餐厨垃圾厌氧消化起泡现象研究何琴

中国环境科学2017,37(3)：1040~1050ChinaEnvironmentalScience餐厨垃圾厌氧消化起泡现象研究何琴,李蕾,彭爽,赵小飞,瞿莉,王小铭,彭绪亚*(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045)摘要：以餐厨垃圾中温厌氧消化反应器为研究对象,考察泡沫事件对反应器性能如比沼气产率(SBP)、比甲烷产率(SMP)和挥发性固体(VS)去除率等的影响;并通过分析泡沫前、后系统稳定性参数如挥发性脂肪酸(VFAs)浓度、VFA/总碱度(TA)值和氨氮(TAN)浓度等的变化情况,以及泡沫前、后(包括泡沫层与液体层)的细菌群落结构变化,解析泡沫事件产生的可能原因.结果表明,稳定期的SBP、SMP和VS去除率分别为(0.950±0.104)m3/kgVS、(0.574±0.072)m3CH4/kgVS和(87.14±2.76)%,而泡沫事件显著影响了反应器效率(t检验,95%的置信区间),SBP、SMP和VS去除率分别降为(0.717±0.100)m3/kgVS、(0.432±0.070)m3CH4/kgVS和(84.24±4.44)%.泡沫发生前,系统内出现了VFAs快速积累现象,且易被产甲烷菌消耗的乙酸比例下降,而对泡沫趋势具有增强作用的丙酸比例上升.并且泡沫出现后丝状菌Longilineaarvoryzae和Levilinea,以及黏细菌Cytophagafermentans的条带强度明显增大,而丝状菌的丝状结构以及粘细菌产生的粘性物质对起泡有一定程度的贡献.综上,泡沫的产生可能是由系统内大量VFAs积累以及特定微生物大量繁殖的联合作用引起的.关键词：餐厨垃圾；厌氧消化；起泡现象；微生物中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)03-1040-11Foamingphenomenoninanaerobicdigestionsystemtreatingfoodwaste.HEQin,LILei,PENGShuang,ZHAOXiao-fei,QULi,WANGXiao-ming,PENGXu-ya*(KeyLaboratoryofThreeGorgesReservoirRegion’sEco-Environment,MinistryofEducation,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(3)：1040~1050Abstract：Aseriousfoamingincidentoccurredinamesophilicfoodwastedigester.Theeffectsoffoamingonreactorefficiencyparameterswereinvestigated,includingspecificbiogasproduction(SBP),specificmethaneproduction(SMP)andvolatilesolids(VS)removalrate.Thepossiblecausesoffoamingwereevaluatedaccordingtoaseriesofstabilityparametersincludingvolatilefattyacids(VFAs),theratioofVFAtototalalkalinity(VFA/TA)combinedwiththeammonianitrogenconcentration(TAN),aswellasthebacterialcommunitystructureinpre-andpost-foamingsystem.TheSBP,SMPandVSremovalrateduringthestablestagewere(0.950±0.104)m3/kgVS,(0.574±0.072)m3CH4/kgVSand(87.14±2.76)%,respectively.However,thoseparametersdecreasedto(0.717±0.100)m3/kgVS,(0.432±0.070)m3CH4/kgVSand(84.24±4.44)%withtheappearanceofthefoamingincident,whichindicatedthattheefficiencyofthedigesterhadbeensignificantlyinfluencedbythefoamingincident.Priortothefoaming,thereappearedtobearapidaccumulationofVFAsalongwithareductionintheproportionofaceticacidinVFAs.Thepropionicacid,whichisbelievedtoplayamajorroleinenhancingthefoamingtendency,increasedinitsproportioninVFAsaswell.ThefilamentousbacteriaLongilineaarvoryzae,LevilineaandthemyxobacteriumCytophagafermentanshadstrongerbandintensitiesafterfoaming.Theirfilamentousstructureormucilagecanbeasignificantcontributortotheinitiationoffoamingtosomeextent.Inconclusion,foamingmaybecausedbythecombinationofVFAsaccumulationandtheproliferationofspecificbacteria.Keywords：foodwaste；anaerobicdigestion；foamingphenomenon；microorganism餐厨垃圾具有高有机质含量、高含水率及低热值的特性,相比于常规的固体废物处理方法如焚烧和填埋,常选择厌氧消化技术处理餐厨垃圾并回收能源——沼气[1].然而,泡沫问题是困扰厌氧消化系统稳定运行的一大难题[2-3].过去大量收稿日期：2016-08-02基金项目：国家“十一五”科技支撑计划资助项目(2010BAC67B01)*责任作者,教授,[e-mail]3期何琴等：餐厨垃圾厌氧消化起泡现象研究1041的研究者指出不适当的运行条件如超负荷、搅拌不当等会引起泡沫[2];也有不少研究者表明表面活性物质如蛋白质、脂质、VFAs等的积累,会减小表面张力,从而强化泡沫潜能[4].近年来也有研究者转向分析关键微生物的影响,以期寻找泡沫产生的根本原因.如研究者[5-7]发现污泥厌氧消化反应器起泡后大量的Gordonia或Microthrix出现,并指出这两种丝状菌是诱导泡沫形成的主要原因.Kougias等[8]研究了经受泡沫事件的粪便消化反应器中微生物群落结构变化,却发现除了常见的泡沫特征细菌Nocardia和Desulfotomaculum以外,可产生生物表面活性剂的Lactobacillus和Bacillus以及可减小溶液表面张力的Micrococcus和Streptococcus等的相对丰度在泡沫后显著升高.然而,现有研究大多都专注于活性污泥系统,或污水污泥、粪便厌氧消化系统的泡沫研究.餐厨垃圾厌氧消化系统也极易出现起泡现象[9].但目前,研究者大多只报导了起泡现象的存在,起泡原因及对反应器性能及微生物群落的影响还鲜有进一步的研究.本研究针对餐厨垃圾厌氧消化反应器的泡沫事件,根据所监测的理化指标,评估泡沫事件对反应器性能的影响;结合稳定性参数的分析,同时采用PCR-DGGE技术对比分析泡沫前、泡沫期(包括泡沫层与液体层)的细菌群落,以期寻找餐厨垃圾厌氧消化反应器中可能的起泡因子.1材料与方法1.1消化底物和接种污泥消化底物为取自重庆大学某学生食堂的餐厨垃圾.在取样前,估算运行30d所需的餐厨垃圾量,按照估算量分3份连续3d同一时间同一地点进行取样,将取得的3份餐厨垃圾在大容器中混合均匀.人工去除骨头、塑料袋和纸巾等杂质,用粉碎机制浆并混合均匀,过10目筛,保证其粒径≤2mm.采用四分法取样测定理化性质,剩余餐厨垃圾用2L的容器分装并密封,于-18℃条件冷冻保存,使用前1d于4℃解冻.反应器运行期间共取餐厨垃圾4次,每次取回后均测定餐厨垃圾理化性质,4次测定结果相差不大,情况如下:pH值为(6.31±0.21),总固体含量(TS)为(28.20±3.41)%,挥发性固体含量(VS)为(26.61±3.25)%,VS/TS为(93.61±1.54)%,碳氮比(C/N)为(14.73±0.34).接种污泥取自重庆市白市驿某户农家沼气池的室温消化污泥.该消化污泥在接种前过10目筛,去除其中的大颗粒混杂物;并在(37±1)℃预孵化2周,以去除其中残留的原有机消化底物.接种污泥pH值为(7.35±0.13),TS为(8.28±0.63)%,VS为(5.54±0.38)%,VS/TS为(67.05±2.62)%,C/N为(10.06±0.43).1.2反应器及运行试验在全自动的完全搅拌釜式反应器(CSTR)中进行,反应器总容积50L,工作容积30L.搅拌转速90r/min,采用间歇搅拌方式,搅拌时间3h,间歇时间3h.通过与循环加热水箱相连的容器夹套维持消化污泥温度为(37±1)℃.一次性向反应器内投加30L经预孵化后的接种污泥,采用每天进、出料一次的半连续方式运行.反应器运行阶段划分为:驯化期(1~14d)、稳定期(15~70d)、扰动期(71~86d)、泡沫期(87~129d)和恢复期(130~138d).驯化期和稳定期的运行有机负荷(OLR)均为3.0kgVS/(m3·d).扰动期内,实验楼分别在反应器运行的第71d、72d和75d发生了事故停电事件,时长分别为7h、10h和10h,造成反应器温度波动(污泥温度从设定的(37±1)℃降至(30±1)℃)和搅拌中断.该事件发生后反应器内液面出现了少量的泡沫.为了观察泡沫对系统性能及稳定性的影响,在第83d将OLR提升为4.0kgVS/(m3·d)以强化起泡现象.运行第87d反应器内出现了密集而稳定的泡沫,并持续了43d.泡沫期间每日记录反应器内所形成泡沫的体积,然后通过加强搅拌和多次从进料口手动回流消化液消除当天形成的泡沫.泡沫中后期和恢复期为了消泡并恢复系统正常运行,采用了降低进料负荷为2.0kgVS/m3且进料间隔延长为2d的策略.1.3物化参数分析pH值、产气量和气体成分(CH4和CO2)通过在线监测.在每日进料前取80mL污泥用于其他物化参数的测定.TS、VS采用烘干法测定;总碱1042中国环境科学37卷度(TA)和总挥发性脂肪酸(TVFA)浓度采用滴定法测定;总氨氮(TAN)采用标准方法[10]测定;C/N采用元素分析仪测定(ElementarVarioELⅢ元素分析仪,德国).VFAs(如乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和异戊酸)采用气相色谱法测定:气相色谱仪(Agilent7890AGC,Agilent,美国),FID检测器,载气为N2,DB-FFAP毛细管柱(30m×0.25mmI.D.,膜厚0.5μm),进样器和检测器温度分别为250和275℃,毛细管柱升温程序:80℃维持2min,然后以10℃/min的速率升温至200℃,并在200℃维持2min.每个指标测定设3个平行样,结果取平均值.1.4DNA提取和PCR-DGGE为了考察泡沫前后微生物群落变化情况,寻找反应系统中的泡沫特征微生物,分别对稳定期、泡沫初期(上层泡沫和下层污泥)、泡沫中期和末期及恢复期的反应器取样进行微生物分析(对应编号1#~6#),取样后立即于-80℃冻存,直至DNA提取处理.采用试剂盒E