如何優(yōu)化剩余污泥厭氧消化工藝

　　污水活性污泥處理過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的剩余污泥，數量可達到污水處理量的0.3%～0.5%(以含水率97%計)[1].剩余污泥除了具有含水率高、 易腐爛、 惡臭等特征外，還含有大量的病原菌、 寄生蟲(chóng)、 重金屬和二 英、 苯并芘等難以降解的有毒、 有害、 致癌物質(zhì)，極易對土壤、 地下水等造成二次污染[2].厭氧消化處理是對剩余污泥進(jìn)行穩定化、 減量化和資源化過(guò)程中被廣泛采用的處理手段，具有能耗低、 污泥穩定性好、 產(chǎn)生生物能源沼氣等優(yōu)點(diǎn)[3].影響剩余污泥厭氧消化過(guò)程的因子包括基礎因素(厭氧污泥組成、 濃度、 污泥負荷等)和環(huán)境因素(pH、 ORP、 抑制性物質(zhì)等)兩大類(lèi)，其中厭氧污泥的生物相組成和代謝活性對厭氧消化處理的過(guò)程進(jìn)展發(fā)揮著(zhù)重要的作用[4].在剩余污泥厭氧消化過(guò)程中，由于微生物構成、 對基質(zhì)的適應性和接種量的不同，采用不同的接種厭氧污泥會(huì )對剩余污泥產(chǎn)CH4生成勢形成不同程度的影響[5,6].深入探究剩余污泥厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)CH4生成勢與菌群動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系，一方面可對厭氧消化過(guò)程中剩余污泥的生化降解過(guò)程和產(chǎn)CH4潛能進(jìn)行評價(jià)[7]，另一方面也能為剩余污泥厭氧消化工藝的關(guān)鍵操作參數優(yōu)化提供依據[8,9]

　　剩余污泥厭氧消化的效率在很大程度上取決于厭氧微生物種群多樣性及優(yōu)勢種群的活性[10,11].不同條件下厭氧消化運行的穩定性及效率與系統群落結構的變遷會(huì )存在一定的關(guān)聯(lián).厭氧污泥中主要存在水解發(fā)酵菌、 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、 產(chǎn)甲烷菌及硫酸鹽還原菌[12].其中產(chǎn)甲烷菌屬于典型的古細菌，大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)主要利用乙酸產(chǎn)生甲烷，主要有產(chǎn)甲烷八疊球菌(Methanosarcina)和產(chǎn)甲烷髦毛菌(Methanothrix); 另一類(lèi)利用氫和二氧化碳合成甲烷.由于傳統微生物培養、 鑒定的局限性，近年來(lái)研究人員嘗試應用基于16S rRNA的分子生物學(xué)技術(shù)(變性梯度凝膠電泳、 克隆文庫技術(shù)、 熒光原位雜交)對厭氧污泥系統群落結構的變化進(jìn)行分析.其中末端限制性片段多態(tài)性(terminal-restriction fragment length polymorphism, T-RFLP)根據PCR擴增產(chǎn)物片斷的大小不同以及標記片斷種類(lèi)和數量的不同來(lái)分析群落的結構及組成. Collins等[13]利用T-RFLP技術(shù)對接種污泥和接種后的污泥中微生物菌群變化進(jìn)行研究后發(fā)現接種污泥中占優(yōu)勢的產(chǎn)甲烷菌群是Methanosarcinales、 Methanobacteria和Proteobacteria，而反應器運行穩定后占優(yōu)勢的菌群為Methanosarcina vacuolata和Methanobacterium palustre.T-RFLP技術(shù)可以很靈敏地檢測微生物種類(lèi)的微小變化，能夠提供微生物種群結構和數量動(dòng)態(tài)變化的信息，已成功應用于厭氧污泥產(chǎn)CH4菌的群落結構、 動(dòng)態(tài)變化的檢測等方面[14].

　　本研究采用剩余污泥厭氧消化產(chǎn)CH4生成勢(biological methane potential，BMP)的測試方法[15, 16]，對兩廠(chǎng)的剩余污泥厭氧消化進(jìn)行了批次實(shí)驗，在兩廠(chǎng)剩余污泥的產(chǎn)的產(chǎn)CH4速率、 基質(zhì)濃度回歸的基礎上得出產(chǎn)CH4的關(guān)鍵參數，評價(jià)不同剩余污泥在厭氧消化過(guò)程中的產(chǎn)CH4生成勢; 同時(shí)對BMP實(shí)驗前后的水質(zhì)變化進(jìn)行分析，結合厭氧消化前后T-RFLP的變化，對兩種剩余污泥在厭氧消化過(guò)程中CH4生成勢的差異進(jìn)行解析[17].一方面可對不同剩余污泥厭氧消化過(guò)程中的產(chǎn)CH4潛能進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)也能為厭氧消化工藝中微生物菌群動(dòng)態(tài)變化跟蹤及關(guān)鍵參數優(yōu)化提供依據.

　　1 材料與方法

　　1.1 厭氧污泥來(lái)源與特征

　　本研究所用的剩余污泥、 厭氧污泥分別來(lái)自于A(yíng)P和DH污水處理廠(chǎng)，AP污水處理廠(chǎng)采用合流制明渠排水溝進(jìn)水，進(jìn)水水質(zhì)易受降雨影響，且泥沙等無(wú)機顆粒含量較高; DH污水處理廠(chǎng)配套管網(wǎng)設施完善，進(jìn)水為完整的下水管網(wǎng)收集的城市生活污水.污水廠(chǎng)長(cháng)期的監測數據表明，AP厭氧污泥的VSS/TSS值多在0.5以下，而DH厭氧污泥的VSS/TSS值維持在0.6以上，厭氧消化池代謝活性較好.AP剩余污泥的VSS為8 050 mg ·L-1，TSS為14 350 mg ·L-1.DH剩余污泥的VSS為9 250 mg ·L-1，TSS為13 230 mg ·L-1. 1.2 BMP實(shí)驗設計

　　AP-BMP、 DH-BMP共設置6組不同的污泥負荷F/M(0、 0.1、 0.25、 0.4、 0.6、 1)進(jìn)行實(shí)驗，由于污泥濃縮的不均衡性，實(shí)測F/M如表1所示.BMP實(shí)驗在120 mL的血清瓶中進(jìn)行，依據測試基質(zhì)濃度加入定量剩余污泥.采用Owen等[15]提出的厭氧微量元素溶液配方，其中CaCl2 ·2H2 O、 NH4Cl、 MgCl2 ·6H2 O、 KCl、 MnCl2 ·4H2 O、 CoCl2 ·6H2 O、 H3BO3、 CuCl2 ·2H2 O、 Na2MoO4 ·2H2 O、 ZnCl2的濃度分別為16.7、 26.6、 120、 86.7、 1.33、 2、 0.38、 0.18、 0.17、 0.14 g ·L-1.每個(gè)血清瓶加入27 mL的微量元素液體和5.4 mL的(NH4)2HPO4(26.7 g ·L-1)，之后依據不同的F/M比值接種厭氧污泥、 剩余污泥后，蓋上膠蓋并用鋁箔封口.在35℃下旋轉培養箱內進(jìn)行實(shí)驗，實(shí)驗過(guò)程中以玻璃注射筒(50 mL)測量總產(chǎn)氣量，并利用GC-ECD測定CH4、 CO2和H2的比例.共設置兩組平行實(shí)驗，取均值進(jìn)行產(chǎn)氣量、 水質(zhì)分析. AP-BMP、 DH-BMP分別設置兩組平行實(shí)驗，產(chǎn)氣量測量可精確到0.1 mL.

　　表 1 BMP實(shí)驗實(shí)測F/M比

　　1.3 分析方法

　　1.3.1 常規指標

　　常規水質(zhì)指標，包括pH(Suntex Ion Analyzer 3000A)、 TSS(Sartorius Analytic oven)、 NH+4-N(Autotitrator AT-400KYOTO)、 TKN(Autotitrator AT-400KYOTO)、 COD(回流加熱滴定)等，均依照美國EPA規定的Standard Methods[18]規定進(jìn)行.實(shí)驗過(guò)程中氣體成分(CH4、 CO2和H2)的測量采用氣相色譜(China Chromatography GC8900T)進(jìn)行.

　　1.3.2 T-RFLP分析

　　圖1 實(shí)測CH4累積產(chǎn)氣量與回歸曲線(xiàn)

　　本研究參照了Lueders等[19]建立的T-RFLP方法對實(shí)驗前后厭氧污泥的生物多樣性進(jìn)行分析，實(shí)驗步驟如下：①通過(guò)PCR來(lái)復制DNA樣品中的目標基因，引物為在5′的尾端上帶有熒光的Ar 109f和Ar 912r*，首先在94℃預變性5 min，擴增循環(huán)階段包括94℃變性1 min，52℃退火1 min，72℃延伸1.5 min，共循環(huán)28 cycles，最后在72℃條件下延伸6 min.②在8.5 μL的PCR產(chǎn)物中加入0.5 μL TaqⅠ和1.5 μL的緩沖溶液，在65℃條件下消化切割2 h; ③將切割后的片段利用電泳分離并以熒光偵測器(全自動(dòng)遺傳分析儀，ABI PRISM 3100 Genetic Analyzer)檢測片段上所帶的熒光強度. Lueders等[19]成功分離、 克隆出產(chǎn)CH4髦毛菌Methanosaeta spp.、 產(chǎn)CH4微菌Methanomicrobiaceae、 RC-I和產(chǎn)CH4桿菌Methanobacteriaceae，未能定性的菌種歸入Diverse類(lèi).

　　1.3.3 數據分析

　　剩余污泥厭氧消化過(guò)過(guò)程中累積CH4產(chǎn)氣量采用改進(jìn)的Gompertz模型回歸分析[20]

　　式中，y為累積產(chǎn)氣量(mL); δ為產(chǎn)氣末期校正斜率(mL·h-1); t為反應時(shí)間(h); A為平衡產(chǎn)氣量(mL); Rmax：最大產(chǎn)氣速率(mL ·h-1); λ：遲滯期(h). 底物的厭氧代謝過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一系列的酶促反應，因此采用Michaelis-Menten模型描述剩余污泥濃度與比產(chǎn)氣速率的關(guān)系： V=Vmax · S Km+S (2) 式中，Vmax為最大比產(chǎn)氣速率[mL ·(g ·d)-1]; V為比產(chǎn)氣速率[mL ·(g ·d)-1]; Km為半飽和常數(mg ·L-1); S為基質(zhì)濃度(mg ·L-1).

　　2 結果與討論

　　2.1 BMP產(chǎn)氣結果分析

　　AP-BMP、 DH-BMP批次實(shí)驗持續時(shí)間分別為439 h、 765 h，6組不同的投配比設計累積產(chǎn)氣量存在著(zhù)明顯的差異.實(shí)驗初期累積產(chǎn)氣量差異不明顯(圖1)，后期逐步增大.兩組實(shí)驗氣體成分均以CH4(80%)、 CO2(20%)為主，同時(shí)存在少量的H2(不足1%).實(shí)驗產(chǎn)氣均勻，可分為兩個(gè)階段.第一階段產(chǎn)氣速率大，產(chǎn)甲烷菌利用溶解性COD或易水解性物質(zhì)進(jìn)行厭氧發(fā)酵; 之后產(chǎn)氣速率逐漸降低至穩定水平，該階段的限速步驟為剩余污泥的水解過(guò)程，產(chǎn)氣隨著(zhù)水解的進(jìn)程而穩定增加.至該實(shí)驗結束時(shí)，每天仍有穩定體積的氣體產(chǎn)生，表明微生物的水解、 厭氧產(chǎn)CH4仍在進(jìn)行中.應用改進(jìn)的Gompertz模型對AP-BMP、 DH-BMP產(chǎn)氣進(jìn)行回歸后的參數如表2所示.兩廠(chǎng)的厭氧污泥產(chǎn)氣數據與改進(jìn)的Gompertz模型擬合較好(R2>0.99).通常厭氧消化過(guò)程中的限速步驟為水解破壁過(guò)程[21, 22]，在無(wú)添加外來(lái)基質(zhì)的0號樣品中，AP、 DH厭氧污泥的遲滯期分別為20.00 h、 12.93 h，表明DH厭氧污泥的活性較高.

　　表2 改進(jìn)Gompertz模型回歸BMP實(shí)驗參數

　　圖2 Michaelis-Menten模型回歸BMP產(chǎn)CH4速率參數

　　采樣Michaelis-Menten模型對兩個(gè)批次實(shí)驗的基質(zhì)濃度、 比產(chǎn)氣速率回歸后的結果如圖2所示(R2>0.99).AP、 DH厭氧污泥的最大比產(chǎn)氣速率差距不大，分別為74.21、 51.99 mL ·(g ·d)-1，但兩廠(chǎng)厭氧污泥的Km存在著(zhù)顯著(zhù)的差異，DH厭氧污泥的Km為19 005 mg ·L-1而AP厭氧污泥的Km高達54 098 mg ·L-1.Km是表征底物親和力的常數，表明AP厭氧污泥對該廠(chǎng)剩余污泥的適應性差，需要在較高的基質(zhì)濃度下才能表現出較好的產(chǎn)CH4性能.

　　2.2 水質(zhì)變化分析

　　AP-BMP、 DH-BMP兩個(gè)批次實(shí)驗結束時(shí)不同F/M條件下的水質(zhì)狀況如下表3所示.兩個(gè)批次實(shí)驗中隨著(zhù)F/M增大，pH由弱酸性漸變?yōu)槿鯄A性，分別位于在6.8~7.2、 6.7~7.1范圍內.0號呈弱酸性，可能由未添加基質(zhì)，厭氧污泥自身的水解造成[23].DH-BMP與AP-BMP實(shí)驗結束時(shí)ORP值分別位于-235~-280 mV與-235~-282 mV范圍內.隨著(zhù)F/M比的增大，兩個(gè)批次實(shí)驗的ORP值都呈下降的趨勢.厭氧環(huán)境的主要標志是發(fā)酵液具有低的ORP，不同的厭氧消化體系和不同的厭氧微生物對ORP的要求不同[24].

　　兩批次實(shí)驗中在高F/M條件下下CODT下降明顯.與AP-BMP實(shí)驗相比，DH-BMP實(shí)驗結束后CODT下降更為顯著(zhù)，5號樣品中由之前的47 000 mg ·L-1下降至32 480 mg ·L-1，在高F/M條件下厭氧消化進(jìn)行得更為完全.批次實(shí)驗前后，NH+4-N濃度均有提高，不同F/M條件下NH+4-N變化差異較大，DH-BMP實(shí)驗中5號樣品實(shí)驗結束后NH+4-N濃度達到了755.5 mg ·L-1.污泥厭氧消化過(guò)程中，污泥的水解是限速步驟.在高F/M條件下，厭氧污泥代謝旺盛，使得剩余污泥的破壁、 氨化過(guò)程進(jìn)行得較為完全，從而使得NH+4-N顯著(zhù)提升[4].兩個(gè)批次實(shí)驗前后TSS變化呈現出與CODT類(lèi)似的趨勢，高F/M條件下下降趨勢明顯，DH-BMP實(shí)驗中5號樣品的TSS由實(shí)驗前的45 100 mg ·L-1下降至38 050 mg ·L-1.綜合比較AP-BMP與DH-BMP實(shí)驗前后水質(zhì)變化，DH-BMP實(shí)驗前后CODT、 TSS下降趨勢更加明顯，表明DH-BMP過(guò)程中代謝活躍，厭氧消化過(guò)程進(jìn)行得較為完全.

表3 BMP實(shí)驗末期不同F/M條件下主要水質(zhì)

　　圖3 AP、 DH剩余污泥厭氧消化前后主要T-RFs豐度變化

　　2.3 厭氧污泥生物多樣性分析

　　圖3表示了以AP-BMP、 DH-BMP實(shí)驗前后產(chǎn)甲烷功能菌組成的變化情況.與AP-BMP、 DH-BMP兩個(gè)批次實(shí)驗中產(chǎn)CH4、 水質(zhì)變化情況相一致，DH接種厭氧污泥中產(chǎn)甲烷菌群的相對含量高于A(yíng)P接種厭氧污泥，AP-BMP中0號樣品的雜菌(Diverse)相對含量超過(guò)60%.DH厭氧污泥中產(chǎn)甲烷功能菌群豐富且相對含量較高，可能是DH-BMP實(shí)驗中半飽和常數Km顯著(zhù)低于A(yíng)P-BMP中回歸數值的重要原因.

　　AP-BMP實(shí)驗后，未添加基質(zhì)的0號實(shí)驗結束后雜菌(Diverse)相對含量降至14%，這可能是由于基質(zhì)的缺乏，產(chǎn)甲烷菌將雜菌(Diverse)分解代謝造成.4號樣品中的雜菌(Diverse)含量也有所降低但幅度不大.同時(shí)實(shí)驗結束后，兩組的產(chǎn)甲烷髦毛菌Methanosaeta spp.(280 bps)、 產(chǎn)甲烷微菌Methanomicrobiaceae(80 bps)和RC-I(389 bps)的相對含量皆有提高.DH-BMP實(shí)驗前后產(chǎn)甲烷功能菌的組成變化情況與AP-BMP變化類(lèi)似.DH-BMP實(shí)驗結束時(shí)雜菌(Diverse)含量降低，0號、 5號樣品中雜菌(Diverse)相對含量不足17%.產(chǎn)甲烷髦毛菌Methanosaeta spp.(280 bps)、 產(chǎn)甲烷微菌Methanomicrobiaceae (80 bps)和RC-I(389 bps)的相對含量皆有所提高，表明產(chǎn)甲烷菌的活性和相對豐度在實(shí)驗過(guò)程中得以提高.已有研究發(fā)現產(chǎn)甲烷髦毛菌Methanosaeta spp.主要以乙酸為基質(zhì)生成甲烷[25]，實(shí)驗結束后產(chǎn)甲烷髦毛菌Methanosaeta spp.相對含量提高，而其它兩種產(chǎn)甲烷菌以H2和CO2為基質(zhì)生成甲烷，由于兩組BMP實(shí)驗中H2的生成量較低(不足1%)，因此產(chǎn)甲烷桿菌Methanobacteriacea (88 bps)、 產(chǎn)甲烷微菌Methanomicrobiaceae(80 bps)相對含量變化不如產(chǎn)甲烷髦毛菌Methanosaeta spp.(280 bps)增加顯著(zhù)[4].具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結論

　　(1)AP、 DH剩余污泥厭氧消化產(chǎn)CH4采用改進(jìn)Gompertz模型回歸的最大比產(chǎn)氣速率數值接近，分別達到了74.21 mL ·(g ·d)-1、 51.99 mL ·(g ·d)-1，但對基質(zhì)剩余污泥的半飽和常數Km差異較大，分別為54 098 mg ·L-1和19 005 mg ·L-1，表明AP剩余污泥親和性差、 難于厭氧消化.

　　(2)BMP實(shí)驗結束后，TSS、 CODT有所下降，NH+4-N顯著(zhù)提高，且高污泥負荷F/M條件下水質(zhì)變化趨勢更為顯著(zhù).與AP-BMP實(shí)驗相比，DH-BMP水質(zhì)變化顯著(zhù).

　　(3)兩批次實(shí)驗前后T-RFLP分析結果與其生化產(chǎn)CH4勢相一致，實(shí)驗結束后雜菌(Diverse)相對含量顯著(zhù)下降，產(chǎn)甲烷髦毛菌Methanosaeta spp.(280 bps)、 產(chǎn)甲烷微菌 Methanomicrobiaceae(80 bps)和RC-I(389 bps)的相對含量皆有所提高，且DH-BMP樣品中產(chǎn)甲烷功能菌群相對含量提升程度高于A(yíng)P-BMP.