劉 波，陳博之，丁新春1，，閻懂懂， 杜凌峰

（1. 南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210023； 2. 江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司，江蘇南京215006；3. 南京大學(xué)鹽城環(huán)保技術(shù)與工程研究院，江蘇鹽城224002）

污水生物處理過程中會產(chǎn)生大量的剩余污泥，其中含有泥砂、纖維等固體顆粒，凝結(jié)的絮狀體以及各種膠體、有機質(zhì)、重金屬、病原菌、寄生蟲卵以及病毒等， 通常占污水處理量的0.3%～0.5%（含水率按97%計算）〔1〕。 如果不對剩余污泥進行妥善處理，將會導(dǎo)致重金屬等污染物再次釋放到環(huán)境中， 引起二次污染。目前，常采用厭氧消化技術(shù)對剩余污泥進行穩(wěn)定化、減量化、資源化處理〔2〕，同時還可以獲得沼氣回收能源。 但傳統(tǒng)的厭氧消化技術(shù)存在有機質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化率低、停留時間長、產(chǎn)氣率較低等缺點。對此，通過添加外源物質(zhì)來促進剩余污泥厭氧消化成為研究熱點。 通過添加外源物質(zhì)可以提高剩余污泥中的COD 向甲烷方向轉(zhuǎn)化的能力，這種能力一方面來自外源物質(zhì)帶來的化學(xué)作用， 另一方面來自于它對微生物的刺激作用〔3-4〕。

近年來很多研究表明，單獨添加的鐵、碳在促進剩余污泥厭氧消化中起到積極作用， 然而很少有研究涉及鐵碳的聯(lián)合投加對于剩余污泥厭氧消化是否具有更好的促進效果。 因此，本研究對單獨加鐵、單獨加碳和鐵碳聯(lián)合投加對剩余污泥厭氧消化的影響進行了對比研究，并且通過改變鐵、碳的投加量，考察了其對剩余污泥厭氧消化過程的強化效果。 該項研究對于提高污泥厭氧消化的效果， 節(jié)約和回收資源具有非常重要的意義。

1 材料與方法

1.1 污泥來源

實驗所用污泥取自南京某生活污水處理廠，該廠采用改良的A2/O 工藝， 污泥取自二沉池回流污泥。取回的污泥存放于4 ℃的冰箱中。接種污泥取自實驗室穩(wěn)定運行的UASB 反應(yīng)器， 該反應(yīng)器長期運行，進水COD 為2 000 mg/L。 剩余污泥經(jīng)過熱堿預(yù)處理后作為厭氧消化的底物。 預(yù)處理過程: 采用4 mol/L 的氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH 為12，同時加熱到70 ℃，然后用攪拌器攪拌反應(yīng)6 h，再用鹽酸將pH 調(diào)節(jié)到7。 污泥的相關(guān)特性見表1。

表1 相關(guān)污泥特性

1.2 實驗方法

厭氧消化實驗分為2 部分: 水解酸化實驗和完整的厭氧消化實驗。

（1）水解酸化實驗。 將預(yù)處理后的剩余污泥在102 ℃下處理30 min，冷卻至常溫后，向其中加入一定量的溴乙基磺酸鈉（BESA）至濃度為50 mmol/L，目的是為了抑制產(chǎn)甲烷過程〔5〕。 將處理過的底泥與接種污泥按照體積比9∶1 加入到反應(yīng)器中。 按編號向反應(yīng)器中投加外源物Fe 和粒狀活性炭（GAC），編號和投加量見表2。 鐵、碳以及鐵碳聯(lián)合的添加量通過閱讀其他文獻確定。進行水解酸化實驗前，通過氮氣曝氣去除氧氣。 置于恒溫震蕩培養(yǎng)箱中，在35 ℃下實驗3 d。

（2）完整的厭氧消化實驗。步驟除了不進行加熱（102 ℃處理30 min）和添加BESA 處理之外，消化時間增加至20 d，其余步驟相同。厭氧消化產(chǎn)氣使用氣袋收集。

表2 實驗設(shè)計和外源物投加量

1.3 分析方法

（1）VFAs 測定。 VFAs 采用氣相色譜法（Agilent 7890A 氣相色譜儀）測定〔6〕。 氣相色譜使用氫火焰檢測器（FID），色譜柱使用CD-ACIDWAX 毛細管柱，30 m×0.25 mm×0.25 μm。載氣為N2、空氣和H2，流速分別為30、300、30mL/min。 氣相色譜進樣口溫度250℃，壓力186.01 kPa，分流比10∶1。 檢測器和柱箱溫度分別為300、250 ℃， 進樣量1 μL。 測定前將水樣過0.45 μm 中空纖維膜， 取過膜后的水樣于氣相色譜進樣小瓶中，之后加入50 μL 甲酸酸化。

（2）DNA 測序。 取部分接種污泥和每個反應(yīng)器實驗后的底泥， 向其中加入同體積無水乙醇進行固定，隨后置于-20 ℃的冰箱中保存。 將樣品送至上海美吉公司微生物事業(yè)部進行DNA 提取和測序。 使用引物524F-10-ext（5’-TGYCAGCCGCCGCGGTAA-3’）和Arch958R-mod（5’YCCGGCGTTGAVTCCAATT-3’）〔7〕進行16S rRNA 的擴增。

（3）其他相關(guān)測定指標(biāo)及方法。 pH:玻璃電極法；SS:重量法；VSS:灼燒減量法；COD:重鉻酸鉀法；蛋白質(zhì):蛋白試劑盒法；多糖:蒽酮硫酸法；氣體成分:氣相色譜法；二價鐵離子:鄰菲啰啉分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵碳聯(lián)合投加對剩余污泥水解酸化過程的影響

2.1.1 上清液組分的變化

各實驗組剩余污泥水解酸化前后上清液組分的變化如圖1 所示。

圖1 各組剩余污泥水解酸化前后上清液中相關(guān)物質(zhì)的變化

由圖1 可以看出，經(jīng)過3 d 的水解酸化，所有實驗組污泥上清液中的SCOD 都有所降低，其中P2 和P4 組的SCOD 降低的最多，分別為8 103.2 、8 017.3 mg/L，降解率也最高，分別為23.3%和24.1%，相較于對照組P0 分別高出了8.8%和9.6%。 雖然其鐵的添加量有所區(qū)別， 但從水解酸化過程中SCOD 的降解來看， 并沒有什么區(qū)別。 P0 和P5 組的SCOD 最高，說明其降解率最低。蛋白質(zhì)和多糖的數(shù)據(jù)變化趨勢與SCOD 相似。 實驗組上清液中蛋白含量最低的也是P2 和P4 組， 分別為1 751.4 、1 844.7 mg/L，其降解率分別為63.5%和61.5%，相較于對照組P0 分別高出了17.7%和15.7%。P1 和P3 組的蛋白含量相近，去除率均低于P2 和P4 組，但高于P5 組。 P5 組的蛋白去除率則與對照組P0 相近。 從多糖的數(shù)據(jù)來看，鐵加入量的增大有助于多糖的降解；當(dāng)鐵加入量減少時，碳的同時加入也可以達到較好的效果。從對上清液組分的總體分析來看， 鐵碳聯(lián)合添加對于水解酸化的促進作用要好于單獨添加鐵； 在相同碳添加量下，鐵的添加可以提高水解酸化的效率〔8〕，但是鐵添加量的增加并不能進一步促進水解酸化過程；碳的單獨加入對于水解酸化的促進作用不大。

2.1.2 VFAs 的變化

表3 列出了各組剩余污泥在水解酸化3 d 后的VFAs 的成分及含量。

表3 水解酸化3 d 后VFAs 的變化

由表3 可知， 各組的乙酸占比都在35%以上。從乙酸的濃度可以看出， 鐵碳聯(lián)合添加比單獨添加鐵可以更有效地促進乙酸的產(chǎn)生。值得注意的是，雖然P2 和P4 組的鐵加入量有區(qū)別，但是乙酸含量相差并不大。說明碳添加量一定后，增加鐵的添加量不能獲得更多的乙酸產(chǎn)量。當(dāng)沒有碳加入時，鐵的加入雖然能夠促進產(chǎn)乙酸， 但并不是鐵添加量越高效果越好。

研究表明，丙酸對于產(chǎn)甲烷不利〔9〕。 從表3 可以看到，丙酸含量最低的是P2 組，其質(zhì)量濃度為741.4 mg/L，而乙酸含量比較高的P4 組的丙酸質(zhì)量濃度為807.9 mg/L，這個值甚至高于P3 組的753.9 mg/L。 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是P4 組的水解酸化效果比較好，降解的有機物多，產(chǎn)生的VFAs 的總量多，因此相應(yīng)的丙酸含量較高。結(jié)合丙酸和乙酸數(shù)據(jù)可知，鐵能夠有效促進水解酸化向著產(chǎn)乙酸的方向發(fā)展， 鐵碳的聯(lián)合添加更加促進了這一效果。

2.2 鐵碳聯(lián)合投加對剩余污泥厭氧消化過程的影響

圖2 為各組剩余污泥厭氧消化過程累積甲烷產(chǎn)量和日產(chǎn)甲烷量的變化。

圖2 各組剩余污泥厭氧消化過程累積甲烷產(chǎn)量和日產(chǎn)甲烷量變化

從圖2（a）可以看到，經(jīng)過20 d 的厭氧消化后，實驗組累積甲烷產(chǎn)量相比于對照組來說都有一定的增長，P0、P1、P2、P3、P4、P5 組的累積甲烷產(chǎn)量分別為191.6、221.1、249.5、235.6、258.7、214.0 mL/gVSS。 說明鐵和碳不管是一起加入還是分別加入都會對污泥的厭氧消化起到促進作用。不同的是，鐵碳的聯(lián)合加入相較于單獨加入鐵、 碳對累積產(chǎn)甲烷帶來的增量是不同的。 P2 和P4 組的累積產(chǎn)甲烷增量明顯大于P1和P3 組，分別比對照組高出30.2%和35.0%。 因此，碳的加入進一步強化了鐵所起到的促進作用。 P5 組的累積甲烷產(chǎn)量比對照組高了22.4 mL/gVSS。 綜上可知， 鐵碳聯(lián)合加入對產(chǎn)甲烷的促進作用要大于等量鐵、碳單獨加入時的促進作用。

從累積產(chǎn)甲烷的完成時間上來看， P2 和P4 組累積產(chǎn)甲烷完成時間為10～12 d，完成時間相對于其他組來說更早， 說明鐵碳聯(lián)合加入能夠促進厭氧消化的提前完成。

從圖2（b）可以看到，P2 和P4 組的日產(chǎn)甲烷量增加的最快，并在第5 天達到最大值，分別為67.8、72.2 mL/gVSS。 而其他組的日產(chǎn)甲烷量相對增長的較慢， 對照組由于沒有添加任何可以起到促進作用的物質(zhì)，因此產(chǎn)甲烷速率也最低。 P2 和P4 組的日產(chǎn)甲烷量在第6 天之后迅速下降，在第12～13 天基本下降到最低值， 而P1 和P3 組在第14 天左右才下降到最低值， 對照組P0 和實驗組P5 在第15 天以后才基本下降到最低值?？梢钥闯?，鐵碳聯(lián)合加入的實驗組日產(chǎn)甲烷量升高的快， 下降的時間也來的更早， 說明鐵碳的聯(lián)合添加加強了剩余污泥厭氧消化的整個過程， 而鐵和碳的單獨加入對于產(chǎn)甲烷的促進作用稍遜色于鐵碳的聯(lián)合添加。

各組剩余污泥厭氧消化前后VSS 的變化如圖3所示。

圖3 各組剩余污泥厭氧消化前后VSS 的變化

由圖3 可知，VSS 減量效果最好的是P2 和P4組，VSS 去除率分別達到了54.7%和56.3%，比對照組P0 分別高出了10.1%和11.7%，且高于單獨添加鐵、碳的P1、P3、P5 組的VSS 去除率。 可見，鐵碳的聯(lián)合添加對于VSS 去除的促進效果明顯。 另外，對比P2 和P3 組的VSS 去除率可知，即使P3 組的鐵添加量高于P2 組， 但是由于碳的添加，P2 組的VSS 去除率還是優(yōu)于P3 組，說明在添加鐵的情況下，適當(dāng)?shù)靥砑犹嫉膹娀饔靡獌?yōu)于更多的鐵的添加。 從這一點來說，鐵碳聯(lián)合添加的實際意義顯得格外重要。

2.3 微生物分析

厭氧消化20 d 后，考察了各組污泥中微生物屬水平的群落豐度。結(jié)果表明，各實驗組和對照組的產(chǎn)甲烷菌種豐度最大的都是甲烷鬃毛菌（Methanosaeta），這種產(chǎn)甲烷菌是嚴格的乙酸型產(chǎn)甲烷菌，是利用乙酸進行產(chǎn)甲烷活動的微生物。 其中，P2 和P4 組的Methanosaeta 豐度最高， 分別為51.7%和52.2%。這是由于P2 和P4 組水解酸化所產(chǎn)生的乙酸含量相較于其他實驗組要高， 提供給Methanosaeta 的底物更加豐富，有利于Methanosaeta的生長，因此產(chǎn)甲烷效果也應(yīng)該最好， 這與前面的產(chǎn)氣實驗結(jié)果相吻合。 P1 和P3 組的Methanosaeta 豐度相較P2 和P4組有所降低，但比對照組高。 另外，P5 組的Methanosaeta 的豐度比P1 組高，是因為碳的存在為微生物提供了附著點〔10〕。

除了乙酸型產(chǎn)甲烷途徑以外， 另一種比較重要的產(chǎn)甲烷途徑是耗氫產(chǎn)甲烷。 研究表明，大約30%左右的甲烷生產(chǎn)來自于這一途徑〔11〕。 占比最大也最重要的2 種耗氫產(chǎn)甲烷菌為甲烷桿菌（Methanobacterium）和甲烷繩菌（Methanolinea）。 結(jié)果表明，這2種耗氫產(chǎn)甲烷菌的豐度在各實驗組中都超過了30%，其中Methanobacterium 的豐度更大一些。 對照組P0 的Methanobacterium 豐度最低，而其他實驗組Methanobacterium 的豐度都超過了25%， 但豐度最高的是P3，而產(chǎn)甲烷效果最好的P2 和P4 組卻相對較低。這是因為鐵的加入促進了析氫作用，析氫作用的加強對于產(chǎn)甲烷過程有一定的促進作用， 而且鐵添加量的增加會進一步增強這樣一個過程〔12〕。

總體來說，鐵碳聯(lián)合添加促進了水解酸化過程，使Methanosaeta 的豐度顯著增加；同時，強化的析氫腐蝕作用使得Methanobacterium 等耗氫型產(chǎn)甲烷菌豐度加大，活性提高。

3 結(jié)論

（1）水解酸化實驗表明，鐵碳聯(lián)合添加比單獨添加鐵、碳能更有效地促進剩余污泥的水解酸化過程，而且盡管鐵的加入量減少， 但碳的添加可使促進效果進一步增強。 同時，鐵碳聯(lián)合添加時，進一步增加鐵的添加量并不會取得更好的促進效果。另外，碳的單獨加入不會對水解酸化有明顯的促進作用。

（2）厭氧消化產(chǎn)氣實驗結(jié)果表明，P4 組累積甲烷產(chǎn)量最高，達到258.7 mL/gVSS，比對照組提高了35.0%； 同時，P2 和P4 組累積產(chǎn)甲烷完成時間相較于其他實驗組顯著縮短。 說明鐵碳的聯(lián)合添加對于厭氧消化產(chǎn)甲烷具有明顯的促進作用。

（3）鐵碳聯(lián)合添加可強化鐵的作用，增加鐵的溶出，從而進一步強化厭氧消化過程。鐵碳聯(lián)合添加有助于VSS 的減量化，鐵碳聯(lián)合添加的P2 和P4 組的VSS 去除率分別比對照組提高了10.1%和11.7%。

（4）鐵碳聯(lián)合添加可促進微生物中Methanosaeta的生長， 同時鐵碳聯(lián)合添加通過進一步發(fā)揮鐵的作用，富集了耗氫產(chǎn)甲烷菌的豐度。