投加颗粒活性炭强化餐厨垃圾的厌氧处理

冯显露,刘新颖,孙德智,刘洁琦,霍 达,马嘉苑,张 真,党 岩



投加颗粒活性炭强化餐厨垃圾的厌氧处理

冯显露,刘新颖,孙德智,刘洁琦,霍 达,马嘉苑,张 真,党 岩*

(北京林业大学环境科学与工程学院,水体污染源控制技术北京市重点实验室,北京市污染水体源控与生态修复技术高等学院工程研究中心,北京 100083)

通过投加颗粒活性炭(GAC)强化直接种间电子传递(DIET)进而提升餐厨垃圾的厌氧产甲烷处理效能,并研究了GAC投加导致的微生物群落变化.研究发现,投加了GAC的实验组反应器能够在更高的有机负荷下(10.4kgCOD/(m3·d))稳定运行并维持较高的甲烷产率,不投加GAC的对照组在有机负荷7.8kgCOD/(m3·d)时甲烷产率及pH值均明显降低,挥发酸大量积累,反应器酸化崩溃.微生物群落结构分析发现,GAC表面富集了大量可以胞外电子传递的细菌(占细菌丰度的34%)和可以参与DIET的产甲烷菌(占古菌丰度的88%),表明GAC的加入可以有效富集这两类微生物的生长,并可能通过GAC强化DIET促进了餐厨垃圾的厌氧消化.

直接种间电子传递；厌氧产甲烷；餐厨垃圾；颗粒活性炭

餐厨垃圾是城市生活垃圾的主要组成部分,全世界每年产出餐厨垃圾达13亿t以上[1].目前,我国处理餐厨垃圾主要通过垃圾填埋和焚烧[2].随着我国城市生活垃圾分类举措的大力开展,具有高含水率、高热值、易腐烂、营养丰富等特点的餐厨垃圾更适合采用厌氧消化手段来单独处理[3],不但可以实现能源的回收,还可以有效缓解我国垃圾填埋场地紧张、垃圾渗沥液产量巨大的问题[4].然而,餐厨垃圾厌氧消化的处理效率一直是制约其发展的一个重要原因[5].

厌氧产甲烷体系中的直接种间电子传递(DIET)是近年发现的不同于传统种间氢传递的全新的产甲烷过程[6].DIET是具有胞外电子传递功能的微生物(例如等)将降解有机物产生的电子通过导电菌毛(e-pili)的电子传递能力直接传递给产甲烷菌,产甲烷菌接受电子并还原CO2的过程.近期的研究发现,DIET可以通过向产甲烷体系中投加导电材料强化DIET过程[7].

针对餐厨垃圾厌氧消化的处理效率问题,本文通过在厌氧消化反应器中投加颗粒活性炭(GAC)来强化餐厨垃圾的处理,考察了反应器稳定运行所能承受的最高有机负荷(OLR),并对GAC表面、悬浮污泥的微生物群落进行了分析,讨论了GAC强化餐厨垃圾厌氧消化的原因.

1 材料与方法

1.1 反应器与接种污泥

实验室反应器装置如图1所示.

图1 反应器示意

设置2组每组3个共6个反应器,一组额外投加100g颗粒活性炭(实验组,颗粒活性炭呈黑色、粒径为8~20目、比表面积约为1000m3/g、电导率约为26μS/cm),一组不投加材料(对照组).实验所用反应器为有效容积2L的玻璃瓶,其上由橡胶塞密封.每个反应器上有一个加(取)样口和一个出气口,出气口连接一个10L气袋.所有反应器在37℃、100rpm转速、避光条件下运行.接种污泥为河北某处理啤酒废水的厌氧悬浮污泥,TSS为12,000mg/L,VSS/ TSS为0.70.

1.2 餐厨垃圾及反应器运行

选用商品狗粮(Vita-one,Nihon,东京,以餐厨垃圾制成)作为处理对象,通过表1的配方配制成餐厨垃圾浆体加入反应器内进行厌氧消化.

表1 餐厨垃圾浆体成分

注: 以每升含量参考,未标明数值单位均为mg. DL维生素,DL微量元素具体配方请参考Zhao等[8]的报道.

启动初期向两组反应器内装入500mL接种污泥,400mL去离子水,100mL配置好的餐厨垃圾浆体.进水OLR逐渐提高,进样中狗粮混合物浓度为10,20,40,60,80g/L,对应OLR分别为1.3, 2.6,5.2,7.8,10.4kgCOD/(m3·d).以24h为一个运行周期,每个周期的前23.5h反应器厌氧消化,剩余的0.5h从每个反应器内排出100mL消化液,再注入100mL新配置的餐厨垃圾浆体,进入下一个运行周期,保证每个OLR下水力停留时间为10d.

1.3 分析项目与方法

pH值采用Denver UB-10pH测定仪;挥发性脂肪酸(VFAs)的测定采用高效液相色谱仪(Waters e2695,美国);COD利用重铬酸钾法测定;气体体积利用气体流量计(FMA4000,Omega,美国)测定;气体用配有氢火焰检测器(GC-8A)的气相色谱仪(Agilent 7890A)测定.

1.4 DNA提取与高通量测序

取泥样1.0mL或颗粒活性炭1.0g,样品立即放入液氮中冻结并储存于-80℃条件下.样品提取前利用研钵将样品破碎,DNA的提取根据DNA快速提取试剂盒说明书(艾德莱,北京),提取后DNA经微量紫外分光光度计(NanoDrop)测定纯度,并委托北京奥维森生物技术公司测序.通过引物27F和394F对其细菌和古菌进行16S rRNA基因扩增[9].高通量测序的原始序列已上传至NCBI数据库,序列号为SAMN07344859、SAMN07344860.

1.5 数据处理

平行实验均设置3个平行,利用Micosoft Excel 2013软件计算平均值(average)和标准偏差(standard deviation),各种指标以平均值±标准偏差在图中以误差棒的形式表示.

2 结果与讨论

2.1 反应器运行

由图2可知,两组厌氧消化反应器同步运行, OLR由1.3kgCOD/(m3·d)起逐步提升,投加了GAC的实验组最终提升至10.4kgCOD/ (m3·d),而对照组则提升至7.8kgCOD/(m3·d),反应器崩溃时停止运行.整个运行过程中HRT始终保持10d.

两组反应器在OLR为1.3kgCOD/(m3·d)和2.6kgCOD/(m3·d)时(1~14d)均高效稳定运行,pH值维持在7.0~7.5之间,每个运行周期末反应体系内VFAs含量接近0,剩余COD浓度均低于200mg/L,表明餐厨垃圾厌氧消化产生的VFAs被及时充分的降解.并且两组反应器在这一阶段甲烷产率基本一致.然而,当反应器OLR进一步提升至5.2kgCOD/(m3·d)时(15~24d),虽然两组反应器仍能稳定运行,且甲烷转化率均在86%以上(以实际产甲烷折算成COD计[10]),但是实验组的甲烷产率呈现出高于对照组的趋势,对照组的VFAs浓度有上升趋势,而实验组仍接近0,实验组剩余COD浓度均低于200mg/L,而对照组的剩余COD浓度上升至约560mg/L.

进一步提升OLR提升至7.8kgCOD/(m3·d) (25~34d),实验组反应器仍能够稳定运行,运行周期末反应体系内剩余COD浓度仍低于380mg/L,甲烷转化率维持在80%以上(以实际产甲烷折算成COD计),pH值稳定在7.3以上,虽然乙酸、丙酸的浓度有所升高,但明显低于对照组;相比较而言,在这一负荷下,对照组的甲烷产率直线下降,在短短5d时间内由>2000mL/d降低至不足100mL/d,pH值也显著下降至5.3左右,运行周期末反应器内剩余COD仍高达5200mg/L以上,乙酸、丙酸、丁酸均大量积累,总量超过了100mmol/L,反应器酸化崩溃.此时停止了对照组反应器的运行.

图2 两组反应器的运行情况

(A)甲烷产率;(B)pH值;(C)出水挥发酸含量

继续提升实验组反应器的OLR至10.4kgCOD/(m3·d)(35~44d),此时实验组pH值维持在7.0以上,运行周期末反应器内剩余COD浓度上升至3200mg/L,VFAs积累浓度相比于上一负荷提升至约60mmol/L,以丙酸和乙酸为主,丁酸仍维持在极低的水平,且VFAs总量低于对照组在上一负荷酸化崩溃时的积累浓度.此时甲烷产率有所降低,甲烷转化率也降低至65%(以实际产甲烷折算成COD计),但反应器仍能在较低处理效率的情况下稳定运行.以上实验结果表明在厌氧消化反应器内投加GAC可以显著提升餐厨垃圾的处理效能,稳定运行的最高OLR高达7.8kgCOD/(m3·d),相比于对照组提升了33%以上,且明显高于其他餐厨垃圾厌氧消化的相关报道[4,11-12].

2.2 微生物群落分析

通过高通量测序技术对实验组的GAC表面、悬浮污泥,对照组的悬浮污泥进行微生物群落结构分析(图3).对于细菌,3个样品的群落结构在门的层级上类似,主要分布于厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、互养菌门(Synergistetes)等,其中厚壁菌门的细菌占绝对优势地位,在3个样品中的丰度均超过68%(图3A).对细菌群落结构进一步深入到菌科和菌属的层级进行分析,3个样品的群落结构差异变得明晰:大量具有胞外电子传递能力的细菌在GAC表面和GAC悬浮污泥中富集生长,总丰度分别达到了34.1%和26.7%,而在没有投加GAC的对照组反应器内,具有胞外电子传递能力的细菌的总丰度仅为7.5%(图3B).具有胞外电子传递能力的微生物往往能将降解有机物产生的电子传递到细胞外的电子受体,如Fe(III)、电极和产甲烷菌等,使得它们具有潜在的“产电”能力[13].例如,属于厚壁菌门的、和3个菌属的菌在GAC颗粒表面(丰度分别为4.4%、3.7%和9.9%)和GAC悬浮污泥中(丰度分别为12.3%、5.5%、5.0%)均富集生长,而在对照组的悬浮污泥中的丰度均低于1%.

图3 实验组反应器中GAC表面、GAC悬浮污泥和对照组悬浮污泥的微生物群落结构的对比

(A)细菌;(B)具有胞外电子传递能力的细菌;(C)古菌

Kim等[13]发现可以利用多种可发酵有机物作为电子供体,将降解这些有机物产生的电子通过胞外电子传递的形式传递给Fe(III);Hernandez-Eugenio等[14]发现可以在硫单质做电子受体时将氨基酸、糖类等有机物降解产生的电子传递给硫单质并生成H2S,Lovley等[15]也证实微生物能将电子传递给硫单质,通常也能传递给Fe(III)或电极;Cord-Ruwisch和Garcia[16]研究发现同样具有将有机物降解产生的电子传递给硫单质的能力.

此外,属于、-和菌科的菌在GAC表面专性附着生长,其丰度分别为1.2%、6.0%和3.7%,而在GAC悬浮污泥和空白悬浮污泥中均含量极低(<0.3%)或未检出(图3B).已报道著名的产电细菌[17]和[18]分别属于和菌科;而,具有胞外电子传递能力[19],则是属于菌科的代表菌属.

上述对细菌群落结构的分析表明,厌氧消化反应器在投加了GAC后有利于富集这些具有潜在“产电”能力的细菌的生长,而具有导电性的GAC则可能作为电子传递载体将这些细菌降解餐厨垃圾过程中产生的电子传递给该反应器体系中的电子受体——产甲烷菌.截止到目前,通过实验明确证实能够通过DIET的形式直接接受电子还原CO2产甲烷的产甲烷菌只有2类:甲烷髦毛菌属()和甲烷八叠球菌属()[6,20].从古菌的群落结构可以看出,GAC表面的丰度(74.5%)明显高于GAC悬浮污泥(38.2%)和对照组悬浮污泥(42.0%),而的含量差异更为明显,在GAC表面的丰度为14.3%,而在GAC悬浮污泥和对照组悬浮污泥样品中的丰度仅为0.8%和1.1%(图3C).

投加GAC的厌氧消化反应器处理餐厨垃圾的效能明显提升,在OLR为10.4kgCOD/(m3·d)的条件下仍能稳定运行,而对照组在OLR为7.8kgCOD/(m3·d)时已经酸化崩溃.餐厨垃圾易于水解发酵,中间代谢产物VFAs产生速率较快,其中丙酸等小分子VFAs如不能及时进一步降解去处会在反应器中积累,对微生物活性和生长产生抑制作用[21].已有研究表明,在生物反应器中投加导电碳材料(如生物炭)或磁铁矿可以通过强化DIET加速小分子VFAs比如丙酸、丁酸的降解[8,22].本文投加GAC后,厌氧消化反应器中这些小分子VFAs的浓度在高OLR条件下仍然维持在较低水平,产甲烷性能良好;而对照组则在OLR7.8kgCOD/(m3·d)时就出现了VFAs的大量积累,短时间内产甲烷能力几乎完全丧失.微生物群落结构的分析结果可以看出,具有胞外电子传递能力的细菌在GAC反应器内大量富集,这些微生物可以将降解有机物产生的电子传递到细胞外,并通过GAC的导电性传递给能够直接接受电子的产甲烷菌,古菌的分析结构进一步验证了这一猜想,具有直接接受电子能力的产甲烷菌和均在GAC表面明显富集,表明GAC在反应体系中强化了这两类微生物的富集生长,并且起到了电子传递载体的作用,加速了这两类微生物之间的电子传递效率.

截止到目前,通过微生物纯培养证实的DIET过程均有产电菌的参与,的体外导电菌毛(e-pili)和细胞色素在DIET过程中起到了决定作用[23-24].然而,Liu等[7]发现GAC的存在可以解除发生DIET所依赖的e-pili和细胞色素.因此,GAC的介入为除了以外的其他具有胞外电子传递能力的微生物与产甲烷菌之间发生电子传递提供了可能性.对于该猜想,大多数研究还停留在混合菌群的体系,更直接的证据需要在今后通过纯菌培养实验进一步验证.

3 结论

3.1 投加GAC可以显著提升厌氧消化处理餐厨垃圾的处理效率,稳定运行的最高OLR可达10.4kgCOD/(m3·d),相比于对照组提升了33.3%以上.

3.2 在高有机负荷条件下,投加GAC反应器内VFAs的积累程度明显降低,甲烷产率提高,表明投加GAC可以强化VFAs的降解和甲烷的转化.

3.3 实验组GAC表面和悬浮污泥富集生长了大量具有胞外电子传递能力的细菌(丰度分别为34.1%、26.7%)和具有直接接受电子能力的产甲烷菌(丰度分别为18.0%、22.8%),对照组悬浮污泥中上述两类微生物丰度分别为7.5%和小于1.0%,推测GAC作为电子传递载体将这部分细菌降解有机污染物产生的电子传递给产甲烷菌,因此强化了餐厨垃圾的处理效率.

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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

冯显露(1996-),女,贵州黔东南人,北京林业大学硕士研究生,主要从事废水的生物处理研究.发表论文1篇.

2017-08-19

北京林业大学青年教师科学研究中长期项目(2015ZCQ- HJ-01);国家自然科学基金资助项目(51708031);大学生创新训练项目(240-131705003)

* 责任作者, 讲师, yandang@bjfu.edu.cn