微生物代谢视角下粉末活性炭通过缓解酸化提高城市有机固废厌氧共消化甲烷生产力

2020-01-13马佳莹魏华炜苏应龙顾闻超汪冰寒

环境卫生工程 2020年6期

马佳莹，魏华炜，苏应龙，顾闻超，汪冰寒，谢冰

（1.华东师范大学生态与环境科学学院上海有机固废生物转化工程技术研究中心，上海 200241；2. 华东师范大学生态与环境科学学院上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海200241；3.华东师范大学纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心，上海 200241；4.上海污染控制与生态安全研究院，上海 200092）

译者：马佳莹；审查：谢冰；单位：华东师范大学生态与环境科学学院

1 研究亮点

*粉末活性炭（PAC）提高甲烷生产力的能力优于颗粒活性炭（GAC）；

*PAC 通过加速挥发性脂肪酸（VFAs）消耗显著缓解酸化现象；

*PAC 促进参与VFAs 消耗和直接种间电子传递过程微生物的富集；

*GAC 和PAC 均促进氢营养型和乙酸营养型途径。

2 背景

随着我国社会经济和城市化进程的快速发展，特别是实行垃圾分类以来，城市有机固废（餐饮和厨余垃圾）清运量迅速增长。餐饮和厨余垃圾的主要特点是有机物含量高、含水率高，极易变质、腐烂，若处理不当会造成资源浪费和环境污染等问题。厌氧消化不仅能够实现有机固废的稳定化，还可产生生物氢和甲烷，实现能源回收。将餐饮和厨余垃圾联合的厌氧共消化能够同时实现两种废弃物的资源化处理，还能够促进甲烷产生量提升。然而当系统中有机物含量过高时，VFAs 快速积累导致pH 下降，从而影响厌氧消化产甲烷稳定性和效率。碳基材料（如PAC/GAC）能够促进微生物生长和直接电子传递，以加速VFAs 降解，缩短产甲烷滞后期。然而，碳基材料对甲烷产生过程和其诱导的直接电子传递机制的研究尚缺少。因此，本研究比较了两种不同粒径的活性炭对有机固废厌氧共消化的影响。

3 研究方法

在小试反应器中进行餐厨垃圾与果蔬垃圾批式中温厌氧共消化，反应开始前添加不同剂量（5 g/L 和10 g/L）的GAC 和PAC。厌氧共消化共进行85 d，过程中测定产气、VFAs 和消化液性质，通过高通量和宏基因组测序分析厌氧消化稳定期微生物群落结构和甲烷代谢途径。

4 主要研究结果

两种剂量的GAC 和PAC 添加均能够提高甲烷产生量，并缩短产甲烷滞后期，且PAC 的提升效果优于GAC。最高累积甲烷产生量和最短产甲烷滞后期在5 g/L PAC 和10 g/L PAC 组得到，相比于对照组分别增加了22.0%和缩短了62.5%。PAC 通过显著加速VFAs 的消耗缓解酸化，从而促进甲烷产生。PAC 促进互营VFAs 氧化细菌（Gelria 和Syntrophomonas）以及与种间直接电子传递相关的微生物（Geobacter 和Methanosarcina）的富集，以加速VFAs 消耗。宏基因组学分析表明，GAC 和PAC 均可能通过充当电桥来促进微生物间的电子传递，并增强氢营养型和乙酸营养型甲烷产生。