活性炭對(duì)生產(chǎn)甲烷的作用
活性炭對(duì)生產(chǎn)甲烷的作用，活性炭可以促進(jìn)有機(jī)廢物產(chǎn)生甲烷，這個(gè)已經(jīng)有很多人研究證實(shí)過了。在本研究中，將不同的活性炭劑量0,0.5，5和25g/L添加到厭氧消化器中，并且分別表征乙酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽的產(chǎn)甲烷降解動(dòng)力學(xué)。在5g/L的高有機(jī)負(fù)荷下，丙酸和丁酸的降解率在不同的活性炭劑量下增加1.5-4.7倍和2.5-7.0倍。甲烷生產(chǎn)率當(dāng)丙酸和丁酸的添加量增加到5g/L時(shí)顯著升高。然而，對(duì)于1g/L或5g/L的乙酸鹽降解，僅發(fā)現(xiàn)少量增加。活性炭促進(jìn)丙酸鹽和丁酸鹽的協(xié)同降解的促進(jìn)機(jī)制可以主要?dú)w因于對(duì)乙酸生成的觸發(fā)作用，正如互變細(xì)菌富集證明了這一點(diǎn)。
通過厭氧消化生物甲烷生產(chǎn)是利用全球生物能源最成功的策略之一。一般來說，厭氧甲烷生成是由幾組參與水解，酸化，乙?；图淄樯蛇^程的微生物進(jìn)行的。發(fā)酵細(xì)菌和產(chǎn)乙酸菌從復(fù)雜大分子的降解中產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸和其他中間體，如乳酸，乙醇和丁醇等。生產(chǎn)甲烷菌利用簡(jiǎn)單的有機(jī)基板，諸如乙酸鹽，CO 2/H 2，甲醇，和甲酸，以產(chǎn)生甲烷。
目前有相當(dāng)多的研究旨在通過補(bǔ)充導(dǎo)電性鐵氧化物如磁鐵礦和Fe0或?qū)щ娞疾牧先缁钚蕴?，生物炭，碳布和石墨等。在具有?dǎo)電材料的反應(yīng)器中刺激的甲烷生產(chǎn)可歸因于促進(jìn)直接種間電子轉(zhuǎn)移。一個(gè)潛在的原因是非生物導(dǎo)電材料的可用性可以節(jié)約細(xì)胞能量，因?yàn)樗鼈儾恍枰a(chǎn)生廣泛的細(xì)胞外生物電連接，例如導(dǎo)電菌毛和c型細(xì)胞色素?；钚蕴窟€可以提供高比表面積用于有效地固定互生微生物，活性炭與微生物產(chǎn)生不同的結(jié)果可能歸因于不同的接種物或不同屬性的活性炭，例如單一/混合揮發(fā)性脂肪酸，乙醇或復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)。因此，需要進(jìn)一步的測(cè)試以了解用活性炭材料消化器中的丙酸鹽和丁酸鹽的共生社區(qū)。
圖1。活性炭對(duì)生產(chǎn)甲烷的作用了解。
基于上述原理，本研究分別在補(bǔ)充了一系列活性炭劑量(即0.5-25g/L)的甲烷消化器中研究乙酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽的降解動(dòng)力學(xué)。同時(shí)，比較兩種不同的底物有機(jī)負(fù)荷，即1g/L和5g/L。利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)和修正對(duì)揮發(fā)性脂肪酸的降解率和產(chǎn)甲烷率進(jìn)行了評(píng)價(jià)。高通量技術(shù)被用于檢測(cè)微生物群落結(jié)構(gòu)，并且由于活性炭添加而引起的互變性降解細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌的交替。
在實(shí)驗(yàn)過程中，將測(cè)定的富集污泥體積放入500mL含400mL消化液的瓶中，使總揮發(fā)性懸浮固體(TVSS)的最終濃度為1g/L。將20-40目不同劑量的活性炭分別補(bǔ)充至瓶?jī)?nèi)，分別為0,0.5,5和25g/L，記錄為活性炭0，活性炭0.5，活性炭5和活性炭25。其表觀密度和比表面積分別為430±30g/L和875-1185m2/g。隨后，醋酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽轉(zhuǎn)化為甲烷的轉(zhuǎn)化率在1g/L和5g/L濃度的批次研究中評(píng)估具體富集的培養(yǎng)物。在兩批預(yù)培養(yǎng)后收集數(shù)據(jù)，并且每個(gè)測(cè)試進(jìn)行三次。用培養(yǎng)箱振蕩器將反應(yīng)器溫度保持在35±2℃。
活性炭與VFAs降解和高強(qiáng)度甲烷生成
圖2。使用不同劑量的活性炭降解5g/L VFA(a-c)和相應(yīng)的甲烷生產(chǎn)(eh)。
活性炭初始濃度為5g/L時(shí)，乙酸馴化培養(yǎng)仍然表現(xiàn)出較高的代謝活性，補(bǔ)充活性炭幾乎不影響甲烷生產(chǎn)率。最終得到甲烷由醋酸約為0.45 mmol-CH4/mmol-Cadded，這是接近在乙酸(例如，1克/升)的低強(qiáng)度而得到的值。但當(dāng)?shù)孜餄舛葟?g/L增加到5g/L時(shí)，丙酸和丁酸的產(chǎn)甲烷轉(zhuǎn)化率明顯受到抑制。丙酸和丁酸酯反應(yīng)器的滯后相時(shí)間為活性炭0的4.2天和12.7天。這與先前的研究一樣，甲烷生成易受高濃度VFA影響，主要?dú)w因于未解離的VFA對(duì)甲烷菌的生長(zhǎng)和代謝的抑制。盡管如此，在本研究中加入活性炭顯著加速了丙酸和丁酸的代謝。如圖2所示，當(dāng)活性炭濃度從0.5g/L增加到25g/L時(shí)，丙酸鹽進(jìn)料反應(yīng)器的滯后相期從3.4d減少到0.9d，丁酸進(jìn)料反應(yīng)器的滯后期從12.7d減少到7.8d。
表1。丙酸和丁酸消耗速率的一級(jí)動(dòng)力學(xué)。
| 活性炭劑量 | 醋酸 | HPr的 | HBU | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| VFA | k（h -1） | R 2 | k（h -1） | R 2 | k（h -1） | R 2 | |
| 0克/升 | 0.0386±0.0065 | 0.92 | 0.0022±0.0002 | 0.97 | 0.0043±0.0015 | 0.83 | |
| 5 | 0.5克/升 | 0.0371±0.0049 | 0.95 | 0.0033±0.0004 | 0.92 | 0.0036±0.0009 | 0.77 |
| 克/升 | 5克/升 | 0.0431±0.0046 | 0.97 | 0.0029±0.0041 | 0.75 | 0.0180±0.0041 | 0.82 |
| 25克/升 | 0.0393±0.0078 | 0.90 | 0.0056±0.0004 | 0.99 | 0.0306±0.0021 | 0.98 | |
| 0克/升 | 0.0228±0.0042 | 0.91 | 0.0328±0.0013 | 0.99 | 0.0251±0.0040 | 0.99 | |
| 1.0 | 0.5克/升 | 0.0279±0.0044 | 0.93 | 0.0319±0.0025 | 0.98 | 0.0247±0.0022 | 0.98 |
| 克/升 | 5克/升 | 0.0274±0.0041 | 0.94 | 0.0329±0.0017 | 0.99 | 0.0248±0.0031 | 0.99 |
| 25克/升 | 0.0252±0.0036 | 0.94 | 0.0333±0.0023 | 0.99 | 0.0268±0.0025 | 0.99 | |
計(jì)算每種VFA物種的降解動(dòng)力學(xué)(k)并呈現(xiàn)在表1中?；旧?，R2高，特別是在低活性炭劑量時(shí)，僅HBu(5.0g/L)的R2低于其他。其原因可能是由于抑制作用，導(dǎo)致S形功能的偏離。以5g/L的丙酸鹽作為底物時(shí)，消化器中的k值增加約1.5倍，即當(dāng)活性炭劑量從0增加到25g/L時(shí)，從0.0022增加到0.0056h-1。對(duì)丁酸酯降解的刺激作用更顯著，其動(dòng)力學(xué)值增加7.1倍，即從0.0043至0.0306h-1當(dāng)活性炭劑量從0增加到25g/L時(shí)。上述結(jié)果清楚地表明補(bǔ)充活性炭可以劑量依賴性的方式促進(jìn)丙酸和丁酸的甲烷生成。值得注意的是，雖然丙酸和丁酸的降解速度通過補(bǔ)充活性炭而顯著增加，但它們的速率仍低于乙酸鹽的速率，范圍為0.0386-0.0431 h-1。這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了丙酸和丁酸轉(zhuǎn)化的困難，以及進(jìn)一步探索促進(jìn)機(jī)制的重要性。
這項(xiàng)研究表明，活性炭的作用在重有機(jī)負(fù)荷下，補(bǔ)充適當(dāng)?shù)幕钚蕴縿┝靠梢约铀俦猁}和丁酸鹽的共生降解。具體而言，丙酸和丁酸的降解率在5克/L活性炭的環(huán)境中大幅增加了1.5和4.2倍，與對(duì)照相比(活性炭0)，然而較小的增量被發(fā)現(xiàn)時(shí)進(jìn)一步增加活性炭劑量至25g/L。因此，推薦將較低劑量的活性炭用于厭氧消化器，并且該方法用于改善消化器性能的經(jīng)濟(jì)性將是有利的?；钚蕴坑幸嬗诟患ヰB(yǎng)性氧化細(xì)菌，但需要一段時(shí)間的培養(yǎng)，因此建議將活性炭保留在連續(xù)進(jìn)料消化器內(nèi)。
本文作者：董帝豪
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