生物质发酵产酸优化机理及其特征溶出产物在人工湿地中的行为研究

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导 师：周 琪导 师：周 琪指导教师：闻 岳指导教师：闻 岳汇 报 人：陈 一汇 报 人：陈 一

研究内容研究内容

课题背景课题背景

研究进展研究进展

技术路线技术路线汇报主要内容汇报主要内容

结论结论

1、课题背景

人工湿地是根据天然湿地净化污染物的原理，通过人工建造和监督控制来强化其净化能力的污水处理技术。与传

统活性污泥工艺不同，人工湿地能有效处理低浓度的有机废水（通常BOD5<40mg/L），因此人工湿地越来越多的被

用作深度净化城市污水厂尾水，并逐渐成为连接污水厂尾水与地表水的重要纽带。

1 、科学问题

1.反硝化碳源不足

2.水生生物质碳源水解效率较低

1. 污水中易生物降解的有机物在前处理单元单元被大量去除，使得湿地进水中的有机物含量低，且多为大分子、难降解的植物内碳源，因此无法实现硝酸盐的高效去除。

2. 由于湿地枯叶主要由木质纤维素等难降解有机物组成，故其水解过程十分缓慢，严重制约了后续反硝化碳源的供给。

1.反硝化碳源不足

1. 生物质发酵产酸强化潜流湿地反硝化研究

2. 不同 pH 值下生物质水解和短链脂肪酸积累的研究

2. 不同 pH 值下生物质水解和短链脂肪酸积累的研究

3. 不同溶解氧下生 物 质 水 解 和 短链 脂 肪 酸 积 累 的研究

形成同步强化反硝化效能和降低尾水有机物的水生植物生物质投加调控策略

3 、研究内容

水生植物生物质成分的微观物理和化学结构特征

不同 DO和 pH条件下，生物质发酵产酸代谢机制

发酵产酸过程中微生物生态学及酶学特征

发酵产酸

发酵产酸

多碳源条件下系统反硝化、氧化和甲烷化的竞争关系

多碳源条件下系统反硝化过程表观速率的组成

发酵产酸类型对反硝化速率的影响特性

反硝化

反硝化

反硝化人工湿地中背景有机物的形成机制

反硝化人工湿地中背景有机物与消毒副产物形成的关系

反硝化人工湿地尾水对受纳水体生态毒性的影响

尾水有机物

尾水有机物

生态研究

生态研究

生物质发酵产酸强化人工湿地内平衡的反馈机制

投加生物质后系统碳氮循环物质流和能量流走向与分配特征

投加生物质后湿地系统碳氮循环机理模型

技术路线

一 . 生物质发酵产酸强化潜流湿地反硝化研究

4 、研究进展

湿地 植物 ( 香蒲 ) 外加碳源

W1 22 株 /m2 无

W2 无 50g 香蒲枯叶

W3 22 株 /m2 50g 香蒲枯叶

W4 22 株 /m2 50g 碱预处理香蒲枯叶

试验材料与方法

枯叶植物

碱处理枯叶

Nitrate removal kinetic :1.First 25d — zero-order kinetics 2. In 26~75d — shift from zero-order to mixed-order behavior. 3. After 75d — the zero-order behavior recovered.

研究结果 W3 湿地系统硝酸盐去除动力学

各湿地中硝酸盐去除速率

1. 硝酸盐去除速率: W4 ≈ W3 > W2 > W1

2. 香蒲生物质的投加可显著提高湿地的硝酸盐去除速率3. 硝酸盐只在试验初期和中期完全去除4. 在无预处理时，生物质的碳源供给更加稳定

W1: Plant W2: Litter added W3: Plant + Litter added W4: Plant + Litter-ap added

生物质主要成分变化 (%, DM, except C/N ratio)

1. 碱预处理后，生物质中纤维素和半纤维素含量分别提高了 30.6% 和 21.0% , 而木质素含量减少了19.0% 。

2. 与原始生物质相比，经过碱预处理生物质的糖类组分更易被微生物降解和利用。

湿地中硝酸盐去除速率与可利用碳源的关系

湿地中硝酸盐去除速率与可利用碳源（总糖、蛋白质和短链脂肪酸）的积累速率和短链脂肪酸所占的比例均具有良好的相关关系。

二 . 不同 pH 值下生物质水解与发酵产酸机理

不同 pH下生物质水解规律

湿地中水生生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，水解是整个发酵产酸过程的限速性步骤。

已有的研究均表明，碱性环境能显著增强生物质的水解，但是过去的研究没有对碱性水解过程中非生物与生物作用进行区别分析，也鲜见不同 pH下生物质微尺度结构的变化，本研究通过微结构表征和微生物胞外酶活性的测定揭示不同 pH下生物质水解及产酸过程机制。

试验运行参数

运行参数运行参数温度（℃）温度（℃） 2525

转速（转速（ rpmrpm ）） 150150

发酵周期（天）发酵周期（天） 55

接种污泥浓度接种污泥浓度（（ mg/L)mg/L) 38043804

初始香蒲枯叶量初始香蒲枯叶量 gg 33

枯叶粒径（枯叶粒径（ mmmm ）） 0.150.15

发酵容积（发酵容积（ mLmL ）） 250250

不同 pH下生物质主要成分降解率（ %）

水生生物质中半纤维素、木质素和有机碳的降解率随着 pH值的升高而增加，而纤维素的最大降解率出现在 pH9.0。

WPL Cellulose a Hemicelluloses a Lignin a Organic carbon a

pH6.0 23.8±1.7 32.9±2.7 5.9±1.2 25.2±2.9

pH7.0 27.0±2.7 32.1±2.9 5.3±1.8 25.0±2.7

pH8.0 27.7±2.2 32.3±1.5 7.4±2.0 25.4±2.7

pH9.0 30.9±2.4 35.2±3.1 12.4±1.9 27.5±3.1

pH10.0 18.6±1.5 28.5±1.7 24.3±2.7 25.1±2.5

pH11.0 8.7±1.3 53.5±2.8 31.3±2.9 34.6±2.2

pH12.0 6.9±0.98 57.6±2.5 46.0±4.1 44.5±3.0

pH对 SCOD的影响

1.生物质非生物水解过程主要发生在 10d内。2.强碱环境 (pH=11and12)显著促进了生物质的水解过程。

5d 10d 15d 20d 25d 30d0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

SC

OD

(m

g/L

)

Fermentation time (d)

a

SCOD / TCOD

5d 10d 15d 20d 25d 30d0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

SC

OD

/ TC

OD

(%)

pH6 pH7 pH8 pH9 pH10 pH11 pH12

SC

OD

(m

g/L

)Fermentation time (d)

b35

30

25

20

15

10

5

0

a. Inhibition experiment b. Fermentation experiment

1.香蒲生物质非生物溶出的总糖含量与pH值成正相关关系；2.香蒲生物质释放的总糖与VFAs的产量具有良好的相关关系；3.pH10时产酸较少的原因可能是非生物与生物产糖都较低的结果

发酵时间为 25d时不同 pH下总糖的释放与消耗

6 7 8 9 10 11 120

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

pH

Car

boh

ydra

te (

mg

CO

D/L

)

Abiotic release of carbohydrate Total release of carbohydrate Total consumption of carbohydrate

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

VF

As (m

g CO

D/L

)

32.2

%

35.5

%

36.8

%

64.2

%

49.0

%

57.6

% VFAs

64.1

%

0

90

92

94

96

98

100

initial 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0

Sur

face

are

a (%

)

pH Micropore in range of 0.3-1.5 nm diameter Mesopores in range of 1.5-5 nm diameter Mesopores in range of 5-30 nm diameter

发酵时间为 25d时不同 pH下生物质介孔与微孔表面积分布规律

pHCellobiohydrolas

e(CBH)*

Endo-β-1,4-glucanase

(EG)*

β-1,4-glucosidase(BG-β)*

Filterpaperase(FPU)* Xylanase

6.0 0.125 a (0.024) 0.127 a ( 0.026) 0.154 a (0.019) 1.906 b (0.214) 0.943 a (0.079)

7.0 0.132 a (0.043) 0.119 a (0.019) 0.158 a (0.014) 2.629 a (0.246) 0.799 a (0.112)

8.0 0.113 a (0.026) 0.079 b (0.010) 0.178 a (0.016) 3.135 a (0.284) 0.814 a (0.137)

9.0 0.105 a (0.018) 0.080 b (0.008) 0.153 a (0.017) 2.873 a (0.310) 0.736 ab (0.117)

10.0 0.068 b (0.016) 0.069 b (0.016) 0.104ab (0.015) 1.644 b (0.262) 0.624 ab (0.121)

11.0 0.069 b (0.012) 0.058 b (0.011) 0.061 b (0.007) 1.570 b (0.254) 0.558 ab (0.075)

12.0 0.046 b (0.014) 0.065 b (0.014) 0.040 b (0.005) 1.288 b (0.169) 0.244 b (0.049)

发酵时间为 25d时不同 pH下生物质的胞外酶活性

不同 pH下生物质微结构与纤维素降解率的关系

0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.550

5

10

15

20

25

30

35

40

y=40.377x+12.723, R2=0.812

Cel

lulo

se d

egra

dat

ion

eff

icie

nci

es (

%)

Mesopores (5-30 nm) surface area (m2 g-1)

a

10 12 14 16 18 205

10

15

20

25

30

35

y=1.660x+6.180, R2=0.883

Cel

lulo

se d

egra

dat

ion

eff

icie

nci

es (

%)

Relative C2 peak areas (%)

b

1.6<pH<10，生物质纤维素降解率与其介孔表面积、表层纤维素可及度成正相关；而pH>10时，此相关性消失。

解释：当 pH>10时，胞外水解酶活被严重抑制，增加纤维素与水解酶的可及性意义不大。

香蒲生物质发酵在 25d达到平衡， VFAs产量随着pH值的升高而增加（ pH=10除外）。

VFAs主要由乙酸和丙酸组成。

5d 10d 15d 20d 25d 30d0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Fermentation time (d)

Tot

al V

FA

s (m

g C

OD

/L)

pH6 pH7 pH8 pH9 pH10 pH11 pH12

a

6 7 8 9 10 11 120

20

40

60

80

100

Ind

ivid

ual

VF

A/T

VF

As

(%)

pH acetic propionic n-butyric iso-butyric n-valeric iso-valeric

b

生物质在不同 pH下 VFAs的积累特征

香蒲枯叶

纤维素 半纤维素 木质素

Cx

纤维二糖

CB

葡萄糖

Xy

碱化学溶出

木糖

碱化学溶出

芳香化合物

水生生物质在不同 pH值下的水解机理

三 . 不同溶解氧条件下生物质发酵产酸机理及其与反硝化的关系

湿地中溶解氧的时空分布特征

胞外水解酶酶活性

生物质水解过程

水解产物反硝化特性

生物质碳的流向

DO

DO

DO DO

不同溶解氧下生物质降解特性研究

香蒲枯叶

3 套发酵罐

1 套模拟人工湿地

试验材料 试验装置预留孔集气孔

取样口

出水口水浴出水口

水浴进水口

进水口

模拟人工湿地装置示意图

不同溶解氧下生物质降解特性研究

香蒲枯叶

3 套发酵罐

1 套模拟人工湿地

试验材料 试验装置

序批式进水5d 为 1 个周

期测定上清液

生物质总降解周期为 60 天

试验方法好氧水解装置 低氧水解装置 厌氧水解装置 模拟人工湿地

溶解氧（ mg/L ） 3±0.05 0.3±0.05 <0.05 0.25±0.1*

温度（℃） 25 25 25 25

转速（ rpm ） 100 100 100 —

接种污泥浓度（ mg/L ） 700 700 700 700

初始香蒲枯叶量（ g ） 100 100 100 200

有效反应体积（ L ） 3 3 3 6

pH 7.00±0.10 7.00±0.10 7.00±0.10 6.50~7.00*

生物质降解装置控制参数

研究结果

香蒲生物质 纤维素 半纤维素 木质素 有机碳

原始 24.41a (3.25) 11.10 a (2.05) 13.05 a (2.23) 45.59 a (7.48)

W1 16.95 b (3.18) 6.49 b (1.24) 11.69 a (2.87) 31.21 b (5.24)

W2 17.42 b (4.03) 6.98 b (1.41) 11.42 a (2.04) 31.22 b (6.10)

W3 18.01 a (4.12) 7.20 b (0.83) 10.29 a (1.86) 29.79 b (4.76)

表 1 试验结束后 W1-W3湿地生物质各组分降解情况（ g, 干重）

溶解氧浓度

降解率

降解率

降解率

降解率

香蒲生物质中纤维素和半纤维素的降解率随 DO的降低而增加；木质素与总有机碳的降解率随 DO的升高而增加。

胞外水解酶

W1 W2 W3 W4

厌氧 * 低氧 (DO=0.5mg/L)* 好氧 (DO=3mg/L)* 对照组 ( 不控制DO)

Cellobiohydrolase 1.24a (0.26) 0.98 a (0.23) 0.91 a (0.26) 0.91 a (0.18)

Endo-β-1,4-glucanase 0.32 a (0.03) 0.16 b (0.01) 0.15 b (0.03) 0.15 b (0.01)

β-1,4-glucosidase 0.140 a (0.011) 0.040 b (0.003) 0.038 b (0.006) 0.061ab (0.008)

Xylanase 0.27 a (0.04) 0.24 a (0.03) 0.24 a (0.02) 0.24 a (0.02)

Phenol oxidase 0.14b (0.02) 0.49ab (0.04) 0.72 a (0.08) 0.44 ab (0.03)

Leucine-aminopeptidase 5.01 a (1.07) 1.78 ab (0.34) 0.43 ab (0.09) 0.97 ab (0.30)

Acid phosphatase 5.49 a (0.65) 2.53 ab (0.21) 1.52 b (0.17) 3.13 ab (0.24)

表 2 溶解氧浓度对胞外水解酶活性的影响

纤维素水解

酶

半纤维素水解酶

木质素氧化酶

蛋白质水解酶

磷酸酶

DO

纤维素水解酶

木质素酶

香蒲生物质中纤维素、半纤维素和木质素的降解主要依靠微生物作用。

1 2 3 4 5 6 7 8

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0Peak 2

Common logarithm of MW, log (MW) (Da)

Spe

cifi

c in

tens

ity

High DO (20-fold dilution)

Low DO (20-fold dilution)

Anaerobic (30-fold dilution)Peak 1

香蒲枯叶在厌氧条件下能够释放更多的小分子有机物。

0 50 100 150 200 2500

10

20

30

40

50

60

Anaerobic: y = 0.262x-12.485, R2=0.90

Low DO: y = 0.077x+2.500, R2=0.90

High DO: y = 0.034x+1.925, R2=0.71

Den

itri

fica

tion

rat

e (g

N m

-3 d

-1)

Available carbon sources (mg/L)

香蒲枯叶在厌氧条件下释放的碳源具有更优良的反硝化品质。

生物质在不同溶解氧下溶出产物的特征

D1进水 D2进水 D3进水

D1出水 D2出水 D3出水

反硝化湿地进出水组分比较

在好氧和厌氧环境下，大部分生物质 C 通过好氧呼吸（ 27%-32% ）和产甲烷过程（ 24% ）转化为气态 C ，只有少量（ 1% ）被用作反硝化。

不同溶解氧下生物质的碳流向

High DO

Low DO

Anaerobic

0 20 40 60 80 100

Percentage of plant litter carbon

Residual C DOC Gas C-I Denitrification-CO2-II Other gas C-II

四 . 结论

4. 结论 1. 投加香蒲生物质能显著提升人工湿地反硝化效能 , 与 无生物质系统相比其

硝酸盐去除速率可提高 137%~192% 。 2. 生物质经碱预处理后，纤维素和半纤维素含量增加，而难降解的木质素含

量减少，因此能够为湿地反硝化提供更充足与优质的碳源。3. 从强碱性环境演变到中性环境过程中，非生物水解作用逐渐削弱，而生物水

解则逐渐增强，当 pH=9.0 时具有最大的生物水解作用。4. 6<pH<10 ，生物质纤维素降解率与其介孔表面积、表层纤维素可及度成

正相关；而 pH>10 时，此相关性消失。5. 厌氧环境下，微生物胞外水解酶活性较高且其水解产物难以转化成含碳的气

态物质，因此溶解性有机碳在厌氧环境下的积累速率大于好氧环境下的积累速率。

6. 厌氧条件下生物质降解产生的溶解性碳源具有优良的品质和较高的反硝化效能，而可利用碳源浓度 (ACS) 能较好的预测湿地的反硝化速率。