我國的工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展大大推動了國內(nèi)污水處理廠的建設(shè)，隨之而生的大量剩余活性污泥的無害化處置，成為了我國在未來必須面對的挑戰(zhàn)。污泥中含有病原菌、抗生素、重金屬等物質(zhì)，若不妥善處理，會造成土地污染、地下水污染甚至大氣污染等嚴(yán)重環(huán)境問題。但因為污泥中含有大量有機(jī)質(zhì)，可作為生物質(zhì)資源，因此歐美國家主要使用厭氧消化工藝對剩余污泥進(jìn)行“無害化”“資源化”處理。但是，我國污泥含水量高（>80%）且含有大量沙石，嚴(yán)重限制了污泥厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率。
近年的研究發(fā)現(xiàn)，通過一定的預(yù)處理手段能提高剩余污泥的甲烷產(chǎn)氣率。目前常用的污泥預(yù)處理方式有物理、化學(xué)、生物法或者聯(lián)合預(yù)處理法，均展現(xiàn)出了一定的應(yīng)用前景：何順通過熱堿結(jié)合預(yù)處理污泥后與香蕉秸稈發(fā)酵，甲烷產(chǎn)率為183mL/g，相比未預(yù)處理時提高了3倍；Choi等通過熱水解預(yù)處理使污泥累積產(chǎn)甲烷量提高了1.4倍；謝帥等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剩余污泥和餐廚垃圾混合發(fā)酵時，各種預(yù)處理法對于混合發(fā)酵的促進(jìn)作用大小為熱處理＞超聲處理＞堿處理。
相比于耗能巨大的熱水解、工藝復(fù)雜的化學(xué)試劑添加等，生物預(yù)處理耗能低、操作簡單，更重要的是不會產(chǎn)生難降解聚合物質(zhì)，使得處理后的原料對產(chǎn)酸菌、產(chǎn)甲烷菌的毒性更低，有機(jī)質(zhì)的甲烷轉(zhuǎn)化率更高。生物預(yù)處理法包括酶處理和生物強(qiáng)化處理，通過淀粉酶、蛋白酶或產(chǎn)水解酶菌等，破壞大分子有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)來提高污泥的降解率。但是酶處理法成本較高，生物強(qiáng)化法效果不穩(wěn)定等問題限制了該技術(shù)的應(yīng)用。
研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵液回流可明顯提高反應(yīng)基質(zhì)的產(chǎn)氣量，因為其中富集了豐富的甲烷菌、各類水解菌及水解酶。沼液回流技術(shù)普遍是將沼液直接回流進(jìn)發(fā)酵罐中，目的是截流發(fā)酵罐內(nèi)甲烷菌，但很少考慮到利用其中豐富的水解菌。本研究利用發(fā)酵液代替商業(yè)酶對污泥進(jìn)行水解酸化預(yù)處理，從提高原料利用率的角度提高污泥產(chǎn)氣效率。
本研究首先使用正交試驗確定污泥厭氧發(fā)酵的最佳溫度、總固體含量（TS）和接種量，隨后利用不同比例的污泥厭氧發(fā)酵沼液對污泥進(jìn)行酸化預(yù)處理，再通過產(chǎn)甲烷潛力試驗（biochemical methane potential，BMP），以最終累計甲烷產(chǎn)率為量化指標(biāo)，得出最佳沼液回流比。
1、材料與方法
1.1 試驗原料
所用污泥取自四川省遂寧西南城市污水處理廠，放入4℃冰柜保存；接種物豬糞取自四川省成都市雙流縣，密閉常溫保存。接種物在中溫條件（37℃）下馴化3d，至產(chǎn)氣甲烷體積分?jǐn)?shù)>60%。原料各種物理基本理化特性見表1。
1.2 儀器設(shè)備
所用批次發(fā)酵設(shè)備如圖1所示。整個裝置由兩個1L的帶有導(dǎo)管的玻璃瓶全密封組成，一個是厭氧反應(yīng)瓶，一個是集氣瓶。水浴恒溫加熱控制反應(yīng)溫度。
備裝有MolSieve13X（80/100SS）的3m不銹鋼柱熱導(dǎo)檢測器。氦氣用作載氣，流速為5.2mL/min，進(jìn)樣口、色譜柱和檢測器溫度分別為200、80及220℃；氣相色譜6890N（Agilent），配備火焰電離檢測器和30m×0.25mm×0.25mm毛細(xì)管柱（DB-FFAP，USA），氫氣用作載氣，流速為5.2mL/min，進(jìn)樣口、色譜柱和檢測器溫度分別為200、80及220℃；SX-5-12型馬弗爐；雷磁PHS-3E型pH儀；TU-1810SPC紫外可見光光度計；XMTD-7000電熱恒溫水浴鍋。
1.3 試驗方法
1.3.1 正交試驗優(yōu)化剩余污泥厭氧發(fā)酵條件
在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)溫度（A）、總固體含量TS（B）、接種量（C）3個因子，每個因子設(shè)3個水平進(jìn)行發(fā)酵試驗，通過正交試驗，以產(chǎn)氣總體積為考察指標(biāo)，確定剩余污泥厭氧發(fā)酵的最佳環(huán)境條件。正交因素水平表見表2.根據(jù)表2設(shè)計3因素3水平9組正交試驗，每個組合4個平行，每天測量氣體甲烷含量和產(chǎn)氣體積。同體積接種物作為空白組。
1.3.2 不同比例回流液進(jìn)行污泥酸化預(yù)處理
采用批次試驗探索污泥發(fā)酵液回流對污泥酸化預(yù)處理的影響。收集污泥在最佳厭氧發(fā)酵條件下產(chǎn)氣結(jié)束后的沼液為回流液，對污泥進(jìn)行中溫酸化預(yù)處理。回流液使用前需在35℃下馴化至產(chǎn)氣甲烷體積分?jǐn)?shù)>60%。按污泥鮮重，設(shè)置5個回流比（0%、5%、10%、15%和20%，V/m），添加回流液，后加入清水使各組酸化總體積相同。混合物密封放入35℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3d，每天定時取樣測定揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）含量，取樣前需晃動瓶身至物料均勻混合。
1.3.3 產(chǎn)甲烷潛力試驗
以上述5組回流液酸化預(yù)處理后的污泥為發(fā)酵底物，按最佳條件進(jìn)行污泥BMP試驗。每天測量氣體成分和產(chǎn)氣體積，最后根據(jù)累計產(chǎn)甲烷率采用Gompertze修正模型分析。對照組使用未進(jìn)行酸化處理的污泥作為發(fā)酵底物進(jìn)行BMP試驗。同體積沼液接種物作為空白組。
1.4 測定方法
每日同時間點使用5mL注射器采集氣體樣，2h內(nèi)使用氣相色譜（安捷倫7890A）測量氣體成分；液體樣經(jīng)1000r/min離心10min后，1mL上清液加入100μL甲酸酸化（10:1，V/V），混合液離心后過0.45μm水系濾膜，0.1μL進(jìn)樣量，氣相色譜（安捷倫6890N）測定VFAs；產(chǎn)氣總體積采用排水法測定；總氨氮（totalammonianitrogen，TAN）采用納氏試劑比色法；總固體含量（TS）、揮發(fā)性固體含量（VS）采用烘干法測定。
1.5 計算方法
公式（1）中n為發(fā)酵天數(shù)，V為每日產(chǎn)氣量（mL），c為氣體甲烷含量（%），m為TS質(zhì)量（g）。
公式（2）為Gompertze擬合方程，RCH4是實際甲烷產(chǎn)率（mL/gTS-1），使用平均值進(jìn)行擬合，P為預(yù)測甲烷產(chǎn)率（mL/gTS-1），Rmax為最大日產(chǎn)甲烷量（mLg-1d-1），λ為反應(yīng)延滯期（d）。P、Rmax、λ根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得到。
公式（3）中TS1為初始含固率（%），TS2為反應(yīng)結(jié)束后沼液含固率（%）。VS去除率算法一致。
試驗數(shù)據(jù)用軟件Excel2019和Origin9.0進(jìn)行處理，除特殊說明外，所有結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，顯著性差異標(biāo)注于數(shù)據(jù)或圖上。
2、結(jié)果與分析
2.1 污泥厭氧發(fā)酵環(huán)境條件正交試驗
正交試驗結(jié)果如表3所示。根據(jù)正交試驗極差分析法可知，影響總產(chǎn)氣量最主要因素是TS，其次是接種量、溫度。由K值確定污泥厭氧發(fā)酵最佳環(huán)境條件為溫度45℃，TS含量8%，接種量45%。根據(jù)各組產(chǎn)氣結(jié)果，第3組氣體體積最高，為6022±121mL。第3組環(huán)境條件為35℃，TS含量8%，接種量45%，與最佳環(huán)境條件差別僅為溫度，且因為溫度是3因素中影響最小的，所以從節(jié)約能源的角度出發(fā)，應(yīng)將第3組條件設(shè)定為污泥厭氧發(fā)酵環(huán)境條件。
在其他研究過程中，發(fā)現(xiàn)污泥厭氧發(fā)酵條件為35℃，TS8%，接種量40%時（試驗組），污泥累計產(chǎn)甲烷率為64.25mL/g，高于上述設(shè)定條件下（對照組）的產(chǎn)甲烷率57.09mL/g（P<0.05）。結(jié)果如圖2所示。研究表明，不同接種物體積導(dǎo)致產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌比例不同，所以更高的接種量不一定產(chǎn)生更高的產(chǎn)甲烷量。所以，本研究污泥厭氧發(fā)酵條件優(yōu)化結(jié)果為溫度35℃，TS8%，接種量40%。下述如無特殊說明，污泥BMP試驗均在此條件下進(jìn)行。
2.2 不同回流比污泥酸化預(yù)處理
按照污泥鮮重添加5種不同比例的回流液（0%、5%、10%、15%和20%，V/m），分別是A組、B組、C組、D組和E組，每個處理3個平行，選用平均值作圖（圖3）。第0天為剛加入的回流液與樣品混合后取樣，即各組初始VFAs濃度分別為13669.2±839.7、14114.7±302.6、14390.6±78.1、15285.8±1460.8和14322.6±482.5mg/L，各組VFAs濃度初始值無顯著差異（P>0.05）。從圖3可以看出，酸化作用在第1天就開始了，并且B、C、D、E組VFAs含量在酸化第2天就達(dá)到了最高值，分別為18431±873.7、18152.8±65、21874.7±2007.6和25797.2±168mg/L，比初始值增加了30.58%、26.14%、43.10%和80.11%。且以乙酸、丙酸的含量增加為主。對照組A組在第3天達(dá)到最大值19783.5±1227mg/L，比初始值增加了44.73%。此外，除C組有不太明顯的上升現(xiàn)象外（P>0.05），其他3組均在第3天出現(xiàn)了揮發(fā)酸濃度下降的現(xiàn)象，但均高于初始值。所以，最終VFAs濃度由大到小的順序為A組（19783.5±1227mg/L）>E組（18857.6±550.1mg/L）>C組（18568.1±549.1mg/L）>D組（17761.9±514.3mg/L）>B組（16623.1±722.1mg/L）。
由以上結(jié)果可得，加入回流液處理后酸化階段能更快達(dá)到產(chǎn)酸高峰，且回流比越大，VFAs濃度越高。這說明回流液能有效增加污泥酸化階段效果，增加產(chǎn)酸量，縮短酸化時間。這可能是因為回流液富集了大量具有降解功能的微生物菌群和水解酶，這些微生物與水解酶共同作用，快速分解污泥中的大分子物質(zhì)產(chǎn)生有機(jī)酸。此外，A組未添加回流液，但也表現(xiàn)出明顯的酸化現(xiàn)象，說明原污泥內(nèi)存在部分降解菌，在環(huán)境條件適宜時，便能分解污泥。Wu等通過微生物群落分析也發(fā)現(xiàn)，污泥來源對污泥厭氧發(fā)酵群落結(jié)構(gòu)的影響巨大，說明了污泥所含的初始微生物的重要性。值得注意的是，除A組外，各組揮發(fā)酸濃度在第3天明顯下降，可能是因為原料中的好氧微生物的生長代謝消耗了部分有機(jī)酸。這說明發(fā)酵回流液強(qiáng)化污泥酸化反應(yīng)的效果跟反應(yīng)時間存在密切關(guān)聯(lián)，時間太短酸化不徹底，時間太長會折損回流液的酸化效果。污泥厭氧發(fā)酵是一個動態(tài)調(diào)控的過程，至今我們?nèi)晕凑莆崭泳珳?zhǔn)的調(diào)控規(guī)律，因此，回流液對整個厭氧發(fā)酵過程的影響，還有待進(jìn)一步的BMP試驗確定。
2.3 不同比例回流液對污泥厭氧發(fā)酵的影響
酸化后的污泥BMP試驗結(jié)果如圖4A所示，發(fā)酵周期為18d，各組累計產(chǎn)甲烷量（mL/g）由高到低為B組（82.36±0.56）>D組（76.80±2.82）>C組（72.54±2.08）>E組（71.51±2.57）>A組（68.54±2.35）。該結(jié)果說明，回流比為5%時，回流液對污泥厭氧消化過程的促進(jìn)作用最明顯。而B組在酸化階段結(jié)束時VFAs含量最低，說明VFAs含量并不能準(zhǔn)確地推斷系統(tǒng)產(chǎn)氣能力，還需根據(jù)BMP試驗來確定最佳工藝和回流比。
CK為原污泥直接發(fā)酵，累計產(chǎn)甲烷量為57.21±1.92mL/g。B組相對CK組，累計產(chǎn)甲烷量提高了43.96%，D組提高了34.24%，C組提高了26.8%，E組提高了25%，A組提高了19.8%。該結(jié)果說明，回流液預(yù)處理能提高污泥的甲烷產(chǎn)率；不同回流比對污泥的兩相厭氧消化反應(yīng)的促進(jìn)程度不同，隨著回流比的增大，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。
本研究對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了Gompertz修正方程擬合（圖4B），進(jìn)一步分析污泥厭氧消化產(chǎn)沼氣動力學(xué)過程。根據(jù)表4的參數(shù)結(jié)果顯示，B組的理論甲烷產(chǎn)率最高，為85.53mL/g，比CK組提高了49.5%。此外，添加了回流液的組理論甲烷產(chǎn)率均比A組和CK組高，與實際趨勢相同。B組最大產(chǎn)甲烷速率（Rmax）為8.81mLg-1d-1，比CK組提高了46.83%，相對A組則提高了20.52%，其他3個回流比也都高于CK組和A組。此結(jié)果表明，回流液能提高污泥的產(chǎn)甲烷率，提高原料有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率。另外，污泥經(jīng)過酸化處理后發(fā)酵，延滯期明顯低于CK組（P<0.05），但不同回流比之間的延滯期差距不明顯（P>0.05），這可能和酸化時間有關(guān)。本研究的酸化停留時間為3d，此時各組VFAs含量從最高值下降，說明各組都達(dá)到了酸化成熟階段，所以各回流比處理對縮短厭氧發(fā)酵延滯期的作用差距不明顯。此外，第3天各組VFAs含量差別不大，則高回流比造成的pH值差異不大，對產(chǎn)甲烷過程的抑制作用也不明顯。值得注意的是，A組未添加回流液，但延滯期仍低于CK組（P<0.05），說明中溫培育也能縮短反應(yīng)總時間，提高污泥厭氧消化系統(tǒng)的效率。污泥酸化預(yù)處理厭氧發(fā)酵工藝比普通發(fā)酵更具有應(yīng)用價值。污泥酸化預(yù)處理，高活性微生物水解菌成功的對污泥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了破壞，同時將更多的污泥有機(jī)物在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為可被甲烷菌利用的有機(jī)酸，從而提高了污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率。
根據(jù)表4的結(jié)果，B組Rmax值高于A組，說明B組系統(tǒng)內(nèi)的甲烷活性高于A組，因為回流液能增加系統(tǒng)內(nèi)甲烷菌的豐度，使B組有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化效率提高，從而產(chǎn)生了更多甲烷。而回流比更高的C、D、E組Rmax值略低于B組，可能是因為后3組的有機(jī)質(zhì)在預(yù)處理階段被消耗太多，導(dǎo)致產(chǎn)甲烷期能被甲烷菌利用的有機(jī)質(zhì)減少，底物濃度限制菌落活性，因此污泥產(chǎn)甲烷率更低。
圖5A記錄了在發(fā)酵過程中各組TAN和pH的平均值變化，B、C、D和E組的初始TAN值高于CK組和A組，但隨著發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行各組之間TAN值差異減小，說明加入回流液會增加產(chǎn)甲烷反應(yīng)初始TAN值，但并不會出現(xiàn)系統(tǒng)氨抑制，使反應(yīng)失衡。該結(jié)果與Chan等的研究結(jié)果一致。此外，各組pH值在反應(yīng)過程中也較穩(wěn)定，處理組與對照組之間差異不大。
圖5B給出了各組TS去除率（%）結(jié)果，由大到小排序為A組（29.36±0.14）>B組（24.06±0.39）>D組（21.47±0.05）>E組（17.00±0.18）>C組（14.83±0.33）；VS去除率（%）變化趨勢一致：A組（31.22±0.18）>B組（29.68±0.29）>D組（23.56±0.28）>E組（16.99±0.23）>C組（15.46±0.08）。該結(jié)果說明，添加5%回流液就能明顯促進(jìn)污泥有機(jī)質(zhì)的去除。根據(jù)揮發(fā)酸試驗結(jié)果，回流比越大，最高VFAs值越大。D、E組在酸化階段VFAs值偏高而發(fā)酵產(chǎn)氣階段VS去除率偏低，進(jìn)一步證明了過高的回流比，會使污泥有機(jī)質(zhì)在酸化階段被浪費，無法進(jìn)行有效的能源轉(zhuǎn)換。值得注意的是，A組的TS、VS去除率高于添加了回流液的組，但實際產(chǎn)甲烷率卻沒有增加，該結(jié)果說明，A組的污泥有機(jī)質(zhì)并沒有轉(zhuǎn)化為生物氣體甲烷�？赡苁且驗�A組的甲烷菌活性不高，菌落活性低限制了底物轉(zhuǎn)化率，說明回流液有優(yōu)化厭氧產(chǎn)氣反應(yīng)群落結(jié)構(gòu)的效果。因此根據(jù)試驗結(jié)果可知，回流液能夠明顯強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵效果，且最佳回流比為5%（V/m，TS）。
3、討論
本研究結(jié)果表明，加入5%回流液，在35℃下酸化預(yù)處理3d，污泥厭氧發(fā)酵累計產(chǎn)甲烷率為68.54±2.35mL/g，提高了43.96%。回流液酸化預(yù)處理，能夠提高污泥總VFAs含量，提高甲烷菌含量，優(yōu)化反應(yīng)器產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌的比例，從而提高污泥產(chǎn)甲烷率�；亓饕核S富的水解酶和水解菌，使它具有代替商業(yè)酶的應(yīng)用潛能，可作為污泥酶預(yù)處理的廉價原料來源。此外，從工藝實施角度，本研究的回流液酸化預(yù)處理與物理、化學(xué)預(yù)處理方式相比，設(shè)備成本優(yōu)勢明顯。之前的研究結(jié)果表明，熱水解技術(shù)使污泥厭氧發(fā)酵投資費增加了26%，一噸干污泥處理費用高達(dá)550元。高昂的設(shè)備費和能耗費，同樣使熱水解、超聲等技術(shù)難以推廣實施。而污泥回流液酸化預(yù)處理工藝，無須增加設(shè)備費，且易于操作，能耗低，并能有效提高污泥產(chǎn)氣效率，非常適用于我國中小型污泥厭氧發(fā)酵廠的升級改造工程。
在同樣的溫度和預(yù)處理時間下，與未添加回流液組相比，回流液組更低的TS、VS去除率能獲得更高的甲烷產(chǎn)量，說明回流液能促進(jìn)污泥有機(jī)質(zhì)定向轉(zhuǎn)化為能源物質(zhì)甲烷，加強(qiáng)污泥的“資源化”利用。
除了提高污泥產(chǎn)甲烷率，回流工藝能提高反應(yīng)穩(wěn)定性。厭氧發(fā)酵工程會使部分沼液直接回流進(jìn)入發(fā)酵罐，容易產(chǎn)生氨抑制、酸積累等致使反應(yīng)器失衡、產(chǎn)氣被抑制甚至停止產(chǎn)氣。本研究使用低回流比強(qiáng)化厭氧反應(yīng)，另一方面，發(fā)酵液回流入酸化階段，通過原料產(chǎn)酸來平衡回流液的氨抑制作用，更能加強(qiáng)厭氧系統(tǒng)長期運行的穩(wěn)定性。
值得注意的是，當(dāng)加入20%回流液時，污泥總VFAs含量提高了80.11%，但并沒有獲得更高的污泥累計甲烷產(chǎn)量。因為回流液中含有部分好氧微生物消耗了這些物質(zhì)，造成了污泥有機(jī)質(zhì)的浪費。如果能夠屏蔽回流液中雜菌的影響，也許能進(jìn)一步提高污泥產(chǎn)甲烷率。例如，Kavitha等使用生物法強(qiáng)化污泥酸化階段，他們在污泥酸化相中添加了兩株分離自污泥的產(chǎn)蛋白酶、淀粉酶的Bacillus03/04菌株培養(yǎng)液，進(jìn)行72h酸化后，使污泥產(chǎn)甲烷率提高了80%，遠(yuǎn)高于本研究結(jié)果。此外，回流液的來源也會影響污泥的產(chǎn)氣效果。Luo等通過對餐廚垃圾產(chǎn)酸相的滲濾液進(jìn)行50%回流，使餐廚垃圾產(chǎn)甲烷率提高了70%左右。這可能是因為產(chǎn)酸相的條件更適合富集水解菌和水解酶，所以當(dāng)它作為接種物時對原料的水解效果更強(qiáng)。污泥兩相厭氧發(fā)酵中的產(chǎn)酸相的滲濾液可能存在更豐富的、更有利于降解污泥類有機(jī)質(zhì)的水解菌，如果回流污泥產(chǎn)酸相滲濾液，或在體系中添加從產(chǎn)酸相沼液中分離出的高效水解菌，或可以進(jìn)一步強(qiáng)化污泥的預(yù)處理效果。
4、結(jié)論
本研究評價了中溫條件下（35℃），污泥發(fā)酵沼液對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，證明了發(fā)酵液回流酸化預(yù)處理污泥工藝的可行性。試驗結(jié)果表明，當(dāng)回流比為5%時（V/m，TS），污泥厭氧發(fā)酵周期為3+17d，累計產(chǎn)甲烷率為82.36±0.56mL/g。根據(jù)Gompertz修正方程擬合結(jié)果，得到試驗延滯期縮短至2.97d，最大日產(chǎn)甲烷量為8.81mLg-1d-1。該研究成果優(yōu)化了傳統(tǒng)污泥厭氧發(fā)酵工藝，提高了污泥產(chǎn)氣率，且易操作，能耗低，為回流液的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。此外，回流液對污泥預(yù)處理的能力有限，今后可以從濃縮回流液濃度，定向富集回流液水解功能菌群等角度出發(fā)增強(qiáng)回流液對污泥的酸化預(yù)處理能力，進(jìn)一步提高污泥累計產(chǎn)甲烷率。（來源：中國科學(xué)院成都生物研究所，中國科學(xué)院大學(xué)，中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點實驗室，廣西師范大學(xué)，四川能投水務(wù)投資有限公司）
