活性碳对甘蔗糖蜜酒精废水加铁厌氧消化的影响.pdf
《活性碳对甘蔗糖蜜酒精废水加铁厌氧消化的影响.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《活性碳对甘蔗糖蜜酒精废水加铁厌氧消化的影响.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第49卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.49 No.8Aug.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT活性碳对甘蔗糖蜜酒精废水加铁厌氧消化的影响活性碳对甘蔗糖蜜酒精废水加铁厌氧消化的影响陈欣强1,黄罗冬1,莫宇霞1,苏树权2,刘剑韬1,申佩弘1*(1.广西大学生命科学与技术学院,亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室,广西微生物与酶工程技术研究中心,530004;2.广西农业科学院,530007:广西 南宁)摘摘 要要:为探究不同铁碳比对糖蜜酒精废水厌氧处理效果的影响,本实验设计了四种添加方式(对照组、Fe、Fe/C=1 1和Fe/C
2、=1 2)进行厌氧发酵。结果表明,Fe/C的添加对反应器的甲烷产量和COD去除率并无影响,但显著降低了H2S和H2含量,提高了挥发性脂肪酸含量以及乙酸占比。当Fe C添加比为1 1时,其反应器中挥发性脂肪酸含量由第4 d的 1 048.98 mg/L 上升到第 36 d 的 6 477.63 mg/L。细菌群落分析发现,Fe/C 的添加导致水解优势菌群出现了由Bacteroidetes-Synergistetes类群转化为Firmicutes-Chloroflexi类群的趋势,适量碳的添加有利于提高菌群的抗逆性。Fe的添加富集了古菌群落Methanobacterium和Methanosarci
3、na;Fe/C的添加也促进了Methanobacterium的富集,但相应的降低了Methanosarcina和Methanosaeta这类甲烷菌的相对丰度。这些菌群的改变使得甲烷菌群由甲基途径转向为乙酸型和氢营养型途径。关键词关键词:厌氧发酵;糖蜜酒精废水;铁碳比开放科学开放科学(资源服务资源服务)标识码标识码(OSID):中图分类号中图分类号:X703.1 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)08-0045-006甘蔗糖蜜酒精废水(MV)是以甘蔗糖蜜为原料,生产酒精过程中产生的副产物,具有高COD和硫酸盐浓度的特点。厌氧消化可以依靠厌氧微生物菌群将工业废
4、水中的有机物代谢物转化为沼气,具有高效、安全、成本低、产能的特点1。但在厌氧发酵处理过程中,产酸菌与甲烷菌之间的有机物传递效率会影响厌氧发酵性能。有研究指出,定向种间电子传递(DIET)是厌氧发酵过程中一种新的电子传递机制。该机制能够有效提高微生物菌群之间的电子传递效率,促进CH4产生2。据报道,在厌氧发酵过程中添加活性碳、铁系化合物能够有效提高DIET,从而提高甲烷产量3。因此铁系化合物以及活性碳在有机废物回收的应用得到了迅速发展。近30年来,铁碳微电解技术被广泛应用于废水处理及水资源应用研究。它是利用铁、碳和废水构成无数微电池系统来增强电化学和氧化还原反应,能有效去除废水中污染物,提升废水
5、可生化性4。研究表明铁碳的添加量以及添加比例受底物以及发酵条件的影响。贾艳萍5等发现铁碳比为0.8、添加80 g/L铁时,印染废水的COD和氨氮去除率分别达到75.48%、92.01%。因此,不同比例的铁碳可能会促进MV厌氧发酵过程中的产甲烷效率,但是该过程未得到研究证实。考虑到在MV中Fe含量较低,同时Fe会随着反应器的运行不断减少,本研究设置了较高的铁添加量,避免在处理过程中进行铁的补充。同时,为了避免MV冲击导致的发酵系统酸化,在污泥驯化过程中采取MV与大米酒精废水(RW)共消化的进样策略,提高驯化效果6。以厌氧颗粒物作为接种物,研究不同比例的铁碳比对糖蜜酒精废水厌氧消化过程中理化参数、
6、微生物群落动态变化和互作关系的多尺度响应结果,揭示铁碳的作用机理。1 材料与方法材料与方法1.1原料来源原料来源糖蜜酒精废水来自广西某酒精厂;大米酒精废DOI:10.16796/ki.10003770.2023.08.009收稿日期:2022-11-09基金项目:广西研究生教育创新计划项目(YCSW2021008);国家自然基金项目(51868003)作者简介:陈欣强(1998),男,硕士研究生,研究方向为环境与资源微生物;电子邮件:通讯作者:申佩弘,博士,研究员;电子邮件:45第 49 卷 第 8 期水处理技术水处理技术水来自广西某糖厂;颗粒活性污泥来自广西某糖厂反应器;分析纯还原铁粉,Fe
7、含量不少于98.0%;活性碳是以优良无烟煤和木碳为原料制成的柱状活性碳。1.2厌氧发酵系统厌氧发酵系统设置了四个处理组,分别为 CK(对照组)、Fe、Fe/C=1 1 和 Fe/C=1 2,每组三个平行(详见表 1)。一套废水厌氧处理的试验装置包括1个工作体积为200 mL的厌氧反应器,一个1 L气袋用于收集气体与平衡气压,置于37 恒温水浴锅。厌氧处理系统启动前对系统进行气密性检测,保证其具有良好的气密性。反应器启动时,每个反应器装入50 mL种子活性污泥和150 mL基质,并用氢氧化钠调节 pH 至 6.87.2。之后再次检查气密性,并用氮气吹扫2 min,创造厌氧环境。厌氧处理系统保持在
8、371 C下运行,每日进出水50 mL,水力停留时间为4 d。为了提高厌氧污泥的处理效果,实验分为两个阶段,036 d 为有机负荷上升阶段()、3664 d为比例调整阶段()。阶段中发酵罐糖蜜酒精废水与大米酒精废水比例为2 1,有机负荷由0.75 g/(L d)上升至5.175 g/(L d),阶段中糖蜜酒精废水与大米酒精废水比例由2 1调整至纯糖蜜酒精废水。每两天检测出水 pH,定期测定出水COD,挥发性脂肪酸(VFA)浓度,并对沼气产量以及沼气成分进行分析。运行64 d后取活性污泥样品进行微生物群多样性检测。1.3发酵参数分析发酵参数分析各项出水成分检测根据以往的实验的分析方法。所有样品检
9、测前使用0.45 m滤膜过滤,采用重铬酸钾法、便携式pH计、便携式沼气分析仪和气相色谱仪分别检测出水中的COD、pH、沼气组成、VFA含量。1.4微生物群落分析微生物群落分析对第64 d的污泥进行微生物群落分析。使用土壤DNA提取试剂盒(美基)提取污泥DNA。提取后DNA使用Nanorop(赛默飞)进行质量检测,检测合格后使用16S V3-V4(细菌)和V4-V5(古菌)序列进行 扩 增。细 菌 扩 增 引 物 为 341F:5-CCTACGGGNGGCWGCAG-3 和806R:5-GGACTACHVGGGTATCTAAT-3;古菌扩增所用引物为Arch519F:5-CAGCMGCCGCGG
10、TAA-3 和Arch915R:5-GTGCTCCCCCGCCAATTCCT-3。回收PCR产物,用QuantiFluorTM荧光计进行定量。将纯化的扩增产物等量混合,连接测序接头,构建测序文库,Illumina PE250 上机测序。对序列进行Reads过滤(FASTP软件)、Tags拼接(FLASH软件)、Tags过滤、OTU聚类(USEARCH软件的UPARSE算法)、Tags去嵌合体(USEARCH软件的UCHIME算法),最终得到的数据为 Effective tag。获得 OTU后,基于Effective tag进行OTU丰度统计。1.5数据统计数据统计对样品进行了一式三份的分析,误
11、差棒代表三次测量的标准差。使用SPSS Statistics version 21.0和Origin Pro 2021进行统计分析。2 结果与分析结果与分析2.1甲烷产量甲烷产量CK、Fe、Fe/C=1 1和Fe/C=1 2中的每日CH4产量如图1(a)所示。四个反应器的日甲烷产量随着OLR的上升逐步提高。目前大部分研究结果表明,ZVI的添加能够有效提高反应器稳定性以及提高甲烷产量7,但这种促进现象在本研究中并未体现。如图1(b)所示,Fe和C的添加并未对反应器产甲烷效率起到促进作用,这结果与其他研究结果存在差异。而AI等人3在猪粪厌氧消化过程中添加了5 g/L的ZVI,得到了与本实验相似的实
12、验结果,但在高TAN环境下ZVI显著提高了甲烷产量。同时高添加量的ZVI可能存在潜在的微生物学抑制9。因此,铁碳在促进甲烷产生无明显差异可能是在无环境胁迫条件下,反应器性能未受到严重的影响导致的,后续研究可以在具有一定环境压力的前提下进行。现有研究尚未有在MV与RW厌氧共消化过程中添加ZVI的报道。可以得出,Fe的添加量受到底物类型,厌氧过程的操作参数影响较大。不同添加量的ZVI对糖蜜酒精厌氧发酵过程中DIET途径的建立和对甲烷产生的贡献需要进一步研究。AD过程各组H2S和H2含量的变化如图1(c)所示。在添加Fe和C后,三组实验组均没有H2S的产生,同时在整个过程中H2S含量始终低于对照组,
13、对照组中H2含量均高于实验组,而各组实验组中H2含量变化呈现相似的趋势。这与先前报道的结果相似3。在本研究中 Fe的添加能够显著降低 H2S 和表1铁、碳添加量Tab.1Additions of iron and carbon实验编号CKFeFe/C=1 1Fe/C=1 2铁(Fe)/(g L-1)0202020活性碳(C)/(g L-1)002040Fe/C质量比/1 11 246陈欣强等,活性碳对甘蔗糖蜜酒精废水加铁厌氧消化的影响H2含量,但对CH4产量的影响并不显著,这可能是由于较高的添加量抑制了甲烷的产生,高浓度的Fe会影响厌氧发酵系统减少甲烷产量。另外一种可能性是,在无环境胁迫的环境
14、下,H2与H2S含量并不是影响厌氧发酵性能的关键因素3。2.2pH变化及变化及COD去除率去除率整个发酵过程中pH变化如图2所示,均在中温甲烷菌活性的最佳pH为7.07.5。在第4 d向实验组中加入铁和活性炭后,三个实验组出现了pH急剧上升的现象这可能是由于Fe在发酵体系中发生了电离,形成了Fe2+与OH-、H。从而提高了缓冲体系中的pH。各个反应器在厌氧发酵过程中COD去除率的变化如图3所示。在OLR(有机负荷率)上升阶段,随着OLR的上升,各组COD去除率逐渐上升,Fe C=1 1呈现更佳的COD去除率,表明适量的C的添加有利于提高菌群的抗逆性。但进入比例调整阶段,各组COD去除率趋于相似
15、,MV比例的上升对厌氧发酵系统造成了较大的冲击。随着MV比例上升,CK、Fe、Fe/C=1 1和Fe/C=1 2在第64 d出现了不可逆转的抑制,故停止消化。ZVI的添加在驯化阶段对COD去除率仅有较小的提升,在比例调整阶段并无显著效果。这与AI等人的结果相似 3,在本实验中,发酵环境可能未能对菌群产生足够严重的胁迫作用,较低的有机负荷以及氨氮浓度导致在反应器性能上无法显示出显著的差异。2.3VFAs含量及其组成含量及其组成在整个发酵过程总VFAs的变化趋势如图4(a)所示。在OLR提升阶段(),各个反应器中总VFAs的含量随着OLR的上升呈现快速上升趋势,ZVI的添加显著提高了各组在在OLR
16、上升阶段的总VFAs含量。当Fe C添加比为1 1时,其反应器中VFAs含量由第4 d的1 048.98 mg/L上升到第36 d的6 477.63 mg/L。活性炭的添加加速了VFAs的累积速度,而高浓度的(a)日甲烷产量(b)沼气组成(c)H2S以及H2含量图1发酵过程中日甲烷产量、沼气组成、H2S和H2含量变化Fig.1Changes in daily CH4 production,distribution of biogas yield,variations of H2S and H2 content during fermentation process图2发酵过程中pH变化Fig.
17、2Change in pH during fermentation process图3发酵过程中COD去除率变化Fig.3Change in COD removal rate during fermentation process47第 49 卷 第 8 期水处理技术水处理技术VFA并不利于厌氧发酵的稳定运行10。在比例调整阶段,各个反应器中的VFAs含量随着MV比例的增加呈现下降趋势。在厌氧发酵过程中VFAs的组成如图4(b)所示。Fe的添加显著提高了发酵过程中乙酸的占比,乙酸是产甲烷菌产甲烷的主要底物,高乙酸含量更有利于甲烷的产生。而丙酸是有机物降解过程中生成的重要中间物,产甲烷菌及容受到
18、丙酸的抑制11。2.4细菌群落细菌群落为了揭示Fe/C对微生物群落的影响,采用高通量测序对厌氧消化过程中的微生物群落组成进行研究。不同反应器中sobs和shannon指数差异如图5(a)所示,Fe和 C的添加对细菌群落丰度的影响较小,而Fe的单独添加提高了细菌群落的多样性。这表明与其他组相比,Fe组中的底物能够被更多种类的水解菌和产酸菌快速降解,为产甲烷菌代谢提供更多更丰富的底物12。Fe和C的添加对反应器中细菌群落组成造成了较大影响(图5(b),而Fe/C=1 1和Fe/C=1 2群落组成差异较小。表明Fe与C的添加对群落造成的差异是不同的。图5(a)为不同反应器 中 门 水 平 上 的 组
19、 成,各 个 实 验 组 主 要 由Firmicutes、Patescibacteria、Bacteroidetes、Cloacimonetes、Synergistetes、Chloroflexi 组成,且在群落中占比均高于 90%。相比于对照组,实验组中Firmicutes、Chloroflexi 和 Euryarchaeota 的丰度得到了 提 高;降 低 了 Bacteroidetes、Patescibacteria、Cloacimonetes和Synergistetes的丰度。Cloacimonetes是一类丙酸、丁酸氧化菌 13,实验组中低的丙酸、丁酸含量导致了低丰度的Cloacim
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 活性碳 甘蔗 糖蜜 酒精 废水 加铁厌氧 消化 影响
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。