原创研究 | 腐殖酸对间歇式厌氧消化的影响及其机理探究
· 以不含腐殖酸的实际污泥为底物，定量探究不同浓度腐殖酸对厌氧消化过程的影响
· 不同于以往宏观分析研究，本研究重点关注生物酶活、微生物水平等微观方面，深入探究腐殖酸对厌氧消化的影响
· 研究中不仅探究腐殖酸对整体厌氧消化的影响，同时控制厌氧消化处于不同阶段（水解、酸化及产甲烷阶段），分阶段探究腐殖酸对不同阶段的影响及机理
文章简介
当前“双碳”目标下，污水处理厂污泥能源化被认为是实现碳中和的重要途径，但污水中所含化学能通过污泥厌氧消化能源转化效率较低。剩余污泥中含有较多木质纤维素、腐殖质等大分子难降解有机物成分，特别是，腐殖质不仅难以生物降解，还会抑制系统关键酶的活性，降低有机物水解效率，同时还有可能抑制厌氧消化微生物的活性，最终限制厌氧消化效率。
已有研究对HA与污泥厌氧消化之间关系或内在机理的结论各执一词，而且其中很大部分研究都是以模拟底物或人工配水基质进行厌氧消化，忽略了HA与实际污泥之间的物理、化学和生物等方面作用；与此同时，各类研究均以HA对厌氧消化某一阶段（水解、酸化或产甲烷阶段）为研究对象，抛开厌氧消化各阶段之间环环相扣的影响，所得结论可能过于片面，无法系统总结HA对厌氧消化的整体影响。
因此，团队以不含HA的“纯净”剩余污泥为底物，考察不同浓度HA对污泥厌氧消化整体以及分阶段（水解、酸化及产甲烷）的影响与机理；侧重分析各类生物酶及微生物的变化；探究HA在水解、酸化及产甲烷不同阶段表现出的抑制或促进作用，厘清HA影响厌氧消化具体机理，以期寻求更有效的解除HA抑制方法进而提高厌氧消化能源转化效率。
图1结果表明，HA整体上抑制厌氧消化；当HA:VSS=15%时，抑制率高达35.1%。图2、3所示，在水解阶段，HA主要是通过静电引力、共价键合和网捕卷扫与水解酶结合，减缓水解，降低水解效率，其抑制效率为38.2%（HA:VSS=15%）。图4、5所示，在酸化阶段，HA作为电子传递体或电子受体可促进酸化作用，促进效率高达101.5%（HA:VSS=15%）。图6所示，在产CH4阶段，HA作为电子受体，争夺中间产物电子，同时抑制F420酶的活性而降低产甲烷效率，抑制率为52.2%（HA:VSS=15%）。FISH分析结果显示HA对间歇式厌氧消化过程中微生物几乎无影响。具体抑制效率及机理总结如图7所示。
图1 生物气产量及其中不同组分浓度（来自原文）
图2不同腐殖酸浓度系统第3天多糖与蛋白质浓度变化及相关水解酶活性（来自原文）
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图3 腐殖酸抑制酶活性机理分析（来自原文）
图4 系统内氧化还原电位（ORP）及pH变化（来自原文）
图5 不同系统内不同VFAs累积浓度变化（来自原文）
图6 不同浓度系统甲烷产量及甲烷抑制率（来自原文）
图7 HA对厌氧消化的影响机理（来自原文）
重要结论
1、腐殖酸会抑制/降低厌氧消化整体能源转化效率；
2、在厌氧消化不同阶段（水解、酸化及产甲烷阶段），腐殖酸所产生影响及机理不尽相同；
3、腐殖酸通过抑制水解阶段和产甲烷阶段主要酶活性，从而抑制水解、产甲烷阶段效率/转化率；
4、腐殖酸在酸化阶段可承担电子受体/电子转移体角色，从而一定程度促进酸化过程；
5、间歇式厌氧消化实验过程中，FISH检测结果发现腐殖酸对细菌丰度并无明显的抑制作用，但无法判断对细菌活性的影响。
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