金屬離子緩解腐殖酸對厭氧消化抑制影響與機(jī)理探究
01文章亮點(diǎn)
區(qū)別于從污泥系統(tǒng)分離出腐殖酸（HA）和酶添加等手段緩解HA抑制，以培養(yǎng)“無”HA和金屬離子剩余污泥、再投加HA和金屬離子方式探究解抑制效果
單一金屬離子解抑制效果高達(dá)65%，組合金屬離子可實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用（“1+1>2”），解抑制效率高達(dá)80%
金屬離子與HA結(jié)合可間接釋放并激活厭氧消化關(guān)鍵酶，進(jìn)而促進(jìn)有機(jī)質(zhì)降解率為解抑制主因
實(shí)際污水處理廠因進(jìn)水或工藝不同，剩余污泥中所含金屬離子含量有可能實(shí)現(xiàn)“自屏蔽”效果
02文章簡介
污水中COD所含化學(xué)能通過污泥厭氧消化可實(shí)現(xiàn)的能源轉(zhuǎn)化效率較低。其中，主要原因是剩余污泥中存在的腐殖質(zhì)（HSs）物質(zhì)對厭氧消化的抑制作用。剩污泥中HSs主要來源于餐廚垃圾、樹葉、廁紙等，屬于較難降解有機(jī)物，最終轉(zhuǎn)移到剩余污泥中，占污泥VSS量6~20%。HSs進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)，會抑制污泥厭氧消化效率。針對腐殖酸（HA，HSs重要組成成分）對間歇或半連續(xù)式厭氧消化抑制研究發(fā)現(xiàn)，HA 在厭氧消化中，通過降低細(xì)菌豐度和抑制酶活性而抑制水解和產(chǎn)甲烷階段；HA雖可能作為電子傳遞體或電子受體促進(jìn)酸化，但整體表現(xiàn)為對厭氧消化能源轉(zhuǎn)化出現(xiàn)抑制；隨HA濃度增加抑制程度不斷加劇，間歇厭氧消化過程抑制率高達(dá)35.1%；連續(xù)厭氧消化并未因長期馴化作用而出現(xiàn)對HA適應(yīng)性而減緩抑制，反而抑制率高達(dá)74.3%。
基于污泥有機(jī)物能源化目標(biāo)，人們希望盡可能提高厭氧消化效率，這就需要尋求合適的緩解HA抑制手段方法。存在兩種緩解HA抑制厭氧消化傳統(tǒng)手段：1）直接將HA從污泥中分離，根除影響；2）添加酶制劑，緩解因HA導(dǎo)致的酶活性降低。前者思路過于簡單，實(shí)際工程難以實(shí)現(xiàn)；而后者也并非是直接針對HA的解抑制手段，不過是一種常規(guī)厭氧消化效率提升手段。
本團(tuán)隊(duì)初探發(fā)現(xiàn)，金屬離子與HA有較好的絮凝結(jié)合能力。基于前期實(shí)驗(yàn)（Li et al., 2019aand2019b，文獻(xiàn)詳細(xì)信息參見原文），以實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)“無”HA和金屬離子污泥為研究對象，再分別投加不同劑量HA與金屬離子進(jìn)行厭氧消化，目的是探究金屬離子緩解HA抑制的效果，厘清金屬離子解抑制的微觀機(jī)理。
單一金屬離子投加結(jié)果（圖1）顯示，金屬離子可以一定程度緩解HA對厭氧消化系統(tǒng)的抑制作用；Ca2+最佳解抑制濃度為100 mg Ca2+/L，解抑制率為65.4%；Al3+最佳濃度為70 mg Al3+/L，解抑制率為65.7%。分析其原因，金屬離子通過靜電引力、吸附架橋與絮凝網(wǎng)捕等作用與HA 結(jié)合，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)HA“失效”，間接“激活”了關(guān)鍵酶活性（圖3與圖4），進(jìn)一步促進(jìn)VSS降解而提高了厭氧消化能源轉(zhuǎn)化效率（圖5）。而Al3+最佳作用濃度低于Ca2+是因?yàn)锳l3+水解單體、多體或聚合物具有更強(qiáng)的網(wǎng)捕卷掃能力，表現(xiàn)為更強(qiáng)的與HA結(jié)合能力。
組合金屬離子投加結(jié)果（圖2與圖6）顯示，低Ca2+與Al3+組合（50 mg Ca2+/L+10mg Al3+/L）解抑制率為80.1%，高于各自單獨(dú)作用解除抑制率之和。機(jī)理被歸納為Al3+與HA結(jié)合能力強(qiáng)于Ca2+；在金屬離子組合系統(tǒng)中低濃度Al3+迅速與HA結(jié)合，而此時仍有部分HA處于游離狀態(tài)，Ca2+通過吸附架橋作用進(jìn)一步與HA結(jié)合；二者協(xié)同作用擴(kuò)大了體系對HA的解抑制效果，表現(xiàn)為“1+1＞2”的結(jié)果。
文章結(jié)尾指出，實(shí)際污水處理廠污泥厭氧消化有可能實(shí)現(xiàn)金屬離子“自屏蔽”現(xiàn)象。中國北方地區(qū)污水處理廠因高濃度Ca2+和Mg2+有可能比南方污水處理廠更容易實(shí)現(xiàn)自屏蔽效應(yīng)；投加Al鹽和Fe除磷藥劑的污水處理廠也較容易出現(xiàn)“自屏蔽”現(xiàn)象。
03重要結(jié)論
金屬離子緩解HA抑制是一種原位、可持續(xù)提高厭氧消化效率的手段，解抑制過程并不會對厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響或增加額外成本。實(shí)際污水處理廠種類繁雜的金屬離子或許在適當(dāng)濃度水平可以實(shí)現(xiàn)“自屏蔽”HA的抑制影響，對厭氧消化效果并無大礙。
(a) Ca2+
(b) Al3+
圖1 不同金屬離子種類與濃度對厭氧消化甲烷產(chǎn)量影響（來自文章原圖）
圖2 組合金屬離子投加方式厭氧消化甲烷產(chǎn)量影響（來自文章原圖）
(a) Ca2+
(b) Al3+
圖3 金屬離子投加對系統(tǒng)水解階段影響（來自文章原圖）
圖4 金屬離子間接“激活”關(guān)鍵酶過程（來自文章原圖）
圖5系統(tǒng)VSS降解率和甲烷產(chǎn)率（來自文章原圖）
圖6單一金屬離子投加與組合方式解抑制效果比較（來自文章原圖）
以上是小編收集整理的金屬離子緩解腐殖酸對厭氧消化抑制影響與機(jī)理探究部分內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除：153045535@qq.com;
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