厌氧消化稳定性早期警示物的研究进展

厌氧消化稳定性早期警示物的研究进展

厌氧反应是减少生物垃圾污染、恢复其内涵清洁能源的最佳技术方法之一。厌氧消化过程是在多种微生物的协同作用下,分阶段、多个中间步骤有序进行的串联代谢过程;只有厌氧系统内前后各阶段存在的“底物与产物”代谢平衡依次有序地进行时,整个厌氧反应系统才可能稳定运行。然而产甲烷菌对环境最敏感、代谢速率最慢,产甲烷阶段往往是厌氧消化系统的瓶颈。高负荷运行的生物质垃圾厌氧消化系统,由于水解酸化与产甲烷两阶段不能较好地匹配,极易受到抑制,引起酸化产物积累,最终导致厌氧系统失稳。但是通常情况下很难获取工艺运行状况的实时信息,目前还没有一种公认的能够反映系统代谢状态、提前检测到系统不稳定的厌氧消化系统失稳预警指标/体系,也没有专门的设备来准确地提前指示厌氧消化系统的失稳过程。pH值、碱度、挥发性脂肪酸(VFAs)的浓度、沼气产率以及沼气成分等通常作为厌氧消化工艺运行控制的指示性参数,但其有效的提前预警性不足,往往系统已经失稳上述指标才表现出稍许波动。笔者所在课题组在进行前期餐厨垃圾单相厌氧消化试验时,由于仅监测常规运行指标,有机负荷增至4.5kgVS/(m3·d)时突然出现了系统失稳的现象,经过近40d的调控才得以恢复。欧洲一些厌氧消化厂为避免工艺的失败通常在低负荷下运行,但这样会因较低的产气率影响厌氧消化处理厂的经济效益。若能找到一个或一组能够提前检测到系统的不稳定性,并能直接反映系统代谢状态的指示性指标/体系,厌氧消化处理工艺则可以进行实时优化调整,避免系统受抑制的产生,在较高负荷下稳定运行。因而厌氧消化稳定性早期警示物的研究受到世界各国研究者的广泛关注,并开展了大量的研究。总的来看,厌氧消化系统失稳预警指标主要基于“中间代谢产物、关键代谢调控物以及厌氧系统内生物体的变化”等三方面的研究。1不同时期微生物菌群间的依赖关系厌氧消化过程一般包括水解、发酵产酸、产氢产乙酸和产甲烷等过程,不同代谢阶段对应着不同的有效微生物菌群,各阶段微生物菌群间存在着“产物—底物”的依赖关系。然而当各阶段间的动态平衡关系被打破时,酸化产物(如VFAs、氨氮等)出现积累,各阶段微生物菌群的结构及其活性就会受到影响,从而破坏厌氧系统的稳定性。1.1丙酸和脂肪酸对厌氧系统稳定性的基VFAs是厌氧代谢过程的重要中间产物,其累积反映了产酸菌群和产甲烷菌群间的解耦联作用。长期以来都是将系统中VFAs的浓度作为准确控制厌氧消化系统的重要参数之一,并开发了一系列VFAs的在线监测技术。此外,反应器中各种VFA(乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸等)浓度与厌氧消化系统稳定性之间的关系,也受到了国内外许多学者的关注。乙酸是有机废物厌氧消化产沼气过程中另一重要产物,是直接转化为甲烷的重要前体。Zahller定义ACN(acetatecapacitynumber)为系统最大利用乙酸率与平均产乙酸率的比值,以此来反映厌氧消化系统的稳定性。Straub等运用ADM1模型模拟结果验证了ACN指示厌氧系统的稳定性。丙酸是厌氧生物处理过程中的一个重要中间产物。从热力学角度同其他的中间产物(如丁酸、乙酸等)相比,丙酸向甲烷的转化速率是最慢的,有时丙酸向甲烷的转化过程限制了整个系统的产甲烷速率。由于其代谢时间较长,丙酸对系统环境的变化具有高度的敏感性,丙酸浓度可较好地反映厌氧消化系统运行的稳定性,因此丙酸浓度的增加通常作为系统失稳的标志。Nielsen等利用在线挥发性脂肪酸(VFAs)传感器研究了生产性厌氧消化处理厂在稳定和失稳状态下VFAs的动态变化,结果表明丙酸较乙酸浓度波动变化大,丙酸是系统失稳最好的指示性指标,比甲烷产量提前12~18d指示出系统由于负荷增加而导致的失稳。然而Pullammanappallil等通过加入苯酚造成系统中丙酸浓度增加,丙酸积累浓度最高至2750mg/L,同时pH值<6.5,在此条件下仍未观察到丙酸对底物葡萄糖产甲烷的抑制作用。可见,丙酸浓度的增加并不意味着厌氧消化系统的失衡,丙酸作为厌氧消化系统失稳的指示性指标还有待从丙酸产生和积累的机理上进一步研究。长链脂肪酸(C4~C6)主要是脂肪的代谢产物,其降解会因乙酸和氢气的积累而受到抑制,因此长链脂肪酸(C4~C6)也可以作为厌氧消化系统稳定性的指示指标。Nielsen的研究表明LCFA可以作为受油酸抑制后系统恢复的指示性指标。Nakakubo等通过向连续流完全混合式猪粪厌氧反应器内添加NH4Cl研究了氨对产甲烷菌的抑制性和氨抑制工艺的指示性指标,结果表明乙酸和丙酸并不能很好地作为氨累积的指示性指标,但发现丁酸、异丁酸和戊酸的指示性较好;特别是异丁酸可以较早地指示氨抑制的发生。Hecht等研究了芳香化合物在餐厨垃圾厌氧产沼气工艺中的累积效应,试验探测到芳香化合物特别是苯乙酸比挥发性脂肪酸具有较好的系统失稳指示性,且论证了芳族酸作为系统失败预警指标的可行性。1.2系统酸缓冲能力对vfa的影响在厌氧消化过程中,丙酸通常代谢转化为乙酸和氢气。早在1982年Hill就提出丙酸/乙酸可作为厌氧消化系统的预警指标,并通过试验得出一个稳定的厌氧消化系统中丙酸/乙酸比值应低于1.4。鉴于丙酸与乙酸浓度之比与系统失衡之间的这种相关性,一些学者提出将丙酸与乙酸浓度之比作为衡量厌氧消化工艺异常状况的指示性指标。对于像餐厨垃圾这类极易酸化的生物质垃圾单相厌氧消化系统,较高有机负荷下产酸菌可在短时间内产生较多的VFA,当VFA产生量的增加速度超过了产甲烷菌利用乙酸和H2的最大能力时,多余的VFA和H2开始累积,氢分压增加,使系统对酸的缓冲能力下降,将进一步阻碍产甲烷菌代谢酸化产物的能力,导致VFA累积进一步恶化。同样,系统对酸的缓冲能力降低也会影响产酸菌的活性,主要是影响产物的性质,即系统对酸的缓冲能力降低会增加较大分子质量的VFA产生(尤其是丙酸和丁酸),而乙酸产生量减少。从热力学角度来看,同其他的中间产物(如丁酸、乙酸等)相比,丙酸向甲烷的转化速率是最慢的,而且丙酸主要代谢方向是转化为乙酸和H2,H2累积必然使得丙酸向乙酸和氢气转化的效率降低,因而引起丙酸的积累。可见,极易酸化类生物质垃圾的单相厌氧消化过程不稳定(酸化)时,乙酸产量降低而丙酸产量增加,若将丙酸/乙酸作为其厌氧消化系统的预警指标,不仅可直接反映VFA产生量的增加,而且间接指示了系统对酸的缓冲能力降低影响了产甲烷菌和产酸菌的活性。但是丙酸/乙酸对“餐厨垃圾”这种极易酸化的物料为代谢基质的厌氧消化系统失稳的预警性、预警机制以及判定准则还有待研究完善。1.3生物处理系统的受氧能力基厌氧消化系统的不稳定主要是由于VFA或者一些有毒物质的积累所致,最终体现在系统生态因子的变化上。储备碳酸氢盐碱度与总碱度的比值(BA/TA)、挥发性脂肪酸总浓度与储备碳酸氢盐碱度的比值(VFA/BA)均表征了引起系统pH值降低的化合物与保持碱度的化合物之间的比例,可以较好地反映厌氧消化系统承受酸化的能力。1992年Anderson等提出在厌氧反应器中进行两阶段碱度滴定法,同时测定碳酸氢盐和总挥发性脂肪酸浓度。Hawkes等研制出在线测定碳酸氢盐浓度的仪器,同时指出碳酸氢盐碱度可以有效地监控厌氧处理的不稳定性,并能预警超负荷现象。LiuGuotao等以餐厨垃圾为消化底物,在中温条件下进行实验室规模的连续式单相厌氧消化系统试验,通过深入分析表征系统酸碱抵抗能力各监测指标的变化规律,提出综合选取挥发性脂肪酸(VFA)测试绝对值、碳酸氢盐碱度与总碱度的比值(BA/TA)和挥发性脂肪酸总浓度与碳酸氢盐碱度的比值(VFA/BA),作为餐厨垃圾厌氧消化系统酸化失稳的判别指标。当VFA/BA>0.8、BA/TA<0.4或VFA测试绝对值超过3000mg/L时,认为系统缓冲能力极小,应及时采取措施控制系统酸化;而BA/TA≥(0.7~0.8)、VFA/BA<0.4时系统碱度较高,可以在较高负荷下运行以提高系统的产气效率和经济效益。2有机物氧化的稳定运行厌氧消化是微生物在厌氧条件下以有机物质作为电子供体和电子受体的生物学过程,在此过程中,水解酸化产物供应与产甲烷菌底物需求之间的平衡,对产酸菌和产甲烷菌的活性以及整个厌氧系统的高效稳定运行至关重要。厌氧环境中不具有以氧或硝酸盐作电子受体的电子传递链,微生物的产能代谢过程仅依赖于底物水平磷酸化。因此,有机物氧化过程中辅酶NAD+或NADP+接受氢质子(同时接受电子)后,所形成的NADH或NADPH不能通过像好氧生物所具有电子传递系统得以氧化。在微生物体内NAD+(或NADP+)的量是有限的,若使代谢过程不断进行下去,NADH(或NADPH)必须通过包括丙酮酸或由丙酮酸而产生的其他有机化合物的氧化还原机制来得以再生为NAD+或NADP+。由此可见,NADH/NAD+的氧化还原耦联过程决定了厌氧消化系统的稳定性。2.1u3000dv/nad+比率对发酵底物发酵的影响在厌氧消化过程中,各种复杂有机物经水解产生可溶性有机物,然后由多种发酵性细菌通过各种代谢途径发酵生成小分子的酸、醇、H2、CO2等,在厌氧消化反应器中终端产物的类型和自由能的产生与发酵作用产生的电子去向有关。发酵产生的电子可传递给多种受体,其中一个重要受体是NAD(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)。在生物体内为使代谢得以继续进行,必须保持一个比较稳定的NAD+库,这样在NADH过剩时就会将电子交给质子而形成H2,使得后续生化反应有序进行。任南琪等指出微生物细胞中NADH/NAD+比率对底物的发酵类型影响较显著。在较高的有机负荷条件下,丁酸型发酵(即产乙酸)代谢速率加快,这将伴随着较高的H2和NADH产量,如果NADH不能及时地被细胞合成利用,则必须通过产丙酸途径加以缓解NADH的积累,从而使NADH/NAD+比率维持在适宜的水平。任南琪等在试验中发现冲击负荷或超负荷会使发酵类型由丁酸型转变为丙酸型,同时伴随着较高的氢分压。从生物学角度分析可知,酸化产物浓度的升高和H2的累积,最终导致系统的失稳均是NADH产率较高(NADH与NAD+间转化失衡)所致,NADH的产率和NADH/NAD+作为系统稳定性的指示性指标应该更为直接、灵敏度更高。2.2h分压与厌氧消化的关系H2是厌氧过程一个重要的中间代谢产物,是一关键的代谢调控物。在一个稳定的厌氧系统生境中产氢细菌和耗氢细菌处于一个良好的平衡状态;一旦平衡被打破,将引起系统有机酸或醇类的积累,使厌氧消化过程受到抑制,可见氢有着某些可作为厌氧消化系统稳定性早期警示的特点。早在1970年Sykes就发现H2分压与工艺运行的非稳定性有关,H2积累的水平随着负荷的不同而改变,并且在负荷开始冲击的9~12h出现H2的积累。1985年Mosey的研究得出氢可以作为负荷大小的指示物来控制进水量,也可以作为毒性的早期警示物。徐向阳指出厌氧消化系统工艺运行的非稳定性以及氧化H2的产甲烷菌的生理代谢受抑制等因素与H2分压有密切关系,并在总结国内外H2分压研究报道的基础上,概括了H2分压对厌氧消化过程的调控机理。任南琪等也认为氢分压高在某些条件下可能会引起丙酸的产生,并导致积累,所以将氢分压作为一种指示剂从而预示有机负荷过高和丙酸的积累是可行的。但是,McCarty等观察到反应器中氢的衰减并确认所减少的氢量是转向被还原的含碳原子较多的VFA和丙醇这样的有机化合物,这一转向限制了氢作为早期警示物的敏感性。3厌氧生物系统分析厌氧消化是由多种微生物协同作用的复杂生化过程,各类微生物间相互依赖又相互制约;在稳定的厌氧消化系统中保持着其自然选择的生态平衡。厌氧系统的不稳定性应最先体现在其内微生物生态系统的变化上。然而,由于目前受厌氧生物监测技术的限制,生物监测的实效性较差,以生物体运行特性的监测作为系统失稳的早期预警的报道并不多见。3.1产甲烷菌的代谢特征处在整个厌氧系统食物链末端的产甲烷菌是厌氧消化过程中最重要的成员,其世代周期很长、生长缓慢、对环境条件的要求很高,对于生境微小的变化十分敏感,因而产甲烷菌的群落结构、数量、活性的变化可以作为厌氧系统稳定性的指示性指标。产甲烷菌属古细菌,其特有一些辅酶,如辅酶M(CoM)、F420、F430、二氧化碳还原因子(CDR)等,可以通过监测这些辅酶的含量来间接表征产甲烷菌的数量等,以指示系统的稳定性。对于不同的产甲烷菌来说,M(CoM)、F420、F430辅酶的含量变化很大,不能准确地表征甲烷菌的活性,实际应用中与系统稳定性的相关性较差。3.2发生细菌工程厌氧消化是一个相当复杂的微生物生化过程,微生物的代谢活动,无论是同化或异化作用,都要靠不同的酶促反应来完成。磷酸酯酶是水解基质上磷酸基团的酶,磷酸酯酶可能起到供给营养的作用,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),使其利于细菌的同化;其活性与磷酸酶产生菌和产酸菌的数量有很好的相关性。国外从20世纪60年代开始就对厌氧污泥中磷酸酶活性进行了研究,试图从中找出检测厌氧发酵有机物能力和速率的指标,结果发现磷酸酯酶的活度水平比其他酶类高,并且也观察到障碍性厌氧消化反应器中磷酸酶活性的波动。试验证明,厌氧污泥中磷酸酯酶活性能指示出厌氧消化器承受有机负荷的能力,可以用来预示厌氧消化障碍的发生,也可用来判断消化器的临界负荷。鉴于可供检测的胞外酶较少,而磷酸酯酶的活性又较其他酶类的活性水平高,所以磷酸酯酶是一个比较理想的检测指标。但对于有机固体废物为基质及在新一代高效厌氧反应器中磷酸酯酶的变化情况尚有待进一步试验研究。3.3细菌多样性变化近年来,随着现代分子生物学技术的发展,厌氧反应器内微生物群落研究日臻完善,同样也开展了微生物群落指示系统稳定性的相关研究。CDelbes等利用非培养的方式——单链构象多态性检测(SSCP)分析16SrDNA和16SrRNA扩增的产物,研究了乙酸积累造成系统失稳前后细菌和古细菌种群的变化,结果表明一种螺旋菌和Synergistessp.的活性水平表现出了较大的波动;Clostridiumsp.伴随着乙酸浓度的增加其数量和活性有短暂增加;同时代谢氢的产甲烷菌群逐渐转型为代谢乙酸的产甲烷菌群。AurelioBriones等运用现代分子生物学工具研究了工业生产厌氧反应器内的微生物群落,结果表明其多样性和动力学特性与系统的稳定性密切相关。Ramirez等通过IWA的厌氧消化模型(ADM1)开发了一种模拟稳定和失稳两种状态下调控厌氧消化系统微生物多样性的方法;并明确指出在不久的将来应该把微生物多样性作为厌氧消化系统运