王超林，朱英東，王夢瑤，張雪英，劉奮武，雍曉雨，周 俊

（1.南京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京211800；2.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京211800；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，山西 太谷030801）

餐廚垃圾與市政污泥常規(guī)的處理方法主要有填埋、堆肥、焚燒與厭氧消化等，而通過協(xié)同厭氧消化回收餐廚垃圾與市政污泥中的資源和能源是未來的發(fā)展趨勢［1］。餐廚垃圾中含有大量易降解的有機(jī)物，厭氧消化時，極易出現(xiàn)快速酸化，影響厭氧消化效率的問題［2］；市政污泥中存在有機(jī)質(zhì)含量低且多為難降解的大分子有機(jī)物、菌體及有毒物質(zhì)等，在進(jìn)行厭氧消化時，存在有機(jī)物去除率低，產(chǎn)氣效率低以及有毒物質(zhì)對厭氧功能微生物的毒害等問題。餐廚垃圾和市政污泥混合厭氧消化能夠降低混合底物中的有毒物質(zhì)的濃度，改善碳氮比，進(jìn)而提高混合厭氧消化系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷的效率和穩(wěn)定性。王永會等［3］研究了餐廚垃圾與剩余污泥的混合比例對混合消化的產(chǎn)沼氣協(xié)同效應(yīng)時指出：混合消化具有明顯的協(xié)同效應(yīng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；黃月等［4］研究發(fā)現(xiàn)：混合消化不僅能夠縮短厭氧消化的時間，還能夠提高甲烷產(chǎn)量。朱英東等［5］研究也發(fā)現(xiàn)：餐廚垃圾與剩余污泥混合發(fā)酵可提高厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Gu等［6］研究發(fā)現(xiàn)：隨著餐廚垃圾比例的增加，污泥及餐廚混合厭氧消化的甲烷產(chǎn)量逐漸增加。盡管市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化較單獨(dú)厭氧消化有更強(qiáng)的優(yōu)勢［7］，但是在混合厭氧消化體系中的市政污泥仍然存在著降解性差的缺點(diǎn)［8－9］。針對市政污泥厭氧消化過程中胞外聚合物難以被降解、細(xì)胞壁難以被打破等問題［10］，國內(nèi)外的研究人員在市政污泥的不同預(yù)處理領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究［11］，發(fā)現(xiàn)通過不同的預(yù)處理方式能夠打破市政污泥中菌體的細(xì)胞壁，從而促進(jìn)市政污泥胞外多聚物的降解，提高市政污泥厭氧消化性能［12］。常見的市政污泥預(yù)處理方法有熱水解、超聲處理、堿處理、冷凍法及生物法等，其中熱水解及堿處理兩種方式具有破壁效果好、處理后的污泥易于脫水等優(yōu)點(diǎn)［13］。目前的研究中對餐廚垃圾與市政污泥的混合厭氧消化研究多集中于混合比例、反應(yīng)機(jī)制等方向，而在底物的預(yù)處理方式對混合厭氧消化效果方向上的研究較少，對市政污泥預(yù)處理后混合厭氧消化產(chǎn)甲烷差異的微生物機(jī)制方面的研究相對較少。

基于以上認(rèn)識，本研究采用熱處理、堿處理和熱堿聯(lián)合處理［14］的3種不同的市政污泥的預(yù)處理方式，并設(shè)置未處理的污泥作為對照試驗(yàn)組，探討市政污泥的不同預(yù)處理方式對市政污泥與餐廚垃圾混合中厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響，通過高通量測序?qū)Σ煌瑓捬跸w系的微生物的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析，探討不同預(yù)處理體系產(chǎn)甲烷差異的微生物學(xué)機(jī)制，以期確定一種對市政污泥／餐廚垃圾混合厭氧消化行之有效的預(yù)處理方式。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)中所使用的餐廚垃圾取自某大學(xué)食堂垃圾搜集桶，主要成分為米飯、肉類和蔬菜等，剔除硬物后將其充分粉碎至粒徑約為5 mm。市政污泥取自南京某市政污水處理廠的濃縮污泥池。所有處理完成后的原料于－4℃冷凍保存待用，原料特性見表1。

表1 原料特性Table 1 Characteristics of substrates

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

GZX -9140 MBE型數(shù)控干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；KSL -1100X型馬弗爐，合肥科晶材料技術(shù)有限公司；K9860型全自動凱氏定氮儀，上海海能實(shí)驗(yàn)儀器科技有限公司；UB -7型pH值測定儀，美國丹佛儀器有限公司；KH -7200E型數(shù)控超聲波清洗器，昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司；Vortex -5型渦旋儀，海門其林貝爾公司；SP6800A型氣相色譜儀、熱導(dǎo)檢測器，山東魯南瑞虹化工儀器有限公司。

1.3 分析測定方法

TS采用真空烘箱干燥法測定，VS采用馬弗爐灼燒法［15］測定；凱式氮采用全自動凱氏定氮儀測定，總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀滴定法［16］測定；每日氣體產(chǎn)量采用排水法測定；氣體成分采用氣相色譜儀測定［17］。待測樣品經(jīng)過7 500 r／min離心15 min，沉淀物待DNA提取測定使用。離心后的上清液通過0.45 μm的水系濾膜，收集可溶性組分，采用Eaton等［18］的方法測定上清液中的SCOD和氨氮。有機(jī)酸成分采用HPLC測定［19］，每組數(shù)據(jù)測定3組平行。

氣體成分采用氣相色譜儀測定：TCD檢測器測定，檢測器溫度設(shè)定為120℃，HayeSepQ多孔高聚物類不銹鋼填充柱尺寸為φ3 mm×2 m；柱箱溫度、檢測器溫度和氣化室溫度分別為60、120和120℃；載氣采用He，流速為50 mL／min；進(jìn)樣量為1 mL。

DNA樣品提取測定方法：待測樣品首先于7 500 r／min離心15 min，離心所得的樣品使用PowerSoilDNA提取試劑盒（Mobiol Laboratories），按照其內(nèi)的說明書步驟提取樣品中的基因組DNA。提取完成的DNA樣品交由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳與PCR純化（引物為515F＿909R），然后進(jìn)行高通量測序分析。

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中所用的主要實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 厭氧消化裝置Fig.1 Anaerobic digestion device

1.5 菌種的馴化方法

接種物取自南京工業(yè)大學(xué)生物能源研究所沼氣站中的大型沼氣罐，取其中混合消化液在38℃的餐廚垃圾與市政污泥的混合體系中馴化，至甲烷含量達(dá)到60%后得到的菌液作為接種物，接種物的TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（6.23±0.05）%，VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（3.06±0.02）%，pH為7.01±0.01。

1.6 市政污泥的不同預(yù)處理方式

預(yù)處理方法：取1.1中保存好的市政污泥將其分為4組。第1組不做處理，作為空白組；第2組通過投加5 mol／L NaOH／HCl調(diào)節(jié)pH至12.0±0.01，并穩(wěn)定20 min，作為堿處理組；第3組在120℃的條件下加熱30 min，然后冷卻至室溫，作為熱處理組；第4組通過投加5 mol／L的NaOH／HCl調(diào)節(jié)pH至12.0±0.01，同時穩(wěn)定20 min，然后于120℃加熱30 min，最后冷卻至室溫，作為熱堿處理組。4組市政污泥處理完成后放置于室溫下的恒溫振蕩器上，以100 r／min振蕩6 h，振蕩結(jié)束后用1 mol／L NaOH／HCl調(diào)節(jié)pH至7.00±0.01。

1.7 混合厭氧消化實(shí)驗(yàn)

采用批式厭氧消化法，在1 L的實(shí)驗(yàn)室自制反應(yīng)器（有效體積800 mL）中加入總VS為30 g的餐廚垃圾、預(yù)處理后的市政污泥和厭氧接種污泥。餐廚垃圾和預(yù)處理后的市政污泥的混合物與厭氧接種污泥的VS質(zhì)量比例為2∶1，然后將餐廚垃圾與預(yù)處理后的市政污泥按照質(zhì)量1∶1的VS比例，設(shè)定成4組實(shí)驗(yàn)組（空白組、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組），每組設(shè)置3個平行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)組初始pH調(diào)整至7.10～7.35之間；整個厭氧消化實(shí)驗(yàn)周期為30 d；每天測定產(chǎn)氣量，3天取樣一次，測定其他參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同預(yù)處理方法對混合厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)甲烷的影響

市政污泥的不同預(yù)處理方法對混合厭氧消化體系的單日沼氣產(chǎn)量的變化見圖2。由圖2可知：隨著厭氧消化的進(jìn)行，從第3天開始，所有實(shí)驗(yàn)組體系逐漸呈現(xiàn)出一種先升后降的趨勢?？瞻捉M在第5天與第12天分別出現(xiàn)了兩個產(chǎn)沼氣高峰，單日沼氣產(chǎn)量分別為405和630 mL。堿處理組在第4天與第12天分別出現(xiàn)了兩個產(chǎn)沼氣高峰，單日沼氣產(chǎn)量分別為310和730 mL。熱處理組在第4天與第15天分別出現(xiàn)了兩個產(chǎn)沼氣高峰，單日沼氣產(chǎn)量分別為293和790 mL。熱堿處理組在第11天與第15天分別出現(xiàn)了兩個產(chǎn)沼氣高峰，單日沼氣產(chǎn)量分別為920和930 mL。綜上可知，3組預(yù)處理過的實(shí)驗(yàn)組的第二個產(chǎn)沼氣高峰時間段的沼氣產(chǎn)量均高于空白組。3組預(yù)處理過的實(shí)驗(yàn)組的單日最高沼氣產(chǎn)量較空白組分別提高了15.87%、25.40%和47.62%。所有的預(yù)處理方式都能提高混合厭氧消化沼氣的產(chǎn)量，其中熱堿預(yù)處理組的提升效果最顯著。

圖2 不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化的單日沼氣產(chǎn)量Fig.2 Daily biogas production of different pretreated municipal sludge and food waste during anaerobic digestion

市政污泥的不同預(yù)處理方法對混合厭氧消化體系的單日甲烷產(chǎn)量的變化見圖3。由圖3可知：在整個厭氧消化階段，所有實(shí)驗(yàn)組體系的單日甲烷產(chǎn)量均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢?？瞻捉M、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的單日最高甲烷產(chǎn)量分別是457、549、547和689 mL，可見3組預(yù)處理過的實(shí)驗(yàn)組的單日甲烷產(chǎn)量明顯高于空白組，堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的單日最高甲烷產(chǎn)量較空白組分別提高了20.13%、19.69%和50.77%。熱堿預(yù)處理后的實(shí)驗(yàn)組的單日甲烷產(chǎn)量在所有實(shí)驗(yàn)組體系中效果最為顯著。

圖3 不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化的單日甲烷產(chǎn)量Fig.3 Daily methane production of different pretreated municipal sludge and food waste during anaerobic digestion

不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化的累計沼氣產(chǎn)量見圖4，其中圖4（a）為累計沼氣產(chǎn)量，圖4（b）為單位VS累計甲烷產(chǎn)量。由圖4（a）可知：堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的累計沼氣產(chǎn)量以及累計甲烷產(chǎn)量均明顯高于空白組，空白組、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的累計沼氣產(chǎn)量分別為9 449、10 058、10 093和10 393 mL，累計甲烷產(chǎn)量分別為4 512、4 753、4 664和5 100 mL。較空白組而言，堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的累計沼氣產(chǎn)量分別提高了6.44%、6.81%和10.00%，累計甲烷產(chǎn)量分別提高了5.35%、3.36%和13.02%。由圖4（b）可知：單位VS累計甲烷產(chǎn)量分別為225.61、237.68、233.18和255.00 L。較空白組而言，堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的單位VS累計甲烷產(chǎn)量分別提高了5.35%、3.35%、13.03%。說明對市政污泥進(jìn)行預(yù)處理能夠提高混合體系的甲烷產(chǎn)量，其中對市政污泥進(jìn)行熱堿預(yù)處理是3種預(yù)處理方式中最佳的預(yù)處理方式。

圖4 不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化的累計沼氣產(chǎn)量Fig.4 Cumulative biogas production of different pretreated municipal sludge and food waste during anaerobic digestion

圖5 為不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化的甲烷體積分?jǐn)?shù)。由圖5可知：在厭氧消化體系中甲烷體積分?jǐn)?shù)水平隨著厭氧消化進(jìn)程的開展，持續(xù)升高至峰值，隨后進(jìn)入平穩(wěn)階段，最終隨著體系中的有機(jī)物被分解后逐漸下降。空白組、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的沼氣中最高甲烷體積 分 數(shù) 分 別 為72.54%、75.16%、71.99%和74.93%。

圖5 不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化的甲烷體積分?jǐn)?shù)Fig.5 Methane volume fraction of different pretreated municipal sludge and food waste during anaerobic digestion

2.2 不同預(yù)處理的市政污泥對混合厭氧消化體系SCOD、氨態(tài)氮的變化

圖6 為不同預(yù)處理過后市政污泥的SCOD含量。由圖6可知：空白組、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的SCOD質(zhì)量濃度分別為1 765、10 830、8 532和13 240 mg／L。堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的SCOD質(zhì)量濃度較空白組分別提升了513.60%、383.40%和650.14%。說明熱處理和堿處理都能夠促進(jìn)胞外聚合物和胞內(nèi)聚合物的降解，從而產(chǎn)生更多的可溶性COD［20］。但熱處理時存在溫度不夠高、反應(yīng)時間不夠等方面問題，從而導(dǎo)致胞內(nèi)有機(jī)物不能夠被完全降解；堿處理組存在對低濃度堿弱敏感的細(xì)胞難以被破壞，而較高堿濃度會抑制后續(xù)的厭氧反應(yīng)等方面的問題，容易導(dǎo)致部分的細(xì)胞始終無法被破壞［21］。熱堿處理中堿能夠在一定溫度下加快胞外聚合物降解及破壞大部分細(xì)胞壁，使溫度能夠快速進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，減少熱處理時間及提高胞內(nèi)物質(zhì)的降解率。因此，熱堿處理組的SCOD要高于熱處理組和堿處理組，這與郭海剛［22］的研究結(jié)果是一致的。

圖6 不同預(yù)處理的市政污泥的初始SCODFig.6 SCOD of different pretreated municipal sludge at the beginning of the anaerobic digestion

不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化過程中SCOD的變化見圖7，從圖7可以看出：空白組、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的初始SCOD質(zhì)量濃度分別為8 567、11 735、12 210和13 390 mg／L?？瞻捉M、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組從第1天至第9天的SCOD質(zhì)量濃度迅速升高，分別為10 155、13 995、14 747、16 292 mg／L。所有實(shí)驗(yàn)組SCOD的質(zhì)量濃度均在第9天達(dá)到了頂點(diǎn)，較第1天分別提升了18.53%、19.26%、20.78%和21.68%。說明體系中混合底物被迅速分解，消化液中可利用的可溶性物質(zhì)增加了，熱堿處理組的SCOD含量提升得最多，說明對市政污泥熱堿預(yù)處理的方式能使水解效果達(dá)到更好的狀態(tài)［23］，從而提高甲烷產(chǎn)量。

圖7 不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化SCOD的變化Fig.7 Changes of SCOD content of different pretreated municipal sludge and food waste during anaerobic digestion

第9天后所有體系的SCOD質(zhì)量濃度開始逐漸下降，到厭氧消化結(jié)束后，空白組、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組中的SCOD質(zhì)量濃度分別為3 898、3 890、4 089和4 119 mg／L，空白組、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的SCOD的降解率分別為54.50%、66.85%、66.51%和69.24%，堿處理組、熱處理組和熱堿處理組SCOD的降解率較空白組分別提高了22.66%、22.04%和27.05%?？梢姡瑹釅A處理組對混合底物的利用率要比其他實(shí)驗(yàn)組更高。

不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化氨氮的變化見圖8。由圖8可知：起始氨氮值在空白組、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組中分別為564、439、437和334 mg／L。所有實(shí)驗(yàn)組體系在前9天有一個迅速的積累升高，這主要是由于底物中的蛋白質(zhì)及一些含氮量高的有機(jī)物水解釋放出大量的氨氮。在第9天后直至厭氧消化結(jié)束，氨氮的變化維持在一個相對穩(wěn)定的范圍。最終，空白組、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組在厭氧消化結(jié)束時期氨氮質(zhì)量濃度分別維持在3 118、3 081、3 500和3 614 mg／L。所有實(shí)驗(yàn)組體系的氨氮濃度在整個厭氧消化周期中始終保持在一個合理的范圍內(nèi)，未出現(xiàn)Goldmamm等［24］提出的氨氮抑制現(xiàn)象。

圖8 不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化氨氮濃度的變化Fig.8 Changes of ammonia nitrogen content of different pretreated municipal sludge and food waste during anaerobic digestion

2.3 不同預(yù)處理的市政污泥對混合厭氧消化體系TS、VS的變化

所有實(shí)驗(yàn)組體系厭氧消化前后的消化液中TS與VS的變化見表2。本實(shí)驗(yàn)控制所有實(shí)驗(yàn)組體系的初始TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)在（5.47±0.08）%范圍內(nèi)，初始VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)在（3.75±0.05）%范圍內(nèi)。由表2可知：厭氧消化周期結(jié)束后空白組、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的混合液中TS的最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為（3.91±0.02）%、（3.67±0.01）%、（3.67±0.03）%和（3.65±0.01）%，TS的降解率分別為（28.52±0.02）%、（32.91±0.02）%、（32.91±0.03）%和（33.27±0.03）%。堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的TS的降解率較空白組分別提高了15.39%、15.39%和16.65%。厭氧消化周期結(jié)束后空白組、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的VS的最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為（1.88±0.01）%、（1.78±0.02）%、（1.78±0.03）%和（1.71±0.02）%，VS的降解率分別為（49.87±0.03）%、（52.53±0.03）%、（52.53±0.04）%和（54.40±0.03）%。堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的VS的降解率較空白組分別提高了5.33%、5.33%和9.08%。可見，熱堿處理組對于混合底物有機(jī)質(zhì)的降解率較其他實(shí)驗(yàn)組體系更高，這與Fuess等［25］的研究結(jié)論一致。

表2 不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化前后消化液中TS與VS的變化Table 2 TS and VS content of digestion liquid before and after different pretreated municipal sludge and food waste during anaerobic digestion

2.4 不同預(yù)處理的市政污泥對混合厭氧消化體系中微生物多樣性的影響

2.4.1 不同預(yù)處理的市政污泥對混合厭氧消化體系在門水平上的原核微生物組成的影響

不同預(yù)處理的市政污泥對混合厭氧消化體系在門水平上的原核微生物組成見圖9。從圖9可知：圖中I（Initial stage）代表的是厭氧消化初期，P（Peak stage）代表的是厭氧消化高峰時期，F(xiàn)（Finish stage）代表的是厭氧消化結(jié)束時期，所有實(shí)驗(yàn)組的厭氧消化體系中的微生物的種類比較集中，豐度主要 集 中 在Bacteroidetes、Firmicutes、Thermotogae、Proteobacteria以及廣古菌門，但比例有所不同。

圖9 不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化在門分類水平上的微生物群落組成Fig.9 Composition of microbial community at phylum level in different pretreated MS and FW during anaerobic digestion

空白組樣品中的Bacteroidetes所占比例在24.02%～32.44%，F(xiàn)irmicutes所占比例在8.26%～32.37%，Thermotogae所占比例在1.01%～15.25%，Proteobacteria所占比例在2.65%～35.71%；堿處理組的樣品中的Bacteroidetes所占比例在23.59%～32.18%，F(xiàn)irmicutes所占比例在8.01%～29.48%，Thermotogae所 占 比 例 在2.20%～20.01%，Proteobacteria所占比例在2.68%～38.47%；熱處理組的樣品中的Bacteroidetes所占比例在24.00%～40.74%，F(xiàn)irmicutes所占比例在7.46%～38.59%，Thermotogae所 占 比 例 在5.81%～16.82%，Proteobacteria所占比例在2.87%～18.03%；熱堿處理組的樣品中的Bacteroidetes所占比例在32.76%～42.15%，F(xiàn)irmicutes所占比例在9.59%～28.38%，Thermotogae所 占 比 例 在6.01%～11.12%，Proteobacteria所占比例在3.64%～15.33%；整個厭氧消化過程中，起水解作用的Bacteroidetes與Firmicutes這兩種菌群在厭氧消化微生物的菌群中占了35%～60%的比例。

所有實(shí)驗(yàn)組的混合厭氧消化體系中的古菌菌群主要是Euryarchaeota，空白組的產(chǎn)氣高峰階段的Euryarchaeota所占比例在5.37%；堿處理組的產(chǎn)氣高峰階段的Euryarchaeota所占比例在7.13%；熱處理組的產(chǎn)氣高峰階段的Euryarchaeota所占比例在6.99%；熱堿處理組的產(chǎn)氣高峰階段的Euryarchaeota所占比例在7.85%，可見預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組中的Euryarchaeota的比例均高于空白組，這與劉傳發(fā)等［16］的研究結(jié)論一致。堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的產(chǎn)氣高峰階段的Euryarchaeota所占比例較空白組分別提高了32.77%、30.17%和46.18%，而堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的單日最高產(chǎn)甲烷量較空白組分別提高了20.13%、19.69%和50.77%。

2.4.2 不同預(yù)處理的市政污泥對混合厭氧消化體系的細(xì)菌菌群在屬水平上的變化

不同預(yù)處理的市政污泥對混合厭氧消化體系的細(xì)菌菌群在屬水平上的群落結(jié)構(gòu)變化見圖10。由圖10可知：圖中I（Initial stage）代表的是厭氧消化初期，P（Peak stage）代表的是厭氧消化高峰時期，F(xiàn)（Finish stage）代表的是厭氧消化結(jié)束時期。

Macellibacteroides是所有體系中豐度最高的屬，在產(chǎn)氣高峰時期分別達(dá)到了空白組的14.19%、堿處理組的19.27%、熱處理組的14.90%和熱堿處理組的17.21%。Macellibacteroides是最為典型的消化菌，可以降解厭氧消化系統(tǒng)中的有機(jī)質(zhì)［27］。因此在水解酸化階段，空白組、堿處理組、熱處理組和熱堿處理組的Macellibacteroides豐度從產(chǎn)氣初期增長至產(chǎn)氣高峰階段，然后在產(chǎn)氣末期緩慢下降。由圖10可知：所有預(yù)處理過的實(shí)驗(yàn)組的Macellibacteroides在產(chǎn)氣高峰時期的豐度都高于空白組。Erysipelotrichaceae菌與產(chǎn)生短鏈小分子有機(jī)酸有關(guān)，預(yù)處理組中顯著高于空白組，熱堿處理組中Erysipelotrichaceae的豐度在末期的豐度最高為19.21%。產(chǎn)H2乙酸菌的Syntrophomonas的豐度在所有 體 系 中 也 有 較 多 的 占 比［28］，空 白 組 的Syntrophomonas所占比例從產(chǎn)氣初期的空白提升到了產(chǎn)氣高峰的17.31%，隨后在產(chǎn)氣末期降至7.07%；堿處理組的Syntrophomonas所占比例從產(chǎn)氣初期的空白提升到了產(chǎn)氣高峰的17.72%，隨后在產(chǎn)氣末期降至6.74%；熱處理組的Syntrophomonas所占比例從產(chǎn)氣初期的0.62%提升到了產(chǎn)氣高峰的12.22%，隨后在產(chǎn)氣末期降至8.42%；熱堿處理組的Syntrophomonas所占比例從產(chǎn)氣初期的2.27%提升到了產(chǎn)氣高峰的9.00%，隨后在產(chǎn)氣末期降至7.14%。Petrimonas在厭氧消化體系中的作用與Syntrophomonas相似，屬于產(chǎn)H2乙酸菌［29］。熱堿處理組的Petrimonas的豐度從產(chǎn)氣初期的0.91%提升到了產(chǎn)氣高峰的6.84%，隨后在產(chǎn)氣末期降至6.64%。熱堿處理組的Petrimonas豐度在高峰時期的豐度在所有體系中最佳。

圖10 不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化的細(xì)菌屬分類水平上的微生物群落組成Fig.10 Composition of microbial community at phylum level in different pretreated MS and FW during anaerobic digestion

2.4.3 不同預(yù)處理的市政污泥對混合厭氧消化體系的古菌菌群在屬水平上的變化

圖11是不同預(yù)處理的市政污泥對混合厭氧消化體系的古菌菌群在屬水平上的變化。其中，圖11中的I（Initial stage）代表的是厭氧消化初期，P（Peak stage）代 表 的 是 厭 氧 消 化 高 峰 時 期，F(xiàn)（Finish stage）代表的是厭氧消化結(jié)束時期），由圖11可知：所有實(shí)驗(yàn)組的混合厭氧消化體系中廣古菌門主要包括的屬有Methanosarcina、Methanobacterium、Methanolinea、Methanoculleus和甲烷囊菌屬M(fèi)ethanoculleus等。所有實(shí)驗(yàn)組體系的樣品中主要產(chǎn)甲烷古菌是Methanosarcina，空白組的Methanosarcina所占比例從產(chǎn)氣初期的20.05%提升到了產(chǎn)氣高峰時期的36.08%，隨后在產(chǎn)氣末期降至21.82%；堿處理組的Methanosarcina所占比例從產(chǎn)氣初期的7.97%提升到了產(chǎn)氣高峰時期的52.36%，隨后在產(chǎn)氣末期降至25.05%；熱處理組的Methanosarcina所占比例從產(chǎn)氣初期的2.09%提升到了產(chǎn)氣高峰時期的46.73%，隨后在產(chǎn)氣末期維持在50.25%；熱堿處理組的Methanosarcina所占比例從產(chǎn)氣初期的12.93%提升到了產(chǎn)氣高峰時期的58.81%，隨后在產(chǎn)氣末期降至29.89%。從開始產(chǎn)甲烷效果的主要菌群Methanosarcina來看［30］，所有預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組在產(chǎn)氣高峰時期的Methanosarcina的豐度較空白組都有顯著的提升，結(jié)合產(chǎn)氣效果對比發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組能夠提高產(chǎn)甲烷菌的豐度，進(jìn)而提高整個厭氧消化體系的產(chǎn)甲烷量。

圖11 不同預(yù)處理的市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化的古菌屬分類水平上的微生物群落組成Fig.11 Composition of microbial community at phylum level of different pretreated municipal sludge and food waste during anaerobic digestion

3 結(jié)論

1）熱處理、堿處理及熱堿處理都能夠破壞市政污泥的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使污泥中可溶性有機(jī)物釋放至液相中，提高混合厭氧消化產(chǎn)甲烷的效率。在3組預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組中，熱堿處理組的效果最好，累計甲烷產(chǎn)量較空白組提高了13.03%。

2）預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組的SCOD去除率、TS去除率和VS去除率較空白組都有一定程度的提升。其中熱堿處理組的提升幅度最大，其SCOD、TS和VS的降解率較空白組分別提高了27.05%、16.65%和9.08%。

3）所有實(shí)驗(yàn)組體系中的細(xì)菌豐度比較大的菌群 為Bacteroidetes、Firmicutes、Thermotogae及Proteobacteria，預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組中起水解及產(chǎn)酸作用的菌群較空白組都有提升，說明經(jīng)過預(yù)處理后市政污泥中難降解的有機(jī)物溶出使得功能性微生物菌群富集的速度較快，有利于厭氧消化體系的進(jìn)行。

4）在古菌方面，所有實(shí)驗(yàn)組體系中豐度較大的古菌屬為Methanosarcina，所有預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組的Methanosarcina在產(chǎn)氣高峰時期的豐度較空白組都有一個顯著的提升，其中熱堿預(yù)處理組中提升的比例最大。