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十二烷基苯磺酸钠对活性污泥暗发酵产氢的影响

所属分类:公司新闻    发布时间: 2021-11-03    作者:admin
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1摘要

十二烷基苯磺酸钠(SDBS)是一种典型的表面活性剂,广泛应用于各种领域,在活性污泥法中积累量很大。然而,到目前为止,它对污泥暗发酵产氢的影响还没有文献记载。因此,这项工作旨在探索 SDBS 是否以及如何影响氢的生产。实验结果表明,随着 SDBS 从0 mg/g tss 增加到30mg/g tss,.大产氢量从2.47 ml/g vss (未经任何处理)增加到10.73 ml/g vss (氨预处理) ,.大产氢量从13.05 ml/g vss 增加到23.51 ml/g vss。机理探讨表明,SDBS 降低了表面张力,促进了有机物从固体到液体的转移。SDBS 还破坏了蛋白质的氢键网络,促进了大分子有机物的降解。此外,十二烷基苯磺酸钠改善了有机物中的电荷,进而削弱了相互排斥,提高了吸附能力,促进了厌氧菌与有机物之间反应位点的有效性。酶活性分析表明,十二烷基苯磺酸钠不仅提高了与水解酸化过程有关的酶的活性,而且抑制了乙酰菌和甲烷菌的活性。十二烷基苯磺酸钠的存在可以降低污泥浓度,创造有利于丁酸型细菌生长的环境,从而促进丁酸型发酵,提高产氢能力。微生物群落分析表明,SDBS 的存在影响了微生物种群的分布,增加了产氢微生物的丰度。Picrust2分析表明,SDBS 降低了氢自养甲烷菌的活性,因为它抑制了5,10-Methenyl-THMPT 转化为 5-Methyl-THMPT 的生物转化作用。



2研究背景

生物处理技术能有效地去除污水中的营养物,在世界范围内得到了广泛的应用。然而,在此过程中会产生大量的活性污泥。据记载,中国和欧盟国家每年分别产生超过1120万吨和1000万吨的干污泥。污泥处理和处置费用是废水处理厂总费用的60%左右。另一方面,它含有大量的有机物(如碳水化合物),可通过厌氧发酵或消化产生短链脂肪酸(SCFAs), 水和甲烷,用于回收能量和降低污水处理系统的运行成本。在这些有价值的生物制品中,氢越来越受到人们的关注。与产甲烷相比,厌氧发酵产氢需要较低的发酵条件和更短的时间。此外,氢气作为一种清洁的可再生能源,其产能高达142.35KJ/g,燃烧时产生的是水而不是温室气体,因此被广泛认为是未来重要的能源载体。因此,近年来许多研究都集中在从暗发酵中回收氢气,从而节约化石燃料,减少环境污染,提高污泥利用率,实现氢气的可持续利用。

作为代谢中间产物,氢主要产生于污泥的解体、复杂的有机化合物(如蛋白质和碳水化合物)的水解、简单的有机物(如单糖和氨基酸)的产酸和其他 SCFAs (如丙酸盐和丁酸盐)的乙酰转化,而氢一般被产甲烷菌和乙酰菌利用。由于氢产率低,消耗率高,至今尚未实现 H2发电的实际应用。因此,许多研究人员致力于通过促进污泥的溶解、水解和产酸过程,抑制甲烷菌和高乙酰菌的活性来提高产氢能力和降低氢消耗。近年来,已有多种方法透过加入一些化学物(例如碱、过氧化钙、亚硝酸盐)来增加氢的产生和积累。

十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为一种典型的直链烷基苯磺酸钠(LAS) ,由于其分散性好,已广泛应用于家用消费品和工业产品(如洗涤剂、发泡剂、分散剂等)中。使用后,SDBS 通常被排放到下水道系统,.后在污水处理厂收集。在废水生物处理过程中,大部分十二烷基苯磺酸钠不能被生物降解,由于其疏水性而被吸附。

由于十二烷基苯磺酸钠的含量较高,因此,本文对十二烷基苯磺酸钠对二氧化硫生成 SCFAs 的影响进行了研究。例如,江和陈等人发现污泥中的 SDBS 显著增加了 SCFAs 的产量。随着 SDBS 从0.02 g/g tss 增加,.大 SCFAs 产生量从339.1 mg/l 增加到2599.1 mg/l。结果表明,在厌氧条件下,直链烷基苯磺酸盐同系物和异构体的初级生物降解作用不明显。此外,周等人应用 SDBS 作为预处理方法,促进以微生物电解槽(mecs)为底物的产氢。结果表明,利用 SDBS 作为预处理方法可以有效地促进污泥的溶解和 SCFAs 的产生,然后释放出的可溶性有机物和产生的 SCFAs 进一步转移到机体中,利用外源电解产氢。

因此,本文旨在揭示十二烷基苯磺酸钠对产氢的影响,并深入探讨十二烷基苯磺酸钠对暗发酵产氢的影响。首先,对不同浓度的 SDBS 进行了黑暗发酵产生的 H2代的检测和分析。在此基础上,探讨了十二烷基苯磺酸钠影响 H2生成和积累的机制。这项工作加深了对于 SDBS 对暗发酵产氢影响的理解,这些发现可能指导更好地处理 含有SDBS的污泥,并在未来减轻其负面影响。

3文章详情

1.不同的 SDBS 浓度下暗发酵产生的氢气

图1可以看出在不同的 SDBS 水平下暗发酵过程中产生的累积氢。结果表明,SDBS 的加入有效地促进了氢的产生。在13天的厌氧发酵过程中,不添加 SDBS 的.大产氢量为2.47 ml/g vss。随着 SDBS 从0 mg/g tss 增加到30 mg/g tss,累积 H2产率从2.47 ml/g vss 增加到10.73 ml/g vss。但是 SDBS 进一步提高到40mg/g tss,H2产率下降到5.39 ml/g vss,但仍然是未添加 SDBS 时的2倍。在碱预处理和游离氨预处理条件下也得到了相似的结果。例如,随着 SDBS 从0增加到30mg/g tss,累积 H2产量从10.45增加到17.61 ml/g vss (碱预处理) ,从13.05增加到23.51 ml/g vss (氨预处理)。这些结果表明,在适当水平的 SDBS 促进了暗发酵中 H2的产生。

2. SDBS 降解对氢气生成的贡献

十二烷基苯磺酸钠(SDBS) ,C18H29NaO3S,可能是微生物产生 H2的潜在底物。然而,通过以十二烷基苯磺酸钠为碳源的实验发现,随着十二烷基苯磺酸钠用量的增加,产氢量并没有明显增加。结果表明,添加十二烷基苯磺酸钠的反应器在前几天产氢较快,但随后产氢量几乎没有变化,.终产氢量为2.18 ml。在不添加 SDBS 的发酵罐中,前3天的产氢速率低于添加 SDBS 的发酵罐中的产氢速率,但随后产氢量不断增加,达到2.15 ml,与添加 SDBS 的发酵罐中的产氢量相当。这表明SDBS 不能作为产氢的底物,只能从30ml 的活性污泥中产氢。H2产率的增加可能是由于 SDBS 的存在加速了降解,这是进一步分析在以下。这些结果表明,SDBS 的降解对产氢的贡献微乎其微,与以往的研究结果一致,即 SDBS 在污泥厌氧发酵过程中几乎不发生生物降解。因此,虽然 SDBS 的存在明显增加了产氢量,但绝大部分产氢量来自于活性污泥发酵,而不是 SDBS 的生物降解。

3. 十二烷基苯磺酸钠增加 H2产量的机制

3.1十二烷基苯磺酸钠对溶解性有机物的增溶作用及其生物降解性的影响

有机物主要以固相形式存在,分布在污泥细胞的胞外或胞内。在利用有机物进行厌氧发酵之前,首先需要通过增溶作用将有机物释放到液相中,这是暗发酵作为主要的限速步骤。已有文献表明,SDBS 的存在促进了污泥的溶解,这一结果在本研究中得到进一步证实(图2)。值得注意的是,并非所有被溶解的污泥液中释放的有机物都能用于发酵。除了蛋白质和碳水化合物等可生物降解的有机物外,还有许多不可生物降解的物质(例如腐殖质和木质纤维素物质)难以用来制氢。因此,有必要进一步评价十二烷基苯磺酸钠的存在对释放有机物的生物降解性的影响。

三维电磁荧光光谱技术.近被用来研究污泥发酵液中释放的有机物的生物降解性,该技术可用于检测物质的结构变化和性质。结果表明,随着 SDBS 加入量的增加,3D-EEM荧光光谱峰的荧光强度逐渐增大。实验结果表明,SDBS 的存在可以使更多的可溶性有机物在液相中释放。进一步计算得出,在空白试验中,区域 i 和区域 iv 的荧光响应百分比分别为15.8% 和28% ,在发酵罐中,30mg/g tss 的荧光响应百分比为19.9% 和35.1% ,在发酵罐中,40mg/g tss 的荧光响应百分比分别为21.5% 和34.7% 。结果表明,有十二烷基苯磺酸钠存在时,区域 i 和区域 iv 的荧光反应总比值大于空白区,说明十二烷基苯磺酸钠的存在提高了可溶性有机物的生物降解性。SDBS 浓度越高,区域 i 和区域 iv 的荧光反应总比率越高。据报道,表面活性剂的加入促进了有机物如木质纤维素和纤维素的降解,从而改善了底物的可用性。所有这些事实表明,SDBS 的存在提高了释放的有机物的生物降解能力。

3.2十二烷基苯磺酸钠对其他生物过程的影响涉及暗发酵产氢

氢气是污泥暗发酵过程中的重要中间体。除了污泥溶解外,水解、产酸、产乙酸、同源乙酸和产甲烷等生物过程都对产氢起着重要作用

表2结果表明,随着 SDBS 浓度的增加,bsa、葡萄糖和丁酸的比降解率分别由521.7 ± 23.0、395.9 ± 17.7和252.1 ± 15.3增加到814.0 ± 31.5,547.3 ± 25.2和309.8 ± 17.1 mg/g vss d,而 H2和醋酸盐的比降解率分别由4.51 ± 0.22降低到30.8 ± 17.1 mg/g,115.4 ± 7.5ー2.82 ± 0.15,68.8 ± 5.2 mg/g vss d。结果表明,水解相关酶、产酸相关酶和产酸相关酶分别提高了56.0% 、38.2% 和22.9% ,同源产酸相关酶和产甲烷相关酶分别降低了37.4% 和40.3% 。十二烷基苯磺酸钠的存在提高了与产氢有关的酶的活性,并抑制了与消耗 H2有关的酶的活性,这是提高 H2产量的一个重要原因。