城市污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸技術(shù)的發(fā)展.docx

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1、城市污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸技術(shù)發(fā)展摘要：城市污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程中，控制反應(yīng)過(guò)程可得揮發(fā)性脂肪酸（VFAs），因VFAs在工業(yè)中有較重要的應(yīng)用，近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。針對(duì)污泥發(fā)酵產(chǎn)酸過(guò)程中，產(chǎn)物不穩(wěn)定、發(fā)酵過(guò)程復(fù)雜、產(chǎn)物反饋抑制等問(wèn)題，對(duì)污泥發(fā)酵產(chǎn)酸過(guò)程中污泥的性質(zhì)、影響因素控制及機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合當(dāng)前的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的發(fā)展前景進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：污泥；厭氧發(fā)酵；產(chǎn)酸；VFAs厭氧發(fā)酵過(guò)程，即在厭氧條件下，某些厭氧或兼性厭氧微生物將有機(jī)物最終分解為CH4、CO2和H2O，并利用能量供自身生長(zhǎng)繁殖的過(guò)程。有

2、機(jī)物的生物厭氧發(fā)酵過(guò)程可以分為三個(gè)階段：水解階段、產(chǎn)酸階段、產(chǎn)甲烷階段[1]。現(xiàn)階段研究中，研究者們多數(shù)集中在如何提高最終產(chǎn)物甲烷的產(chǎn)率，而忽略了對(duì)中間產(chǎn)物的利用和研究，如揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）。近年來(lái)，厭氧發(fā)酵過(guò)程中的中間產(chǎn)物VFAs因其有很高的利用價(jià)值，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。我國(guó)城市污水廠中多數(shù)采用活性污泥法進(jìn)行脫氮除磷，一方面，大量剩余污泥無(wú)處堆放，導(dǎo)致污泥處理成為污水廠發(fā)展的一大難題；另一方面，污泥發(fā)酵的產(chǎn)物酸可以作為污水脫氮除磷的外加碳源[2]，極大的節(jié)約了污水廠的碳源緊缺。并且，將剩余污泥中的

3、有機(jī)物轉(zhuǎn)變成中間產(chǎn)物[3,4]，而不是CO2和甲烷等溫室氣體，有利于減少碳排放，更為城市污泥穩(wěn)定化和資源化提供了一條全新的思路。然而，污泥發(fā)酵產(chǎn)酸過(guò)程中，首先，中間產(chǎn)物的形成較難控制，因此產(chǎn)量不穩(wěn)定[5]；其次，污泥在產(chǎn)酸過(guò)程中控制條件較為嚴(yán)格，難以大規(guī)模投產(chǎn)；最后，污泥產(chǎn)酸過(guò)程中，當(dāng)產(chǎn)物酸濃度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致反饋抑制[6,7]，從而影響VFAs的產(chǎn)量。針對(duì)上述問(wèn)題，重點(diǎn)介紹城市污泥厭氧產(chǎn)酸過(guò)程中控制因素的影響、技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用情況，為污泥發(fā)酵產(chǎn)酸提供相關(guān)依據(jù)。1產(chǎn)酸發(fā)酵簡(jiǎn)介1.1產(chǎn)酸發(fā)酵的類型依據(jù)酸性末端

4、產(chǎn)物中揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的分布判斷微生物的生理代謝途徑。酸性末端產(chǎn)物中始終占據(jù)主導(dǎo)地位的物質(zhì)定義為相應(yīng)的代謝類型。1.1.1乙醇型發(fā)酵經(jīng)典的乙醇發(fā)酵是酵母菌進(jìn)行的發(fā)酵類型，發(fā)酵產(chǎn)物只有乙醇和CO2，不產(chǎn)生H2。任南琪等在產(chǎn)酸發(fā)酵反應(yīng)器形成穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵類型時(shí)的頂級(jí)群落中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大量酵母菌的存在，而主要有發(fā)酵單胞屬、擬桿菌屬和梭桿菌屬的細(xì)菌。同時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)酵液相產(chǎn)物主要以乙醇和乙酸為主，氣相中存在大量H2。因而這一發(fā)酵類型并非經(jīng)典的乙醇發(fā)酵，而是丙酮酸走乙酰輔酶A旁路[8]。之后，乙酰輔酶A經(jīng)乙醛脫氫酶

5、作用轉(zhuǎn)變?yōu)橐胰俦灰掖济摎涿复呋梢掖?，同時(shí)伴有乙酸的生成，故稱乙醇型發(fā)酵。1.1.2丁酸型發(fā)酵不少研究結(jié)果表明，可溶性碳水化合物的厭氧發(fā)酵呈丁酸型發(fā)酵，主要末端產(chǎn)物為丁酸、乙酸、H2、CO2和少量的丙酸。丁酸型發(fā)酵系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)菌群以梭狀芽孢桿菌屬(C.butyricum)為主。在兩相厭氧處理工藝的產(chǎn)酸相反應(yīng)器中，丁酸型發(fā)酵較常見(jiàn)。研究結(jié)果表明，在pH＜5.5或pH＞6時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物主要為丁酸和乙酸，而pH介于5.5-6.0時(shí)，末端產(chǎn)物中丙酸的含量顯著提高[9]。由于丁酸發(fā)酵的主要末端產(chǎn)物為丁酸和乙酸，在

6、一定條件下，會(huì)引起氧化還原過(guò)程中的中間代謝產(chǎn)物NADH+、H+與NAD+的平衡產(chǎn)生偏差，因而發(fā)酵過(guò)程常偏離平衡狀態(tài)。微生物通過(guò)提高丙酸的轉(zhuǎn)化率使代謝達(dá)或接近平衡狀態(tài)。1.1.3丙酸型發(fā)酵丙酸的產(chǎn)生和積累對(duì)厭氧生物處理系統(tǒng)有重要的影響，易導(dǎo)致系統(tǒng)的pH降低而發(fā)生“酸化”。通常來(lái)講，在含有較多脂類和蛋白質(zhì)的系統(tǒng)中，較易發(fā)生丙酸型發(fā)酵。由于丙酸型發(fā)酵的典型菌群丙酸桿菌屬?zèng)]有氫化酶，因而該類型不產(chǎn)生氫氣。丙酸型發(fā)酵的頂級(jí)群落中優(yōu)勢(shì)種群主要是丙酸桿菌屬（Propionibacterium）[10]和韋榮氏球菌屬(Ve

7、illonella)。2產(chǎn)酸發(fā)酵的影響因素2.1污泥預(yù)處理活性污泥中的有機(jī)顆粒水解[11]為溶解性物質(zhì)是厭氧消化的限速步驟。由于污泥的溶解性較差，因此需要通過(guò)預(yù)處理使微生物細(xì)胞內(nèi)含有的大量溶解性有機(jī)質(zhì)釋放出來(lái)，提高污泥的水解速率，進(jìn)而提高厭氧消化速率。目前研究與應(yīng)用較多的預(yù)處理方法主要有機(jī)械法、加熱法、超聲波法、化學(xué)法與生物法[12-14]等。其中熱處理法[15]不僅可以使得污泥中的部分細(xì)胞體受熱膨脹發(fā)生破裂，釋放出蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)以及細(xì)胞膜碎片，進(jìn)而在高溫下受熱水解、溶化，形成可溶性的小分子有機(jī)物，在很大程

8、度上促進(jìn)污泥厭氧消化；對(duì)于產(chǎn)酸發(fā)酵來(lái)說(shuō)，熱處理還能去除不產(chǎn)芽孢的產(chǎn)甲烷菌群，由于去除了以產(chǎn)酸發(fā)酵產(chǎn)物為底物的產(chǎn)甲烷菌，酸性末端產(chǎn)物的產(chǎn)率得以提高。因而成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。2.2溫度溫度是影響微生物生長(zhǎng)繁殖與代謝活動(dòng)的重要因素之一。溫度對(duì)產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌的生理代謝影響比較顯著，尤其是頻繁的溫度變化對(duì)微生物有較大的影響。厭氧消化的溫度可分為低溫(0-20℃)、中溫(20-42℃)和高溫(42-75℃)。在中溫范圍，3