CMC-Na为典型的高分子碳水化合物,其厌氧生物降解需要经历四个步骤,即:水解、发酵、产氢产乙酸和产甲烷过程。
首先,CMC-Na在胞外水解酶的作用下分解为还原性糖。
因此,本研究通过还原糖含量的变化规律考察絮状污泥和颗粒污泥水解CMC-Na的能力。
当接种污泥为絮状污泥时,培养2 d后还原糖的含量达到了1275.1 mg/L。
随后,在培养至第4 d时,该系统的还原糖含量迅速降低至800 mg/L左右,并保持相对稳定。
分析认为,絮状污泥中水解菌群的活性较高,而其他菌群活性较低,导致降解初期还原糖产生多,消耗少,造成积累。
另外,在发酵菌的作用下,系统pH值在整个培养周期维持在4.0-5.0之间,该pH范围利于纤维素的水解。
当接种污泥为颗粒污泥时,在整个培养周期,还原糖含量在677.3~1385.2 mg/L范围内波动。
分析认为,颗粒污泥中发酵菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌的活性较高,发酵前期还原糖消耗较快,不易积累。
随着发酵的进行,挥发酸开始积累,导致发酵系统pH降低,抑制了产甲烷菌的活性,进而造成还原糖积累。
pH作为有机物厌氧处理过程中重要的运行控制参数之一,影响着微生物的生长代谢的许多方面。
厌氧发酵系统中挥发酸、氨氮等的产生会影响系统pH。
当以絮状污泥为接种污泥时,培养至第2~8 d时,系统pH为4.0左右,随后逐渐上升,在发酵末端达到了4.7。
当颗粒污泥作为接种污泥时,在培养的前14 d,系统pH为5.3~5.8之间,随后由于乙酸营养型产甲烷菌群活性的提高,乙酸含量减少,pH逐渐上升并稳定在6.4~6.8。
挥发酸是碳水化合物甲烷发酵过程中重要的中间代谢产物,产酸发酵菌群将小分子还原糖转化为短链挥发酸和乙醇,然后进一步被产氢产乙酸菌和产甲烷菌转化为甲烷和二氧化碳。
因此,挥发酸含量代表了这些菌群之间代谢平衡的程度。
当接种污泥为絮状污泥时,挥发酸总量随时间变化表现出先增加后降低的变化趋势。
在发酵初期,乙醇和乙酸为主要发酵产物,二者之和占挥发酸总量的81.3%~89.3%。
随后,丙酸和丁酸逐渐成为主要发酵产物。
在发酵末端,乙酸和丁酸成为主要挥发酸,其含量分别为366.6和385.4 mg/L,二者之和占挥发酸总量的80.8%,表明丁酸发酵菌具有较高的活性,而降解丁酸的产氢产乙酸菌和乙酸营养型产甲烷菌的活性较低。
已有的研究表明,产氢产乙酸菌和乙酸营养型产甲烷菌的最适pH为中性或偏碱性环境,而絮状污泥系统pH长期处于酸性环境,导致丁酸和乙酸积累。