摘要
国内污水处理厂主要采用活性污泥法进行脱氮除磷，在脱氮除磷过程中微生物需要要有机物来供给能量，但我国城市污水有机物含量普遍较低，难以满足脱氮除磷工艺要求，此外，活性污泥法在其运行过程中还将产生大量的剩余污泥。近年来，通过剩余污泥厌氧发酵获取挥发性短链脂肪酸(VFAs)得到了广泛的关注，一方面污泥的厌氧处理能够实现剩余污泥的减量化和无害化，另一方面产生的VFAs也可作为生物脱氮除磷系统的优质碳源。但由于剩余污泥在常规发酵工艺下VFAs产量较少，使得剩余污泥厌氧发酵液的应用受到限制。尽管文献研究中发现腐殖酸这一氧化还原介体能够促进剩余污泥的厌氧发酵产酸，但多是关于促进效果和影响因素的研究，对其促进机理认识不足，尤其对腐殖酸作为氧化还原介体促进电子传递过程的研究较少。本文通过研究腐殖酸的理化性质、介导强化剩余污泥厌氧发酵产酸效果及影响因素，结合高通量及非靶向代谢组学等生物学分析方法，解析了腐殖酸氧化还原介体影响发酵产酸微生物的代谢机制。 采用元素分析、傅里叶红外光谱、紫外-可见光吸收光谱，三维荧光光谱及13C核磁共振等方法研究了实验所用腐殖酸的理化性质。元素分析表明，实验所用腐殖酸结构中羧基、羰基等含氧冠能官能团以及与苯环相关的基团相对较多，腐殖化程度较其他来源腐殖酸高，氮相关基团，如酰胺基、亚硝基、氨基酸等含量较低；腐殖酸的傅里叶红外光谱表明，其结构中含有-OH、脂肪结构中C-H、苯环的C=O或C=C、COO-、-CH3等官能团；紫外-可见光吸收光谱表明，其结构中存在缔合的芳环结构；三维荧光光谱图表明，实验所用商品腐殖酸的分子量，芳香性结构的缩合度及腐殖化程度均较来源于垃圾渗滤液及泥炭的腐殖酸高；13C核磁共振表明，其芳香度较来源于泥炭和市政垃圾腐殖酸高。 腐殖酸介体对剩余污泥厌氧发酵产酸的促进效能结果表明，腐殖酸对提高剩余污泥的厌氧发酵产酸总量，优化产酸组成有显著作用。剩余污泥厌氧发酵产VFAs总量随着腐殖酸浓度的增加而增加，当腐殖酸浓度为0.15、0.30、0.60和1.20g/g-TCOD时，VFAs总量较空白样品VFAs总产量的提高率依次为5.65%、18.69%、57.46%，115.01%；随着腐殖酸浓度的增加，VFAs中乙酸所占比例逐渐增高，丙酸和异戊酸所占比例逐渐下降；腐殖酸对VFAs总产量的促进作用受pH条件的影响，在pH较低时，随着碱性条件的增强，促进作用逐渐增强，在pH为10.0时由于空白对照组总产酸量的升高，促进作用减弱；对添加了腐殖酸的实验组，随着pH的增加VFAs中乙酸所占百分比逐渐增加，丙酸和异戊酸所占百分比逐渐降低；反应时间为4d时，实验组和空白组反应器的VFAs总产量最高，并且腐殖酸对剩余污泥厌氧发酵VFAs总产量的促进作用最大。 腐殖酸介体对微生物群落的影响表明，腐殖酸的添加提高了剩余污泥厌氧发酵产酸体系中发酵产酸功能微生物的相对丰度。添加腐殖酸的剩余污泥厌氧发酵产酸体系中物种丰度较空白对照组发酵产酸体系稍有下降；主成分分析(PCA)和样品聚类分析共同说明了，在添加腐殖酸的污泥样品中微生物物种组成与对照组污泥样品存在较大差异，同时腐殖酸的添加增加了格室间微生物的物种组成的相似性；在门水平上，添加腐殖酸的剩余污泥厌氧发酵产酸体系中变形菌门(Protebacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和绿弯菌门(Chloroflexi)的相对丰度均有所降低，而厚壁菌门(Firmicutes)的含量却较空白对照组样品中相对丰度增加了1倍多；在纲水平上，添加腐殖酸，提高了剩余污泥厌氧发酵产酸体系中有利于水解产酸的梭状芽孢杆菌纲(Clostridia)及拟杆菌纲(Bacteroidia)的相对丰度；在属水平上，添加腐殖酸的剩余污泥厌氧发酵产酸体系中，厌氧醋菌属(Acetoanaerobium)、Proteiniclasticum菌，Fusibacter菌属等与发酵产酸相关的功能微生物的相对丰度都得到一定的增加。 腐殖酸介体对微生物代谢过程的影响结果表明，腐殖酸因其电子传递的作用，对微生物的代谢途径产生一定影响。腐殖酸可以氧化微生物代谢产生的过剩的还原型烟酰胺腺嘌吟二核苷酸(NADH)，从而减弱NADH积累对厌氧发酵产酸过程的影响，提高厌氧发酵体系中VFAs的产量。在实验任一pH条件下，添加1.20g/g-TCOD腐殖酸的实验组反应器体系内NADH浓度均较空白对照组低，并且随着腐殖酸投加量的增加NADH的浓度不断下降。添加腐殖酸有利于维持厌氧发酵体系微生物适宜的NADH/NAD+比率水平，减弱发酵产酸微生物通过耦联产丙酸或丁酸等代谢途径，再生NADH的自我调节作用，从而提高剩余污泥厌氧发酵体系中乙酸等低分子量的VFAs所占比例，优化剩余污泥厌氧发酵产酸组成。腐殖酸的添加使剩余污泥厌氧发酵体系中微生物的中间代谢产物发生了一定的变化，并且添加腐殖酸的实验组样本间代谢物差异更小；在剩余污泥厌氧发酵产酸体系中，腐殖酸对微生物的代谢途径metabolicpathway(ko01100)影响较为显著，在代谢通路中的淀粉和蔗糖的代谢过程、鞘脂类代谢过程及嘧啶代谢过程均有差异代谢物存在。
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