不同pH下糖蜜废水的厌氧产酸发酵类型及微生物群落结构解析

为寻求厌氧产酸发酵反应器的适宜控制参数和微生物学机制，以ACR（厌氧接触式发酵制氢反应器）为试验平台，通过分阶段调控反应器的pH，考察不同pH下ACR系统的产酸发酵类型和产氢性能，并采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）技术对微生物群落结构进行了解析．以糖蜜废水为基质，以城市污水厂剩余污泥为种泥，在污泥接种量（以MLVSS计）为3．58g／L、进水ρ（CODCr）为5000mg／L、HRT为12h条件下，分别考察了系统在pH为6．0-6．5、5．5～6．0、5．0-5．5、4．5～5．0条件下的运行特性．结果表明，在pH为4．5～5．O时，系统中以Ethanoligenens harbinense YUAN-3为代表的产氢菌群占优，呈现典型的乙醇型发酵特征，活性污泥表现出的产氢性能最佳，其氢气转化率和污泥的比产氢速率分别为1．9tool／tool和7．8mmol／（g·d）．在pH为5．5～6．5、5．0～5．5的条件下，Clostridium tyrobutyricum strain A1-3、Propionibacterium sp．B2M2分别成为优势菌群，系统分别呈现出丁酸型发酵、混合酸发酵类型．研究显示，随着pH的改变，系统内的产酸发酵菌群随之发生更迭，在不同pH控制水平下形成不同的顶级微生物群落结构，进而使得系统呈现出不同发酵类型和产氢性能．

ACR在不同进水COD浓度下的产氢性能与菌群结构

以稀释糖蜜为底物,通过厌氧接触式发酵制氢反应器(ACR)的启动和运行,考察了ACR在不同进水COD浓度下的运行特性。结果表明,当HRT=6 h,进水COD浓度从7000 mg·L-1提升至11000 mg·L-1时,反应器仍能稳定运行,并维持乙醇型发酵类型。随着底物浓度的增加,系统的比产氢速率从COD 7000 mg·L-1时的2.43m3·(m3·d)-1提高到COD11000 mg·L-1时的3.51 m3·(m3·d)-1,而活性污泥的比产氢速率在COD为9000 mg·L-1时最高,为10.71 mol H2·(kg VSS·d)-1。聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)分析结果表明,产氢发酵产乙醇菌群为ACR系统中的主要产氢功能菌群,且随着进水COD浓度的增加,以Ethanoligenens harbinense YUAN-3为代表的产氢菌群的优势度显著增强,但丙酸发酵菌属Propionicimonas sp.F6也开始富集。

对比分析进水基质浓度对乙醇型和丁酸型发酵制氢系统的影响

以糖蜜废水为基质,将两套厌氧接触式发酵制氢反应器（ACR）出水pH分别控制在4.5~5.0、5.5~6.0的水平,通过逐级提升进水COD浓度方式,系统对比分析基质浓度对乙醇型和丁酸型发酵制氢系统的影响。结果显示,对于乙醇型发酵制氢系统而言,当HRT=6 h,进水COD从5000逐步提升至12000 mg·L-1时,反应器的产氢效能逐步得到增强,但当COD进一步提升至15000 mg·L-1时,底物反馈抑制作用开始显现,因而在进水COD为12000 mg·L-1时,ACR产氢性能最佳,系统的产氢速率、污泥比产氢速率和单位基质氢气转化率分别为68.8 L·d-1、744.5 ml H2·（g VSS·d）-1、2.3 mol H2·（mol葡萄糖）-1。对于丁酸型发酵制氢系统而言,当HRT=8h,在进水COD从5000提升至20000 mg·L-1过程中,ACR产氢效能总体呈下降趋势,在进水COD为5000mg·L-1时,系统的污泥比产氢速率和单位基质氢气转化率最大,分别为159.6 ml H2·（g VSS·d）-1、1.0 mol H2·（mol葡萄糖）-1。研究结果表明,在进水COD为500~20000 mg·L-1的运行中,ACR乙醇型发酵系统的产氢效能优于丁酸型发酵制氢系统。

对比分析HRT对ACR乙醇型和丁酸型发酵制氢系统的影响

以糖蜜废水为基质,采用两套厌氧接触式发酵制氢反应器（ACR）分别在p H为4.5-5.0、5.5-6.0下的启动和运行,以分别考察乙醇型和丁酸型发酵系统在不同水力停留时间（HRT）下的运行特性.结果显示,当进水COD=5000 mg·L-1,HRT从12 h缩短至4 h时,乙醇型发酵制氢系统中的产氢微生物菌属得到不断富集,在HRT=4 h时,系统的产氢速率和污泥比产氢速率分别达到30.1 L·d-1和13.5 mmol·g-1·d-1;而HRT的缩短使得丁酸型发酵系统内生物量减小,导致底物的转化率下降,反应器在HRT为8 h时,系统获得最大产氢速率,为9.3 L·d-1.研究结果也表明,在HRT为4-12 h的运行中,ACR乙醇型发酵系统的产氢效能始终优于丁酸型发酵制氢系统,其单位基质的氢气转化率约为丁酸型发酵的1.5-2.2倍.