的生物产量和性能特点Hydrogen-Producing产乙酸菌通过增加正常糖蜜废水在厌氧比例困惑反应堆

文摘

的生物生产效率和性能hydrogen-producing产乙酸菌在四室厌氧困惑反应堆(ABR)研究了逐渐增加的影响正常糖蜜废水(NMWW)比例。入渗NMWW比例增加到55%时,ABR在63天内可以开发与产甲烷微生物群落功能,达到一个稳定的操作。当入渗NMWW比例增加到80%,达到稳定状态,建立了乙醇发酵的丁酸发酵前三个隔间,而第四室丁酸发酵得到加强。平均生物生产产量和生物生产能力的COD去除率高达12.85升/天增加到360.22 L /公斤鳕鱼当入渗NMWW比例从55%上升到80%,分别。尽管沼气产量和特定的沼气产量达到61.54升/天,232 L /公斤MLVSS·天,生物生产产量和特定的生物产量只有12.85 L L /公斤/天48 MLVSS·天,导致氢消耗homoacetogenesis和甲烷生成。

1。介绍

大量的高强度有机废水被排入水生系统处理性能较差,导致严重的水污染,破坏生态环境,对环境和人类健康构成威胁1]。鉴于消除有机废水污染的日益增长的需求,最终目标是实现废物最少化和清洁生产2]。生物发酵生产的可以利用hydrogen-producing微生物代谢有机物在厌氧条件和生产氢酸性环境(3]。目前,生物生产的基本原理主要是基于hydrogen-producing引起酸化的发酵的细菌(4]。终端液体发酵的产物是乙醇,乙酸,丙酸,丁酸5]。鉴于降解溶性产品有限,大多数氢不是H的形式发布₂,这大大限制了氢转化率和成为一个技术瓶颈限制生物制氢技术的发展和应用通过发酵6- - - - - -8]。

正常的糖蜜废水(NMWW)是一种重要的副产品甜菜糖和甘蔗工厂(9],糖蜜废水含有大量的高强度化学需氧量(COD)在80000 - 130000 mg / L产生并逐渐成为食品工业废水污染最严重的。然而,NMWW是一个很好的底物发酵生物制生产,因为它包含大量的蔗糖、葡萄糖、果糖、氮、和维生素(10]。上流式厌氧污泥层反应器(11),可以恢复能量的形式通过NMWW甲烷治疗过程中,利用了NMWW治疗。然而,高有机负荷废水、高沼气流量往往导致生物量损失(12]。

厌氧困惑反应堆(ABR)的原则是建立一系列垂直挡板反应器;因此,废水可以引入上下沿挡板上,然后通过每个舱的污泥床(13]。的操作流程路径上类似于活塞流过程,这礼物提供上下挡板组成一个隔间(14]。这种过程可以连接和有效分离微生物产甲烷和引起酸化的阶段(15];因此,两相发酵可以建立在一个反应堆。Suaisom et al。16]发现,有机负荷的增加速率消除了产甲烷菌,随后降低甲烷生产。Nachaiyasit和斯塔基17]研究了低温对ABR的性能的影响,发现温度没有明显中有机负荷条件下对COD去除率的影响。然而,当温度进一步降低到15°C, ABR的性能显著下降;可能的原因可能是由于生物活性的抑制,显著增加了一半饱和降解挥发性脂肪酸(vfa)的常数。

本研究旨在提高治疗效率NMWW从宏观的角度利用生物相分离的特点,提高微生物的活性hydrogen-producing产乙酸菌。基于良好的分离上的微生物群落,本研究想要探讨的组合发酵细菌和hydrogen-producing产乙酸菌通过ABR的启动。生物生产方法的基础上,增加了NMWW比例(COD)增加了从NMWW提供大量的生物生产。

2。材料和方法

2.1。NMWW和接种污泥

NMWW,初始pH值从5.3到5.8,从甜菜获得工厂,少量的尿素和K₂HPO₄被添加到规范COD / N / P比值200 - 500:5:1。从当地获得接种好氧活性污泥是污水处理厂(哈尔滨,中国)和厌氧活性污泥(AnAS)收集啤酒厂的啤酒。阿拉斯最初过滤和清洗去除无机粒子。第一和第四隔间注射有氧和厌氧污泥,分别。隔间2和3是接种好氧活性污泥和轶事混合的比例2.5:1和1:2.5 ( ),分别和初始混合酒挥发性悬浮固体(MLVSS)在每个间隔是6.9,14.8,23.1,和22.7 g / L。

2.2。上设置

一个四室ABR总量为28.75 L是采用实验(图1)。每个车厢都有平等的大小,向下流和上升气流的2.5厘米,宽11.5厘米,分别。NMWW被介绍给上升气流室的底部最后排水通过导流板的倾角45°的向下流。抽样每个舱的港口都被安排到不同的高度,和一个污水管设置在顶部与水密封。密封的水瓶和湿式气体流量计满心盐酸(pH值3),以防止气体溶解,和ABR温度维持在 。在ABR水力停留时间是24小时,和初始入渗NMWW比例为30%。表1列出了ABR的初创阶段和主要操作参数。

2.3。分析方法

鳕鱼、pH值、碱度(alaska airlines, CaCO₃),混合酒挥发性悬浮固体(MLVSS)定期由标准方法(APHA [18])。阿拉斯的形态是由扫描电子显微镜观察(地产- 5610)。沼气生产在每个隔间被湿式气体流量计测量,和发酵沼气,VFA,通过气相色谱法测定乙醇成分和内容(gc - 122和4890 g) (8]。

3所示。结果

3.1。阿拉斯生物量和形态

每个舱的生物量呈现下降的趋势,达到最低的值在62天,MLVSS值为9.5,12.9,17.0,和14.8 g / L,分别(图2)。然后,生物量逐渐增加和保持稳定的操作上。在第二阶段中,ABR系统达到稳态101天,和各自的生物量在每个舱稳定在13.5,11.0,12.5,和10.4 g / L。NMWW比例增加到80%在第三阶段,操作上实现稳定状态在127年的一天,和MLVSS下降到8.0,8.5,12.1,和9.9 g / L。

NMWW比例增加的阶段,阿拉斯的明显特征在每个隔间没有改变。然而,在每个舱内部形态发生明显变化。

如图3室1中的轶事是附着在灯丝,主要是由微生物杆菌和球菌。室2中的优势种主要是杆菌,大量的丝状细菌观察。杆菌室3中是普遍的,大量的枯草芽孢和一些球菌观察舱4。

如图4微生物的形态学的四个隔间改变在第二阶段中,球菌室1中逐渐消失,长杆菌成为流行。与I期相比,枯草芽孢室2减少。室3中仍占主导地位的细菌杆菌,长杆菌的数量增加。室4中的轶事的杆菌和的数量球菌显著增加。

如图5微生物的形态在四个隔间显著改变NMWW比例增加到80%。室的主要微生物群落杆菌,物种丰富。与阶段I和II相比,球菌开始出现在室2。短杆菌室3中逐渐消失,而球菌增加与ABR操作。额外的球菌被观察到在车厢4,丰满的细胞的数量明显减少。这个结果可能是由于有机物质的损耗在1 - 3的小隔间里。物质的缺乏最终导致微生物活性下降。pH值的差异和碱度在每个隔间还提供了稳定的微生物群落的形成的基础。

3.2。沼气生产

的启动和操作上,沼气波动被发现在每个舱前40天。经过50天的操作,沼气产量显示稳定上升趋势,从64 - 73天保持稳定。考虑到影响NMWW比例的55%和80%,沼气产量波动在第二和第三阶段的初期,和操作的稳定状态是恢复天108 - 117(第二阶段)和天130 - 139(第三阶段)。在稳定时期三个阶段,室1中的沼气生产速度是19.32,35.43和31.16 L /天(图6),氢含量维持在13.6%,27.1%,和31.9%,分别为(图7)。室1中的最大沼气生产速率发生在II期但在第三阶段减少,在隔间和沼气生产率2 - 4显示逐步增加NMWW比例增加。从阶段我三世,室2中的沼气生产速度是10.79,15.07,和15.88 L /天,和氢含量分别为2.5%,2.6%,和15%,分别。室3中的沼气生产率分别为0.08,9.12,和13.18 L /天,氢含量分别为1.4%,0.9%,0.7%,4室,分别。

在舞台上我,平均CH₄内容在每个隔间是9.9%,30.1%,33.2%和38.2%(图7),均呈增长趋势的过程,而相应的公司₂内容显示一个下降的趋势。然而,随着NMWW比例的增加,CH的变化₄和有限公司₂室1中显示不同的属性内容到其他车厢。在第二阶段,CH₄内容在室1显著降低到0.9%,少量的CH₄在第三阶段检测。因此,产甲烷活性AnAS完全被抑制。产甲烷活性的言论集隔间2 - 4在II期增强。CH的₄隔间2 - 4内容增加到36.7%,47.5%,和51.7%,有限公司₂内容的58.8%、29.9%和32.0%,分别为(图7)。第三阶段(8000 mg / L)鳕鱼,阿拉斯的产甲烷活性隔间2 - 4与不同程度抑制。隔间2 - 4的甲烷比例下降到13.6%,33.8%,和43.1%,分别,这可能是由于增加的终端酸性产品,抑制产甲烷菌的生物活性较低pH值条件。平均生物生产能力与NMWW比例增加。生物生产在隔间2 - 4分别为2.92,10.17,和12.85升/天,分别。室1中的生物产量是相当高的,这是最重要的在ABR发酵生物制生产室。

3.3。可溶性发酵产品

可溶性发酵产品的变化表现出类似的趋势随着沼气生产。在每个阶段的初期,总浓度和组件振荡变化,然后逐渐稳定。在第一个稳定状态(64 - 73天),主要的可溶性发酵产品在每个隔间是乙酸和丁酸(图8)。总乙酸和丁酸含量达到62%,72.8%,73.6%,73.5%,丁酸发酵。

在稳定时期阶段二世(108 - 117天),室1中的可溶性发酵产品转化为乙醇和乙酸,占77.2%的总浓度和ethanol-type发酵。室2中的ethanol-acetic酸比例为72.9%(图8 (b)),AnAS展出ethanol-type发酵的发酵特性。室3中的乙酸含量占总浓度的59.5%,乙醇,丙酸,丁酸含量分别为8.5%,10.9%和18.2%(图8 (c)),分别。这个结果表明建立的混合发酵特性。室4中的丁酸含量显著高于丙酸、乙酸和丁酸的内容占82.8%(图8 (d))的总浓度,显示丁酸性发酵。

Ethanol-type发酵室1加强稳定周期的第三阶段(天,130 - 139年),和ethanol-acetic酸比例增加到85.3%。在这个过程中甲烷没有检测到。因此,有效地抑制了舱1中的产烷生物的活动。虽然在ethanol-type发酵室2保持,乙酸含量从44.7%下降到31.3%(图8 (b))。这一结果表明,甲烷生产通过醋酸增强。室3中的乙醇含量增加到33.2%,而乙酸和丁酸含量下降到42.5%和16%,分别。乙醇和乙酸的内容占75.7%,显示ethanol-type发酵财产。室4,虽然乙醇含量显著增加从3.5%到10.1%在第二阶段中,这是远远低于丁酸。因此,发酵特性还是丁酸性发酵。

NMWW比例的增加,上的总浓度均呈增长趋势。在三个稳定阶段,平均入渗鳕科鱼是5967,6872,和8084 mg / L,和总废水的浓度是4264年,4578年,4948 mg / L。终端的积累酸性产品在ABR pH值降低,进一步抑制产甲烷菌的微生物活动。乙醇和vfa的生产和积累有机物降解表明NMWW是不完整的,这可能会直接影响在ABR COD的去除效率。

3.4。上运行特点

3.4.1。pH值和碱度

大量的浓度是由于AnAS发酵,导致相对较低的pH值上的四个隔间。平均pH值和碱度5.2和1348 mg / L,分别(图9),室1中的pH值是最高的。每个舱的碱度与NMWW比例也有所增加。在II期(天74 - 88),室2中的pH值增加,而室1中的碱度不断下降。从101年到117年,天室2中的pH值是最高的,隔间1和2的pH值的变化是相似的,在隔间和pH值(图3和4是稳定9(一个))。NMWW比例的增加,pH值在室1迅速下降至4.6,和室2中的pH值仍然是最高的。从129年的一天,pH值在每个舱开始增加,和室3中的pH值接近室2。在第三阶段,影响碱性逐渐增加,在隔间(图1和图2减少碱度9 (b))。

ABR的pH值主要取决于vfa和碱度的内容,和碱度的变化本质上是基于公司的相对平衡₃²⁻和HCO₃⁻浓度。当ABR的pH值< 5.0,主要由HCO碱度₃⁻。HCO的消费₃⁻可以降低碱度和pH时残留的浓度增加。的HCO₃⁻内容高度相关的公司₂在ABR生产,生产有限公司₂浓度小的开始阶段。因此,HCO相对较低₃⁻降低pH值和碱度(图9)。然而,沼气生产和每个隔间VFA浓度迅速增加后17天,表明AnAS适应新环境;因此,额外的股份有限公司₂是生产。随着碱度的增加,缓冲能力上的改进,和pH值变得越来越稳定。室1中的pH值是在启动过程中最低的ABR(天0-27)由于高VFA入渗碱度的生产和消费。NMWW比例的增加,碱性积累;然而,产生更多的浓度和pH值在2 - 4保持稳定在5.1的小隔间里。

3.4.2。COD去除率

ABR操作阶段,每个隔间的废水COD呈现波动性质。尽管废水COD,呈下降趋势鳕鱼在每个室很小的差异。24天,流入的鳕鱼是4047 mg / L,隔间的废水鳕科鱼1 - 4是3780,3586,3388,3218 mg / L(图10),分别。COD平均去除率为15.1%。COD去除率逐渐增加,达到一个稳定水平后43天,和四个隔间的平均废水是5056年,4872年,4353年和4192 mg / L。COD去除主要发生在隔间1 - 3,至少在室4。在第二阶段中,影响鳕鱼增加到约7000 mg / L,和COD去除率迅速下降到14.7%。ABR业务,COD去除率逐渐增加到24.0%。影响鳕鱼增加到约8000 mg / L在第三阶段,和COD去除率迅速下降到15.0%,而COD去除率逐渐增加到17.2%,123天后保持稳定。

4所示。讨论

4.1。生物发酵生产活动和类型

pH值是一个重要的生态因子影响的体内酸性物质的产生、类型和pH值的变化不仅影响生物生产,但也会导致微生物群落结构的变化(19]。在ABR生物生产系统中,大量的vfa的酸化和发酵生产微生物,导致低pH值在每个隔间,和pH值变化在4.5到-5.4之间。稳定阶段期间,我室1的平均pH值和碱度值分别为5.2和1348 mg / L(图9),分别和轶事的代谢特点是丁酸发酵。各自的pH值和碱度下降到低于5.0和875 mg / L在第二和第三阶段的稳定时间,从丁酸发酵和发酵类型转换到ethanol-type发酵。室2中的pH值和碱度是明显不同的。然而,发酵类型略有改变,因为大量的副产品从舱1。介绍了室3中的代谢特征的变化是明显的典型。NMWW比例的增加,pH值和碱度逐渐从5.0和1493 mg / L增加到5.3和1785 mg / L(图9)。代谢特点从丁酸发酵转化为混合发酵,最后形成乙醇发酵。在室4中,鉴于在隔间缓冲效果的积极影响1 - 3,pH值的变化和碱度略小(5.0和1514 - 1784 mg / L),和代谢特征保持丁酸发酵。

COD去除主要是通过产甲烷的产甲烷菌群20.]。然而,ABR系统特点是引起酸化的发酵菌群,COD去除率相对较低性能由于产甲烷菌的生物活性8]。鳕鱼也可以有效地去除由微生物合成和释放有限公司₂和H₂。因此,额外的vfa仍然和COD去除效率低。如图10通过每一个隔间,废水COD减少;然而,总COD去除率利率只有37.6%,21.4%,和15.4%的稳定周期阶段》,与相应的生物生产能力,COD去除率为45.29,241.04,和360.22 L /公斤鳕鱼。与增加NMWW比例(80%),生物产量显著提高(数据6和7)。可溶性终端产品的四个隔间是由乙酸和丁酸,和平均COD去除率为37.6%。平均生物生产3.2 L /天,和特定的生物产量,COD去除率为45.29 L /公斤鳕鱼。当入渗NMWW比例增加到80% (8000 mg / L)的鳕鱼,前三个隔间显示ethanol-type发酵,而丁酸发酵室4中得到加强。COD平均去除率降低到15.4%,COD去除率的平均生物和生物生产能力增加到12.85 L / L /公斤360.22天,鳕鱼,分别。

最初的微生物(MLVSS)车厢1 - 4分别为6.9,14.8,23.1,和22.7 g / L(图2),分别。与ABR操作,室1中的生物量增加到9.5 g / L的第一个稳定状态阶段我(66天),而生物质在隔间2 - 4显著降低到12.9,17.0,和14.8 g / L,分别。室1中的生物量增加到11.5 g / L在稳定时期阶段II(112天),而生物质在2 - 4不断减少的小隔间里。在第三阶段,生物量在隔间2 - 4分别为8.0,8.7,11.0,和9.3 g / L。阿拉斯的生物活性是进一步加强高影响鳕鱼,沼气产量显著增加,导致隆起和损失的轶事在每个隔间。轶事的微生物活动在每个隔间不断改进NMWW比例的增加,和特定的生物生产率分别为41.52,123.55,和217.5 L /公斤MLVSS阶段》,分别。

4.2。生物上的生产效率

尽管隔间2 - 4的生物量逐渐减少,沼气和生物产量率表现出上升趋势。稳定时期的阶段》,室2中的特定的沼气生产速度是116年,205年和254年L /公斤MLVSS·天,而在室3 101,111,和167 L /公斤MLVSS·天与室4 80年,194年和232年L /公斤MLVSS·天,分别。每节车厢轶事的代谢活动增强生物生产效率。稳定时期的阶段》,室2中的生物生产率分别为0.27,0.39,和2.38升/天;这些舱3 0、0.16和0.52升/天;和生物生产室4分别为0.01,0.01,和0.02升/天,分别。

室1中的沼气产量的变化明显不同于那些在随后的三个隔间。沼气产率达到最高的稳定阶段II,它从19.3升/天增加到35.4升/天。然而,沼气产率降低到31.2升/天在第三阶段。虽然生物量减少,具体的沼气产量增加,282,428,和541 L /公斤MLVSS·天,最后生物生产率分别为2.6,9.6和10.0 L /天。室1产生最生物稳定阶段I和II的时期,和贡献率达到90%以上。然而,在第三阶段,贡献率下降到77.4%,因为生物在第二隔间生产效率显著提高。虽然一定量的hydrogen-producing产乙酸菌在其他车厢,丰富他们的贡献的总生物产量上的限制相对较低是由于发酵基质(碳水化合物)和氢产甲烷菌和homoacetogen消费(21]。室2显示在第三阶段贡献率最高的18.5%,而室4提出小生物产量的贡献率。

4.3。的性能Hydrogen-Producing产乙酸菌和生物生产效率

产甲烷菌逐渐消除通过增加入渗鳕鱼和浓度,降低pH值丰富hydrogen-producing ABR产乙酸菌。如图8醋酸浓度增加,减少乙醇和丁酸。因此,生物和乙酸生产是明显的性能,和hydrogen-producing产乙酸菌丰富得很好(22]。然而,生物产量平均只有12.85升/天在最佳操作条件下,这是远远低于van ginke进行的研究的结果(23]。

当入渗鳕鱼逐渐增加,pH值降低到低于5.2;然而,产甲烷活性在ABR不完全抑制。H₂和有限公司₂增加的内容减少甲烷发酵沼气(图中的内容7)。生物生产的数量大大影响由于氢产甲烷菌的消费属性(24]。相对较低的氢分压是有益的性能hydrogen-producing产乙酸菌,和hydrogen-consuming homoacetogen和产甲烷菌通常是共生细菌hydrogen-producing产乙酸菌(25,26]。因此,homoacetogen和产甲烷菌的存在不利于的浓缩hydrogen-producing产乙酸菌和随后在ABR生物生产能力有限。

5。结论

沼气和生物产量的ABR从31.27和2.92 L /天增加到61.54和12.85 L /天,入渗鳕鱼时分别增加到8000 mg / L。室1贡献大部分生物产量,占> 77.4%。影响COD时增加到8000 mg / L,每个隔间的pH值不断降低,和发酵代谢特征发生了显著变化。前三个隔间最终形成ethanol-type发酵,而丁酸发酵室4进一步增强。虽然提高了生物产量和乙酸在ABR, hydrogen-consuming细菌产甲烷菌和homoacetogen被有效抑制,这大大影响了生物生产效率。当特定的沼气产量达到232 L /公斤MLVSS·天,特定的生物产量只有48 MLVSS·L /公斤的一天。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

特别感谢教授泰Joo华对这项工作的贡献,愿你安息。这项研究得到了国家自然科学基金(批准号51478141),主要的水污染控制和治疗科技项目(2017 zx07201 - 001)和中国国家重点研发项目(2018 yfd0800900)。

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