毕豪华,高春娣,刘奕伟,邢一言,彭永臻

pH值调控方法对剩余污泥厌氧发酵的影响

毕豪华,高春娣*,刘奕伟,邢一言,彭永臻

(北京工业大学环境与生命学部,城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室,北京 100124)

以城市污水处理厂剩余污泥为研究对象,采用批次试验考察了pH值为5,7,9,10的恒定调节方式和分阶段pH值调节方式对厌氧发酵过程中有机物溶出情况的影响,并利用高通量测序技术分析不同pH值调控方法下的发酵污泥微生物群落结构.结果表明,pH值恒定调节方式下碱性和酸性条件可溶出更多的有机物,积累量在pH=10时达到最大,此时可溶性有机物(SCOD)浓度为323.77mg/gVSS, VFAs产量为183.38mgCOD/gVSS.在发酵初期,以前4d控制pH=10且后续使pH值自然下降的阶段调节方式有利于产酸阶段产出更多的VFAs,其产量最高为208.78mgCOD/gVSS,比pH=10恒定调节下的VFAs总量最大值高出13.90%.采用不同pH值调节方式后微生物丰度在门水平上有显著差异,但主要的优势微生物均为、Proteobacteria、Actinobacteriota和Chloroflexi.对于恒定调节方式,Firmicutes和Actinobacteriota的相对丰度在pH=10的条件下达到最高,为61.14%和15.57%,远高于其他pH值恒定调节下的菌群丰度;对于分阶段pH值调节方式,上述两类微生物较pH=10恒定调节方式的相对丰度又有较大提升,分别提升至68.46%和18.43%.从属水平上来看,与水解酸化有关的菌群(、和等)丰度在pH=10恒定调节中占比为32.38%,在分阶段pH值调节方式中占比为51.62%.分阶段pH值调节方式整体上提高了水解酸化菌的相对丰度,更有利于发酵过程中VFAs的积累.

厌氧发酵；可挥发性脂肪酸；pH值；高通量测序

随着我国城镇化的推进和污水处理设施的完善,我国城镇污水处理量日渐增多,截至2020年我国城镇污水处理规模已超过2亿m3/d,污水处理总量559.2亿m3[1],由此产生的污泥量突破6000万m3/a(以含水率80%计).剩余活性污泥作为城镇污水处理厂的主要副产物,每天都有大量产出.剩余污泥中富集了大量的有机物、污染物质与营养物质[3],具有污染和资源的双重属性,因此如何有效地回收剩余污泥中的有机物和营养物质,实现污泥的无害化和资源化已经成为当今中外学者研究的热点问题.厌氧发酵产酸因其可操作性强和能量回收率高等优点[4]被认为是一种有效且可持续的剩余污泥处理技术,厌氧发酵可释放污泥中的大量有机物,得到富含挥发性短链脂肪酸(VFAs)的污泥消化液,这些发酵液可作为污水处理中的外加碳源[5],强化生物脱氮除磷性能.

厌氧消化包括水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷3个阶段,水解阶段作为污泥厌氧发酵的初始阶段,通常被认为是限速步骤[6],而酸化过程中产生的VFAs会被产甲烷菌迅速消耗,因此VFAs的积累主要依赖于水解酸化阶段[7].目前大多数研究都是通过采用物理、化学、生物和联合预处理方法来加速水解过程,以及改变操作条件如温度、pH值、污泥停留时间等方式来抑制产甲烷菌的活性,从而增加VFAs的积累[8].其中调节pH值的污泥预处理方式因操作简单、效果显著而引起广泛关注[9-11].

一方面,有研究表明高碱性环境(pH=10或11时)比酸性环境更有利于污泥破解和厌氧发酵有机物的溶出[12],中性pH值虽有利于与酸化相关的微生物生存,但它不利于有机物的水解,导致VFAs生物合成底物的可用性有限,研究表明即使是在高碱性环境下厌氧发酵产酸的功能仍主要由微生物承担[13];另一方面,厌氧消化过程中各菌群的最适pH值也有所不同,产乙酸菌的最适pH值范围为4.5～8.0,而产甲烷菌的最适pH值范围为6.6～7.5[14].研究发现当pH值为10.0时,可以通过破坏污泥结构和抑制产甲烷菌活性来提高VFAs的产量[15],然而高碱性条件会抑制产乙酸菌将有机物转化为乙酸的能力,从而降低了VFAs产量最大化的潜力[16].因此可以考虑通过分阶段调控pH值来实现抑制产甲烷菌活性的同时尽可能满足产乙酸菌的最适环境条件,以达到提高VFAs产量的目的.

先前有关pH值对剩余污泥厌氧消化的影响研究大都聚焦在恒定pH值调控方式上,但分阶段的pH值调控方式对发酵效果的影响研究较少,而后者对于剩余污泥资源化利用的最大化有着重要意义.本文探究了恒定pH值调控和新型分阶段pH值控制策略对剩余污泥中温厌氧发酵的影响,并从微生物种群结构变化角度初步阐述了分阶段pH值控制策略强化污泥厌氧发酵的机理,系统分析了分阶段pH值控制策略强化厌氧发酵效果的可行性,为剩余污泥资源化和工程应用提供了新视角.

1 材料与方法

1.1 实验污泥

本实验污泥为北京某污水处理厂二次沉淀池中的剩余污泥.将取回的污泥于4℃下静置24h并排出上清液,使用40目筛网去除污泥中较大颗粒物并用清水冲洗3次.经上述浓缩处理后加入厌氧发酵罐的污泥主要性质见表1.

表1 剩余污泥主要理化性质

1.2 实验方法

本文实验分为两个部分,第一部分研究了恒定pH值调控方式对污泥厌氧发酵的影响.将浓缩后的污泥均匀分配在容积为3L的间歇式厌氧发酵罐中,利用4mol/L的NaOH和4mol/L的HCl溶液将反应器内pH值控制在恒定值(5/7/9/10),室温下(25±2)℃运行9d.上述各体系的pH值每12h调节一次.每24h 取发酵污泥混合液 5000r/min 离心分离,测定上清液中SCOD、VFAs、氨氮、正磷酸盐、蛋白质和多糖质量浓度.

第二部分探究分阶段调节pH值策略对污泥厌氧发酵的影响.将浓缩后的污泥均匀分配在容积为3L间歇式厌氧发酵罐中,室温下(25±2℃)分阶段运行,使用4mol/L的NaOH和4mol/L的HCl溶液调节反应器内pH值,具体调节方案见表2.该部分共设置了4组发酵罐,其中对照组(R0)发酵罐的pH值设为恒定值pH=10,第一组实验组(R1)发酵罐在发酵前期将其控制在pH=10,在运行至第4d时停止投加NaOH,使发酵罐内pH值自然下降.第二,三组实验组(R2、R3)发酵罐则将初始pH值调至11,分别在第3d和第4d不再进行pH值的控制.每24h 取发酵污泥混合液 5000r/min 离心分离,测定上清液中SCOD、VFAs、蛋白质和多糖质量浓度.

表2 pH值分阶段调节方案

1.3 常规指标分析与测定方法

样品经5000r/min离心,0.45μm滤膜过滤后分析.TS、VS和COD采用标准方法测定.利用气相色谱仪(GC, Agilent)测定可挥发性脂肪酸的浓度.蛋白质浓度使用以牛血清白蛋白(BSA)标准的Lowry- Folin法测定,采用蒽酮比色法测定碳水化合物浓度,pH值测定用pH/Oxi 分析仪(WTW公司,德国),采用纳氏试剂分光光度法测定氨氮浓度.

1.4 微生物菌群结构分析方法

高通量测序方法如下:首先利用土壤DNA提取试剂盒完成泥样DNA提取,并利用1%琼脂糖凝胶电泳检测提取效果.对提取的DNA进行PCR扩增,引物序列为338F(5'－ACTCCTACGGGAGG CAGCAG－3') 和806R(5'－GGACTACHVGGG TWTCTAAT－3'),扩增程序为: 95℃预变性3min,27个循环(95℃变性30s,55℃退火30s,72℃延伸45s),最后72℃延伸10min.每个样品扩增3次并将PCR产物混合,混合后用2%琼脂糖凝胶电泳检测,完成检测后使用AxyprepDNA凝胶回收试剂盒切胶回收PCR产物,PCR产物用QuantiFluorTM -ST蓝色荧光定量系统进行检测定量,并按照每个样品的测序量要求进行相应比例混合,最后构建 Illumina PE文库,进行Illumina Miseq高通量测序.

2 结果与分析

2.1 恒定pH值调节对水解酸化的影响

为了考察恒定pH值调节对污泥厌氧发酵水解酸化的影响,试验测定了不同pH值环境中可溶性有机物的积累量,如图1所示.随着发酵时间的推移,不同pH值下的SCOD值均有显著增加,其中pH=10时污泥发酵到第6d SCOD积累量达到最大值323.77mg/gVSS.不同pH值下有机物的溶出速率也明显不同,这4种pH值调节方式下有机物溶出速率大小依次是:pH10>pH9>pH5>pH7,这说明投加酸或碱均有利于有机物的释放,且碱性条件下的促进作用更明显,碱性越强有机物的溶出速率更快,同时SCOD也可以用来表征污泥裂解程度[17],因此碱性条件下污泥的裂解程度也更大.出现上述现象的原因是碱性条件较酸性条件而言,更有利于破坏污泥的絮体结构和微生物的细胞结构,从而加速释放胞内物质,增加污泥中SCOD的产量[18].因此pH=10的碱性环境更有利于有机物的产生和积累,这与Yuan等[19]的研究结果一致.

图1 pH值对可溶性有机物溶出的影响

如图2,碱性和酸性条件促进了厌氧发酵体系中蛋白质和多糖的溶出,不同发酵罐中的蛋白质和多糖含量在发酵初期均有不同程度的增加.值得注意的是在pH=10的强碱条件下蛋白和多糖产量较有较大的提升,在发酵至第6d时蛋白质含量为134.88mg/VSS,多糖含量为39.10mg/VSS,二者的总产量达到最大值,相较于其他条件下(pH=5/7/9)分别提高了212%、431%和68%.这是因为酸和碱可以破坏细胞表面结构从而释放出更多胞外聚合物(EPS),而EPS多带负电荷[20],在碱性环境下,EPS 中的酸性基团更易分解,使带负电荷的 EPS 产生排斥作用,破坏污泥的絮体结构,从而使蛋白质和多糖释放到污泥发酵液中,表现为蛋白质与多糖总质量浓度增加,因此碱性环境更有利于蛋白质和多糖的溶出.在酸性或碱性条件下,体系内蛋白质和多糖含量均在第6d或第7d达到最大值,后续随发酵时间的延长逐渐呈下降趋势,这是因为厌氧产酸菌主要利用蛋白质和多糖作为底物生产挥发性脂肪酸,在厌氧发酵的后期蛋白质和多糖的消耗速率大于水解阶段的生产速率,因此二者含量在后期呈下降趋势.整体而言,在pH=10的条件下可以溶出更多的蛋白质和多糖,有利于后续产酸菌的利用分解.

图2 不同pH值下蛋白和多糖的积累量

图3 不同pH值下VFAs的积累量

图3显示了不同pH值下VFAs产量随时间变化情况,碱性条件下(pH=9和pH=10)VFAs的产量要高于中性和酸性条件.在pH=5和pH=7的酸性和中性条件下,VFAs的积累量随发酵时间延长而逐渐增加,分别在第4d和第6d达到23.06和13.91mgCOD/ gVSS,为各自pH值调节下的VFAs总积累量的最大值,随后呈下降趋势;在pH=9和pH=10的碱性条件下,VFAs的积累量随发酵时间延长而显著增加,分别在第7d和第6d达到127.78和183.38mgCOD/ gVSS,pH=10时VFAs的积累量最高,这与Wu 等[21]的研究结论一致.这是因为碱性环境破坏了污泥絮体结构,促进了有机物的溶出,加速了有机物水解酸化,使有机酸产生量增加,同时pH=10的碱性环境严重抑制了产甲烷菌的活性[22],使有机酸的消耗量减少.

2.2 pH值分阶段调节策略对水解酸化的影响

为了考察分阶段pH值控制策略对污泥厌氧水解酸化过程的影响,本实验测定了不同调控策略下可溶性有机物产量、蛋白质和多糖浓度的变化情况,如图4所示.发酵前一阶段的高碱性条件促进了污泥裂解,因此发酵产物中可溶性有机物、可溶性蛋白质和多糖的浓度均显著增加.R3第6d SCOD浓度达到324.57mg/gVSS,为4种调节方式的最大值,同时段恒定pH=10(R0)调节下SCOD浓度为315.23mg/ gVSS,这说明在发酵前期pH=11的高碱性环境下污泥裂解程度更大,溶出的有机物更多,这与吕等[23]的研究结果一致.不同pH值调节方式下蛋白质与多糖的变化与SCOD的变化趋势相同,在R3发酵罐中可溶性蛋白质和多糖的浓度达到最大,R3在第6d蛋白产出量为137.92mg/gVSS,在第5d多糖产出量为42.65mg/ gVSS,均为4种pH值调节方式下的最大产出量,这一结果表明强碱性条件有利于颗粒有机物的水解,这与以往的报道一致[24].对比R0和R1发现,相较于pH=10的恒定调节方式,前期pH=10的分阶段调节并不能明显促进SCOD和蛋白质多糖的产量.

图4 分阶段调节下SCOD、PN和PS的产生量

图5 分阶段调节下VFAs的积累量

与SCOD浓度和蛋白质多糖浓度变化不同的是,pH值分阶段调节方式在促进VFAs产量上发挥了作用.图5是不同分阶段调控方式下VFAs产量随发酵时间的变化关系,随着发酵时间的延长,4种调节方式下的VFAs总量均出现了先增加后减小的趋势,这与Luo等[25]的研究一致.分析R1的VFAs变化趋势可知,在第7d时该发酵罐中VFAs的总积累量达到最大208.78mgCOD/gVSS,比同时期的R0总产量高出19.5%,比同pH值恒定调节下的VFAs总量最大值高出13.9%,由此可见R1发酵罐经过分阶段pH值调节后可以产出更多的VFAs.分析R2和R3可知前期pH=11的分阶段调节方式并不能促进VFAs的产出,两者的最大产出量为151.13和163.18mgCOD/gVSS,均低于pH=10环境下的VFAs产出量,分析原因可能为pH=11的强碱性环境极不利于产酸菌的生长,抑制了其利用有机物产酸的过程,Xu等[26]的研究也证实了这一点.

结果表明,前期pH=10的分阶段调节对有机物溶出的促进作用不大,但有利于产酸阶段产出更多的VFAs.前期pH=11的分阶段调节则相反,它虽促进了SCOD的产出,但不利于产酸,后续污水处理的利用率将大为降低,因此本文后续将主要对比R1与其他恒定pH值调节的差异.

2.3 不同pH值调节下VSS去除率

VSS的去除率可以用来表征发酵系统中厌氧污泥转化为无机物的趋势、厌氧污泥的减少以及颗粒有机质的水解效应.如图6所示,与中性(pH=7)相比,酸性和碱性条件都对VSS去除有一定的促进作用,具体效果为pH7

2.4 磷酸盐和氨氮的释放情况

剩余污泥厌氧发酵产物中含有大量的氨氮(NH4+-N)和无机磷(PO43--P),如图7(a),相较于中性和酸性条件,碱性条件更有利于厌氧污泥向液相中释放氨氮,随着发酵时间的延长,液相中氨氮浓度总体呈现上升趋势.本实验中,pH值为10时的液相氨氮浓度最高为35.81mg/gVSS,分别是 pH=5、pH=7和pH=9时的1.89倍、2.51倍和1.52倍.在碱性环境下,氨氮浓度从第5d开始逐渐趋于稳定.对比pH=10和R1发酵罐,在发酵前4d两者氨氮释放量接近,在分阶段调节后,R1中氨氮浓度上升趋势不明显,而pH=10的发酵罐中氨氮浓度仍随发酵时间的延长明显升高,最高较R1多释放了16.68%的氨氮.已有研究表明,碱性厌氧发酵同时产生大量的氨氮,并以游离氨的形式存在,然而游离氨可能从细胞膜扩散到细胞质导致细胞内缺钾或质子失衡,从而抑制产酸过程[27].pH值阶段调节方式可以减少污泥厌氧发酵产生的氨氮浓度,从而削弱游离氨对酸化过程的抑制作用.

图6 不同pH值调节下VSS去除率

如图7(b),厌氧发酵可以促进污泥中磷酸盐的释放,其中在pH=10的条件下,发酵罐中磷酸盐浓度在第5d时达到最大值27.00mg/gVSS,较高pH值引起污泥细胞壁的破裂而释放胞内物质,胞内的核酸、蛋白质以及含磷化合物等发生水解并释放磷.不同pH值调节方式对磷酸盐的释放效果并无明显的差异,5种调节方式所释放的磷酸盐浓度基本上都在17.29～23.46mg/gVSS间来回浮动.总体而言,污泥厌氧发酵使得大量氨氮和可溶性磷释放到发酵上清液中,但pH值阶段调节方式可以降低污泥厌氧发酵产生的氨氮浓度,对于降低磷酸盐浓度效果并不明显.

图7 不同pH值调节方式对氨氮和磷酸盐释放量的影响

2.5 不同pH值调控策略对微生物种群的影响

2.5.1 微生物群落丰度和多样性分布 为进一步阐明不同pH值调节方式下微生物群落特征及多样性,在厌氧发酵末期(第9d)选取发酵前原始污泥、不同恒定pH值调节污泥和唯一促进VFAs产量的R1泥样进行 Illumina MiSeq高通量测序,多样性分析结果和各样本有效序列如表3所示,为便于不同样本之间对比分析,以最小样本序列数48844 进行数据抽平.由表3可知,所选取的样本覆盖度(Coverage)指数均在0.99以上,表明样本测序深度足够,测序结果可靠可用.ACE和Chao指数代表微生物丰度,数值越高丰度越高,厌氧发酵降低了体系内微生物丰度,且在高碱性条件下微生物丰度最低,对比pH10和R1发现分阶段调节pH值的方式下微生物丰度变化并不明显.Shannon 和 Simpson 指数代表微生物多样性,Shannon 指数越高多样性越高,Simpson 指数则相反,厌氧发酵降低了体系内微生物多样性,且在高碱性条件下微生物多样性更低,对比pH10和R1发现分阶段调节pH值的方式提高了微生物多样性.微生物丰度和多样性结果表明不同pH值调节方式的群落丰度和多样性有明显差异,对于恒定pH值调节方式,pH=10的高碱性环境下微生物群落丰度和多样性均为最低,这与Liu等人[28]的研究一致,而分阶段pH值调节方式提高了微生物的多样性.

2.5.2 微生物群落组成分析 不同pH值调节方式下剩余污泥厌氧发酵中微生物群落结构存在差异,图8是不同调节方式下微生物种群在门水平上的相对丰度,其中将样本中丰度占比小于0.01的物种归为others.不同pH值调节后微生物丰度在门水平上有明显的不同,主要的优势微生物均为Firmicutes、Proteobacteria、Actinobacteriota和Chloroflexi,这4类菌群也是传统厌氧消化过程中的主要微生物类型[29].酸性和碱性环境均提高了Firmicutes和Actinobacteriota的相对丰度,在原始污泥中,两者的相对丰度为3.93%和11.26%,而pH=5条件下Firmicutes和Actinobacteriota相对丰度分别增加至12.98%和40.53%,在pH=10的碱性环境中这两类菌群的相对丰度为61.14%和15.57%,远高于其他pH值恒定调节下的菌群丰度.Firmicutes门与挥发性有机酸的发酵生产有关[30],在厌氧环境下,该门菌属可能溶解颗粒蛋白,同时参与酸化过程[31]. Actinobacteria也是污泥厌氧发酵中酸化阶段的重要菌种,可以利用葡萄糖、淀粉和纤维素等碳源物质进行水解产酸[32],同时该门中的部分细菌能降解多糖生成单糖和 VFAs[33].因此,pH=10的恒定调节方式较其他恒定调节的水解酸化菌丰度更高,这是促进VFAs积累的重要原因.

对比R1和pH10的微生物种群在门水平上的相对丰度,Firmicutes和Actinobacteriota门丰度R1较pH10有较大提升,分别从61.14%和15.57%提升至68.46%和18.43%,这有利于pH值分阶段的有机物酸化产VFAs.当pH值调节方式由恒定值10改为分阶段调节后(R1),Proteobacteria和Chloroflexi门相对丰度有小幅度的降低,分别从11.36%和7.74%降至5.31%和5.07%,有研究表明,Proteobacteria 与微生物细胞的裂解和胞内物质的释放有密切相关[34],在R1中Proteobacteria丰度的降低可能影响了SCOD的溶出与积累.Chloroflexi 门主要降解碳水化合物和微生物细胞,该门中部分菌群代谢碳水化合物,促进 VFAs 底物降解[35].研究通过对比门水平上的相对丰度发现分阶段pH值调节方式提高了水解酸化有关微生物的丰度,这可能是R1的VFAs产量高于pH=10恒定调节的原因.

表3 微生物群落丰度和多样性变化

注:样本编号Sludge0代表厌氧发酵前的原始剩余污泥;pH5/7/9/10分别代表对应恒定pH值调节后的发酵泥样;R1代表以pH=10发酵4d不再调节后发酵9d的泥样.

图8 微生物种群在门水平上的相对丰度

为进一步探究分阶段pH值调控方式对污泥厌氧发酵产酸的微生物群落多样性和功能的影响,需对微生物群落进行属水平上的分析,图9为微生物种群在属水平上的相对丰度,其中将样本中丰度占比小于0.1的物种归为others.在R1样本中,Firmicutes门的(33.29%)和芽孢杆菌(6.98%)相对丰度占比较高,这两种菌在pH=10的环境中相对丰度占比各为22.47%和0.44%,分阶段调控方式提高了这两种菌群的相对丰度.有研究表明作为严格的厌氧菌在蛋白质降解和利用中起着关键作用[36],它可以将蛋白水解为乙酸、丙酸和异丁酸[37].和也属于水解酸化菌,前者是一种能将H2和CO2转化为乙酸的厌氧菌[38],后者属于专性厌氧菌,可以降解蛋白质产生乙酸[39],较pH_10来说这两种菌群相对丰度在R1中略有降低,分别从6.58%降至5.76%、从1.08%降至0.60%.在恒定调节下的相对丰度为1.82%,在R1中的相对丰度为4.99%,较pH=10的恒定调节略有升高.有研究认为可以利用丙酸盐或丁酸盐等作为电子供体或碳源将其转化为乙酸盐[40], 猜测分阶段调节中乙酸在总VFAs中占比提升可能与该类菌群相对丰度的升高有关.从属水平上来看,与水解酸化有关的菌群丰度在pH10中占比为32.38%,在R1中占比为51.62%,通过属水平分析来看分阶段pH值调节方式可以从整体上提高水解酸化菌的相对丰度,从而提升污泥厌氧发酵产酸量.

图9 微生物种群在属水平上的相对丰度

样本编号pH10代表pH=10恒定调节下的泥样;R1代表以pH=10发酵4d后不再调节后发酵9d的泥样;Sludge0代表厌氧发酵前的原始剩余污泥

3 结论

3.1 恒定pH值调节对剩余污泥厌氧发酵随pH值的变化产生不同的影响,碱性和酸性条件较中性调节可溶出更多的有机物,积累更多的蛋白质、多糖和VFAs,pH=10时积累量最大,SCOD浓度为323.77mg/gVSS,VFAs产量为183.38mgCOD/gVSS.

3.2 发酵初期pH=10(4d)的分阶段调节对有机物溶出的促进作用不大,但有利于产酸阶段产出更多的VFAs,最高为208.78mgCOD/gVSS,比pH=10恒定调节下的VFAs总量最大值高出13.9%.以发酵初期pH=11(3d和4d)的分阶段调节则相反,它虽略有促进SCOD的产出,但不利于产酸,VFAs最大产出量为151.13和163.18mgCOD/gVSS,后续污水处理的利用率将大为降低.

3.3 不同pH值调节后微生物丰度在门水平上有明显的不同,但主要的优势微生物均为Firmicutes、Proteobacteria、Actinobacteriota和Chloroflexi.在pH=10的条件下Firmicutes和Actinobacteriota的相对丰度为61.14%和15.57%,远高于其他pH值恒定调节下的菌群丰度,而分阶段pH值调节 R1较pH=10条件下和的相对丰度又有较大提升,分别提升至68.46%和18.43%.

3.4 分阶段pH值调节方式整体上提高了水解酸化菌的相对丰度,更有利于发酵过程中 VFAs的积累.从属水平上来看,与水解酸化有关的菌群(、和等)丰度在R0(pH=10恒定调节)中占比为32.38%,在R1(分阶段调节)中占比为51.62%.

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effects of pH control methods on anaerobic fermentation of waste activated sludge.

BI Hao-hua, GAO Chun-di*, LIU Yi-wei, XING Yi-yan, PENG Yong-zhen

(National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Faculty of Environment and Life, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2023,43(9)：4648～4657

This experiment focuses on the wasted sludge from municipal sewage treatment plants. Batch texts were taken to explore the effects of different pH regulation methods, which include constant pH adjustment with values of 5,7,9,10 and phased pH adjustment, on the dissolution of organic matter in anaerobic fermentation. The variations of microbial community structure of fermentation sludge under different pH adjustment conditions were analyzed by High-throughput sequencing technology. Results showed that more organic matter could be dissolved under both alkaline and acidic conditions with constant pH adjustment, and the accumulation reached the maximum when pH value was 10. At this point, solluted chemical oxigen demand (SCOD) concentration was 323.77mg/gVSS, and the VFAs was 183.38mgCOD/gVSS. In the case of phased pH adjustment, a constant pH of 10was controlled only in the initial stage of fermentation (the first 4days) and the pH value was naturally reduced in the later stage, this method showed more conducive to the production of VFAs in the acid production stage. This maximum yield was 208.78mgCOD/gVSS, which was 13.90% higher than the maximum total VFAs of same pH value but with constant pH adjustment. At the phylum level, significant differences in microbial abundance appeared after different pH adjustment operations , but the main dominant microorganisms were still Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteriota and Chloroflexi. Under constant pH regulation, the relative abundance of Firmicutes and Actinobacteriota reached 61.14% and 15.57% when pH value was 10, which was the highest beyond other pH values. As for the phased pH regulation, the relative abundance of Firmicutes and Actinobacteriota increased to 68.46% and 18.43% respectively , which grew more proportion than the condition of constant pH adjustment mentioned above. At the genus level, the bacterial abundance related to hydrolytic acidification (,.) accounted for 32.38% when pH value was constantly 10, and 51.62% under phased regulation. The phased pH regulation improved the relative abundance of hydrolytic acidifying bacteria and was more contributive to the accumulation of VFAs during fermentation.

anaerobic fermentation；volatile fatty acid (VFA)；pH；high-throughput sequencing

X703

A

1000-6923(2023)09-4648-10

毕豪华(1998-),男,河南南阳人,硕士研究生,主要研究方向为城镇污水深度处理与资源化利用.发表论文3篇.1720125370@qq.com.

毕豪华,高春娣,刘奕伟,等.pH值调控方法对剩余污泥厌氧发酵的影响 [J]. 中国环境科学, 2023,43(9):4648-4657.

Bi H H,Gao C D, Liu Y W, et al. effects of pH control methods on anaerobic fermentation of waste activated sludge [J]. China Environmental Science, 2023,43(9):4648-4657.

2023-02-17

国家自然科学基金资助项目(52270017)

* 责任作者, 教授, gaochundi@bjut.edu.cn