alginate-degrading consortium[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(1): 245-252. doi: 10.12030/j.cjee.202109102
Citation: HU Zhiyi, LIN Hongfei, WANG Shuai, WANG Qingting, DAI Kun, ZENG Jianxiong, ZHANG Fang. Enhanced acidogenesis of waste activated sludge fermentation by an alginate-degrading consortium[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(1): 245-252. doi: 10.12030/j.cjee.202109102

藻酸盐降解菌群强化剩余污泥厌氧发酵产酸

    作者简介: 胡之弈(1996—),男,硕士研究生,zhiyihu@fafu.edu.cn
    通讯作者: 张放(1984—),男,博士,副教授,zhfang@mail.ustc.edu.cn
  • 基金项目:
    国家自然科学基金项目(52170127);国家重点研发计划项目(2018YFE0107000);福建省自然科学基金项目(2020J01567)
  • 中图分类号: X705

Enhanced acidogenesis of waste activated sludge fermentation by an alginate-degrading consortium

    Corresponding author: ZHANG Fang, zhfang@mail.ustc.edu.cn
  • 摘要: 厌氧发酵是实现剩余污泥(WAS)资源化的重要技术,而其中的水解阶段是剩余污泥(WAS)厌氧资源化的限速步骤。WAS中的酸性多糖(藻酸盐和半乳糖醛酸等)能够与水中阳离子形成凝胶类物质,从而维持污泥结构并阻碍微生物的水解。利用藻酸盐为底物,经过恒化器培养得到了高效的藻酸盐降解菌群(ADC)。该菌群对WAS的典型有机成分(聚半乳糖醛酸、葡聚糖和酪蛋白等)均具有较好的厌氧降解能力,其代谢产物以乙酸等短链脂肪酸为主。而且,ADC菌群对WAS的水解和酸化过程均存在促进作用;在pH为7.0、6.0、5.0的条件下,水解效率分别提升了25.4%、13.2%和12.1%,酸化效率则分别提升了138.5%、184.0%和103.4%。Illumina Miseq高通量测序结果表明,该菌群以拟杆菌属(Bacteroides,37.3%)为主。本研究结果可为剩余污泥厌氧资源化提供参考。
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  • 图 1  以藻酸盐为底物的恒化器厌氧运行状况

    Figure 1.  Performance of a mesophilic chemostat with alginate as substrate

    图 2  ADC菌群利用模拟物质厌氧酸化的情况

    Figure 2.  Distribution of produced VFAs from typical organics by dosing ADC

    图 3  不同pH条件下ADC菌群强化剩余污泥厌氧酸化

    Figure 3.  Enhanced VFAs production by dosing ADC bacteria under different pH conditions

    图 4  不同pH条件下剩余污泥的SCOD值及水解和酸化的效率

    Figure 4.  Released SCOD and hydrolysis and acidification efficiency of WAS under different pH conditions

    图 5  ADC菌群群落测序指数和组成分析

    Figure 5.  Sequencing indices and diversity of enriched ADC

    表 1  剩余污泥基本特性

    Table 1.  Basic characteristics of WAS

    pHTSS/
    (g·L−1)
    VSS/
    (g·L−1)
    TCOD/
    (g·L−1)
    SCOD/
    (g·L−1)
    PS/
    (mg·L−1)
    PN/
    (mg·L−1)
    7.2 ± 0.121.7 ± 2.210.2 ± 0.110.4 ± 1.60.10 ± 0.012.7 ± 0.1237.3 ± 4.9
    pHTSS/
    (g·L−1)
    VSS/
    (g·L−1)
    TCOD/
    (g·L−1)
    SCOD/
    (g·L−1)
    PS/
    (mg·L−1)
    PN/
    (mg·L−1)
    7.2 ± 0.121.7 ± 2.210.2 ± 0.110.4 ± 1.60.10 ± 0.012.7 ± 0.1237.3 ± 4.9
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-17
  • 录用日期:  2021-12-03
  • 刊出日期:  2022-01-10

藻酸盐降解菌群强化剩余污泥厌氧发酵产酸

    通讯作者: 张放(1984—),男,博士,副教授,zhfang@mail.ustc.edu.cn
    作者简介: 胡之弈(1996—),男,硕士研究生,zhiyihu@fafu.edu.cn
  • 福建农林大学资源与环境学院,福州 350002
基金项目:
国家自然科学基金项目(52170127);国家重点研发计划项目(2018YFE0107000);福建省自然科学基金项目(2020J01567)

摘要: 厌氧发酵是实现剩余污泥(WAS)资源化的重要技术,而其中的水解阶段是剩余污泥(WAS)厌氧资源化的限速步骤。WAS中的酸性多糖(藻酸盐和半乳糖醛酸等)能够与水中阳离子形成凝胶类物质,从而维持污泥结构并阻碍微生物的水解。利用藻酸盐为底物,经过恒化器培养得到了高效的藻酸盐降解菌群(ADC)。该菌群对WAS的典型有机成分(聚半乳糖醛酸、葡聚糖和酪蛋白等)均具有较好的厌氧降解能力,其代谢产物以乙酸等短链脂肪酸为主。而且,ADC菌群对WAS的水解和酸化过程均存在促进作用;在pH为7.0、6.0、5.0的条件下,水解效率分别提升了25.4%、13.2%和12.1%,酸化效率则分别提升了138.5%、184.0%和103.4%。Illumina Miseq高通量测序结果表明,该菌群以拟杆菌属(Bacteroides,37.3%)为主。本研究结果可为剩余污泥厌氧资源化提供参考。

English Abstract

  • 剩余污泥(waste activated sludge,WAS)是在城市污水处理过程中形成的主要副产物。据报道,2019年我国剩余污泥(80%含水率)的产生量超过6 000×104 t[1-2]。剩余污泥中通常含有有毒有害有机物、重金属、病原菌和寄生虫卵等,具有较大的二次污染风险[3]。目前,污泥的处理以堆埋、焚烧、农业堆肥和自然干化为主,所需费用较高(占污水处理厂总运行费用的50%~60%) [4-5]。厌氧发酵是一种重要的环境生物技术,能够利用剩余污泥生产甲烷和短链脂肪酸(VFA)等多种化学品[3, 6-7]。而且,短链脂肪酸可以作为污水处理厂反硝化的碳源,从而进一步降低污水处理厂的运行成本[8]。因此,将混菌厌氧发酵技术应用于市政污泥处置,是实现其资源化的重要手段。

    市政污泥的主要有机成分复杂,包括细胞、胞外聚合物(EPS)和少量纤维素等[9-10],导致了厌氧发酵技术面临生物水解速率慢等诸多问题。例如,厌氧反应器需要较长的水力停留时间(20~30 d),但其有机物去除率仍然不高(30%~50%)[9]。剩余污泥中的EPS组分占污泥有机质干重的50%~80%,具有维持微生物聚集体结构和保持其功能完整性的作用[10]。因此,一般认为EPS组分是导致市政污泥水解困难的主要因素。目前,主要采用预处理过程(超声波处理、水热处理、酸碱处理和高级氧化处理等)来破坏EPS和细胞壁的结构,以降低污泥生物处置的阻力和提高污泥中有机物的可利用性[9, 11]。例如,ZHANG等[12]发现,通过外源投加钢渣和碱处理,污泥中有机物水解程度随pH的增加而增加,20 d后可溶性有机碳质量浓度比空白组增加了1.0 g·L−1。ARENAS等[13]报道,碱性条件下电氧化预处理后可溶性有机物增量最大,总有机碳和可溶性COD(SCOD)的质量浓度分别为2.8和7.8 g·L−1,而空白组仅为0.4和1.1 g·L−1。然而,上述预处理方法选择性不高,并且增加了装置的额外运行成本。

    EPS中的酸性多糖(藻酸盐和半乳糖醛酸等)能够与水中阳离子形成凝胶类物质[14-17],可维持污泥结构并阻碍微生物的水解作用。其中,藻酸盐是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸按(1→4)糖苷键连接而成。LIN等[18]通过鉴定发现,污泥絮体中藻酸盐类似物的质量分数达到7%。然而,目前有关藻酸盐降解及其对污泥发酵影响的报道仍然较少。因此,本研究首先构建以藻酸盐为底物的恒化器,培养稳定的藻酸盐降解菌群(alginate-degrading consortium,ADC),并通过高通量测序分析菌群结构;其次,利用EPS中存在的典型物质(聚半乳糖醛酸,酪蛋白,纤维素和葡聚糖)作为底物,解析ADC促进EPS水解酸化的功能;最后,将ADC应用到实际剩余污泥体系中,解析3种典型pH(5.0,6.0和7.0)条件下ADC对污泥水解和酸化效率的促进能力,以期为强化污泥产酸提供新的思路。

    • 本实验所用的剩余污泥取自福建省福州市金山污水处理厂的二沉池,实验前存放于4 ℃冰箱中,污泥基本特性如表1所示。

    • 1)恒化器长期实验。构建恒化器,总体积为3.2 L,工作体积为2.5 L。接种微生物(50 mL)源于以藻酸盐为底物培养的厌氧菌群[19]。恒化器进水藻酸盐的质量浓度为10 g·L−1,无机培养基的成分与ZHANG等[19]报道的相同,并添加10 mmol·L−1 2-溴乙基磺酸钠(BES)以抑制甲烷生成。利用99%纯度的N2将恒化器曝气20 min。恒化器运行时间为60 d,并监测代谢产物的变化。

      2)模拟物质厌氧酸化实验。为了解析ADC以EPS作为底物进行水解和厌氧酸化的功能,以聚半乳糖醛酸、纤维素、葡聚糖和酪蛋白作为EPS的典型代表物质,接种ADC作为底物进行为期14 d的厌氧酸化。每1种底物设置3个重复。在120 mL血清瓶中添加60 mL无机培养基,并加入10 mmol·L−1 BES,底物的质量浓度为5 g·L−1、pH为5.5、接种量为10 mL(转速10 000 r·min−1、离心5 min,弃上清液)。利用纯度为99%的N2曝气10 min,密封后放入37 ℃的振荡培养箱进行培养并分析代谢产物。

      3)不同pH剩余污泥厌氧酸化实验。将储存在4 ℃冰箱的污泥取出,利用1 mol·L−1 NaOH和HCl将其pH分别调至5.0、6.0和7.0,每个水平分为对照组和实验组2个处理。其中,对照组为原污泥,实验组中接种20 mL ADC菌群。每个处理分装于120 mL血清瓶中(n = 3),液相为60 mL,最后曝气密封并放入恒温箱培养。发酵时间持续12 d,分析污泥发酵过程中的产气(H2和CH4)、水解(SCOD)和酸化(VFA)等参数,并计算水解和酸化效率。

      4)水解酸化效率的计算。为了量化在经过不同处理之后,对照组和实验组在不同pH下污泥水解和酸化的情况,利用式(1)和公式(2)分别计算厌氧发酵过程中的水解和酸化效率[20]

      式中:Eh为水解效率;SCODi为对应各个时间点的溶解性COD,g·L−1;TCOD为污泥总COD,g·L−1

      式中:Ea为酸化效率;TVFAi为对应各个时间点总挥发性有机物的质量浓度,g·L−1

      5)分析方法。CH4和H2的体积分数采用气相色谱仪(SP7890,山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司)测定。短链脂肪酸样品用0.45 μm 滤膜过滤,之后保存于4℃冰箱中。短链脂肪酸的质量浓度由气相色谱仪(7890,安捷伦科技有限公司)测定。恒化器中藻酸盐的质量浓度采用硫酸-咔唑法测定[21]。TCOD和SCOD用重铬酸钾法测定[22]。污泥中多糖的质量浓度采用硫酸-蒽酮法测定,蛋白的质量浓度则采用Lowry 法分析[23]。pH采用pH计(PHS-3C,上海精密科学仪器有限公司)测定。

      6)DNA提取和Illumina Miseq高通量测序。2个DNA样本分别提取自剩余污泥和恒化器中培养60 d的菌群,命名为WAS和ADC。DNA序列扩增(引物341F-806R[19])由ABI GeneAmp® 9700进行,之后使用Illumina Miseq PE 300测序仪进行测序。基于上述测序结果分析菌群的多样性。

    • 恒化器运行时间为60 d,运行期间水力停留时间(HRT)通过调控稳定在(4.4 ± 0.2) d,pH维持在酸性(5.5 ± 0.2)条件。如图1(a)所示,恒化器出水藻酸盐的质量浓度远小于进水(10 g·L−1),仅为(0.10 ± 0.06)g·L−1。这说明,在长期培养中,ADC菌群具有良好的藻酸盐降解功能。TSS和VSS分别为(1.4 ± 0.2)和(0.80 ± 0.04)g·L−1。恒化器运行期间,每日产气量小于50 mL(产气速率为(17.2~48.6) mL·d−1),其中,H2在气相中的体积分数为1.6% ± 0.8%。H2的消耗归因于同型产乙酸菌群的作用[8, 24]。为了保证厌氧酸化阶段运行的稳定,期间持续添加BES以抑制产甲烷菌群活性,因此仅监测到痕量的CH4(体积分数于0.1%)。图1(b)显示了恒化器中ADC菌群厌氧产酸情况,VFA的组成成分主要为乙酸、丙酸和丁酸,质量浓度分别为(2.1 ± 0.2)、(0.8 ± 0.1)和(0.6 ± 0.2)g·L−1。根据COD平衡的计算,恒化器的COD转化率为80.0% ± 9.6%。上述结果说明,在长期培养中,ADC具有高效的藻酸盐降解能力。

    • 剩余污泥EPS中主要的可生物降解有机组分含有多糖(包括中性糖和酸性糖)和蛋白质[11]。因此,以聚半乳糖醛酸、酪蛋白、纤维素和葡聚糖4种典型有机底物,探究ADC菌群利用不同有机底物产气和产酸的情况。在整个反应期间,4组实验的H2体积分数最高为7.9% ± 0.1%,这与恒化器运行(图1)的结果相似。由于添加了BES,故4组实验均未检测出CH4

      ADC菌群利用4种模拟底物厌氧产酸情况如图2所示,其中分别采用聚半乳糖醛酸(图2(a))代表酸性糖,以葡聚糖(图2(b))和纤维素(图2(c))代表中性糖,以酪蛋白(图2(d))代表蛋白质。结果表明,ADC菌群降解模拟物质中的代谢产物主要以乙酸、丙酸和丁酸为主。其中,代谢聚半乳糖醛酸和葡聚糖生产乙酸的质量浓度最终分别为(0.6 ± 0.03)和(0.9 ± 0.05)g·L−1,而利用酪蛋白和纤维素生产乙酸的质量浓度仅为(0.2 ± 0.01)和(0.4 ± 0.04)g·L−1。以葡聚糖作为底物时,丙酸的最大质量浓度为(0.6 ± 0.04)g·L−1;其余底物中生成丙酸的质量浓度相对稳定。ADC以酪蛋白和葡聚糖为底物时的主要产物是丁酸,质量浓度分别为0.5和0.7 g·L−1。以聚半乳糖醛酸和纤维素为底物时产生了较少的丁酸,质量浓度分别为(0.3 ± 0.05)和(0.3 ± 0.001)g·L−1。上述结果表明,ADC菌群具有降解EPS中各类典型有机质生产短链脂肪酸的能力。

    • 在整个反应期间,3组实验的H2体积分数始终低于0.4% ± 0.1%,这与恒化器运行(图1)的结果相似。由于添加了产甲烷抑制剂BES,故4组实验中均未检测出CH4图3显示了在不同pH处理中空白组和添加ADC组的厌氧产酸情况。在3组pH条件下,WAS的代谢产物以乙酸、丙酸和丁酸为主,并且添加ADC组的产酸质量浓度均高于空白组。在pH=7时,ADC组最终的乙酸、丙酸和丁酸的质量浓度分别累积到(0.9 ± 0.02)、(0.4 ± 0.02)和(0.5 ± 0.03)g·L−1,而对照组仅为(0.4 ± 0.08)、(0.2 ± 0.04)和(0.1 ± 0.01)g·L−1。在pH=6和pH=5的条件下也出现了类似的结果,在厌氧酸化第11 d时测得对照组中乙酸质量浓度分别为(0.4 ± 0.05)和(0.4 ± 0.01)g·L−1,丙酸质量浓度均为(0.2 ± 0.01)g·L−1;而在实验组中的VFA产量得到了明显的提升,其中,乙酸质量浓度为(1.1 ± 0.01)和(0.9 ± 0.02)g·L−1,丙酸质量浓度为(0.4 ± 0.03)和(0.4 ± 0.02)g·L−1。因此,结合第2.2节的实验结果可知,ADC可以通过破坏EPS结构以加速WAS的水解和厌氧产酸。

    • WAS絮体结构的破坏可导致胞外和胞内有机物的释放和溶解[25-26]。因此,通过测定厌氧酸化过程中的SCOD可以量化ADC菌群对WAS水解和酸化阶段的促进作用。图4(a)~图4(c)显示了在ADC组和空白组中不同pH条件下SCOD的变化情况,在pH分别为7.0、6.0和5.0时,空白组中厌氧酸化最终SCOD分别为(3.1±0.12)、(4.4±0.07)和(3.2±0.03)g·L−1;而在ADC组中,相应pH条件下的SCOD均有所提升。图4(d)~图4(f)显示了利用式(1)和式(2)计算得出的WAS水解和厌氧酸化的效率。结果表明,在不同pH条件下,ADC组中的水解和酸化效率均高于空白组。其中,ADC组的水解效率在pH为7.0、6.0、5.0时分别提升了25.4%、13.2%和12.1%,酸化效率分别提升了138.5%、184.0%和103.4%。例如,pH=5.0时,添加ADC后,污泥的水解效率由30.5%±0.3%增加至41.8%±1.6%,酸化效率由34.8%±7.0%增加至70.8%±4.4%。因此,ADC菌群可通过提高EPS中典型大分子有机物的水解和酸化得效率,实现强化WAS厌氧发酵生产VFA。

    • 图5显示了经过60 d培养的ADC菌群和WAS菌群的二代测序结果。其中,OTU指数和Shannon指数(图5(a)和图5(b))表明测序结果具有较高的覆盖度,能够体现菌群的多样性。经过恒化器的长期培养,ADC的菌群多样性明显低于WAS菌群。在门水平上(图5(c)),WAS菌群包含绿弯菌门(Chloroflexi,丰度为11.8%)、放线菌门(Actinobacteriota,丰度为17.7%)、拟杆菌门(Bacteroidota,丰度为20.5%)、变形菌门(Proteobacteria,丰度为24.0%)等。而ADC菌群(图5(c))则主要以拟杆菌门(Bacteroidota,丰度为52.7%)和厚壁菌门(Firmicutes,丰度为36.7%)为主。同样,在属水平上(图5(d))也表现出了同样的结果。WAS中属水平下菌群种类更多,而ADC中主要以拟杆菌属(Bacteroides,丰度为37.3%)、颤杆菌克属(Oscillibacter,丰度为18.6%)和厌氧棍状菌属(Anaerotruncus,丰度为10.5%)为主要菌属。ZHANG等[19]发现,拟杆菌属具有藻酸盐降解的功能,但其百分比低于1%。而在本研究中,通过恒化器的长期培养,可以得到拟杆菌属(丰度为37.3%)相对丰度较高的ADC菌群。

      有研究表明,EPS的主要组分是蛋白和多糖类物质,并且已有较多采用蛋白酶和多糖水解酶促进污泥水解的研究案例[27-28]。以藻酸盐为代表的酸性多糖是EPS中新分离的组分[16, 29]。本研究中所富集的ADC菌群,具有降解多种典型WAS有机质的能力(图2),能够明显地促进WAS水解和酸化(图3图4)。综合分析可知,采用ADC菌群与蛋白酶、多糖水解酶联合处理可以促进WAS的资源化,不过仍需要进一步研究。综上所述,ADC菌群是对生物法加速污泥水解和酸化的补充,可为促进污泥资源化提供了新的思路。

    • 1)经恒化器培养出的高活性ADC菌群具有较高的藻酸盐转化能力,COD的转化率达到80.0% ± 9.6%。

      2) ADC菌群对聚半乳糖醛酸、葡聚糖和酪蛋白等WAS的典型成分均具有较好的厌氧降解能力。

      3)在不同的pH条件下,ADC对WAS的水解和酸化过程均存在促进作用。ADC组的水解效率在pH为7.0、6.0、5.0时分别提升了25.4%、13.2%和12.1%,酸化效率分别提升了138.5%、184.0%和103.4%。pH为6.0是ADC菌群促进剩余污泥酸化的最佳工艺条件。

      4)经过恒化器的长期富集,ADC菌群以拟杆菌属(Bacteroides,丰度为37.3%)为主。

    参考文献 (29)

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