厌氧膜生物反应器共消化处理餐厨垃圾与剩余污泥的研究

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随着人民生活质量及城市化水平的提高,我国每年产生的餐厨垃圾和剩余污泥也在逐渐增加。共发酵技术被认为是处理餐厨垃圾和剩余污泥的最佳方式,可有效缓解单一基质发酵存在的问题。常规厌氧发酵系统的处理效率和稳定性有所不足,会影响共发酵过程,而厌氧膜生物反应器(AnMBR)膜组件的高效截留作用实现了SRT与HRT的有效分离,达到提高污泥浓度、系统稳定性以及厌氧发酵效率的效果。因此,本研究通过共发酵连续实验、活性批次实验、膜阻力实验以及高通量测序,分析了不同负荷条件对厌氧膜生物发酵系统共消化处理餐厨垃圾(自配)和剩余污泥的效率、稳定性及动力学特性的影响,探究了不同阶段的微生物群落变化及其相关性,得到以下主要结论:(1)厌氧膜生物反应器稳定运行的有机负荷由3.2gCOD/L/d逐渐提升至12.9gCOD/L/d,相应的HRT由30天逐渐缩短至7.5天,运行过程产生的生物气体中甲烷含量一直保持在60%以上,系统内pH值为7.5~7.8,处于一个适宜的范围,运行过程一共更换4次膜组件,随着有机负荷的增加,dTMP/dt的值从最初的0.70kPa/d增长到之后的2.36kPa/d,膜污染速度加快,且以饼层污染为主。当有机负荷为9.7gCOD/L/d时,系统出现一定量挥发性脂肪酸(VFAs)的积累,浓度为0.454gCOD/L,以乙酸为主;有机负荷为12.9gCOD/L/d时,系统内部VFAs的浓度提升至2.09gCOD/L,以丙酸为主。有机负荷提升至19.4gCOD/L/d(对应的HRT为5天)时,系统内pH值在短短几天内下降至3.22,VFAs浓度高达6.1gCOD/L,反应系统崩溃。(2)厌氧膜生物反应器稳定运行过程中,有机物降解能力一直处于良好状态,COD、多糖以及蛋白质的去除率一直维持在90%以上,甲烷产率维持在0.21~0.27LCH4/gCOD,甲烷产率在有机负荷为6.5gCOD/L/d时取得最大值,此时系统的产甲烷效能最好,COD利用率最高。(3)随着有机负荷从3.2gCOD/L/d提升至12.9gCOD/L/d,厌氧膜生物反应器对应的以乙酸为底物的比产甲烷活性由0.14gCH4-COD/VSS/d提高至0.924gCH4-COD/VSS/d,并且实验结果表明以乙酸为底物的比产甲烷活性均在8gCOD/L的浓度下取得最大值。以丙酸为底物的比产甲烷活性在有机负荷为9.7gCOD/L/d时取得最大值,比产甲烷活性为0.588gCH4-COD/VSS/d,有机负荷为12.9gCOD/L/d时以丙酸为底物的比产甲烷活性呈现下降趋势,此时系统出现大量以丙酸为主的VFAs积累。(4)从细菌层面来说,厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、变形菌门(Proteobacteria)占整个细菌群落的主要部分,是厌氧膜生物反应器各阶段细菌群落中的优势细菌。从古菌层面来说,反应器中各阶段主要以混合营养型的Methanosarcina为优势菌属,根据冗余分析,Methanosarcina与以丙酸为底物的比产甲烷活性呈正相关关系(r=0.74),与碱度呈显著正相关关系(r=0.85,p<0.05),说明本系统处理丙酸的能力与Methanosarcina的富集生长有关,提高系统中Methanosarcina的相对丰度或许一定程度上能够提升系统对丙酸的降解能力,此外,本系统运行过程的高碱度值可能是Methanosarcina成为优势菌属的原因之一。另一个在运行过程中变化趋势明显的氢营养型的Methanobacterium通过冗余分析发现其与HRT(r=0.960,p<0.01)、pH(r=0.959,p<0.01)呈显著正相关关系,说明它适合在较高pH的环境下生长,且较短的HRT会对其富集生长造成不利影响。
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