猪粪与酒糟混合厌氧发酵的产甲烷和三元pH缓冲体系特征_王子月

2384环境工程学报第12卷组厌氧反应受到严重抑制，E组厌氧反应停止。猪粪酒糟比小于4：1时，由于VFAs大量累积，从而抑制了厌氧反应的进行。2.3SO42-的变化图5厌氧发酵过程中SO42-的变化Fig.5VariationofSO42-concentrationduringanaerobicfermentation如表1所示，酒糟的SO42-浓度（701.6mg·L-1）是猪粪中SO42-浓度（225.6mg·L-1）的3倍多，这就导致初始不同组的SO42-含量差异很大。从图5可以看出SO42-含量在发酵过程呈下降趋势。A组初始SO42-含量最少，发酵结束后SO42-削减量最小，E组初始SO42-含量最高，发酵结束后其削减量最大。厌氧发酵过程中硫酸盐还原菌将SO42-还原为H2S，不仅与产甲烷菌之间产生基质竞争，而且H2S对产甲烷菌有毒性[25]。另外MIZUNO等[26]研究发现硫酸盐还原反应可在厌氧反应的产酸阶段进行。这就说明了D、E组发酵初期就已经开始有大量H2S产生，抑制了产甲烷菌的活性。B组的产甲烷高峰期比A组出现得晚，并且日产甲烷量比A组小，可能就是由于B组添加了酒糟，导致SO42-含量相对A组高，硫酸盐还原菌与产甲烷菌发生竞争[27]，另外H2S对产甲烷菌产生了毒性作用[28]，从而抑制甲烷的产生。图5中D、E组COD去除也是由于硫酸盐还原菌对有机物的利用，而TS、VS的降解则是由于酸化及硫酸盐还原2个方面原因导致的。2.4三元pH缓冲体系的变化图6三元pH缓冲体系的建立Fig.6EstablishmentofternarypHbuffersystemTVFAs、NH4+-N、TIC（主要是碱度）三者在厌氧发酵过程中起到了调节体系pH的作用，三者共同存在时可以形成1个pH缓冲区域，在这个区域内，体系pH可以保持在中性范围内，这是厌氧发酵所适宜的pH范围。使用不同浓度将三者溶液完全混合，然后，测定混合溶液pH，绘制三元pH相图。表4给出了本实验5组厌氧发酵过程中TVFAs、NH4+-N、TIC三者的变化情况，以及pH的变化。根据表4中3种指标浓度，换算成摩尔浓度并做归一化处理，将其显示在VFAs-氨氮-TIC三元pH相图中，如图6所示。产甲烷菌对pH非常敏感，国内外许多学者报告了产甲烷菌的最适pH范围为6.5~7.8[22]，而当pH<6或者pH>8时会对产甲烷菌的活性产生抑制，影响甲烷的生成。由表4可知，5组厌氧发酵开始初期，pH分别为6.65、6.49、6.42、6.38、6.19，酒糟含量越高，初始pH越低，这是因为酒糟本身的pH在3.30，混合后导致体系pH降低。由图6可知，随着酒糟添加量越多，其位置向左上角移动，偏离pH缓冲区域，厌氧发酵将会受到抑制。厌氧发酵过程是由许多种类微生物参与的非常复杂的生物反应过程，YU等[29]研究发现，pH的变化可以引起水解酸化阶段的微生物的种群以及代谢途径的变化，因此酒糟添加量的不同会引起不同的水解酸化反应。第8期王子月等:猪粪与酒糟混合厌氧发酵的产甲烷和三元pH缓冲体系特征2385表4厌氧发酵过程中TVFAs、NH4+-N和TIC的变化Table4ChangesofTVFAs,NH4+-NandTICduringanaerobicfermentation组号样品pHTVFAs/（g·L-1）NH4+-N/（g·L-1）TIC/（g·L-1）AD06.65±0.007.01±0.001.34±0.000.74±0.01D67.25±0.031.22±0.061.49±0.080.84±0.02D167.29±0.070.31±0.041.62±0.040.78±0.02D307.39±0.060.51±0.061.83±0.070.86±0.01BD06.49±0.007.41±0.001.43±0.000.54±0.01D67.10±0.034.88±0.111.33±0.050.74±0.01D167.48±0.020.90±0.171.65±0.090.92±0.01D307.45±0.080.90±0.092.01±0.031.00±0.04CD06.42±0.007.07±0.001.61±0.000.50±0.01D67.06±4.956.94±0.101.27±0.060.54±0.00D167.17±2.324.03±0.601.61±0.020.71±0.01D307.55±0.002.43±0.281.89±0.090.96±0.01DD06.38±0.006.24±0.001.65±0.000.40±0.01D65.85±0.0318.90±0.301.12±0.060.05±0.02D166.47±0.0816.21±0.781.69±0.06