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水研究145 (2018) 113-124
游离亚硝酸促进剩余污泥暗发酵制氢
Yali Wanga，b, Jianwei Zhaoa，b, Dongbo Wanga，b, Yiwen Liuc, Qilin Wangd , Bing-Jie Nic, Fei Chena，b, Qi Yanga.b, Xiaoming Lia，b, Guangming Zenga，b , Zhiguo Yuane
a College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha, 410082, PR China
b Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control (Hunan University), Ministry of Education, Changsha, 410082, PR China
c Centre for Technology in Water and Wastewater, School of Civil and Environmental Engineering, University of Technology Sydney, Sydney, NSW, 2007, Australia
d Griffith School of Engineering amp; Centre for Clean Environment and Energy, Griffith University, QLD, Australia
e Advanced Water Management Centre, The University of Queensland, St. Lucia, Brisbane, Queensland, 4072, Australia
文章信息:
文章历史:2018年5月6日收到
2018年7月10日收到修订版
*通讯作者: College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha, 410082, PR China.
**通讯作者，电子邮件地址: wangyalijy@hnu.edu.cn (Y. Wang), dongbowang@hnu.edu.cn (D. Wang), zhiguo@awmc.uq.edu.au (Z. Yuan).
https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.08.011
0043-1354/ 2018 Elsevier Ltd. 保留所有权利。
摘要：同时进行污泥发酵和亚硝酸盐去除是强化低碳废水中营养物质去除的有效途径。本研究发现亚硝酸盐的存在极大地促进了剩余污泥（WAS）的酸性发酵制氢。结果表明，当亚硝酸盐浓度从0增加至250 mg/L，在pH=5.5时发酵的最大产氢量从8.5增加至15.0 mL/（g VSS），在pH=6时发酵的最大产氢量从8.1增加至13.0 mL/（g VSS）。然而，当亚硝酸盐浓度在0~50mg/L时，pH =8条件下WAS发酵的最大氢气产量几乎保持不变(2.9~3.7mL/（g VSS)）。进一步的分析表明，促进氢气产量的主要因素是游离亚硝酸(FNA)而不是亚硝酸盐。机理研究表明，FNA不仅加速了污泥细胞的破裂，而且提高了释放有机物的可生物降解性，从而为后续制氢提供了更多的可生物降解底物。尽管FNA抑制了所有参与厌氧发酵的微生物的活性，但它对耗氢细菌比对水解细菌和产氢菌的抑制要严重得多。对微生物群落的进一步研究表明，FNA增加了产氢菌(例如柠檬酸杆菌属)和反硝化菌(例如beta;-变形菌纲反硝化菌属) 的丰度，但降低了耗氢细菌(例如梭状芽孢杆菌)的丰度。此研究首次证明了WAS发酵系统中的FNA提高了氢气产量。所得结果拓展了FNA的应用领域，并可为污水处理厂的可持续运行提供支持。
关键词: 剩余污泥、游离亚硝酸、厌氧发酵，生物制氢
2018 Elsevier Ltd.保留所有权利
1.引言
污水处理厂（WWTPs）广泛用于防止自然环境污染 (Chen et al., 2016;Wang et al., 2017a;Yi et al., 2017)。污水处理厂的广泛应用已超过100年，可有效去除污水中的多种污染物，但它们通常没有足够的碳源来去除生物营养物质(Li et al., 2015;Tong and Chen, 2007;Wang et al., 2017b, 2017c)并产生过量的剩余污泥(WAS)。例如，在中国中部地区，污水的COD(化学需氧量)浓度通常小于200 mg/L，不足以去除污水中的氮(40-60mg/L)。同时，处理规模为105m3/d的污水处理厂每日产生约50t的剩余污泥(固体含量约占20%)，这意味着COD的大量损失。这两个问题常用解决措施如剩余污泥焚烧和外部碳源添加需要高能量输入，这对污水处理厂的长期运行是不可持续的(Zhu et al., 2015;Wang et al.2012,2013）。2013年)。需要以可持续的方式同时解决这两个问题的技术。
作为一个有希望解决WWTPs所面临的两个问题的方法， WAS的厌氧发酵最近吸引了越来越多的关注(Wang et al., 2015a;Zhao et al., 2015, 2017)。用WAS作为发酵底物，可减少污泥，杀死致病菌并产生有价值的产物(即氢气和短链脂肪酸(SCFAs))((Xu et al., 2017, 2018;Wang et al., 2018a, 2018b)。产生的短链脂肪酸（SCFAs）除了用于生产可生物降解塑料，还可用作补充碳源以强化污水营养物质的去除(Chen et al., 2013)。据报道，在碱性条件(pH=10)下进行剩余污泥发酵，可分别获得26.9 mL/（g VSS）的氢气和256 mg COD/（g VSS）的SCFAs(Zhao et al., 2010;Yuan et al., 2006)。用发酵液补充污水中的有机物，使COD浓度从180补充至300 mg/L，氮和磷的去除率从63%分别提高到47%~83%和92%(Chao and Chen, 2009)。虽然将发酵液直接添加到主流污水处理线显示出可喜的结果并进行了中规模测试，但仍需要在长期操作中进一步评估发酵液中诸如重金属和药物等有毒物质对污水处理微生物的潜在风险。
主流生物反应器中的含氮化合物主要有两个来源: 流入的污水和从WAS消化池回流的厌氧消化液。一般来说，后者中的氮约占总氮负荷的20%( Fux et al., 2006)。因此，如果后者中的氮可以在WAS处理过程中去除，则主流生物反应器的总氮负荷将会降低。基于这一原理，最近开发了一种同时进行污泥发酵和去除亚硝酸盐 (SFNR)的替代方法（Zhang et al., 2010;Peng et al., 2012;Wu et al., 2014;Ma et al., 2015)。通过将厌氧消化液进行硝化的必要中间物(即亚硝酸盐)引入污泥处理线而不是主流污水处理线，亚硝酸盐完全反硝化，污泥的减量增强，SCFAs的生产也得到了促进 (Wang et al., 2014)。运用SFNR的基本原理，王等人在C:N=1.0的低碳氮比废水中成功地实现了高效脱氮(Wang et al., 2016a, 2016b)。这些良好的尝试为低碳废水的污泥处理和营养物质的去除打开了新的大门。就SFNR的基本原理易于在污水处理厂实施且不会给主流污水处理带来任何风险而言，它将会带来实质的效益。
我们在初步研究中发现，在这些SFNR系统中，亚硝酸盐的存在可以显著提高厌氧发酵的另一种有价值的产物，具有142 kJ/g 高能量产额的氢气的产量 (Zhao et al., 2015)。根据我们的初步分析，促进氢气生产的因素可能是两种化合物，一种是添加的亚硝酸盐，另一种是质子化了的亚硝酸盐，即游离亚硝酸(FNA)。虽然SFNR(或污泥经FNA处理)在过去几年得到了很好的研究(Wang et al., 2016c;Zhao et al., 2015)，但目前为止还没有关于亚硝酸盐或FNA对剩余污泥暗发酵制氢的影响的文献记录。
本研究的目的是确定亚硝酸盐或FNA的存在是否以及如何强化WAS暗发酵制氢。为了区分亚硝酸盐和FNA对产氢的影响，我们首先比较了不同亚硝酸盐水平(0~250mg/L) 的WAS在3个PH(5.5、6.0和8.0)条件下的暗发酵产氢量。然后，通过分析FNA对WAS发酵各个环节的作用，以及关键微生物的活性和微生物群落，探索了FNA如何促进产氢的细节。基于所得发现，最终我们提出了污水处理厂进一步运行的概念，并证明了进一步运行的污水处理厂可以加强营养物质的去除和能量的回收。据我们所知，这是第一个证明了FNA提高了WAS暗发酵的氢气产量，并揭示了相关机理的研究。本研究的发现不仅加深了我们对SFNR系统的理解，还指导了工程师们在将来以低能耗的可持续方式运行污水处理厂。
2.材料和方法
2.1WAS的来源
从中国长沙市的市政污水处理厂的二沉池中取出的未经处理的剩余污泥被用于以下发酵实验。使用前，收集的剩余污泥用2.0mm筛过筛以除去大颗粒，并在4℃冰箱中浓缩24小时。浓缩污泥的主要特性如下：PH=6.8plusmn;0.2，TSS=23985plusmn;230mg/L，VSS=12930plusmn;150mg/L，总COD=14230plusmn;275mg/L，总蛋白质=6650plusmn;270mg/L，总碳水化合物=1450plusmn;150mg/L，油脂=150plusmn;15mg/L，氨氮=31plusmn;3mg/L。剩余污泥中的主要有机物是蛋白质和碳水化合物，约占总COD的57%。
2.2不同亚硝酸盐浓度和pH为5.5、6.0或8.0条件下的WAS暗发酵制氢
本试验使用了12个一样的工作容积都为1 L的发酵罐。每个发酵罐都先加入500mL浓缩污泥，然后将不同体积(0~8.9mL)的NaNO2储备液(2.0mol/L)加入这些发酵罐中，使初始NO2-N浓度为0、50、150和250mg/L(表1)。用自动滴定仪添加盐酸（2.0mol/L）或氢氧化钠（2.0mol/L），使发酵罐内的PH控制在设定值(表1中的5.5、6.5和8.0)，实验条件详见表1。加入亚硝酸盐后，在所有发酵罐在盖上橡胶塞密封之前用N2冲洗5min以保证厌氧条件，然后放入温度可控的振荡器中(35plusmn;2℃，150r/min)。此试验采用的NO2-N浓度、PH和温度使发酵罐内的初始FNA浓度在0到1.38mg/L之间(表1)。
应该强调的是，发酵罐没有加入别的接种物，因此在此试验工作中，WAS同时作为发酵底物和接种物。所有试验持续25天，试验中用玻璃注射器(300mL)释放瓶内压力以平衡大气压来确定总气体体积，并在我们最近的出版物中记录了氢气累积体积的计算(Wang et al., 2015b)。如下文所述，本试验还周期性测量了可溶性COD、蛋白质、碳水化合物、SCFAs和亚硝酸盐的浓度变化。
2.3 FNA对WAS分解和发酵液中释放有机物可生物降解性的影响评估
为了评估FNA对WAS破坏的影响，在发酵的最初3天，每天对试验一(表1)在反应的发酵罐中的可溶性蛋白质、可溶性碳水化合物和可溶性COD的浓度进行分析，此外，还计算了发酵3 天后这些发酵罐中的VSS减少量。
表1 产氢试验在不同pH，不同亚硝酸盐水平的实验条件下进行。
a这些试验在35plusmn;2℃的恒温下进行
为了说明FNA对释放有机物的可生物降解性的影响，通过激发发射矩阵（MEE）荧光光谱法进一步分析了发酵液。EEMs响应通常根据以下分类分为五个区:类酪氨酸蛋白(Ⅰ区)、类色氨酸(Ⅱ区)、类黄腐酸 (Ⅲ区)、可溶性微生物副产物样(Ⅳ区)和类腐殖酸 (Ⅴ区)物质 (Chen et al., 2003;Wu et al., 2017)。五个区域的激发和发射波长的具体范围详见表S1(支持信息)。在这些有机物中，类酪氨酸蛋白质(即Ⅰ区)和可溶性微生物副产物样(即Ⅳ区)被认为是可生物降解的底物，而类色氨酸、类黄腐酸和类腐殖酸物质(即Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ区)被认为是不可生物降解的底物(Jia et al., 2013)，可以通过荧光响应百分(Pi，n)来表示这些有机物的丰度，其计算方法在支持信息中有详细说明。
2.4 FNA对水解、产酸、产乙酸、同型产乙酸、产甲烷和硫酸盐还原过程的影响评估
除WAS分解外，厌氧发酵还包括其他生物过程，如水解、产酸、产乙酸、同型产乙酸、硫酸盐还原、氢营养型产甲烷和乙酸营养型产甲烷过程。FNA对这些过程的影响评估是有必要的，而这些过程通常在WAS发酵系统中同时发生，且在真正的W
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