环境科学  2021, Vol. 42 Issue (2): 891-899   PDF    
引用本文
陈圣杰, 姚福兵, 皮洲洁, 侯坤杰, 何丽, 李小明, 王东波, 杨麒. 微米零价铁对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化的加强效果及机制[J]. 环境科学, 2021, 42(2): 891-899.
CHEN Sheng-jie, YAO Fu-bing, PI Zhou-jie, HOU Kun-jie, HE Li, LI Xiao-ming, WANG Dong-bo, YANG Qi. Enhancement Effects and Mechanisms of Microscale Zero Valent Iron on the Performance of Anaerobic Co-digestion of Waste Activated Sludge and Food Waste[J]. Environmental Science, 2021, 42(2): 891-899.
微米零价铁对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化的加强效果及机制
陈圣杰1,2, 姚福兵1,2, 皮洲洁1,2, 侯坤杰1,2, 何丽1,2, 李小明1,2, 王东波1,2, 杨麒1,2     
1. 湖南大学环境科学与工程学院, 长沙 410082;
2. 环境生物与控制教育部重点实验室(湖南大学), 长沙 410082
收稿日期: 2020-07-03; 修订日期: 2020-07-28
基金项目: 国家自然科学基金项目(51779088, 51709104)
作者简介: 陈圣杰(1995~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为水污染控制工程, E-mail:chenshengjie@hnu.edu.cn
通信作者: 杨麒, E-mail:yangqi@hnu.edu.cn
摘要: 针对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化产气效率不高的问题，通过投加微米零价铁，研究其对厌氧联合消化的强化效果及作用机制.结果说明，零价铁的添加强化了厌氧联合消化的产甲烷阶段，但对溶解、水解及酸化阶段没有明显影响.当零价铁的投加量为10 g·L-1时，经过15 d的厌氧消化，累积甲烷产量（以VS计）达到238.68 mL·g-1，相比于空白组提高了20.05%.机制分析表明：零价铁提高了系统的电子传递体系（ETS）活性，当零价铁投加量为10 g·L-1时，最终的ETS活性（以INTF/TS计）达到21.50 mg·（g·h）-1，而空白组仅为13.43 mg·（g·h）-1.此外，零价铁还强化了细菌和产甲烷菌之间的直接性种间电子传递（DIET），微生物群落的变化显示DIET相关的微生物，例如Syntrophomonas、Methanosarcina和Methanobacterium，在有零价铁添加的条件下显示出更高的丰度.
关键词: 微米零价铁(mZVI)      厌氧联合消化      剩余活性污泥      餐厨垃圾      直接性种间电子传递(DIET)      微生物群落     
Enhancement Effects and Mechanisms of Microscale Zero Valent Iron on the Performance of Anaerobic Co-digestion of Waste Activated Sludge and Food Waste
CHEN Sheng-jie1,2 , YAO Fu-bing1,2 , PI Zhou-jie1,2 , HOU Kun-jie1,2 , HE Li1,2 , LI Xiao-ming1,2 , WANG Dong-bo1,2 , YANG Qi1,2     
1. College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;
2. Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control(Hunan University), Ministry of Education, Changsha 410082, China
Abstract: Focusing on low biogas yields in the anaerobic co-digestion of waste activated sludge and food waste, the enhancing effects and mechanisms of microscale zero valent iron (mZVI) on anaerobic co-digestion was investigated. The results indicated that the addition of mZVI enhanced the methanogenesis stage of co-digestion but had no significant effect on the solubilization, hydrolysis, and acidification stages. With a dosage of 10 g·L-1 mZVI, the cumulative methane yield (based on VS) within 15 days reached 238.68 mL·g-1, which was 20.05% higher than the control group. The mechanism analysis showed that mZVI promoted electron transport system (ETS) activity (based on INTF/TS), which increased to 21.50 mg·(g·h)-1 with 10 g·L-1 mZVI compared to 13.43 mg·(g·h)-1 in the control group. Furthermore, mZVI enhanced direct interspecies electron transfer (DIET) between specific bacteria and methanogens. Microbial community analysis demonstrated that the abundance of DIET-related microorganisms, such as Syntrophomonas, Methanosarcina, and Methanobacterium, was higher in presence of mZVI.
Key words: microscale zero valent iron (mZVI)      anaerobic co-digestion      waste activated sludge      food waste      direct interspecies electron transfer (DIET)      microbial community     

随着全球城市化进程的推进, 城市固体废弃物的产量也随之不断增加.目前, 全球城市固体废弃物的年产量大约为13亿t, 并且这个数值预计到2025年会增长到22亿t[1].而剩余活性污泥和餐厨垃圾作为主要的有机城市固体废弃物, 它们的处理与处置已经成为一个严重的环境问题.厌氧消化在处理有机废物的同时还可以以沼气的形式回收能源, 因此被视为处理剩余活性污泥、餐厨垃圾等有机废物的理想方法.但以剩余活性污泥或餐厨垃圾作为单独底物的厌氧消化往往因为底物营养配比的不平衡而导致整个消化过程失败.因此, 研究人员提出可以将剩余活性污泥和餐厨垃圾联合起来进行共消化, 这样不仅可以稀释一些化合物而减弱其毒性, 平衡底物的营养配比, 而且还可以充分发挥各微生物之间的协同作用, 从而提高系统的产气效率[2, 3].然而, 在实际工程应用中, 厌氧联合消化的表现往往达不到预期, 特别是甲烷产量远低于理论值.因此, 探索合适的方法提高剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化的产气效率是很有必要的.

近年来, 有研究发现通过向厌氧消化体系中添加一些外源添加剂如：微量金属元素、四氧化三铁、零价铁和生物炭等可以有效地提高系统的甲烷产量[4~6].其中, 零价铁作为一种廉价易得的还原性材料已经引起了越来越多的注意.关于零价铁强化厌氧消化的研究已有很多, 例如Feng等[7]研究了零价铁对经碱性预处理的污泥的厌氧消化的影响.结果表明在零价铁的投加量为20 g·L-1时, 最终的累积甲烷产量相比于未添加零价铁的反应组提高了43.5%. Kong等[8]的研究则表明适量零价铁的添加可以有效抑制餐厨垃圾厌氧消化过程中丁酸的累积, 加速丁酸向乙酸的转化, 即使是在高有机负荷(42.32 g·L-1, 以VS计)的情况下.然而, 关于零价铁在剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化体系中的具体作用却并无报道.特别是, 一些研究已经证明包括生物炭、四氧化三铁和颗粒活性炭等还原性添加剂对厌氧消化的促进作用是通过它们对微生物间的直接性种间电子传递(direct interspecies electron transfer, DIET)的加强来实现的[9~12], 但这一机制是否同样适用于作为还原性物质的零价铁尚不清楚.此外, 考虑到纳米零价铁昂贵的成本和较短的使用寿命, 因此本实验选取微米零价铁作为添加剂, 研究其在剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化体系中的作用, 具体的研究目的包括：①评估不同剂量的零价铁对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化的影响; ②探究在零价铁添加后厌氧联合消化过程中微生物群落结构的变化; ③尝试从DIET的角度阐明零价铁对厌氧联合消化的加强机制.

1 材料与方法 1.1 实验材料

本实验所用剩余污泥取自长沙某市政污水处理厂二沉池, 所取污泥首先经80目的不锈钢筛过滤, 然后浓缩沉淀24 h后保存于4℃恒温室中备用.实验用餐厨垃圾为人工合成, 配比为35%米饭、35%蔬菜、20%猪肉和10%豆腐.合成的餐厨垃圾经搅拌器打碎至粒径小于2 mm后保存于4℃恒温室中备用.部分剩余污泥在35℃下厌氧培养一段时间后作为接种污泥.剩余污泥、餐厨垃圾、接种污泥及最终反应底物的基本特征显示在表 1中.本实验所用微米零价铁(纯度>98%, 80目)购买自Aladdin公司.

表 1 餐厨垃圾、剩余污泥、接种污泥及最终底物的基本特征 Table 1 Characteristics of food waste, waste activated sludge, inoculum, and the experimental mixture

1.2 实验设计

将2760 mL剩余污泥、240 mL餐厨垃圾及600 mL接种污泥均匀混合后, 用4 mol·L-1 NaOH或HCl将pH调至7.0±0.2.然后将混合物均分至12个反应体积为500 mL的反应器中, 每个反应器中包含300 mL混合物.将这12个反应器分为4组分别命名为空白、Z1、Z2和Z3, 每组包含3个平行.其中Z1、Z2和Z3组反应器分别加入2、6和10 g·L-1的零价铁, 空白组不添加任何外源添加物.所有反应器在经氮气吹脱5 min后立即用橡胶塞和封口膜密封, 然后放置于气浴振荡箱中[(35±1)℃, 150 r·min-1]厌氧消化15 d, 每天取样分析.

1.3 分析方法 1.3.1 化学分析

TS和VS通过重量法测定[13].反应底物取出后经6 000 r·min-1离心10 min后, 上清液用0.45 μm的滤膜过滤, 滤液用于测定溶解性COD、多糖和蛋白质等指标.其中COD采用重铬酸钾法测定[14].总挥发性脂肪酸(total volatile fatty acids, TVFAs)包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸以及产气组成分别采用两个不同的气相色谱仪(GC-2010, Shimadzu, Japan和GC112A, INESA, China)测定.多糖和蛋白质分别使用phenol-sulfuric法和Lowry-Folin法测定[15, 16].使用碘硝基四氮唑[2-(p-iodophenyl)-3-(pnitrophenyl)-5-phenyltetrazolium chloride, INT]表征混合液的电子传递体系(electron transport system, ETS)活性[17].

1.3.2 动力学分析

为了确定联合消化过程中的甲烷产生速率和迟滞时间, 使用修改的Gompertz模型[18]对实验结果进行模拟分析.

(1)

式中, t为反应时间, d; B(t)为t天时的累积甲烷产量(以VS计), mL·g-1; B为甲烷潜势(以VS计), mL·g-1; R为最大甲烷产生速率(以VS计), mL·(g·d)-1; λ为迟滞时间, d; e为自然对数的底, 取2.718 28.

1.3.3 微生物分析

取接种污泥和各反应器经15 d厌氧消化后的样品各5 mL, 经5 000 r·min-1, 10 min离心后弃去上清液, 留下的底物用DNA提取包(Mo Bio Laboratories, Inc, USA)提取, 所提取样品保存于-20℃条件下.所有样品送至上海美吉生物医药科技有限公司利用16S rRNA高通量测序技术对微生物群落结构进行测定分析.

2 结果与讨论 2.1 零价铁对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化的影响 2.1.1 零价铁对溶解、水解和酸化阶段的影响

众所周知, 有机物的厌氧消化可以分为4个阶段：溶解、水解、酸化和产甲烷阶段.其中, 前3个阶段的反应为最后的产甲烷阶段提供必要的反应底物.因此, 本实验首先研究了零价铁对联合消化过程中溶解、水解和酸化阶段的影响.如表 1所示, 蛋白质和多糖是剩余污泥和餐厨垃圾中最主要的两种有机成分, 蛋白质在剩余污泥和餐厨垃圾中的占比分别为54.66%和21.58%, 多糖则为12.83%和33.95%.因此, 消化液中蛋白质和多糖的浓度变化可以很好地反映出联合消化过程中溶解和水解阶段的情况. 图 1(a)和1(b)分别显示了溶解性多糖和蛋白质在联合消化过程中浓度的变化情况.从中可知, 在15 d的联合消化过程中虽然溶解性多糖和蛋白质的浓度有一定的提升, 但提升的速度很慢, 并且有零价铁添加的反应组并没有显示出更快的提升速度, 甚至其最终浓度还低于空白组.以溶解性蛋白质为例, 最初的浓度(以COD计)为400.56 mg·L-1, 经过15 d的厌氧消化, Z1、Z2、Z3和空白组中的浓度(以COD计)分别为1 269.96、1 177.74、1 079.38和1 304.62 mg·L-1.溶解性多糖在整个反应过程中变化趋势和溶解性蛋白质的类似, 即缓慢增长但各反应组之间的区别并不明显.显然, 零价铁的添加并没有导致消化体系中溶解性蛋白质和多糖浓度的快速提高.为了进一步确定零价铁对厌氧消化溶解和水解阶段的影响, 进一步分析了各反应组消化前后的TS和VS的变化情况, 结果如图 1(d)所示.与最初的反应底物相比, 经过15 d的联合消化, 所有反应组的TS和VS均明显下降.但各反应组之间并没有表现出明显区别, 空白、Z1、Z2和Z3反应组的VS去除率分别为29.00%、28.05%、29.99%和31.02%, 这再次表明零价铁对联合消化过程中溶解和水解阶段并没有产生明显的加强作用.类似的结论在其他研究中也有报道, Liu等[19]的研究显示虽然零价铁显著地提高了污泥的甲烷潜势(biochemical methane potential, BMP), 但对污泥的水解速率却并没有产生促进影响.

图 1 溶解性多糖、溶解性蛋白质、TVFAs以及TS和VS的变化情况 Fig. 1 Changes in soluble carbohydrate, protein, TVFAs, TS, and VS

作为一种重要的水解酸化产物, TVFAs在联合消化过程的变化情况显示于图 1(c). TVFAs在所有的反应器内均显示出类似的趋势：先上升达到峰值后逐渐下降.这表明VFAs先在水解酸化阶段产生和累积, 然后在产甲烷阶段作为底物被消耗.值得注意的是, 零价铁的添加并没有导致更高的VFAs的累积.与此相反, 在整个消化过程中空白组一直显示出更高的TVFAs浓度. Z1、Z2和Z3组的最高TVFAs浓度(以COD计)分别为6 803.89、6 943.70和6 993.55 mg·L-1, 而在空白组则提高到9 047.60 mg·L-1.显然, 零价铁的添加对VFAs的产生并没有促进作用, 反而通过促进它的消耗减缓了其积累, 造成空白组的TVFAs浓度最高的现象. Zhao等[6]研究比较了零价铁和四氧化三铁对剩余污泥厌氧消化的影响, 结果表明, 不同于四氧化三铁对水解和酸化过程的加强, 零价铁主要通过促进氢营养型产甲烷菌的生长来强化剩余污泥的厌氧消化.

2.1.2 零价铁对产甲烷阶段的影响

图 2(a)为厌氧联合消化过程中每日甲烷产量的变化情况.微生物经过4 d的适应与繁殖后, 所有反应组的每日甲烷产量均开始快速提高, 并有两个峰值出现.在空白组, 每日甲烷产量(以VS计)的峰值出现在第7 d和第12 d, 分别为22.21 mL·(g·d)-1和24.67 mL·(g·d)-1.而对于零价铁添加量为10 g·L-1的反应组, 每日甲烷产量(以VS计)的峰值出现在第6 d和第10 d, 分别达到了27.92 mL·(g·d)-1和29.38 mL·(g·d)-1.显然, 与零价铁对溶解、水解、和酸化阶段影响较轻微不同, 零价铁的添加对产甲烷阶段产生了显著影响, 不仅提高了每日甲烷产量, 而且使甲烷峰值的出现时间提前了.

图 2 每日甲烷产量、累积甲烷产量和累积氢气产量的变化情况 Fig. 2 Variation in daily CH4 production, cumulative CH4 production, and cumulative H2 production

图 2(b)反映了累积甲烷产量的变化.从中可以看到, 经过15 d的厌氧联合消化, 空白组的累积甲烷产量(以VS计)为198.81 mL·g-1, 而在零价铁投加量为2、6和10 g·L-1的反应组, 则达到224.71、236.98和238.68 mL·g-1, 分别较空白组提高了13.03%、19.20%和20.05%.在TS和VS去除率接近的情况下, 累积甲烷产量越高, 单位质量底物所产生的甲烷越多.结合图 1(d)中各反应组的TS和VS去除情况, 可以发现虽然零价铁对溶解、水解和酸化阶段没有明显影响, 但它提高了最终底物的利用程度, 加强了产甲烷过程中的电子传递效率, 最终提高了累积甲烷产量. Lee等[20]的研究采取沥滤液回流的方式强化以剩余污泥、餐厨垃圾和庭院废物混合物为底物的高固体厌氧联合消化系统, 累积甲烷产量(以VS计)达到191 mL·g-1. Zan等[21]向剩余污泥和餐厨垃圾的厌氧联合消化系统中加入400 mg·L-1硫酸盐, 显著地促进厌氧消化过程, 累积甲烷产量(以VS计)为209 mL·g-1.相比之下, 本实验的最高累积甲烷产量(以VS计)为238.68 mL·g-1, 说明零价铁在促进有机物厌氧联合消解产甲烷具有一定的优势. 图 2(c)是联合消化中累积氢气产量的变化情况.从中可知, 反应前3 d由于有机物的大量分解使得氢气迅速累积, 并在第3 d达到峰值, 然后由于同型产乙酸菌和氢营养型产甲烷菌的作用使得产生的氢气被大量消耗, 导致反应系统中氢气的累积和消耗处于一个动态平衡状态, 从而使累积氢气产量最终保持在一个稳定的数值.值得注意的是, 所有添加了零价铁的反应组均表现出更低的累积氢气产量, 并且零价铁的投加量越大, 累积氢气产量越低.这结果表明零价铁促进了同型产乙酸菌和氢营养型产甲烷菌等可以利用氢的微生物的生长繁殖, 使得更多的氢气被消耗, 从而使空白组表现出更高的氢气产量.这也是最常见的零价铁促进厌氧产甲烷的机制.

为进一步研究零价铁强化联合消化产甲烷的表现, 对过程产气采用修改的Gompertz模型进行了分析, 结果列于表 2.相比于空白组, 零价铁的加入使得甲烷产生速率变高.空白组的最大甲烷产生速率(R, 以VS计, 下同)仅为18.80 mL·(g·d)-1, 而随着零价铁投加量的增加, 该数值也随之增加, Z1、Z2和Z3组的R分别增加到22.72、25.05和27.53 mL·(g·d)-1, 较空白组提高了20.85%、33.24%和46.44%, 这说明零价铁的投加显著地促进了系统的产甲烷能力.迟滞时间λ在一定程度上反映了微生物对新环境的适应能力, λ越小则微生物适应新环境所需的时间越短[22].根据模拟结果, 迟滞时间λ在空白、Z1、Z2及Z3组呈下降趋势, 分别为3.72、3.32、3.28和3.18 d.显然, 零价铁的加入缩短了微生物适应新环境的所需时间.总的来说, 模型分析的结果与甲烷产量的变化情况相符(R2均>0.99), 零价铁的存在加速了反应器的甲烷产生速率, 缩短了迟滞时间, 改善了厌氧消化的产气表现.

表 2 修改的Gompertz模型的模型参数 Table 2 Model parameters of the modify Gompertz model

2.2 零价铁对微生物群落结构的影响

零价铁对联合消化过程中微生物群落结构也造成了一定的影响, 图 3为不同零价铁投加量下反应器中微生物群落结构在门水平分布情况.最初的接种污泥中主要的微生物门类包括：Firmicutes、Chloroflexi、Proteobacteria、Planctomycetes、Bacteroidetes和Euryarchaeota, 相对丰度分别为31.82%、15.92%、15.05%、7.24%、6.63%和4.93%.经过15 d的联合消化, 各反应组的微生物群落均发生了明显变化, 其中作为产甲烷菌的Euryarchaeota的变化最为显著.在最初的接种污泥中Euryarchaeota的丰度仅为4.93%, 而厌氧联合消化之后, 它在各反应组的丰度分别提高到21.19%(空白)、22.08%(Z1)、19.47%(Z2)和24.35%(Z3).显然, 零价铁促进了Euryarchaeota的生长, 使得添加零价铁的反应组表现出了更高的甲烷产量. Chloroflexi, 作为一种可以利用氢气的微生物, 它的生长繁殖需要消耗氢气[23].在空白组Chloroflexi的丰度仅为7.63%, 而在Z1、Z2和Z3组, 它的丰度则分别增长到12.41%、8.92%和11.32%.这结果表明零价铁提高了Chloroflexi的丰度, 从而减少了氢气的累积, 降低了氢分压, 为产甲烷菌提供了更有利的生长环境.

图 3 微生物群落结构在门水平的分布情况 Fig. 3 Distribution of microbial community structure at the phylum level

表 3从种或属水平上进一步分析了微生物群落结构在不同零价铁投加量下的变化情况.从中可知, 产甲烷古菌主要包括以下4种：Methanobacterium、Methanobrevibacter、Methanosaeta和Methanosarcina.其中Methanobacterium和Methanobrevibacter是氢营养型产甲烷菌, 他们可以利用氢气和甲酸作为电子供体, 通过还原二氧化碳产生甲烷; Methanosaeta是乙酸营养型产甲烷菌, 它只能利用乙酸的分解产生甲烷; 而Methanosarcina是一种多功能产甲烷菌, 它既可以利用氢气还原二氧化碳产甲烷, 也可以通过乙酸的分解产甲烷.如表 3所示, 在最初的接种污泥和空白组, Methanobacterium的丰度仅为1.40%和3.33%, 而在添加2、6和10 g·L-1零价铁的反应组, Methanobacterium的丰度则分别提升到5.12%、4.09%和6.45%.对于Methanosarcina, 它的变化趋势与Methanobacterium类似, 在接种污泥中丰度最低仅为0.34%, 在10 g·L-1零价铁的反应组最高, 达到13.46%.但Methanosaeta则表现出一个相反的趋势, 它在各样品中的丰度分别为：2.17%(接种污泥)、1.00%(空白)、1.51%(Z1)、0.40%(Z2)和0.48%(Z3).显然, 零价铁促进了氢营养型产甲烷菌的生长, 加强了氢气的消耗和甲烷的产生, 但对乙酸营养型产甲烷菌并无促进作用.这一结论也印证了上文中氢气和甲烷产量的变化情况. Huang等[24]发现在猪粪厌氧消化系统中加入5 g·L-1零价铁显著地提高了同型产乙酸菌和氢营养型产甲烷菌的丰度, 并使最终甲烷产量提高了36.9%.而Kong等[25]的研究则表明向市政固体废弃物的厌氧消化系统中加入适量的零价铁可以促进Methanobacteriales和Methanosarcinales的生长繁殖.

表 3 微生物群落在种或属水平的相对丰度/% Table 3 Relative abundance of microbial communities at the genus or family level/%

2.3 基于种间电子传递强化新机制

污泥的ETS活性指的是污泥微生物呼吸链上电子的传递效率, 它的实质是通过对污泥微生物呼吸活性的测定来间接衡量污泥的生物活性[26].污泥的ETS活性既可以反映系统内微生物降解有机物的能力, 还可以指示微生物呼吸过程中包括酶活性在内的一系列电子传递过程的表现, 是厌氧污泥基本生命活动活跃与否的指针[27, 28]. Tian等[29]研究了纳米颗粒对活性污泥厌氧消化的影响, 结果表明在MnO2投加量(以VS计)为400 mg·g-1时, ETS活性提高了66.6%, 相应的累积甲烷产量则提高了42%. Lizama等[17]的研究则显示在剩余污泥的厌氧消化系统中, 9 mg·g-1纳米零价铁(以VS计)的加入, 使得ETS活性提高了53.22%, 强化了微生物活性, 最终提高了累积甲烷产量. 表 4显示了在15 d厌氧消化过程中各反应组ETS活性的变化.如表所示, 空白组ETS活性(以INTF/TS计)由最初的12.11 mg·(g·h)-1提升到第15 d的13.43 mg·(g·h)-1.而当零价铁投加量为2、6和10 g·L-1, 第15 d的ETS活性(以INTF/TS计)为15.95、20.52和21.50 mg·(g·h)-1, 相比于空白组分别提高了18.76%、52.79%和60.09%.显然, 零价铁显著地提高了系统的ETS活性, 促进了微生物代谢过程中的电子传递, 进而加强了氢营养产甲烷菌的生长繁殖.这是零价铁提高甲烷产量的原因之一.

表 4 ETS活性的变化情况(以INTF/TS计)/mg·(g·h)-1 Table 4 Variations in the ETS activity(INTF/TS)/mg·(g·h)-1

很明显, 厌氧微生物之间缓慢的电子交换速率是厌氧消化产气效率低下的原因之一.而作为一种更有效的电子传递方式, DIET可以使一些特定的细菌和产甲烷菌之间直接地进行电子交换, 而不需要氢气和甲酸作为电子载体, 从而大大的提高微生物间电子传递的效率, 加强厌氧消化的表现. DIET涉及到多种多样的微生物, 例如：Methanosaeta concilii、Geobacter、Syntrophomonas和Methanosarcina等, 这些微生物丰度的变化会对DIET产生直接影响.很多研究已经证明在厌氧消化系统中加入一些传导性材料如生物炭、四氧化三铁等可以促进DIET相关微生物的生长繁殖, 从而加强厌氧消化对有机物的去除率和产气效率[9~11].属于Firmicutes的Syntrophomonas就是一种典型的可以参与DIET的微生物, 它不仅可以通过β氧化途径参与丁酸的降解, 而且还可以与产甲烷菌形成协同代谢作用, 进而加强厌氧消化的表现[30]. Wu等[11]的研究发现向污泥厌氧消化系统中加入适量生物炭可以有效促进Syntrophomonas的生长, 进而导致甲烷产量的提升. Lei等[10]则证明了上流式厌氧污泥流化床中出水COD去除率的增加应主要归功于所加碳布(carbon cloth)对Syntrophomonas和Methanosarcina之间DIET的加强.此外, 作为氢营养型产甲烷菌的Methanobacterium也可以参与DIET过程, 这一点在Lin等[31]的研究中已经证明.如表 3所示, 本实验中零价铁的添加显著提高了DIET相关微生物的丰度.在空白组, Syntrophomonas和Methanosarcina的相对丰度仅为4.19%和12.25%, 而在10 g·L-1零价铁的反应组, 它们的相对丰度则分别提升到5.05%和13.46%.对于Methanobacterium也表现出类似的趋势, 它在各组的相对丰度分别为3.33%(空白)、5.12%(Z1)、4.09%(Z2)和6.45%(Z3).这些结果说明零价铁的投加促进了联合消化系统中DIET相关微生物的生长繁殖, 强化了微生物间的DIET, 进而提高了最终甲烷产量.这是零价铁促进联合消化产甲烷的另一个重要原因.

3 结论

(1) 在剩余活性污泥和餐厨垃圾的厌氧联合消化系统中添加零价铁可以提高其甲烷产量, 当零价铁投加量为10 g·L-1时, 累积甲烷产量(以VS计)达到238.68 mL·g-1, 相比于空白组提高了20.05%.

(2) 零价铁对厌氧消化过程中的溶解、水解和酸化阶段并无影响, 而是强化了产甲烷阶段; 微生物分析表明零价铁促进了氢营养型产甲烷菌的生长, 但对乙酸营养型产甲烷菌并无明显促进作用.

(3) 零价铁对系统ETS活性的加强是甲烷产量提高的原因之一.在10 g·L-1零价铁的反应组, 最终的ETS活性(以INTF/TS计)为21.50 mg·(g·h)-1, 而空白组仅为13.43 mg·(g·h)-1.

(4) 零价铁对微生物间DIET的加强是甲烷产量提高的另一个原因. DIET相关微生物包括Syntrophomonas、Methanosarcina、Methanobacterium, 在有零价铁添加的条件下显示出更高的丰度.

参考文献
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