厭氧消化穩(wěn)定性早期警示物的研究進展

厭氧消化穩(wěn)定性早期警示物的研究進展

厭氧反應是減少生物垃圾污染、恢復其內涵清潔能源的最佳技術方法之一。厭氧消化過程是在多種微生物的協(xié)同作用下,分階段、多個中間步驟有序進行的串聯(lián)代謝過程;只有厭氧系統(tǒng)內前后各階段存在的“底物與產(chǎn)物”代謝平衡依次有序地進行時,整個厭氧反應系統(tǒng)才可能穩(wěn)定運行。然而產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境最敏感、代謝速率最慢,產(chǎn)甲烷階段往往是厭氧消化系統(tǒng)的瓶頸。高負荷運行的生物質垃圾厭氧消化系統(tǒng),由于水解酸化與產(chǎn)甲烷兩階段不能較好地匹配,極易受到抑制,引起酸化產(chǎn)物積累,最終導致厭氧系統(tǒng)失穩(wěn)。但是通常情況下很難獲取工藝運行狀況的實時信息,目前還沒有一種公認的能夠反映系統(tǒng)代謝狀態(tài)、提前檢測到系統(tǒng)不穩(wěn)定的厭氧消化系統(tǒng)失穩(wěn)預警指標/體系,也沒有專門的設備來準確地提前指示厭氧消化系統(tǒng)的失穩(wěn)過程。pH值、堿度、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的濃度、沼氣產(chǎn)率以及沼氣成分等通常作為厭氧消化工藝運行控制的指示性參數(shù),但其有效的提前預警性不足,往往系統(tǒng)已經(jīng)失穩(wěn)上述指標才表現(xiàn)出稍許波動。筆者所在課題組在進行前期餐廚垃圾單相厭氧消化試驗時,由于僅監(jiān)測常規(guī)運行指標,有機負荷增至4.5kgVS/(m3·d)時突然出現(xiàn)了系統(tǒng)失穩(wěn)的現(xiàn)象,經(jīng)過近40d的調控才得以恢復。歐洲一些厭氧消化廠為避免工藝的失敗通常在低負荷下運行,但這樣會因較低的產(chǎn)氣率影響厭氧消化處理廠的經(jīng)濟效益。若能找到一個或一組能夠提前檢測到系統(tǒng)的不穩(wěn)定性,并能直接反映系統(tǒng)代謝狀態(tài)的指示性指標/體系,厭氧消化處理工藝則可以進行實時優(yōu)化調整,避免系統(tǒng)受抑制的產(chǎn)生,在較高負荷下穩(wěn)定運行。因而厭氧消化穩(wěn)定性早期警示物的研究受到世界各國研究者的廣泛關注,并開展了大量的研究?？偟膩砜?厭氧消化系統(tǒng)失穩(wěn)預警指標主要基于“中間代謝產(chǎn)物、關鍵代謝調控物以及厭氧系統(tǒng)內生物體的變化”等三方面的研究。1不同時期微生物菌群間的依賴關系厭氧消化過程一般包括水解、發(fā)酵產(chǎn)酸、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷等過程,不同代謝階段對應著不同的有效微生物菌群,各階段微生物菌群間存在著“產(chǎn)物—底物”的依賴關系。然而當各階段間的動態(tài)平衡關系被打破時,酸化產(chǎn)物(如VFAs、氨氮等)出現(xiàn)積累,各階段微生物菌群的結構及其活性就會受到影響,從而破壞厭氧系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1.1丙酸和脂肪酸對厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定性的基VFAs是厭氧代謝過程的重要中間產(chǎn)物,其累積反映了產(chǎn)酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群間的解耦聯(lián)作用。長期以來都是將系統(tǒng)中VFAs的濃度作為準確控制厭氧消化系統(tǒng)的重要參數(shù)之一,并開發(fā)了一系列VFAs的在線監(jiān)測技術。此外,反應器中各種VFA(乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸等)濃度與厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關系,也受到了國內外許多學者的關注。乙酸是有機廢物厭氧消化產(chǎn)沼氣過程中另一重要產(chǎn)物,是直接轉化為甲烷的重要前體。Zahller定義ACN(acetatecapacitynumber)為系統(tǒng)最大利用乙酸率與平均產(chǎn)乙酸率的比值,以此來反映厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Straub等運用ADM1模型模擬結果驗證了ACN指示厭氧系統(tǒng)的穩(wěn)定性。丙酸是厭氧生物處理過程中的一個重要中間產(chǎn)物。從熱力學角度同其他的中間產(chǎn)物(如丁酸、乙酸等)相比,丙酸向甲烷的轉化速率是最慢的,有時丙酸向甲烷的轉化過程限制了整個系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷速率。由于其代謝時間較長,丙酸對系統(tǒng)環(huán)境的變化具有高度的敏感性,丙酸濃度可較好地反映厭氧消化系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,因此丙酸濃度的增加通常作為系統(tǒng)失穩(wěn)的標志。Nielsen等利用在線揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)傳感器研究了生產(chǎn)性厭氧消化處理廠在穩(wěn)定和失穩(wěn)狀態(tài)下VFAs的動態(tài)變化,結果表明丙酸較乙酸濃度波動變化大,丙酸是系統(tǒng)失穩(wěn)最好的指示性指標,比甲烷產(chǎn)量提前12~18d指示出系統(tǒng)由于負荷增加而導致的失穩(wěn)。然而Pullammanappallil等通過加入苯酚造成系統(tǒng)中丙酸濃度增加,丙酸積累濃度最高至2750mg/L,同時pH值<6.5,在此條件下仍未觀察到丙酸對底物葡萄糖產(chǎn)甲烷的抑制作用?？梢?丙酸濃度的增加并不意味著厭氧消化系統(tǒng)的失衡,丙酸作為厭氧消化系統(tǒng)失穩(wěn)的指示性指標還有待從丙酸產(chǎn)生和積累的機理上進一步研究。長鏈脂肪酸(C4~C6)主要是脂肪的代謝產(chǎn)物,其降解會因乙酸和氫氣的積累而受到抑制,因此長鏈脂肪酸(C4~C6)也可以作為厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性的指示指標。Nielsen的研究表明LCFA可以作為受油酸抑制后系統(tǒng)恢復的指示性指標。Nakakubo等通過向連續(xù)流完全混合式豬糞厭氧反應器內添加NH4Cl研究了氨對產(chǎn)甲烷菌的抑制性和氨抑制工藝的指示性指標,結果表明乙酸和丙酸并不能很好地作為氨累積的指示性指標,但發(fā)現(xiàn)丁酸、異丁酸和戊酸的指示性較好;特別是異丁酸可以較早地指示氨抑制的發(fā)生。Hecht等研究了芳香化合物在餐廚垃圾厭氧產(chǎn)沼氣工藝中的累積效應,試驗探測到芳香化合物特別是苯乙酸比揮發(fā)性脂肪酸具有較好的系統(tǒng)失穩(wěn)指示性,且論證了芳族酸作為系統(tǒng)失敗預警指標的可行性。1.2系統(tǒng)酸緩沖能力對vfa的影響在厭氧消化過程中,丙酸通常代謝轉化為乙酸和氫氣。早在1982年Hill就提出丙酸/乙酸可作為厭氧消化系統(tǒng)的預警指標,并通過試驗得出一個穩(wěn)定的厭氧消化系統(tǒng)中丙酸/乙酸比值應低于1.4。鑒于丙酸與乙酸濃度之比與系統(tǒng)失衡之間的這種相關性,一些學者提出將丙酸與乙酸濃度之比作為衡量厭氧消化工藝異常狀況的指示性指標。對于像餐廚垃圾這類極易酸化的生物質垃圾單相厭氧消化系統(tǒng),較高有機負荷下產(chǎn)酸菌可在短時間內產(chǎn)生較多的VFA,當VFA產(chǎn)生量的增加速度超過了產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和H2的最大能力時,多余的VFA和H2開始累積,氫分壓增加,使系統(tǒng)對酸的緩沖能力下降,將進一步阻礙產(chǎn)甲烷菌代謝酸化產(chǎn)物的能力,導致VFA累積進一步惡化。同樣,系統(tǒng)對酸的緩沖能力降低也會影響產(chǎn)酸菌的活性,主要是影響產(chǎn)物的性質,即系統(tǒng)對酸的緩沖能力降低會增加較大分子質量的VFA產(chǎn)生(尤其是丙酸和丁酸),而乙酸產(chǎn)生量減少。從熱力學角度來看,同其他的中間產(chǎn)物(如丁酸、乙酸等)相比,丙酸向甲烷的轉化速率是最慢的,而且丙酸主要代謝方向是轉化為乙酸和H2,H2累積必然使得丙酸向乙酸和氫氣轉化的效率降低,因而引起丙酸的積累?？梢?極易酸化類生物質垃圾的單相厭氧消化過程不穩(wěn)定(酸化)時,乙酸產(chǎn)量降低而丙酸產(chǎn)量增加,若將丙酸/乙酸作為其厭氧消化系統(tǒng)的預警指標,不僅可直接反映VFA產(chǎn)生量的增加,而且間接指示了系統(tǒng)對酸的緩沖能力降低影響了產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)酸菌的活性。但是丙酸/乙酸對“餐廚垃圾”這種極易酸化的物料為代謝基質的厭氧消化系統(tǒng)失穩(wěn)的預警性、預警機制以及判定準則還有待研究完善。1.3生物處理系統(tǒng)的受氧能力基厭氧消化系統(tǒng)的不穩(wěn)定主要是由于VFA或者一些有毒物質的積累所致,最終體現(xiàn)在系統(tǒng)生態(tài)因子的變化上。儲備碳酸氫鹽堿度與總堿度的比值(BA/TA)、揮發(fā)性脂肪酸總濃度與儲備碳酸氫鹽堿度的比值(VFA/BA)均表征了引起系統(tǒng)pH值降低的化合物與保持堿度的化合物之間的比例,可以較好地反映厭氧消化系統(tǒng)承受酸化的能力。1992年Anderson等提出在厭氧反應器中進行兩階段堿度滴定法,同時測定碳酸氫鹽和總揮發(fā)性脂肪酸濃度。Hawkes等研制出在線測定碳酸氫鹽濃度的儀器,同時指出碳酸氫鹽堿度可以有效地監(jiān)控厭氧處理的不穩(wěn)定性,并能預警超負荷現(xiàn)象。LiuGuotao等以餐廚垃圾為消化底物,在中溫條件下進行實驗室規(guī)模的連續(xù)式單相厭氧消化系統(tǒng)試驗,通過深入分析表征系統(tǒng)酸堿抵抗能力各監(jiān)測指標的變化規(guī)律,提出綜合選取揮發(fā)性脂肪酸(VFA)測試絕對值、碳酸氫鹽堿度與總堿度的比值(BA/TA)和揮發(fā)性脂肪酸總濃度與碳酸氫鹽堿度的比值(VFA/BA),作為餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)酸化失穩(wěn)的判別指標。當VFA/BA>0.8、BA/TA<0.4或VFA測試絕對值超過3000mg/L時,認為系統(tǒng)緩沖能力極小,應及時采取措施控制系統(tǒng)酸化;而BA/TA≥(0.7~0.8)、VFA/BA<0.4時系統(tǒng)堿度較高,可以在較高負荷下運行以提高系統(tǒng)的產(chǎn)氣效率和經(jīng)濟效益。2有機物氧化的穩(wěn)定運行厭氧消化是微生物在厭氧條件下以有機物質作為電子供體和電子受體的生物學過程,在此過程中,水解酸化產(chǎn)物供應與產(chǎn)甲烷菌底物需求之間的平衡,對產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的活性以及整個厭氧系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行至關重要。厭氧環(huán)境中不具有以氧或硝酸鹽作電子受體的電子傳遞鏈,微生物的產(chǎn)能代謝過程僅依賴于底物水平磷酸化。因此,有機物氧化過程中輔酶NAD+或NADP+接受氫質子(同時接受電子)后,所形成的NADH或NADPH不能通過像好氧生物所具有電子傳遞系統(tǒng)得以氧化。在微生物體內NAD+(或NADP+)的量是有限的,若使代謝過程不斷進行下去,NADH(或NADPH)必須通過包括丙酮酸或由丙酮酸而產(chǎn)生的其他有機化合物的氧化還原機制來得以再生為NAD+或NADP+。由此可見,NADH/NAD+的氧化還原耦聯(lián)過程決定了厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.1u3000dv/nad+比率對發(fā)酵底物發(fā)酵的影響在厭氧消化過程中,各種復雜有機物經(jīng)水解產(chǎn)生可溶性有機物,然后由多種發(fā)酵性細菌通過各種代謝途徑發(fā)酵生成小分子的酸、醇、H2、CO2等,在厭氧消化反應器中終端產(chǎn)物的類型和自由能的產(chǎn)生與發(fā)酵作用產(chǎn)生的電子去向有關。發(fā)酵產(chǎn)生的電子可傳遞給多種受體,其中一個重要受體是NAD(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸)。在生物體內為使代謝得以繼續(xù)進行,必須保持一個比較穩(wěn)定的NAD+庫,這樣在NADH過剩時就會將電子交給質子而形成H2,使得后續(xù)生化反應有序進行。任南琪等指出微生物細胞中NADH/NAD+比率對底物的發(fā)酵類型影響較顯著。在較高的有機負荷條件下,丁酸型發(fā)酵(即產(chǎn)乙酸)代謝速率加快,這將伴隨著較高的H2和NADH產(chǎn)量,如果NADH不能及時地被細胞合成利用,則必須通過產(chǎn)丙酸途徑加以緩解NADH的積累,從而使NADH/NAD+比率維持在適宜的水平。任南琪等在試驗中發(fā)現(xiàn)沖擊負荷或超負荷會使發(fā)酵類型由丁酸型轉變?yōu)楸嵝?同時伴隨著較高的氫分壓。從生物學角度分析可知,酸化產(chǎn)物濃度的升高和H2的累積,最終導致系統(tǒng)的失穩(wěn)均是NADH產(chǎn)率較高(NADH與NAD+間轉化失衡)所致,NADH的產(chǎn)率和NADH/NAD+作為系統(tǒng)穩(wěn)定性的指示性指標應該更為直接、靈敏度更高。2.2h分壓與厭氧消化的關系H2是厭氧過程一個重要的中間代謝產(chǎn)物,是一關鍵的代謝調控物。在一個穩(wěn)定的厭氧系統(tǒng)生境中產(chǎn)氫細菌和耗氫細菌處于一個良好的平衡狀態(tài);一旦平衡被打破,將引起系統(tǒng)有機酸或醇類的積累,使厭氧消化過程受到抑制,可見氫有著某些可作為厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定性早期警示的特點。早在1970年Sykes就發(fā)現(xiàn)H2分壓與工藝運行的非穩(wěn)定性有關,H2積累的水平隨著負荷的不同而改變,并且在負荷開始沖擊的9~12h出現(xiàn)H2的積累。1985年Mosey的研究得出氫可以作為負荷大小的指示物來控制進水量,也可以作為毒性的早期警示物。徐向陽指出厭氧消化系統(tǒng)工藝運行的非穩(wěn)定性以及氧化H2的產(chǎn)甲烷菌的生理代謝受抑制等因素與H2分壓有密切關系,并在總結國內外H2分壓研究報道的基礎上,概括了H2分壓對厭氧消化過程的調控機理。任南琪等也認為氫分壓高在某些條件下可能會引起丙酸的產(chǎn)生,并導致積累,所以將氫分壓作為一種指示劑從而預示有機負荷過高和丙酸的積累是可行的。但是,McCarty等觀察到反應器中氫的衰減并確認所減少的氫量是轉向被還原的含碳原子較多的VFA和丙醇這樣的有機化合物,這一轉向限制了氫作為早期警示物的敏感性。3厭氧生物系統(tǒng)分析厭氧消化是由多種微生物協(xié)同作用的復雜生化過程,各類微生物間相互依賴又相互制約;在穩(wěn)定的厭氧消化系統(tǒng)中保持著其自然選擇的生態(tài)平衡。厭氧系統(tǒng)的不穩(wěn)定性應最先體現(xiàn)在其內微生物生態(tài)系統(tǒng)的變化上。然而,由于目前受厭氧生物監(jiān)測技術的限制,生物監(jiān)測的實效性較差,以生物體運行特性的監(jiān)測作為系統(tǒng)失穩(wěn)的早期預警的報道并不多見。3.1產(chǎn)甲烷菌的代謝特征處在整個厭氧系統(tǒng)食物鏈末端的產(chǎn)甲烷菌是厭氧消化過程中最重要的成員,其世代周期很長、生長緩慢、對環(huán)境條件的要求很高,對于生境微小的變化十分敏感,因而產(chǎn)甲烷菌的群落結構、數(shù)量、活性的變化可以作為厭氧系統(tǒng)穩(wěn)定性的指示性指標。產(chǎn)甲烷菌屬古細菌,其特有一些輔酶,如輔酶M(CoM)、F420、F430、二氧化碳還原因子(CDR)等,可以通過監(jiān)測這些輔酶的含量來間接表征產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量等,以指示系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于不同的產(chǎn)甲烷菌來說,M(CoM)、F420、F430輔酶的含量變化很大,不能準確地表征甲烷菌的活性,實際應用中與系統(tǒng)穩(wěn)定性的相關性較差。3.2發(fā)生細菌工程厭氧消化是一個相當復雜的微生物生化過程,微生物的代謝活動,無論是同化或異化作用,都要靠不同的酶促反應來完成。磷酸酯酶是水解基質上磷酸基團的酶,磷酸酯酶可能起到供給營養(yǎng)的作用,降解富含磷酸的生物分子(如磷酸、磷酸核苷、磷酸戊糖和磷酸乙糖等),使其利于細菌的同化;其活性與磷酸酶產(chǎn)生菌和產(chǎn)酸菌的數(shù)量有很好的相關性。國外從20世紀60年代開始就對厭氧污泥中磷酸酶活性進行了研究,試圖從中找出檢測厭氧發(fā)酵有機物能力和速率的指標,結果發(fā)現(xiàn)磷酸酯酶的活度水平比其他酶類高,并且也觀察到障礙性厭氧消化反應器中磷酸酶活性的波動。試驗證明,厭氧污泥中磷酸酯酶活性能指示出厭氧消化器承受有機負荷的能力,可以用來預示厭氧消化障礙的發(fā)生,也可用來判斷消化器的臨界負荷。鑒于可供檢測的胞外酶較少,而磷酸酯酶的活性又較其他酶類的活性水平高,所以磷酸酯酶是一個比較理想的檢測指標。但對于有機固體廢物為基質及在新一代高效厭氧反應器中磷酸酯酶的變化情況尚有待進一步試驗研究。3.3細菌多樣性變化近年來,隨著現(xiàn)代分子生物學技術的發(fā)展,厭氧反應器內微生物群落研究日臻完善,同樣也開展了微生物群落指示系統(tǒng)穩(wěn)定性的相關研究。CDelbes等利用非培養(yǎng)的方式——單鏈構象多態(tài)性檢測(SSCP)分析16SrDNA和16SrRNA擴增的產(chǎn)物,研究了乙酸積累造成系統(tǒng)失穩(wěn)前后細菌和古細菌種群的變化,結果表明一種螺旋菌和Synergistessp.的活性水平表現(xiàn)出了較大的波動;Clostridiumsp.伴隨著乙酸濃度的增加其數(shù)量和活性有短暫增加;同時代謝氫的產(chǎn)甲烷菌群逐漸轉型為代謝乙酸的產(chǎn)甲烷菌群。AurelioBriones等運用現(xiàn)代分子生物學工具研究了工業(yè)生產(chǎn)厭氧反應器內的微生物群落,結果表明其多樣性和動力學特性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性密切相關。Ramirez等通過IWA的厭氧消化模型(ADM1)開發(fā)了一種模擬穩(wěn)定和失穩(wěn)兩種狀態(tài)下調控厭氧消化系統(tǒng)微生物多樣性的方法;并明確指出在不久的將來應該把微生物多樣性作為厭氧消化系統(tǒng)運