聚乙烯对污泥厌氧发酵的影响

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微塑料是一种新型污染物,在不断研发与使用过程中不可避免的进入市政污泥处理系统,并对污泥组分、重要生化反应酶活性以及微生物群落多样性等方面产生潜在抑制作用。厌氧发酵技术是污泥处理中运用最广泛的技术。目前,关于微塑料对污泥厌氧发酵产酸和磷释放的影响却鲜有报道。因此,开展微塑料对污泥厌氧发酵产酸和磷释放的影响及机制,以及这两者相互影响的作用机理的研究是十分必要。首先,针对剩余污泥中微塑料含量最高的聚乙烯(PE)为研究对象,采用序批式和连续流两种方式,研究了在不同的发酵条件下,PE对剩余污泥厌氧发酵产酸的影响及机制。序批式试验结果表明:PE的短期存在促进了污泥破解,增加厌氧发酵产酸的效能,高浓度的PE对污泥水解酸化的影响更明显。连续流试验结果表明:在PE的长期作用下,厌氧发酵系统里的挥发性脂肪酸(VFAs)产量变化先增加后减少,并逐渐低于空白对照组。此外,通过对发酵系统中胞外聚合物(EPS)的分析可知,低浓度的PE(75个/g-TS)对EPS影响很小。在高浓度(200个/g-TS)PE的作用下,EPS的Zeta电位更低,表明高浓度PE破坏了EPS的结构,增加了与细胞的接触机会。且EPS中蛋白质(PN)和多糖(PS)含量增加,抵御了高浓度PE的毒性。通过三维荧光分析,高浓度PE作用下,II区(II型芳香蛋白类物质)、III区(类富里酸物质)和V区(类腐植酸物质)不可生物降解有机物含量增加,意味着PE通过促进细胞分泌微生物不可降解有机物,从而抑制厌氧发酵产酸过程。利用酶活性检测和高通量测序发现,在高浓度PE(200个/g-TS)的作用下,水解酶(蛋白酶、α-葡萄糖苷酶)和产酸关键酶(乙酸激酶)的相对活性降低。且发酵系统中微生物多样性最低,与酸生成有关的菌属,如芽孢杆菌属(Bacillus)和牦牛瘤胃菌属(Proteiniclasticum)等相对丰度总和从空白组(R1、R4)55.55%和39.97%降低到48.73%(R3)和35.57%(R5)。综上,高浓度的PE对产酸酶活性和功能菌群有抑制作用,从而抑制系统产VFAs。其次,研究了PE对剩余污泥厌氧发酵产酸过程磷释放的影响及机制。序批式试验结果表明:磷释放与VFAs的变化趋势相一致,PE的短期存在促进污泥破解,含磷有机物的释放,增加了发酵液中磷的浓度。连续流试验结果表明:上清液磷酸盐(PO43-)的变化趋势先上升后下降,且在非恒定碱性条件下,上清液中PO43-逐渐低于空白对照组。结合SMT法对磷的形态分布分析发现,磷主要存在于固相中,且以非羟基磷灰石(NAIP)为主。且在高浓度PE作用下的异化还原菌Clostridium等的相对丰度下降,降低Fe3+化合物转化释放,而VFAs产量下降,减少为Fe3+还原提供有机物和电子,促使污泥中的磷以NAIP存在,降低PO43-释放效能。在非恒定碱性条件,液相中PO43-含量逐渐低于空白对照组,主要由于高浓度的PE抑制甲烷菌和酶活性,导致系统中VFAs持续积累,p H值降低,不利于微生物生长繁殖,抑制微生物活动,从而对VFAs的产生和PO43-的释放产生不利影响。最后,研究了厌氧发酵过程对PE的影响。PE的傅里叶红外光谱图(FTIR)和X射线光电子能谱图(XPS)显示,在1712 cm-1和3300 cm-1处出现的新吸收峰,C-O与C=O的键均增加,老化指标羟基指数(CI)和氧碳比值(O/C)皆表现出,厌氧发酵过程对PE有氧化作用,使其老化,且在非恒定碱性条件下老化速率更快。通过扫描电镜图(SEM)和水接触角的分析,证明了厌氧发酵改变了PE的表面结构与亲疏水性。老化的微塑料吸附污泥中有毒化学物的能力增强,从而抑制厌氧发酵微生物活性,导致厌氧发酵效率较低。揭示了PE与厌氧发酵过程相互作用机理。
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