钠盐、重金属和抗生素对于餐厨和剩余污泥混合发酵的抑制效应及其恢复策略

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由于剩余污泥(WAS)和餐厨垃圾(FW)会引入锌离子(Zn2+)、抗生素(CIP)和钠离子(Na+),而三者在高浓度条件下对于厌氧消化体系具有一定的抑制程度。在探究三者单独对于餐厨垃圾与剩余污泥混合发酵体系的抑制作用,采取批次试验加长期运行反应器的方式,通过添加不同浓度的Na+、Zn2+和CIP,探究其对于餐厨垃圾与剩余污泥混合发酵的抑制作用;在探究三者联合作用时,采取批次实验的方式,通过响应面法,探讨三者联合时的抑制作用。此外,还研究了当餐厨垃圾与剩余污泥混合发酵体系受到抑制时,通过外源污泥投加的方式恢复其运行性能的有效性。研究结果如下:(1)氯化钠和硫酸钠对于厌氧消化体系水解和产甲烷阶段影响较大,其次是乙酸化阶段和酸化阶段。在连续流体系中,微生物对于Na+的耐受度可以达到16 g/L。在受到抑制后,Clostridium和Sedimentibacter丰度增加1.84倍和7倍,氢营养型产甲烷菌(Methanobacterium、Methanobrevibacter、Methanoculleus)丰度增加,而乙酸营养性产甲烷菌(Methanosarcina)丰度降低。在反应器运行崩溃后,通过流加污泥可实现反应器运行性能的恢复,但是需要配合其他策略,如OLR需要降低,否则系统无法负荷进而崩溃。(2)Zn2+在短时间内,5 mg/L会对厌氧消化产生抑制作用,而在长时间下,微生物会逐渐适应环境。Zn2+在高浓度时(>540 mg/L)会抑制水解、酸化和甲烷化速率,但会促进乙酸化速率。在连续流试验中,Zn2+为670 mg/L时会对连续流反应器产生严重的抑制作用。经过微生物群落分析发现:Clostridium和Syntrophomonas随着Zn2+浓度提高而增加,乙酸营养性产甲烷菌(Methanosarcina)丰度降低,氢营养型产甲烷菌(Methanoculleus)在270 mg/L时丰度最高,随后丰度降低。Mac B和Bcr A是反应器内丰度较高的两类抗性基因,Zn2+不利于Mac B和Bcr A的去除,但会促进pbp1a、pbp2b和tet T的产生,并有助于tet37和tet PB的去除。(3)在批次实验中,低浓度CIP(<5 mg/L)利于水解阶段,但是对于酸化、乙酸化和甲烷化阶段具有抑制作用,当CIP浓度大于10 mg/L时,对于四个阶段均具有较大的抑制作用且随浓度的升高而加大。长时间运行可以有效提高微生物对于CIP的耐受能力,达到40 mg/L。20 mg/L浓度的CIP能促进厚壁菌丰度的增加和氢营养型产甲烷菌的富集,对于拟杆菌具有抑制作用,但是并不会对乙酸营养性产甲烷菌产生抑制作用。此外,CIP会造成Mac B和Bcr A两类抗性基因产生富集。(4)当Zn2+为754 mg/L、Na+为13 g/L、CIP为16 mg/L时对于甲烷产量抑制最为严重,达到93.4%。当Zn2+为325 mg/L、Na+为4 g/L、CIP为16 mg/L时,会促进甲烷产量。CIP(48.85 mg/L)可恢复受到高浓度Zn2+抑制反应器的性能。CIP与Na+在高浓度时会发生拮抗作用。高浓度Na+(12.96 g/L)可作为一种措施,恢复受到CIP抑制的反应器性能。Zn2+和Na+会起到协同作用。
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