油脂沉积物厌氧消化产甲烷潜力及其机制研究

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污水管网中油脂沉积物(fat,oil,and grease deposits,FDs)的形成是维护污水收集系统顺利运行的全球性挑战。随着我国食用油消费量的不断增加,产生了大量的废油脂,尽管污水管网系统中的废油脂有一大部分停留在隔油池中,但依然有大量的废油脂被排入污水管道并形成FDs,从而导致污水管网的堵塞,甚至污水溢出。每年从污水管网系统中清除大量的FDs,因着皂化的FDs在钙-氧键的作用下可以束缚长链脂肪酸(long chain fatty acids,LCFAs),FDs的生化产甲烷潜力可能高于油脂(fat,oil,and grease,FOG),这为通过与剩余活性污泥(waste activated sludge,WAS)进行厌氧共消化提供了提升甲烷产量的机会。通过底物/接种物(Substrate/Inoculum,S/I;以VS计)比率与累积甲烷产量以及平均产甲烷百分比相关性分析,估计FDs作为单一底物理想S/I比率区间在0.25至0.75之间,最优S/I比率为0.5。参照FDs单一厌氧消化S/I比率,设置厌氧共消化WAS与FDs实验,底物与接种物(S/I)之比为0.25至1.2时,发现甲烷产量大大提高。最大累积甲烷产量(685.7±24.1 m L/gVSadded,孵育42天后,在S/I=0.5的条件下)比对照组(仅WAS)高4倍。在相同的有机负荷(S/I=0.5)下,当FOG的COD负荷比FDs的COD负荷高2倍时,FDs共消化比FOG共消化的累积甲烷产量提高10.2%(p<0.05),通过Gompertz模型拟合,如果允许更长的消化时间,甲烷产量将会提高到17.4%。当FDs中的有机负荷(S/I=0.25)减少至FOG的有机负荷一半(S/I=0.5)时(FDs的COD负荷几乎是FOG的四分之一),两组间的累积甲烷产量没有显著差异(p=0.32)。微生物群落分析表明,地杆菌属(Geobacter)在FDW-0.25中高度富集,其次是FDW-0.5和FOGW-0.5。古生细菌群落分析中甲烷鬃菌属(Methanosaeta)的相对丰度显著高于其它产甲烷菌。与直接中间电子转移(DIET)有关的地杆菌属(Geobacter)的相对丰度与甲烷鬃菌属(Methanosaeta)在FDW-0.25、FDW-0.5、FOGW-0.5组中呈正相关(Pearson′s coefficient=0.97),表明地杆菌属(Geobacter)可能促进FDs共消化。微生物可能在FDs上形成生物膜,并通过生物膜中地杆菌属(Geobacter)的导电菌毛增强了电子转移,从而加快了甲烷的产生速度。不同钙源和同种钙源不同钙离子浓度预处理FOG生成的钙皂对累积甲烷产量、产甲烷速率和表面微生物聚集程度的影响不同。钙皂底物因着钙-氧键的作用,产甲烷速率不如对照组(FOG)快速的进行,但是Ca(OH)2-0.25组最大累积甲烷产量高于对照组(FOG),Ca(OH)2-0.5和CaSO4-0.25组累积甲烷产量与对照组接近。而CaSO4-0.25、CaSO4-0.5和Ca(OH)2-0.25、Ca(OH)2-0.5组与之相对应的钙皂表面微生物的聚集程度也较强,呈条形网状结构,由甲烷鬃菌属(Methanosaeta)引起的厌氧微生物在钙皂表面的聚集很可能加快了LCFAs的生物降解,提高了甲烷的产量。这项研究针对污水管网系统中的FDs,寻求其在厌氧消化条件下再生能源回收的最大化。加钙预处理废油脂形成钙皂提高其产甲烷潜力,对于促进污水管网系统中废油脂的回收,减少因FDs造成的管道堵塞,推动污水管网系统中废油脂能源化的应用具有重要意义。
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