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【摘要】：污水處理產(chǎn)業(yè)面對著“節(jié)能降碳”的技術(shù)需求,亟待開發(fā)一系列新型低能耗的污水處理工藝系統(tǒng)。在這些工藝系統(tǒng)中,厭氧產(chǎn)甲烷是實現(xiàn)污水能源回收的重要技術(shù)手段之一,通過從原污水或污水處理伴生物(污泥)中回收甲烷,轉(zhuǎn)化為熱能或電能并供給其他處理工段,將可能實現(xiàn)整個處理工藝的低碳節(jié)能。但是現(xiàn)有厭氧產(chǎn)甲烷技術(shù)普遍存在著低濃度低溫條件下效能下降、對抑制因素敏感、啟動周期較長等技術(shù)瓶頸,而造成問題的核心因素在于產(chǎn)甲烷功能菌群對環(huán)境因素敏感度高酒精檢測儀,在不利環(huán)境條件(如低進水濃度、低溫、存在抑制因子)下生長代謝速率緩慢,難以富集。在厭氧消化系統(tǒng)中“引入微生物電化學(xué)系統(tǒng)”和“引入導(dǎo)電材料”是兩種對厭氧微生物群落(特別是產(chǎn)甲烷菌群)可產(chǎn)生影響的工藝強化方法。本文將就這兩種強化方法對厭氧微生物群落結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)甲烷菌群富集過程的影響展開分析,并在此基礎(chǔ)上,將兩種方法應(yīng)用于現(xiàn)有厭氧生物處理技術(shù),提高其產(chǎn)甲烷效能,實現(xiàn)污水能源回收的強化。首先,分別在閉路條件(RCC)和開路條件(ROC)下啟動了兩組單極室微生物電解電池(ETrobial electrolysis cell,MEC)反應(yīng)器,用以模擬有(無)微生物電化學(xué)反應(yīng)影響的厭氧消化體系。

結(jié)果發(fā)現(xiàn),與ROC相比,RCC的化學(xué)需氧量(CheETal oxygen demand,COD)去除率和產(chǎn)甲烷速率分別提高了38%和1.4倍。利用動力學(xué)模擬工具追蹤功能菌群在電極表面的富集過程氫氣報警器,發(fā)現(xiàn)引入微生物電化學(xué)反應(yīng)可以限制發(fā)酵產(chǎn)酸菌群對載體空間的競爭并定向富集嗜氫型產(chǎn)甲烷菌群和電化學(xué)活性菌群。通過對啟動后的ROC和RCC體系建立了厭氧消化過程的電子平衡分析發(fā)現(xiàn)甲烷,引入微生物電化學(xué)反應(yīng)可以影響發(fā)酵產(chǎn)物組成比例,導(dǎo)致流向乙酸和氫氣的電子比例由54%提高至72%,而滯留在丙酸和丁酸中的電子比例由36%降低至18%;此外,微生物電解過程致使約16%的電子由乙酸轉(zhuǎn)移至氫氣,并進而在嗜氫產(chǎn)甲烷菌作用下生成甲烷,這促使體系的產(chǎn)甲烷效能得到了顯著提高。其次甲烷,考察了施加外電壓和添加偶氮染料酸性橙(Acid orange 7,AO7)這兩種操作條件對含有導(dǎo)電載體的厭氧生物膜體系在微生物群落結(jié)構(gòu)和產(chǎn)甲烷效能方面的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用導(dǎo)電石墨顆粒載體可以誘導(dǎo)產(chǎn)甲烷菌與胞外電子傳遞菌之間直接種間電子傳遞(Direct interspecies electron transfer,DIET)過程的形成。在HRT為6 h條件下,與不導(dǎo)電載體相比,采用導(dǎo)電載體的體系中生物質(zhì)產(chǎn)甲烷活性提高了8.3倍,產(chǎn)甲烷速率提高了3.8倍。

在采用導(dǎo)電載體的基礎(chǔ)上進一步施加外電壓,會顯著影響產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu),而添加AO7則顯著影響細菌群落結(jié)構(gòu),富集多種具有胞外電子傳遞功能的菌屬,兩種條件都可以對產(chǎn)甲烷效能產(chǎn)生一定促進作用。同時施加兩種操作條件,則會形成協(xié)同作用,篩選富集脫硫球莖菌屬(Desulfobulbus),腸球菌屬(Enterococcus),產(chǎn)甲烷八疊球菌(Methanosarcina),脫硫單胞菌屬(Desulfuromonas)等與DIET型產(chǎn)甲烷過程相關(guān)的功能菌屬,強化體系的產(chǎn)甲烷效能,與無AO7和外電壓的對照組相比,其生物質(zhì)的產(chǎn)甲烷活性提高了1.5倍,而體系產(chǎn)甲烷速率提高了1.4倍。最后,將微生物電解電池與厭氧升流式污泥床(Up-flow anaerobic sludge bed,UASB)工藝相結(jié)合,構(gòu)建了UASB-MEC耦合反應(yīng)器,并對微生物電化學(xué)單元的關(guān)鍵工藝參數(shù)和電極與厭氧污泥的耦合方式開展了優(yōu)化研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)增大陰陽極的尺寸比例、施加0.9 V外電壓以及采用金屬鎳網(wǎng)作為陰極三種操作條件可以顯著提高微生物電化學(xué)單元的電化學(xué)性能和產(chǎn)甲烷效能,而電極處于污泥床層上方(水相中)的反應(yīng)器構(gòu)型更具優(yōu)勢性。利用優(yōu)化后的UASB-MEC耦合反應(yīng)器處理剩余污泥產(chǎn)酸發(fā)酵液,結(jié)果與無電化學(xué)單元的對照UASB反應(yīng)器相比,其甲烷速率和甲烷產(chǎn)率分別提高了53%和86%,啟動周期由45天縮短至22天。

將普通厭氧生物濾池反應(yīng)器中的填料替換為導(dǎo)電石墨顆粒,并在啟動階段施加外電壓和AO7刺激,構(gòu)建了改良型厭氧生物濾池工藝。該工藝處理模擬污水時甲烷,在水力停留時間(Hydraulic retention time,HRT)為4 h條件下,產(chǎn)甲烷速率和甲烷產(chǎn)率分別達到了0.2 m3/(m3·d)和0.13 m3/kg COD。當(dāng)?shù)孜锴袚Q為生活污水后,工藝平均產(chǎn)甲烷速率和甲烷產(chǎn)率分別為0.04 m3/(m3·d)和0.06 m3/kg COD,與普通厭氧生物濾池相比,分別提高了42倍和13倍。實驗結(jié)果證明了通過“引入微生物電化學(xué)系統(tǒng)”和“引入導(dǎo)電材料”這兩種方法強化厭氧產(chǎn)甲烷效能的應(yīng)用可行性,為實現(xiàn)污水的能源回收提供了新的技術(shù)思路。

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