低温厌氧消化废水处理的现状及展望 4页

第43卷第1期发酵科技通讯2014年1月低温厌氧消化废水处理的现状及展望王尧’。王兴富(青岛科技大学化工学院，山东青岛266042)摘要：低温厌氧消化处理废水是一种低成本、低技术含量的绿色生物方法，能够在经济和环境方面为社会带来巨大效益。本文介绍了低温厌氧消化技术的原理、优势和应用现状，并对低温厌氧消化反应器附加后处理程序，结合深度测序或宏基因组学以及其他功能经济途径所获得的信息，发展更加稳定高效的设备进行了展望。关键词：低温；厌氧消化；废水；应用前景Thecurrentstateandrspectivesoflow-temperatureanaerobicdigestionforwastewatertreatmentWANGYao，WANGXing—fu(ChemicalEngineeringCollege，QingdaoUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266042，China)Abstract：Bl0w—temperatureanaerobicdigestionrepresentsacost—efficient，low—technologyand“green”strategyforthewastewatertreatmentbiotechnology．whichoffersattractivebenefitstoe—eonomyandenvironmentinsociety．Thispaperreviewstheconcept，advancement，andcurrentapplications．Moreover，bycombininglow—temperatureanaerobicdigestionwithpost—treatmentprocessesandthedevelopmentofdeepsequencing，metagenomicsandfunctional“omic”ap—proaches，thestabler，andhigher-rateengineeredsystemscanbedesigned．Keywords：low—temperature；anaerobicdigestion；wastewatertreatment；applicationprospects低温厌氧消化作为一种初期的生物处理技下，结合生物工程、生理学和分子生物数据库建立术，相对于常规需氧和厌氧工程，是更有吸引力的一种整体的多相途径，是低温厌氧消化概念至关另类选择。从处理废水和生成生物能源方面来说，重要的发展方向。低温厌氧消化生成甲烷的工程系统早已驾轻就1厌氧消化的研究进展熟。在实验室和中试规模，以低温厌氧消化技术处理下水道污水和来自啤酒厂、食品厂、制药厂的工1．1厌氧消化的原理及优势业废水，并生成甲烷的实验都已经取得了成功。当全球约20亿人口缺乏足够的公共设施来获基金项目：山东省自然科学基金资助项目(Q2006B02)n发酵科技通讯第43卷取净水，净水已经成为当下日益减少的资源，发展以更好繁殖稳定可持续的水资源基础设施是全球面临的挑在以氢气为主要部分的低压平衡系统中，吸战。而常规的高速需氧废水处理系统生成大量污收氢气营养培育出的甲烷菌，由于它们偏嗜氢气，泥、导致能量富集，需要更多的处理，这会增加能无论在自然条件还是在机械系统中，能够具备比量足迹、CO，的释放和生命循环损耗，不能够有效同型醋酸菌更强的竞争力t1。地实现作为可持续净水基础设施、并满足环境保1．3细菌对低温环境的适应性护的需求相对于常规需氧技术在处理紧急情况为了适应环境，微生物通过减少新陈代谢活时技术低端、高耗能的性质，高效的厌氧消化将会动，在非最佳的条件下依然能正常生存，但会出现是废水处理领域的重大发展I’I。生物量阶段延迟的现象。考虑到这一因素，可以使厌氧消化的相对优点包括：有机负载量高，反用前适应污泥培养液来增加微生物对有毒物质的应器数量少，有效降低污泥质量，能生成有用燃料耐受能力l71，加强处理效率，从而减少发动时间，(生物甲烷气体)．牛成卫生学上稳定无害的水，能增加整体过程消耗污泥的速率。使营养物质恢复更加便利，并Ⅱ已有一些该处理微生物能够调整膜流动性、营养物质运输、转技术的报导被应用I录、细胞分裂、蛋白质折叠等几乎所有细胞生物进住氧消化中，庞大复杂的有机分子通过多程，以基因型和表型的改变来克服低温环境的挑种细菌f热带细菌和古生菌)的连续协调活动完成战。其调整策略包括：改变蛋白质结构，比如生成转化，催化活动的过程如下：1．水解；2．成酸；3．生更多的构型，结构更加灵活和柔韧；改变细胞液的成酮类；4．生成rfj烷I。由于厌氧消化中的很多反构成增加膜的流动性：合成“防冻剂”糖蛋白和缩应足在不利于热力学标准的条件下进行的，因此氨酸，或合成“冷激”蛋白质来维系正常蛋白质的来自脂肪酸、氨基酸和乙醇等化合物转化成的甲合成I。目前，研究者已经能够确认蛋白质组提高烷的能源较低。而且生成甲烷的古生菌和生成乙的过程，这对于更好的理解分子对低温厌氧条件酸的细茼之『日J的养关系能够进一步进化，使得的反应非常重要I。I。能只能在一定限制下恢复和牛长l4l。在工程系统中从群落水平上改变群落结构厌氧技术主要被应}}j于处理成分相对简单的后，延长嗜常温接种生物在低温条件下的培养，激废水，比如农产品和食物工业产生的废水。在这些发了真正喜寒的同族体应对紧急突发低温事件生府用中，高效厌氧消化反应器在常温(25～37oc)或成甲烷活动的属性IIOl，这显示了喜寒微生物在适适温(45～60℃)运行能确保最佳微生物活动。厌氧应过程中的选择性改进。一些作者表明，以基质在消化属于低能耗策略，非常适用于发展中国家的低温条件下的转化速率计算，对低温条件的适应分散废水处理，扩展厌氧消化的应用范围十分具会导致生成甲烷的活动增强⋯J。凭借对甲烷联合有应用前景蛋白质组的提取和分析．蛋白质组变化的应用已1．2低温条件下甲烷的生成经能够成功阐明在低温厌氧消化中一些群体水平尽管细菌问的相互作用和生化途径很难得到功能型的回应。伴随着功能型宏基因组、目标型宏透彻研究，但已有许多报导证明，甲烷生成活动能基因组和原子间学的进步，未来可能会拓展出一够在多种包括环北极和北极泥煤地、淡水沉淀物个非常有趣又多产的研究“生态系统生物学”的空和高原水稻田在类的多种低温环境土壤中进行。间lj。最初低温环境下的水解作用被视为是处于限速阶1．4低温厌氧消化反应器段，I实质L，降低温度可以限制互养作用产生的高效厌氧反应器可以根据生物量保留的方式小稳定脂肪酸(VVA)降解所生成能量的增加，并且来区分，例如：1．以薄膜隔离延缓生长的系统(厌氧可以降低牛成甲烷的基底提供者——产醋酸菌种膜反应器AMBR)；2．附加的生长系统(厌氧过滤器的重要性，从而使水解作用在低温环境下增速I。AF)；3．以粒状污泥为基底的系统f扩展粒状污泥基低温环境最佳温度处于l5～25℃，最高温度不超底反应器EGSB1。如今，污泥固定式基底反应器、过30～35，使得一些活跃的生成醋酸的厌氧细粒状反应器和表面薄膜反应器组合的混合反应器菌被隔离，而依然能够活跃生成甲烷的古生菌得也已经被开发。这些反应器能够满足短暂水力保—n第1期王尧．等：低温厌氧消化废水处理的现状及展望留时间f1～48h)和高效率有机负载fOLRS；达到化中的富甲烷生成菌团的局限和潜能提供了重要100kg化学需氧量[COD1md)的应用_】J。目前，最的新信息。此外，分子识别技术可以准确预测不稳广泛应用的是粒状污泥基底系统。定的操作。一个整体的、多相性的生物监测方法，颗粒状污泥基底系统的EGSB型反应器的配已经开始解开生态系统黑匣子的工程原理ll4I。然置，是在低温厌氧消化发展中的一个里程碑。增加而，这些问题大多数集中在解决甲烷的富营养化反应器的高度和直径比例以及更高效的废水循方面，而且那些多样化的古生菌目前也并不是广环，可以加强生物量与基质的接触，克服质量传输泛存在的。关于低温厌氧消化更多生物方面、以及限制．同时保持较高水平的系统生物量。EGSB型细菌调节过程的利用率和局限性，尤其是其水解系统可以较好的完成高效废水处理，即使对低浓过程方面的信息需求十分迫切，这也是全面应用度的废水f<1kgCODmd)和需要低温处理的废低温厌氧消化成功治理各种范围和类型的废水的水f2～20℃)同样有效。此外．高循环率能够物理去关键。除在反应器的溶液中溶解的新陈代谢的气体，并2．2低温厌氧消化面临的机遇且低温厌氧消化途径显示能获得与常温处理相同最近，这个问题已经取得了重大的突破。例量的生物能。如，Werner等人强调了深度测序的潜能，可以克在低温条件下既要保持厌氧颗粒健康、良好服识别方法的局限性，并且有助于揭示厌氧消化配置的条件，还要面对高上升气流速度的存在(由中细菌群落的本质I17_。据其研究报道，在9种不同于颗粒剪切的高潜能)，在某种情况下可能会比较规模的常温厌氧消化设备中的菌团都非常稳定和困难，而且可能限制到EGSB系统的应用。在搭配独特f机器学习可以以高于96％的准确度预测这AF厌氧过滤器的组合反应器中，固定薄膜在固定些生物的起源)。最重要的是，关键的性能变量与基质上生长，可以解决从污泥颗粒床上流失的生菌群的结构相关_l5]。最近，宏基因组的测试。也帮长缓慢的嗜冷生物质能被捕捉和保留的生长问助人们更好的了解了一系列潜在的细菌在甲烷系题。另外，膜辅助的物理性分离，可以支持污泥的统中的互养作用。在未来，将深度测序或宏基因组滞留时间。AMBR厌氧膜反应器可以通过微滤或学与功能性的“经济”方法相结合起来研究，比如者超滤过程保证微生物生物量的保留。这种方法代谢物组学、宏蛋白组学和数学模型『161，即使是复可以保证即使在高污泥浓度下，完整的生物质的杂的厌氧消化联合系统和菌团结构中的代谢过程保留和运转，而且AMBE与低温厌氧消化串联应的各种问题都可以得到很好地解决。通过如此强用的可行性十分乐观。最后．将生物质单独隔离的大的生态水平上的信息，环保工程师运用优良的带有挡板的厌氧反应器，同样也被证明了可以用厌氧消化系统处理废水将指日可待。于低温厌氧消化，而且对于流速多变和高毒性的2．3低温厌氧消化的发展方向废水特别有效fl31。厌氧消化和低温厌氧消化系统可能需要后处到目前为止，低温厌氧消化的有效范围非常理流程除去顽固的、矿化的化合物(例如NI-I4+，S2)广泛，从简单的污水到复杂顽固的工业废水(挥发和残余的有机物，以确保能达到环保标准[21。通过性脂肪酸、蔗糖、葡萄糖、食品、乳制品、啤酒、麦芽这一方法，在微生物反应器中，还可以额外获得一制造业、医药业、苯酚以及氯代酚类化合物废水)个潜在的有趣技术，即微生物燃料电池(MFC)或者都可以处理，这些实验数据也已经被实验室和试说是微生物电化学，能够辅助微生物反应器点处理点证实，反应速度为0．5～20kg／m，反应时fBEAMR)。在这个反应器中，剩余的挥发性脂肪酸间为1．6～48h。结果表明，高效低温厌氧消化的全VFA可以转化为电能，进而高效转化为氢气。这些面应用已经近在咫尺。系统已经证实了在实验室规模下，成功使用厌氧消化器在低温条件下对废水后处理也是可行的ll7J。2前景及展望低温厌氧消化同样也提出了一个潜在的生物2．1低温厌氧消化的理论缺陷处理废水的概念。例如．在双相低温厌氧消化系统在过去的lO年里．分子和微观分析方法为自中包含一个低温混合培养发酵的过程，然后再生然条件下的厌氧生物膜群落，以及在低温厌氧消成甲烷。这种方法可以为VFA或者氢气的工业生——■●n发酵科技通讯第43卷产提供一个具有成本效益的废水处理工艺。例如，crobialcharacteristicsofretainedsludgeduringlowtemperatureoperationofanEGSBreactorforlow——strengthwastewatertreat-·VFA是生产生可降解塑料这类高附加值产品的ment[J1．WaterSciTechnol，2008，57：277—281．理想原料。[7]AkilaG，ChandraTS．PerformanceofanUASBreactortreatingsyntheticwastewateratlow—temperatureusingcold-adapted3结语seedslurry[J]．ProcessBiochem，2007，42：466-471．厌氧消化作为一项绿色科技，处理后的废水[8]PikutaEV，HooverRB，TangJ．Microbialextremophilesatthe能够满足可持续发展环境保护的标准要求，还能limitsoflife[J]．CritRevMicrobiol，2007，33：183—209．f9]LauroFM，AllenM，WilkinsD，eta1．Genetics，Genomicsand够从有机废水中得到可再生能源、有价值的副产EvolutionofPsychrophiles．ExtremophilesHandbook[J[．Heidel—品以及营养物质。这种生物方法处理废水的概念berg：SpringerVerlagGmbH，2011：8657890．有可能从根本上改变废水处理过程中的经济效益[10]ParshinaS，ErmakovaAV，ShatilovaKA．Metabolicresis—问题，并对全球可持续性的水资源基础设施做出taneeofapsychrotolerantVFA—oxidizingmicrobialcommunity巨大贡献。在未来，一个综合性的、多学科性的调fromananaerobicreactortochangesinthecultivationtemper—ature[J]．Microbiology(Rushian)，2011，80：50—59．查报告将会帮助人们认识到厌氧消化系统的远大[11]ConnaughtonS，CollinsG，O?FlahertyV．Psychrophilicand前景mesophilicanaerobicdigestionofbreweryefluent：acompara—tivestudy[J[．WaterRes，2006，40：2503—2510．参考文献[12】RaesJ，BorkP．Moleculareeo-systemsbiology：towardsanun-【1】LettingaG．Theanaerobictreatmentapproachtowardsamorederstandingofcommunityfunction[J】．NatRevMicrobiol，sustainableandrobustenvironmentalprotectionWaterSci2008．6：693—699．Techno1．2005．52：】一l】．[13】FengH，HuL，MahmoodQ，eta1．Effectsoftemperatureand[2]VerstraeteW．deCaveyePV，DiamantisV．Maximumuseoffeedstrengthonacarrieranaerobicbaffledreactortreatingdi-resourcespresentindomestic“usedwater”fJ]．BioresourTech—lutewastewater[J]．Desalination，2009，239：111—121．nol，2009，100：5537—5545．[14]MarzoratiM，WittebolleL，BoonN，eta1．Howtogetmoreout[3]NarihiroT，SekiguehiY．Microbialcommunitiesinanaerobicofmolecularfingerprints：practicaltoolsformicrobialecologydigestionprocessesforwasteandwastewatertreatment：amicro—[JI_EnvironMicrobiol，2008，10：1571-1581．biologicalupdate[J[．CurrOpinBiotechno1．2007．18：273—278．[15]WernerJJ，KnightsD，GarciaML，eta1．Bacterialcommunity[4]StamsAJM，PluggeCM．Electrontransferinsyntrophiccorn—structuresareuniqueandresilientinfullsealebioenergysys—munitiesofanaerobicbacteriaandarchaea[J]．NatRevMicrobi．tems[J]．ProcNatlAcadSciUSA，2011，108：4158—4163．ol2009，7：568—577．【16]LauroFM，DeMaereMZ，YauS，eta1．Anintegrativestudyof[5】KotsyurbenkoOR．TrophicinteractionsinthemethanogenicameromieticlakeecosysteminAntarctica[J[．ISMEJ2011，5：microbialcommunityoflow—tenlperatureterrestrialeeosystenls879-895．【J1．FEMSMicrobiolEcol，2005，53：3-13．[17]AehermanP，RabaeyK，ClauwaertP，eta1．Microbialfuelcells【6]SyutsuboK，YoochatchavalW，YoshidaH，eta1．Changesofmi一forwastewatertreatment[J[．WaterSciTeehnol，2006，54：9—15．(上接第44页)[8]洪智勇，毛宁．红曲霉降胆固醇有效成分的研究．海峡药学，红曲国际学术研讨会论文集fC]．杭州：浙江大学出版社，2000．2012．14(11：33．[14]李钟庆，郭芳．红曲菌的形态与分类学[M]．北京：中国轻工业[9]陈运中．红曲的功能性及其作用fJ】．中国酿造，2001，19(5)：5．出版社，2003．[10]纪远中．红曲及红曲霉的研究现状及进展[J1．天津药学，【l5]杨丽，张水华，王启军．功能红曲在降血脂保健饮料中的应用2005，l7(2)：65-66．展望Ⅲ．综述与述评．2006，9(3)：l1—13．[11]赵海．红曲古老而现代的食品精粹[N1．中国食品报，2001—03—09．[16]黄艳，李从发，姚广龙，等．红曲及其安全性研究进展『J1．食品研【l2】杨晓暾．红曲霉深层发酵法生产红曲_zs'32[A]．2000年东方红曲究与开发．2006．127(8)：217—220．国际学术研讨会论文集[e1．杭州：浙江大学出版社．2000．[17]余筱洁，夏蓉’朱婷．红曲色素代谢调控的研究进展Ⅲ．江苏调[13】嘉晓勤．红曲霉液固两步生产红曲米的研究[A]．2000年东方味副食品．2006，12(2)：34—37．