利用活性污泥和黑液共发酵生产挥发性脂肪酸同时除磷和木质素回收

摘要

活性污泥(WAS)和黑液(BL)是工业中较为顽固的固体废物和废水，需要较高的投资和运营成本进行处理。在本研究中，采用了一种新的挥发性脂肪酸(VFAs)生产工艺对WAS和BL进行共发酵，同时进行除磷和木质素回收。BL为WAS预处理提供了碱液，BL中的有机碳可用于发酵。结果表明，pH为10的半连续发酵试验和添加800mg/LMg²⁺是生产VFAs(约15,000 mg/L)和P去除率(94%)的最佳条件。碱性条件下BL对Mg2+吸附较弱，适合去除磷。此外，VFAs的组成受pH的影响，如在高和低pH条件下分别获得较高的乙酸和丙酸比例。通过对微生物多样性的分析，发现碱杆菌、丙酸杆菌、蛋白philum和铁螺球菌等功能优势菌负责VFAs的产生。通过表征分析，证实了小分子木质素的生物转化。通过对工艺流程的综合评价，提出了一种经济、环保的处理和资源化利用WAS和BL的策略。

引言

黑液(BL)是在木质纤维素原料的碱性预处理过程中产生的富含有机碳和大分子物种的顽固废水。因此，当WAS和BL共发酵时，BL不仅能提供WAS预处理所需的高浓度碱液，还能提供有机碳和营养物质，以克服产酸发酵底物的不足。

另一个问题是在VFAs发酵过程中会释放出高浓度的磷。鸟粪石沉淀法通常用于除磷，其中加入Mg²⁺，并调整pH值(pH值在7-11的范围内)，此外，由于与带负电荷的生物聚合物和颗粒物结合的原因，添加Mg²⁺可以提高发酵液的脱水性能。

因此，本研究提出了一种新的WAS-BL共发酵策略，以生成VFAs，同时去除P和回收木质素。在不同初始pH值和恒定pH值条件下进行了VFAs生产的批量试验。然后，进一步研究了半连续发酵过程和pH值8 ~ 10之间微生物多样性的变化。此外，在共发酵过程中添加不同浓度的Mg²⁺离子，以优化发酵液中P的去除效果，并考察了Mg²⁺与VFAs产量的相互作用。最后对从发酵液中提取的木质素进行了表征。

 

Fig. 1. Changes in (a) SCOD and (b) TP in WAS-A and WAS-BL under different durations of pretreatment.  

     为确定BL对WAS预处理的影响，采用碱液(WAS-A)和BL(WAS-BL)调节WAS的pH。WAS-A和WAS-BL中SCOD和TP随时间(0~24h)的变化如图1(a)和(b)所示。碱性处理过程中WAS水解释放EPS和胞内有机物，导致SCOD和TP升高。结果表明，随着预处理时间的增加，SCOD增加。此外大部分有机质和磷在预处理前4h释放。由此可知，发酵前的最佳预处理时间为4h。

 

Fig. 2. Changes in the (a) pH and (b) concentration of VFAs under different initial pH batch fermentation test conditions; changes in the concentrations of VFAs when the pH was maintained at (c) pH 10, (d) pH 9, and (e) pH 8 during batch fermentation tests.

     研究了不同初始pH条件下的WAS-BL共发酵效果。当WAS-BL初始pH分别为9、10和11时，第1天pH显著降低至6.77、6.68和7.14(图2(a))。在接下来的9天发酵中，pH值保持在6.4-6.9之间。这表明当初始pH值在9~11之间时，水解酸化效果最佳。

     初始pH值对VFAs生产的影响如图2(b)所示。当初始pH值分别为9、10和11时，在第6或第7天产生的VFAs最大值为10198.9、9102.1和7437.4 mg/L，这是由于pH值越高水解越好。虽然发酵1天后发酵液的pH值迅速下降到7左右，但在发酵第2天出现VFAs的最大生物合成效率。这表明，第一天pH值的迅速下降可能是由于产生VFAs的初级和中级底物，如氨基酸、丙酮酸和长链脂肪酸。

     如图2(c)(d)(e)所示，发酵9天后，pH分别为10、9、8时，以乙酸、丙酸为主要酸，VFAs的浓度从1949.6 mg/L迅速增加到13325.1、13106.5、11427.3 mg/L。发酵第1天，当pH值分别为10、9和8时，VFAs的生物合成效率分别为3278.2、2886.2和2619.4 mg/L?d。在较低的pH值条件下，VFAs的发酵速率较低可能是由于运输游离酸所需的能量。在较低的pH值下，相对于较高的pH值下，较低的发酵速率已经有过报道。

 

Fig. 3. Changes in (a) pH, (b) concentrations of VFAs, (c) SCODa, (d) ratios of acetic/VFAs, and (e) ratios of propionic/VFAs under pH 10, 9, and 8 during semicontinuous fermentation.

     图3(a)和(b)展示了在不同pH条件(10、9和8)下每天VFAs的变化和产量。pH维持在9.15、7.9和7.35左右，发酵12天后pH分别为10、9和8时达到稳定状态。当pH值分别为10和9时，VFAs的稳定浓度分别约为15000和13500 mg/L。然而，VFAs浓度在前几天增加到约9000 mg/L，最终在pH为8时下降到4542 mg/L(第30天)。除了在较低的pH值下VFAs的发酵速率较低外，沼气的产生可能是VFAs在pH值为8时产量急剧减少的另一个原因。

     不同pH条件下SCOD的变化如图3(c)所示。在pH值为10和pH值为9的发酵过程中，SCOD维持在22000-24000 mg/L左右。发酵过程中，当pH=8时，SCOD从第1天的23140 mg/L降至第30天的15020 mg/L。在pH值为8时SCOD的大幅降低可以归因于沼气的产生，沼气消耗乙酸，导致VFAs的产量降低。

本试验发酵得到的主要产物为乙酸和丙酸。发酵液中乙酸/VFAs和丙酸/VFAs的比值如图3(d)和(e)所示。当乙酸/VFAs的稳定比值分别为70.2%、55.7%和10.9%时，丙酸/VFAs的稳定比值分别为20.3%、35.6%和69.5%。

 

Fig. 4. Variation in the population of microorganisms at the (a) phylum and (b) genus levels when the pH was 10, 9, and 8 during the semi-continuous fermentation, conducted over 30 days. 

     在半连续发酵过程中，不同pH条件下VFAs浓度和产气率的不同受微生物种群变化的影响。图4(a)显示，优势微生物群包括厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门(在门水平上覆盖了每次试验中95%的丰度)，这在发酵过程中是普遍存在的。G1-G3中厚壁菌门(Firmicutes)占比最大，分别为65.4%、19.2%和36.8%，厚壁菌门是一类革兰氏阳性菌，由于厚细胞皮和孢子的存在，可以承受强碱性条件。

     在不同pH条件下，观察到G1-G3在属水平上微生物丰度的显著变化如图4(b)所示。以碱杆菌属为优势属，在G1中占30.3%，而在G2和G3中分别仅为1.7%和0.3%。丙酸杆菌可以在乳酸和葡萄糖为底物的情况下发酵丙酸和乙酸。G1和G2中丙酸杆菌的比例分别为11.1%和17.9%。在G2和G3中，Proteiniphilum的丰度分别约为12.0%和18.5%，而在G1中几乎检测不到。在7.5-8的最佳pH范围内，Proteiniphilum可以将蛋白质转化为初级产物，如乙酸、二氧化碳和氢气。

简而言之，碱性杆菌属和丙酸杆菌科的优势功能细菌负责在pH值为10时产生VFAs。丙酸杆菌科和蛋白杆菌属的细菌主要在pH值为9时促进VFAs的产生。Proteiniphilum和Enterococcus产生VFAs，而Porphyromonadaceae和Clostridiaceae中富集的该属产生甲烷，导致VFAs在pH值为8时产量最低。

 

Fig. 5. Effects of pH on the concentrations of (a) TP and (b) Al3+ in WAS and WAS-BL. Changes in the concentrations of (c) VFAs, (d) P, and (e) Mg2+ under different conditions (C1–C5).

      WAS和WAS-BL中TP浓度在不同pH下的变化如图5(a)所示。当pH值为10~9时，WAS对磷的去除率(230.3 ~ 112.2 mg/L)远高于WAS- bl (317.1 ~ 304.1 mg/L)，WAS中Al3+浓度在pH值13~8时从331.4mg/L下降到71.6mg/L, Mg2+和Ca2+浓度在所有pH条件下均低于20 mg/L(图5(b))。因此，低pH条件下WAS中磷浓度的大幅度下降是由于磷酸铝的沉淀。而当pH从13降低到11时，WAS-BL中Al3+仅保留5.6 mg/L。通过BL中的络合物吸附Al3+，导致Al3+的磷酸盐沉淀减少，这可能是pH高于8时was -BL中P含量超过200 mg/L的原因。

     除磷酸铝沉淀法外，鸟粪石沉淀法也是除磷的常用方法。选择400和800 mg/LMg2+在pH值为10和pH值为9的条件下进行半连续发酵试验，以去除磷和生产VFAs。如图5(c)所示，VFAs在C1、C2和C3中的浓度约为15000mg/L，在C4和C5中的浓度约为13500mg/L。说明pH是影响VFAs生成的关键因素，Mg2+的添加对VFAs的生成几乎没有影响。

     不同条件下Mg²⁺的浓度如图5(e)所示，在稳定发酵条件下，C2和C3中Mg²⁺的浓度分别约为95和230 mg/L。这说明C3中磷的去除率高于C2，可能是由于C2中Mg²⁺不足导致的磷酸盐沉淀较少所致，C5中Mg²⁺的浓度大于320 mg/L，说明在pH 9时不适合沉淀磷酸盐。这使得C2的P去除比C5更有效。

 

Fig. 6. The relative transmittances observed in the infrared spectral profiles of lignin-O and lignin-F. 

     木质素-O和木质素-F的红外光谱图的相对透过率如图6所示。木质素-O和木质素-F对应的强吸收峰出现在3425cm?1处，差异不显著。这个峰值是由羟基的-OH缔合拉伸振动引起的。在2925cm?1和1384cm?1峰处，木质素-F比木质素-O吸收更强，这分别代表了脂肪族烷烃结构中CH2的-C-H的不对称拉伸振动和脂肪族侧链CH的拉伸，表明之后产生了更多的脂肪酸。

小结

结果表明，pH对WAS-BL共发酵过程中VFAs的浓度和组成有显著影响。在pH为10的半连续发酵条件下添加800 mg/L 的Mg²⁺是生产最大VFAs（≈15,000 mg/L）和最高P去除率(≈94%)的最佳条件。同时，在高pH条件下可获得高比例的乙酸，在低pH条件下可获得高比例的丙酸。此外，通过红外光谱表征分析，发酵后小分子木质素发生生物转化，获得10.9 g/L的木质素。共发酵是一种生态友好的处理和资源化利用WAS-BL的策略。