活性碳对甘蔗糖蜜酒精废水加铁厌氧消化的影响.pdf

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=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Methanosarcina；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、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-CAGCMGCCGCGGTAA-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，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，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.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 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Cloacimonetes。而Bacteroidetes、Synergistetes、Chloroflexi和Firmicutes厌氧发酵过程主要参与大分子有机物的降解，影响整个厌氧体系的发酵效率。而在20 g/L的铁似乎创造了极端环境，从而提高了Firmicute的丰度。（a）总VFA含量（b）总VFA组成图4总VFA含量以及其组成Fig.4Total VFA content and the composition（a）细菌多样性（c）门水平相对丰度堆叠图（b）非度量多维标度分析48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在添加Fe/C后，水解优势菌群呈现出由Bacteroidetes-Synergistetes 类群向 Firmicutes-Chloroflexi 类群的演替现象，这可能是造成实验组与 CK 组总 VFAs和各组分含量存在差异的主要原因之一。2.5古菌群落古菌群落各个反应器中古菌群落的sobs和shannon指数如图6（a）所示。Fe的添加了降低古菌群落的丰度以及多样性，通常在胁迫环境下，微生物群落会趋于简单。20 g/L的Fe对古菌群落也存在一定的抑制，但适量的C的添加能够缓解这种现象。图6（b）对古菌群落进行了NMDS分析，结果表明，Fe和C的添加对古菌造成的影响与细菌相似，Fe的添加使得古菌群落远离对照组，同时Fe与Fe/C组也存在一定差异。各 组 古 菌 群 落 的 差 异 主 要 体 现 在Euryarchaeota门中各属的丰度（图6（c），但各组古菌 属 组 成 相 似，主 要 为 Methanobacterium、Methanosarcina、Methanosaeta。Fe 的添加促进了Methanobacterium 的 生 长，其 相 对 丰 度 由 CK 的46.42%上升到57.71%，而适量活性炭的添加加剧了这一现象。当Fe/C=1 1时，Methanobacterium的相对丰度达到了 66.64%，其次为 Fe/C=1 2（62.63%）。但Fe的添加抑制了Methanosarcina的生长，其丰度由 21.14%（CK）降低至 18.85%（Fe），C 的添加促进了这一现象，Fe/C=1 1和Fe/C=1 2分别导致其丰度下降至15.37%和17.81%。据报道活性碳的添加能够提高 Methanobacterium和 Methanosarcina与其他细菌的协同作用，促进通过 DIET 产生甲烷14。Methanosaeta是一类乙酸盐氧化和乙酸型甲烷菌，同 时 也 能 够 参 与 厌 氧 消 化 中 的 DIET15。Methanosaeta的相对丰度在添加Fe后由7.77%（CK）上升到9.47%（Fe），但C的添加抑制了其相对丰度。虽然Fe/C的添加导致Methanosarcina和Methanosaeta相 对 丰 度 呈 现 下 降 趋 势，但 Methanobacterium-Methanosarcina-Methanosaeta这类参与DIET的甲烷菌类群的总相对丰度仍高于对照组。在本研究中，Fe的添加富集了Methanobacterium和Methanosarcina，但C的添加促进了Methanobacterium的富集效应，相（d）属水平热图图5细菌多样性、非度量多维标度分析、门水平相对丰度堆叠图及属水平热图Fig.5Bacterial diversity,non-metric multidimensional scale analysis,stacked maps of relative abundance at the phylum level,and genus-level heat map（a）古菌多样性（c）属水平相对丰度堆叠图图6古菌多样性、非度量多维标度分析和属水平相对丰度堆叠图Fig.6Archaea alpha diversity,non-metric multidimensional scale analysis,and genus-level relative abundance stacking map（b）古菌多样性49第 49 卷 第 8 期水处理技术水处理技术应的降低了Methanosarcina和Methanosaeta这类甲烷菌的相对丰度，C的添加可能对污泥古菌群落结构存在一定的选择性。3 结结 论论铁碳的添加对甲烷产率以及COD去除率无显著影响，但能够有效降低发酵体系中H2和H2S含量，当Fe C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。微生物菌群结果表明，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，同时改变了甲烷产生的主要途径。参考文献：1范艳霞,俸斌,杨霞,等.糖蜜酒精废水生物处理方法与研究进展J.水处理技术,2012,38(11):20-24.2FENG Q,ZHU G,WANG K,et al.Contribution analysis of different electron transfer pathways to methane production in anaerobic digestion coupled with bioelectrochemical systemJ.Science of The Total Environment,2022,849:157745.3AI Z,ZHENG S,LIU D,et al.Zero-valent iron is not always effective in enhancing anaerobic digestion performanceJ.Chemosphere,2022,306:135544.4沈欣军,邹成龙,孙美芳.铁碳微电解技术处理实际印染废水J.沈阳工业大学学报,2018,40(04):397-401.5贾艳萍,张真,佟泽为,等.铁碳微电解处理印染废水的效能及机理研究J.化工学报,2020,71(04):1791-1801.6LU F,JIANG Q,QIAN F,et al.Semi-continuous feeding combined with traditional domestication improved anaerobic performance during treatment of cassava stillageJ.Bioresource Technology,2019,291:121807.7PAEPATUNG N,SONGKASIRI W,YASUI H,et al.Enhancing methanogenesis in fed-batch anaerobic digestion of high-strength sulfate-rich wastewater using zero valent scrap ironJ.Journal of Environmental Chemical Engineering,2020,8(6):104508.8ZHANG J,ZHANG Y,QUAN X,et al.Bioaugmentation and functional partitioning in a zero valent iron-anaerobic reactor for sulfate-containing wastewater treatmentJ.Chemical Engineering Journal,2011,174(1):159-165.9ANTWI P,LI J,BOADI P O,et al.Dosing effect of zero valent iron(ZVI)on biomethanation and microbial community distribution as revealed by 16S rRNA high-throughput sequencingJ.International Biodeterioration&Biodegradation,2017,123:191-199.10 MEHARIYA S,PATEL A K,OBULISAMY P K,et al.Co-digestion of food waste and sewage sludge for methane production:Current status and perspective.J.Bioresource Technology,2018,265:519-531.11 HAN Y,GREEN H,TAO W.Reversibility of propionic acid inhibition to anaerobic digestion:Inhibition kinetics and microbial mechanism.J.Chemosphere,2020,255:126840.12 ZHENG Z,CAI Y,ZHANG Y,et al.The effects of C/N(10-25)on the relationship of substrates,metabolites,and 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Agro-bioresources,Guangxi Research Center for Microbial and Enzyme Engineering Technology,Nanning,530004;2.Guangxi Academy of Agricultural Sciences,530007:Nanning,China)Abstract:To investigate the effect of different Fe/C ratios on the anaerobic digestion of molasses vinasse,four types of additions(control group,Fe,Fe/C=1:1 and Fe/C=1:2)were performed for continuous anaerobic digestion.The results showed that the addition of Fe/C had no significant effect on the methane yield and COD removal rate,but significantly reduced the H2S and H2 contents,and increased the volatile fatty acid content and the percentage of acetic acid.When the Fe/C addition ratio was 1:1,the volatile fatty acid increased from 1 048.98 mg/L at 4 d to 6 477.63 mg/L at 36 d.Bacterial community analysis demonstrated that the addition of Fe/C led to a trend of conversion for the dominant hydrolytic flora from Bacteroidetes-Synergistetes taxa to Firmicutes-Chloroflexi taxa,which improved the reactor resistance.The addition of Fe enriched Archaeal Methanobacterium and Methanosarcina;the addition of Fe/C promoted the abundance of Methanobacterium,but reduced Methanosarcina and Methanosaeta.These changes in the methanogens resulted in a shift from the methyl pathway to the acetate and hydrotropic types.Keywords:anaerobic digestion;molasses vinasse;Fe/C50