污泥厌氧消化过程中产氢产乙酸同型产乙酸协同产酸研究

环!!境!!科!!学*’卷’%?完成降解&与甲烷产生情况相符B丁酸实验比空白实验多产生(IWG的甲烷&相当于$‘&FF7;丁酸降解BU+5实验和协同实验均未检测到甲烷B未抑制产甲烷的空白实验和丁酸实验在反应刚开始的前*?60’迅速积累&并在随后分别达到稳定的’%IWG和’*IWG左右B丁酸实验的60’累积量比空白实验略低&这是因为丁酸降解并不产生60’&60’全部来自污泥发酵&而丁酸实验中因为丁酸的大量存在导致污泥发酵效率低于空白实验B抑制产甲烷的U+5实验和协同实验在反应前(?始终保持60’积累&随后开始下降&这可以解释为被同型产乙酸利用BU+5实验最高60’累积量为*%‘$IWG&最后稳定在*(IWG左右&下降了%‘$IWG&根据反应$’%计算相当于(‘%’VP4乙酸’而协同实验最高60’累积量为*#‘EIWG&最后稳定在’(IWG左右&下降了#‘EIWG&相当于‘&EVP4乙酸B图GR不同实验条件下发酵瓶顶空气体中:E(-:T(-CE累积情况=AVB*!WL7SA;@N7S]’&6]E&60’GMM>F>;G9A78A8?ASS@L@89L@GM97LN图TR同型产乙酸和丁酸降解的吉布斯自由能变化=AVBE![ARRNSL@@@8@LVA@N7S:7F7GM@97V@8AM]’M78N>FO9A78G8?N<89L7O:AMR>9;G9@?SL7F?ASS@L@89L@GM97LNEST!吉布斯自由能计算了E组实验的同型产乙酸反应以及产氢产乙酸反应的热力学$图E%&为阐明同型产乙酸反应和产氢产乙酸反应的关系提供理论证据B从图E$G%可以看出&产甲烷被选择性抑制后&由于]’分压的抬升&同型产乙酸过程变得可以自发进行&且抑制产甲烷的U+5实验和协同实验中/P没有显著差异$2m(‘%*%&都低于同型乙酸菌生长的最低吉布斯自由能B说明产物乙酸对同型产乙酸的/P影响不大B而在正常污泥厌氧发酵过程中%$%%期王晋等#污泥厌氧消化过程中产氢产乙酸P同型产乙酸协同产酸研究$空白实验%&系统为同型产乙酸菌所提供的能量极为有限$/Ptc‘IC)F7;c%B由此可以判断&在产甲烷过程占优势的生境中&同型产乙酸过程从生化反应角度并不容易发生$/Pt(IC)F7;c%B而在投加U+5后$无论加丁酸与否%&/P已变得足够低$/Pnc)IC)F7;c%&此能量已足以合成P*32W&于是在热力学上变得可以自发进行,E-B图E$R%中&未抑制甲烷样品培养过程中&丁酸降解的吉布斯自由能始终nc’#IC)F7;c&甚至在$?达到c)*IC)F7;cB说明反应始终在自发进行B而U+5培养使污泥发酵的产氢产乙酸过程处于能否自发进行的临界水平$/P%c)IC)F7;c%&协同实验的吉布斯自由比U+5实验略大$2n(‘()%&但没有数量级的差异BGR讨论图’$G%中&U+5实验在第(?乙酸浓度达)VP4后&停止累积&说明产氢产乙酸和同型产乙酸反应都不再进行&而协同实验仍然有乙酸产生&直到第’E?停止&乙酸浓度达%VP4B而这显然不是底物降解产生的&因为图中可以看到&丁酸在$?时已经停止降解了B从生化反应原理上说&满足微生物生长至少需要PEaP*F7;32W$/Pnc)IC)F7;c%,’-B从图E中可以看出&抑制产甲烷的U+5实验和协同实验&无论同型产乙酸还是产氢产乙酸&其吉布斯自由能都在接近c)IC)F7;c的水平&以下讨论造成U+5实验和协同实验中乙酸具有不同累积效应的原因B从反应热力学角度分析&抑制产甲烷实验中乙酸的累积过程可以用以下连锁效应来说明#U+5加入后&食氢产甲烷菌,反应$*%-和食乙酸产甲烷菌,反应$E%-被抑制&产氢产乙酸菌利用反应$%使]’分压和乙酸浓度提升&使得反应$%的吉布斯自由能增加&导致了产氢产乙酸菌活性被抑制&直至反应停止B另一方面&由于没有了产甲烷菌的竞争&]’分压的提升使反应$’%的吉布斯自由能降低&刺激了同型产乙酸菌的活性&这样同型产乙酸菌利用产氢产乙酸菌生成的氢气&产生乙酸&而]’分压的下降又反过来解除了产氢产乙酸的热力学抑制&进而继续*拉动+产氢产乙酸作用B这就是产氢产乙酸菌与同型产乙酸菌的协同作用B]60c’$Gg%b]bbE]’$V$((%6]E$V%b*]’0$;%$/P(kDc*)‘%IC)F7;c%$*%6’]*0c’$Gg%b]’0$;$((%6]E$V%b]60c’$Gg%$/P(kmc*‘(IC)F7;c%$E%!!基于以上分析&协同实验中由于外源底物丁酸的加入&强化了产氢产乙酸反应&氢气产物的增加刺激了同型产乙酸反应&在产氢产乙酸反应的吉布斯自由能在临界状态下&继续拉动该反应&强化了产氢产乙酸P同型产乙酸反应&造成乙酸在(?后继续累积B根据图*$G%&未