餐廚垃圾和市政污泥配料比對(duì)厭氧產(chǎn)甲烷特性及微生物多樣性的影響

朱英東，周 俊，雍曉雨，謝欣欣，仉麗娟，賈紅華，韋 萍

(1.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京 211800；2.南京工業(yè)大學(xué) 生物能源研究所，江蘇 南京 211800)

餐廚垃圾(FW)與市政污泥(MS)等固體廢棄物一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問題[1]。Zhang等[2]發(fā)現(xiàn)：2020年中國餐廚垃圾產(chǎn)生量將達(dá)到每年1.4×108t，且每年的增長率將超過10%。餐廚垃圾因其易腐、易臭和易吸引害蟲的特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題[3]。另一方面，隨著我國污水處理量的不斷加大，大量的市政污泥將不可避免的產(chǎn)生[4-5]。市政污泥中的許多有毒物質(zhì)都會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此市政污泥的處理不當(dāng)將會(huì)危害社會(huì)[6-8]。如何有效地處置餐廚垃圾與市政污泥已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

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。而在眾多處理方式中，餐廚垃圾因其高的產(chǎn)甲烷潛力一直被認(rèn)為是一種非常有吸引力的厭氧消化原料[9]。但是當(dāng)餐廚垃圾作為厭氧消化的單獨(dú)底物時(shí)，其在水解階段會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)酸從而抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，甚至終止后續(xù)產(chǎn)甲烷的過程[10]。而當(dāng)市政污泥作為唯一底物進(jìn)行厭氧消化時(shí)，其中的胞外聚合物難以被打破，大分子有機(jī)物難以降解，從而導(dǎo)致產(chǎn)氣不佳[11-12]。將市政污泥與餐廚垃圾進(jìn)行混合厭氧消化，除了能改善厭氧消化系統(tǒng)的營養(yǎng)組成外，混合厭氧消化比單一處理更具有經(jīng)濟(jì)效益，減少了處理裝置中單位體積的成本，并且能夠沖淡混合物中潛在的有毒化合物，發(fā)揮微生物的協(xié)同作用，提高可生物降解有機(jī)物負(fù)荷率和消化裝置的使用效率。Dai等[13]研究了污泥與餐廚垃圾混合與單獨(dú)厭氧消化的性能差異時(shí)，指出混合消化能夠稀釋毒性物質(zhì)從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)大幅提高沼氣產(chǎn)量。段妮娜等[14]研究了餐廚垃圾與污泥聯(lián)合干法中溫厭氧消化性能，發(fā)現(xiàn)在污泥中添加餐廚垃圾有助于在利用原有消化罐容積的前提下，顯著提高了有機(jī)負(fù)荷和體積產(chǎn)氣率，同時(shí)隨著混合系統(tǒng)中餐廚垃圾的比例不斷增大，系統(tǒng)的產(chǎn)氣率和甲烷產(chǎn)率也呈上升趨勢。王永會(huì)等[15]研究了餐廚垃圾的加入量對(duì)污泥厭氧消化的影響時(shí)指出，污泥與餐廚垃圾的揮發(fā)性固體質(zhì)量比為1∶ 1時(shí)，產(chǎn)甲烷效果最佳，整個(gè)過程中單位質(zhì)量的揮發(fā)性固體的產(chǎn)甲烷量達(dá)到了224.1 mL/g?？梢娀旌蠀捬跸粌H可以提高進(jìn)料的固體含量，促進(jìn)營養(yǎng)平衡；同時(shí)還能夠稀釋重金屬離子濃度，提高有機(jī)物的降解能力，而原料的混合比例對(duì)混合厭氧消化效率同樣具有非常重要作用[16]。

傳統(tǒng)微生物的分析方法由于其局限性，使得難以對(duì)環(huán)境中的微生物進(jìn)行深入的研究。隨著分子生物學(xué)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，基于16S rDNA 基因的分子生物學(xué)方法被廣泛運(yùn)用于復(fù)雜微生物種群的研究中[17-18]。Li等[19]試驗(yàn)證明：微生物群落動(dòng)態(tài)與系統(tǒng)性能密切相關(guān)，菌群適應(yīng)環(huán)境變化的靈活性對(duì)生物反應(yīng)器的功能穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。而在厭氧消化體系中，對(duì)餐廚垃圾與市政污泥混合厭氧消化的產(chǎn)甲烷性能結(jié)合微生物變化同步分析的報(bào)道相對(duì)較少。

因此，本文旨在探討中溫條件下不同進(jìn)料累計(jì)產(chǎn)甲烷量達(dá)到揮發(fā)物固體含量(VS)配比對(duì)整個(gè)混合厭氧消化過程的影響。同時(shí)，對(duì)厭氧消化過程中微生物的多樣性進(jìn)行分析，以揭示微生物活性和群落結(jié)構(gòu)，從而在此基礎(chǔ)上對(duì)餐廚垃圾與市政污泥混合厭氧消化過程中的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析，其結(jié)果對(duì)厭氧消化過程的機(jī)理的研究具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)使用的餐廚垃圾取自江蘇省南京市浦口區(qū)南京工業(yè)大學(xué)浦園食堂，其中主要成分為米飯、肉類和蔬菜等，剔除其中的骨頭等硬物后，用食物粉碎機(jī)將其充分粉碎。市政污泥取自江蘇省南京市江心洲污水處理廠的濃縮污泥。以上所有原料均在-4 ℃下冷凍保存待用。

接種厭氧消化液取自江蘇省南京市南京工業(yè)大學(xué)生物能源研究所沼氣站，取其中的混合消化液，在餐廚垃圾與市政污泥的混合體系中馴化2個(gè)月左右，待產(chǎn)氣量與甲烷含量穩(wěn)定后，備用。其目的在于通過合理的馴化，以提高體系中優(yōu)勢菌種的活性，從而在后期實(shí)驗(yàn)開展過程中，可作為接種物接入類似體系中，以縮短新的體系的產(chǎn)氣啟動(dòng)時(shí)間。餐廚垃圾、市政污泥與接種污泥的基本性質(zhì)見表1。表中：總固體含量為Total Solid,TS；氨氮為NH4+-N；溶解性化學(xué)需氧量為Soluble Chemical Oxygen Demand,SCOD；總有機(jī)碳為Total Organic Carbon,TOC；凱式氮為Total Kjeldahl Nitrogen,TKN。

表1 消化物料的基本性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用批式厭氧消化法，在1 L實(shí)驗(yàn)室自制反應(yīng)器(有效體積為800 mL)中，加入總VS為30 g的餐廚垃圾、市政污泥和接種污泥。餐廚垃圾和市政污泥的混合物與接種污泥的VS質(zhì)量比為2∶ 1，然后將餐廚垃圾與市政污泥按照不同的揮發(fā)性固體質(zhì)量比設(shè)定成5組實(shí)驗(yàn)組(1∶ 0、0∶ 1、1∶ 1、1∶ 2和2∶ 1)，文中實(shí)驗(yàn)組的比例均為餐廚垃圾與市政污泥的揮發(fā)性固體質(zhì)量之比。使用1 mol/L HCl/NaOH調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)組的初始pH為(7.30±0.06)。由于在加入餐廚垃圾后，體系在初始階段容易產(chǎn)生酸化的現(xiàn)象，因此在整個(gè)周期前5天每天實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)節(jié)體系的pH狀態(tài)，使之基本維持在7.00～8.00，從而緩解酸化現(xiàn)象對(duì)體系中的產(chǎn)甲烷菌帶來的不利影響，在后續(xù)厭氧消化過程中同樣實(shí)時(shí)監(jiān)控pH的狀態(tài)。最后，在厭氧反應(yīng)器中通入5 min N2以保證在厭氧條件下進(jìn)行消化實(shí)驗(yàn)。整個(gè)厭氧消化周期持續(xù)50 d。密閉厭氧反應(yīng)器上接有2根導(dǎo)管，一根用于排水集氣法收集氣體，另一根用于取樣測定數(shù)據(jù)。裝置放置按照文獻(xiàn)[20-22]的方法，在中溫(38±0.5) ℃的培養(yǎng)箱中進(jìn)行厭氧消化，每日手動(dòng)搖勻3次。厭氧消化階段所有測定均做3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

1.3 儀器與試劑

GZX-9140 MBE型數(shù)顯鼓風(fēng)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型總碳采用重鉻酸鉀滴定法全自動(dòng)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；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；HayeSep Q型多孔高聚物類不銹鋼填充柱φ3 mm×2 m；載氣為He，流速53 mL/min；柱溫45 ℃；檢測器溫度120 ℃；氣化室溫度120 ℃；進(jìn)樣量1 mL。

待測樣品經(jīng)過7 500 r/min離心15 min，離心沉淀待DNA提取用。上清液過0.45 μm水系濾膜，收集可溶性組分，采用文獻(xiàn)[22]中美國公共衛(wèi)生協(xié)會(huì)(APHA)的方法測定上清液中SCOD和NH4+-N。有機(jī)酸(VFAs)以高效液相色譜儀(1260 Infinity，上海安捷倫科技有限公司)測定，C18色譜柱(φ250 mm×4.6 mm，5 μm)，流動(dòng)相A為甲醇，流動(dòng)相B為0.01 mol/L K2HPO4(用H3PO4調(diào)至pH為2.7)，流動(dòng)相A與流動(dòng)相B的體積比為1∶ 99；檢測器為210 nm紫外檢測器；流速為0.6 mL/min；柱溫為30 ℃。

1.4 DNA提取與多樣性測序

取所有體系厭氧消化產(chǎn)氣初期與產(chǎn)氣高峰的有代表性的樣品，首先于7 500 r/min離心15min，離心所得的樣品使用PowerSoil DNA提取試劑盒(MO BIO Laboratories)按照其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。

1.5 數(shù)據(jù)分析

微生物的多樣性分析采用上海美吉生物提供的i-sanger平臺(tái)。該平臺(tái)是上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司最新研發(fā)的一站式生物信息分析平臺(tái)。經(jīng)過數(shù)據(jù)的除雜與過濾之后，使用平臺(tái)進(jìn)行樣品中物種的注釋、評(píng)估與組成分析等測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同原料配比對(duì)混合厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)甲烷量的影響

不同原料配比對(duì)日產(chǎn)甲烷量的影響結(jié)果見圖1。由圖1可知：在整個(gè)厭氧消化階段，日產(chǎn)甲烷量都呈現(xiàn)出先升后降的趨勢。餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化組(1∶ 0)在第24天開始出現(xiàn)上升趨勢，然后分別在28 d(502.67 mL)和31 d(525.04 mL)出現(xiàn)了2個(gè)日產(chǎn)甲烷峰值。實(shí)驗(yàn)組(1∶ 0)出現(xiàn)2個(gè)峰值是因?yàn)椴蛷N垃圾中含有豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪等有機(jī)物，碳水化合物首先被降解，之后難降解的蛋白質(zhì)和脂肪等大分子物質(zhì)開始降解，這與Yang等[23]所提出的物料中碳水化合物快速降解產(chǎn)生抑制蛋白質(zhì)酶，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)的降解速率小于碳水化合物的降解速率的觀點(diǎn)相一致。市政污泥單獨(dú)厭氧消化組(0∶ 1)的日產(chǎn)甲烷量在整個(gè)周期中都處于比較低的階段，日產(chǎn)甲烷最高值僅為388.36 mL(第13天)。較低的產(chǎn)甲烷量可能是因?yàn)槭姓勰嘀写嬖诖罅侩y破壁的細(xì)胞，胞內(nèi)物質(zhì)不能充分的釋放到環(huán)境中參與降解，同時(shí)市政污泥中有機(jī)質(zhì)的含量相對(duì)較低。

3組餐廚垃圾和市政污泥混合厭氧消化組(1∶ 1、1∶ 2和2∶ 1)均只出現(xiàn)了一個(gè)日產(chǎn)甲烷量的峰值，分別為718.99 mL(第13天)、632.45 mL(第13天)和592.64 mL(第20天)。這與餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化組相比，產(chǎn)甲烷峰值的時(shí)間分別提前了15、15和8 d，說明3組混合厭氧消化組中添加的市政污泥減輕了餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化時(shí)有機(jī)酸累積對(duì)功能微生物的毒害作用，縮短了厭氧消化的時(shí)間。同時(shí)，市政污泥與餐廚垃圾混合厭氧消化系統(tǒng)營養(yǎng)配比更為均衡，餐廚垃圾中的易降解有機(jī)質(zhì)促進(jìn)了功能微生物的生長活性和市政污泥細(xì)胞的水解能力，從而提高了甲烷的轉(zhuǎn)化效率[24]。趙云飛等[25]的研究指出：餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化時(shí)易導(dǎo)致有機(jī)酸的積累，體系中產(chǎn)甲烷過程受到抑制，產(chǎn)氣階段滯后，在市政污泥中添加餐廚垃圾進(jìn)行混合厭氧消化可縮短發(fā)酵時(shí)間，與本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果一致。

圖1 不同質(zhì)量原料配比下餐廚垃圾與市政污泥的厭氧消化的日產(chǎn)甲烷量Fig.1 Daily methane production of different mix ratio(FW and MS) during anaerobic digestion

不同原料配比的厭氧消化系統(tǒng)中累計(jì)產(chǎn)甲烷量見圖2。由圖2可知：在50 d的厭氧消化結(jié)束后，添加餐廚垃圾的實(shí)驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)甲烷量均遠(yuǎn)高于市政污泥單獨(dú)厭氧消化組(0∶ 1)，這表明餐廚垃圾有著較好的厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力。添加餐廚垃圾的4個(gè)實(shí)驗(yàn)組(1∶ 0、1∶ 1、1∶ 2和2∶ 1)的單位質(zhì)量的揮發(fā)性固體含量的產(chǎn)甲烷量分別為229.00、232.86、209.14和217.35 L/kg ，而市政污泥單獨(dú)厭氧消化時(shí)的單位質(zhì)量的揮發(fā)性固體含量的產(chǎn)甲烷量僅為119.89 L/kg，由此可見：添加餐廚垃圾厭氧消化比市政污泥單獨(dú)厭氧消化時(shí)產(chǎn)甲烷效果更佳。而在添加餐廚垃圾的厭氧消化實(shí)驗(yàn)組中，實(shí)驗(yàn)組(1∶ 1)是添加餐廚垃圾實(shí)驗(yàn)組中累計(jì)產(chǎn)甲烷量最高的，而實(shí)驗(yàn)組(1∶ 0)和實(shí)驗(yàn)組(2∶ 1)雖然在累計(jì)產(chǎn)甲烷量上與實(shí)驗(yàn)組(1∶ 1)相接近，但是由于前期大量餐廚垃圾降解導(dǎo)致有機(jī)酸的積累，出現(xiàn)了酸化階段，使功能微生物受到了抑制，從而出現(xiàn)了產(chǎn)氣滯后現(xiàn)象。

圖2 不同質(zhì)量原料配比下餐廚垃圾與市政污泥的厭氧消化累計(jì)產(chǎn)甲烷量Fig.2 Cumulative methane production of different mix ratio (FW and MS) during anaerobic digestion

綜上所述，實(shí)驗(yàn)組(1∶ 1)較(1∶ 0)、(0∶ 1)、(1∶ 2)和(2∶ 1)共4個(gè)實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)甲烷量分別提高了1.68%、94.23%、11.34%和7.14%，且實(shí)驗(yàn)組(1∶ 1)無產(chǎn)氣滯后現(xiàn)象發(fā)生，所以當(dāng)餐廚垃圾與市政污泥混合比為1∶ 1時(shí)，累計(jì)產(chǎn)甲烷量不僅比市政污泥單獨(dú)厭氧消化時(shí)高，同樣也高于其他添加餐廚垃圾厭氧消化實(shí)驗(yàn)組，同時(shí)實(shí)驗(yàn)組(1∶ 1)沒有出現(xiàn)餐廚垃圾單獨(dú)消化過程中的產(chǎn)氣滯后現(xiàn)象。因此，建議工程應(yīng)用中選擇餐廚垃圾與市政污泥的揮發(fā)性固體的質(zhì)量比為1∶ 1。

2.2 不同原料配比混合厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)氣中甲烷濃度的變化

圖3為不同原料配比對(duì)厭氧消化系統(tǒng)日產(chǎn)氣中甲烷濃度的影響。由圖3可知：在厭氧消化體系中甲烷濃度水平隨著餐廚垃圾在體系中占比越高，維持越久。市政污泥單獨(dú)厭氧消化組(0∶ 1)在第13天達(dá)到峰值，為62.17%，而添加餐廚垃圾厭氧消化組(1∶ 0、1∶ 1、1∶ 2和2∶ 1)中甲烷濃度峰值均高于市政污泥單獨(dú)厭氧消化組，分別在第34天(71.92%)，第13天(73.52%)，第13天(73.74%)和第19天(74.91%)達(dá)到峰值，而且添加餐廚垃圾厭氧消化組中甲烷濃度在一段時(shí)間內(nèi)均維持在較高且穩(wěn)定的水平。所有厭氧消化組隨著厭氧消化時(shí)間的延長，沼氣中甲烷濃度逐漸降低。實(shí)驗(yàn)組(0∶ 1)在第16天呈現(xiàn)出小幅的下降趨勢，推測其原因可能是實(shí)驗(yàn)組(0∶ 1)的氨氮濃度在16 d前呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢，在16 d時(shí)達(dá)到了峰值，從而產(chǎn)生了對(duì)產(chǎn)甲烷菌活性輕微的抑制作用；實(shí)驗(yàn)組(2∶ 1)在第23天、第29天達(dá)到了峰值之后出現(xiàn)了下降趨勢，推測其原因可能是第22天、第28天時(shí)體系的pH值分別達(dá)到了8.05和8.06(圖4)，過高的pH抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，從而導(dǎo)致了體系中的甲烷濃度在該時(shí)間段內(nèi)下降幅度較大，與Zhou等[26]研究結(jié)果一致。

圖3 不同質(zhì)量原料配比下餐廚垃圾與市政污泥的厭氧消化產(chǎn)氣中甲烷濃度的變化Fig.3 Methane content of different mix ratio (FW and MS)during anaerobic digestion

圖4 不同質(zhì)量原料配比下餐廚垃圾與市政污泥的厭氧消化過程中pH的變化Fig.4 pH of different mix ratio (FW and MS) during anaerobic digestion

2.3 不同原料配比混合厭氧消化pH、有機(jī)酸和氨氮濃度的變化

厭氧消化過程中的pH變化見圖4。如圖4所示：在厭氧消化初期時(shí)，pH處于較低狀態(tài)，特別是餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化組(1∶ 0)在第13天出現(xiàn)了1個(gè)小幅度的降低。而其他體系隨著有機(jī)酸的利用與消耗，在第4天以后pH開始回升，最終含有餐廚垃圾體系消化液的pH均維持在7.50～8.00，而市政污泥單獨(dú)厭氧消化組的pH則維持在7.50左右。不同比例厭氧消化過程中有機(jī)酸濃度的變化均見圖5。由圖5可以看出：在整個(gè)厭氧消化周期中，餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化組(1∶ 0)的乙酸濃度峰值出現(xiàn)在第4天，隨后出現(xiàn)逐漸下降的趨勢，從第10天開始，出現(xiàn)了一個(gè)小幅上升的趨勢，隨后逐漸下降。而其他體系的乙酸濃度在整個(gè)厭氧消化周期中均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢；在整個(gè)厭氧消化周期中，餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化組(1∶ 0)的丙酸濃度同樣出現(xiàn)了2個(gè)峰值，分別在第4天與第13天。而在其他體系中丙酸的濃度均呈現(xiàn)先升后降的趨勢。所有體系的有機(jī)酸濃度在厭氧消化周期的末期均降至0 mg/L。

圖5 原料不同質(zhì)量配比下餐廚垃圾與市政污泥的厭氧消化有機(jī)酸濃度的變化Fig.5 Variation of volatile fatty acids during anaerobic digestionin different mix ratio (FW and MS) system

綜合分析厭氧消化過程中產(chǎn)甲烷變化(圖1)、pH的變化(圖4)以及有機(jī)酸濃度的變化(圖5)可以看出：餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化組(1∶ 0)，在厭氧消化初期產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的酸積累，導(dǎo)致厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)氣啟動(dòng)滯后，并且餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化組(1∶ 0)的pH初期也呈現(xiàn)出明顯下降趨勢；而在實(shí)驗(yàn)組(2∶ 1)中，厭氧消化系統(tǒng)前期也經(jīng)歷了一個(gè)有機(jī)酸累積的過程，導(dǎo)致厭氧消化體系啟動(dòng)滯后，但是體系中加入的市政污泥有效地緩解了酸化階段，因此相對(duì)于餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化組的啟動(dòng)時(shí)間有所提前。上述2組都表明在厭氧消化初期底物快速水解成有機(jī)酸，而厭氧消化水解階段由于體系中甲烷菌的數(shù)量不足，水解酸化所產(chǎn)生的酸物質(zhì)和甲烷菌數(shù)量未達(dá)到平衡，與王陽等[27]的研究結(jié)果一致。因此，在這個(gè)階段維持體系中快速分解有機(jī)物，又不引起酸化是非常重要的；而從另外3個(gè)實(shí)驗(yàn)組中(0∶ 1、1∶ 1和1∶ 2)中可以看出：在第1到第4 天是產(chǎn)氣的啟動(dòng)階段，該階段產(chǎn)氣量與甲烷濃度均不高，且有機(jī)酸的濃度快速提升，在第4天達(dá)到峰值，同時(shí)pH在前4天也呈現(xiàn)較低的狀態(tài)，但從第5天開始3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣量逐漸上升，同時(shí)產(chǎn)生的乙酸在第4天出現(xiàn)下降的趨勢。這表明乙酸正在逐漸被產(chǎn)甲烷菌有效的利用，而當(dāng)消化液中的乙酸降解到一定程度時(shí)，微生物開始利用丙酸，丙酸逐漸下降，通過體系中的微生物將丙酸轉(zhuǎn)化為產(chǎn)甲烷菌，可利用的乙酸和H2/CO2[28]，同時(shí)3組中的pH也逐漸回升，并趨于穩(wěn)定(7.50～8.00)。因此在餐廚垃圾厭氧消化體系中，添加具有一定緩沖能力的市政污泥可有助于緩解餐廚垃圾厭氧消化時(shí)易水解導(dǎo)致的有機(jī)酸的積累以及pH急劇下降的情況，也有利于產(chǎn)甲烷菌的生長和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定[29-30]。

氨氮是微生物生長所需要的重要營養(yǎng)物質(zhì)，主要由含氮有機(jī)物(如蛋白質(zhì)或氨基酸)分解產(chǎn)生，在厭氧消化系統(tǒng)主要以NH4+形式存在。氨氮濃度過高對(duì)厭氧消化產(chǎn)甲烷微生物具有毒害作用，如Lay等[31]研究發(fā)現(xiàn)：NH4+濃度在1 670～3 720 mg/L時(shí)，產(chǎn)甲烷菌活性會(huì)降低10%；在4 090～5 550 mg/L時(shí)，產(chǎn)甲烷菌活性降低50%；當(dāng)提高到5 880～6 600 mg/L時(shí)，產(chǎn)甲烷菌完全失去活性。圖6為不同原料配比下NH4+的變化情況，從圖6可以看出：在不同的厭氧消化體系下，NH4+在整個(gè)厭氧消化階段中呈現(xiàn)緩慢上升并趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，由于市政污泥中氮含量較高，所以在添加有市政污泥的實(shí)驗(yàn)組中(0∶ 1、1∶ 1、1∶ 2和2∶ 1)氨氮最終濃度分別為1 429、1 545、1 673和1 571 mg/L；而餐廚垃圾中碳含量較高，氨氮濃度較低，所以餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化實(shí)驗(yàn)組(1∶ 0)的最終氨氮質(zhì)量濃度為919 mg/L。因此，本研究中所有厭氧消化系統(tǒng)中的NH4+都處于合理的范圍內(nèi)，不同配比均未出現(xiàn)嚴(yán)重的氨抑制現(xiàn)象。

圖6 原料不同質(zhì)量配比下餐廚垃圾與市政污泥的厭氧消化氨氮濃度的變化Fig.6 NH4-N+ of different mix ratio (FW and MS) during anaerobic digestion

2.4 原料不同質(zhì)量配比混合厭氧消化系統(tǒng)中SCOD和有機(jī)物的去除率

厭氧消化的主要目的之一是生化降解有機(jī)物，使得其處理基質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生清潔的沼氣。表2和3給出了底物不同配比混合厭氧消化TS、VS和SCOD的去除率。

表2 不同質(zhì)量原料配比下餐廚垃圾與市政污泥中厭氧消化進(jìn)出料的溶解性化學(xué)需氧量

表3 不同質(zhì)量原料配比下餐廚垃圾與市政污泥中的厭氧消化進(jìn)出料參數(shù)

從表2可以看出：添加餐廚垃圾的實(shí)驗(yàn)組SCOD去除率均遠(yuǎn)高于市政污泥單獨(dú)厭氧消化組(0∶ 1)。因?yàn)槭姓勰嘀杏袡C(jī)質(zhì)大都為難降解物質(zhì)，所以SCOD的去除率不高。在添加餐廚垃圾的實(shí)驗(yàn)組中，實(shí)驗(yàn)組(1∶ 1)的SCOD去除率最高為77.77%。由表3可知：在市政污泥單獨(dú)厭氧消化空白對(duì)照組中TS和VS的去除率均低于添加餐廚垃圾的實(shí)驗(yàn)組，餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化空白對(duì)照在TS和VS的去除率是最佳的，但是鑒于其容易酸化導(dǎo)致體系崩潰，單獨(dú)厭氧消化是不可取的。所以綜合各種因素，餐廚垃圾與市政污泥以1∶ 1的配料比混合厭氧消化時(shí)TS與VS的去除率效果較為理想。

2.5 原料不同質(zhì)量配比厭氧消化系統(tǒng)中微生物菌落Alpha的多樣性指數(shù)

表4為原料不同質(zhì)量配比在產(chǎn)氣高峰時(shí)期厭氧消化系統(tǒng)中微生物菌群的Alpha多樣性指數(shù)(Alpha多樣性是指一個(gè)特定區(qū)域或者生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的多樣性)分析。

表4 原料不同質(zhì)量配比下餐廚垃圾與市政污泥樣品豐度及多樣性的指數(shù)

注：Ace指數(shù)用來估計(jì)群落中含有OTU數(shù)目的指數(shù)(OTU全稱operational taxonomic unit，指在數(shù)量分類學(xué)方面作為對(duì)象的分類單位的總稱)；Chao 指數(shù)用Chao算法估計(jì)群落中含OTU 數(shù)目的指數(shù)；香農(nóng)指數(shù)用來估算樣品中微生物的多樣性指數(shù)之一。

從表4可以看出：添加市政污泥的厭氧消化系統(tǒng)中微生物的豐度與多樣性比餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化時(shí)要高。結(jié)合不同比例啟動(dòng)時(shí)間及產(chǎn)甲烷的特性分析可知，餐廚垃圾與市政污泥混合厭氧消化系統(tǒng)中能為微生物的生長提供更適宜的環(huán)境，增加微生物的多樣性，優(yōu)化厭氧微生物的群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而加快有機(jī)質(zhì)分解和提高甲烷產(chǎn)量[32]。而當(dāng)餐廚垃圾單獨(dú)消化時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)可能存在有機(jī)酸以及其他有毒有害物質(zhì)的積累使得某些敏感微生物生長受到抑制甚至死亡，從而導(dǎo)致微生物群落豐度與多樣性的降低。

通過主坐標(biāo)分析法(principal co-ordinates analysis,PCoA)分析產(chǎn)氣高峰時(shí)期微生物群落的組成與結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖7。從圖7可以看出：不同比例混合厭氧消化樣品因?yàn)橄孜锏牟煌环殖闪?個(gè)明顯不同的組別，其中3個(gè)餐廚垃圾和市政污泥混合厭氧消化實(shí)驗(yàn)組被聚類到了一起，單獨(dú)厭氧消化的2個(gè)實(shí)驗(yàn)組分別在另外2個(gè)叢(cluster)，說明消化底物對(duì)塑造系統(tǒng)微生物群落組成起到了重要作用。

注：主坐標(biāo)分析(PCoA);主坐標(biāo)1(PC1)；主坐標(biāo)2(PC2)；主坐標(biāo)3(PC3)圖7 原料不同質(zhì)量配比下餐廚垃圾與市政污泥主坐標(biāo)分析的微生物差異性Fig.7 The principal co-ordinates analysis (PCoA) score plot based on weighted Unifrac metrics in different mix ratio (FW and MS) system (principal co-ordinates,PC)

圖8 原料不同質(zhì)量配比下厭氧消化系統(tǒng)中微生物群落在細(xì)菌門水平上的相對(duì)豐度Fig.8 Relative abundance of phylum at the bacterial level in different ratio during anaerobic digestion

微生物群落動(dòng)態(tài)變化的結(jié)果分別從門、綱、目、科和屬這5個(gè)水平來分析，其中主要分析了整個(gè)周期中所有體系的產(chǎn)氣初期與產(chǎn)氣高峰的微生物所屬的門和屬水平[33-35]。圖8為不同比例菌群門水平上的優(yōu)勢門類柱狀圖(初始階段為I，產(chǎn)氣高峰階段為P)；相對(duì)豐度(relative abundance，即群落內(nèi)物種數(shù)目的多少)大于5%，由圖8可知：所有體系中主要的菌群分別為Firmicutes、Bacteroidetes、Euryarchaeota、Proteobacteria、Chlorobi、Chloroflexi和Spirochaetes。其中：Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria是相對(duì)豐度最高的3個(gè)從屬于細(xì)菌的門。不同處理厭氧消化初期到產(chǎn)氣高峰期厭氧消化系統(tǒng)中Bacteroidetes的相對(duì)豐度含量呈現(xiàn)出上升趨勢，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，推測其對(duì)于穩(wěn)定高效的厭氧消化過程能起到重要作用。有Chen等[36]報(bào)道稱：Bacteroidetes能將多種多糖降解為有機(jī)酸，實(shí)驗(yàn)組(1∶ 1-I、1∶ 1-P)的Bacteroidetes從初期的相對(duì)豐度為22.88%增長到了高峰的49.76%，比例提高了26.88%，提高幅度在所有比例中處于優(yōu)勢地位；同時(shí)在添加有市政污泥厭氧消化系統(tǒng)中相對(duì)豐度含量較高的Firmicutes，在厭氧消化過程中呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，該門類已被證明是一類重要的發(fā)酵細(xì)菌，它能產(chǎn)生胞外酶來水解有機(jī)質(zhì)[37]，實(shí)驗(yàn)組(1∶ 1-I、1∶ 1-P)的Firmicutes高峰相對(duì)豐度較初期提高了10倍；而在餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化系統(tǒng)中，F(xiàn)irmicutes呈現(xiàn)與Bacteroidetes相反的趨勢，所以這2個(gè)門的細(xì)菌在餐廚垃圾單獨(dú)厭氧消化體系中可能在降解多糖的過程中存在競爭關(guān)系。另一種占比很高的Proteobacteria是在污泥中比較常見的門類菌群，在添加有市政污泥厭氧消化體系中，Proteobacteria都呈現(xiàn)出下降的趨勢，其中實(shí)驗(yàn)組(1∶ 1)的Proteobacteria相對(duì)豐度從初期34.40%降至高峰階段的1.78%，在所有不同比例中下降幅度是最高的，可能是由于初期揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)的積累導(dǎo)致Proteobacteria中某些菌種被抑制甚至死亡。豐度穩(wěn)定的優(yōu)勢細(xì)菌屬使厭氧消化過程中水解、酸化及產(chǎn)酸效率更高，為下一步高效產(chǎn)甲烷提供基礎(chǔ)。在所有不同比例厭氧消化體系初期到產(chǎn)氣高峰階段，Euryarchaeota的相對(duì)豐度呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢。

圖9 原料不同質(zhì)量配比下厭氧消化系統(tǒng)中微生物群落在古菌屬水平上的相對(duì)豐度Fig.9 Relative abundance of genus at the archaeal level in different ratio during anaerobic digestion

不同比例厭氧消化系統(tǒng)中古菌的群落結(jié)構(gòu)組成見圖9，其中產(chǎn)甲烷菌都從屬于古菌[38]。從圖9可以看出：添加有餐廚垃圾的厭氧消化實(shí)驗(yàn)組中，Methanosarcina和Methanobacterium從產(chǎn)氣初期到產(chǎn)氣高峰都呈現(xiàn)出增長的趨勢。同時(shí)在添加有餐廚垃圾的厭氧消化實(shí)驗(yàn)組中，Methanosarcina和Methanobacterium的高峰時(shí)期的相對(duì)豐度均在各自的厭氧消化體系中占據(jù)主導(dǎo)地位。Methanosarcina是實(shí)驗(yàn)組(1∶ 0-I、1∶ 0-P、1∶ 1-I、1∶ 1-P、2∶ 1-I和2∶ 1-P)中豐度最高的產(chǎn)甲烷菌，也是最重要的產(chǎn)甲烷菌，從厭氧消化初期到產(chǎn)氣高峰階段，Methanosarcina呈現(xiàn)出上升的趨勢，并占據(jù)主導(dǎo)地位。Methanosarcina在實(shí)驗(yàn)組(1∶ 0-I、1∶ 0-P、1∶ 1-I、1∶ 1-P、2∶ 1-I和2∶ 1-P)中相對(duì)豐度分別從產(chǎn)氣初期的5.51%達(dá)到產(chǎn)氣高峰的55.75%、1.71%達(dá)到55.22%及從1.38%達(dá)到57.86%。Methanosarcina是混合型的產(chǎn)甲烷菌，可以利用多種產(chǎn)甲烷途徑包括乙酸型產(chǎn)甲烷途徑、氫型產(chǎn)甲烷途徑和甲基型產(chǎn)甲烷途徑[39]，而這3個(gè)實(shí)驗(yàn)組也是累計(jì)產(chǎn)甲烷量在所有體系中處于優(yōu)勢的實(shí)驗(yàn)組，從而證明了豐度優(yōu)勢在一定方面能夠反應(yīng)產(chǎn)甲烷量情況。而Methanobacterium是所有比例厭氧消化體系中次重要的產(chǎn)甲烷菌，Methanobacterium是產(chǎn)甲烷菌中種類最多的屬，大部分只能利用H2產(chǎn)生甲烷，為氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌[40]。而在市政污泥單獨(dú)厭氧消化實(shí)驗(yàn)組(0∶ 1-I；0∶ 1-P)中，Methanosarcina和Methanobacterium相對(duì)豐度并沒有大幅提高，但是體系中WCHA1-57的相對(duì)豐度從初期的15.31%提升到了高峰的56.59%。Saito等[41]通過對(duì)4種厭氧顆粒污泥進(jìn)行了mcrA基因(產(chǎn)甲烷古菌的功能分子標(biāo)記)的克隆分析，發(fā)現(xiàn)WCHA1-57代表一個(gè)新的產(chǎn)甲烷古菌群，有助于在厭氧消化中產(chǎn)甲烷。所有不同原料配比厭氧消化系統(tǒng)中，優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌相對(duì)豐度高且在厭氧消化過程中呈現(xiàn)出上升趨勢，因此使得產(chǎn)甲烷效率相對(duì)較高。

3 結(jié)論

研究了餐廚垃圾與市政污泥在不同揮發(fā)性固體含量配比下的厭氧消化特性，與市政污泥單獨(dú)厭氧消化相比，添加餐廚垃圾混合厭氧消化能大幅提高甲烷產(chǎn)量，且所有混合消化組中消化液各指標(biāo)均維持在較適范圍內(nèi)。當(dāng)餐廚垃圾與市政污泥的揮發(fā)性固體的質(zhì)量比為1∶ 1時(shí)效果最優(yōu)，單位質(zhì)量的揮發(fā)性固體含量的產(chǎn)甲烷量最高為232.86 L/kg，且VS去除率達(dá)到46.09%。最佳配比下的餐廚垃圾與市政污泥混合厭氧消化給系統(tǒng)提供了更強(qiáng)大的緩沖能力，在整個(gè)厭氧消化周期中啟動(dòng)時(shí)間相比其他4種比例的體系都提前了；同時(shí)該比例下厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性最好。通過高通量測序技術(shù)對(duì)厭氧消化系統(tǒng)中的微生物分析發(fā)現(xiàn)：餐廚垃圾與市政污泥混合厭氧消化系統(tǒng)中的微生物Alpha多樣性指數(shù)比餐廚垃圾及市政污泥單獨(dú)厭氧消化體系更佳，證明添加市政污泥共消化能明顯提高系統(tǒng)內(nèi)微生物的多樣性，進(jìn)而提高厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，餐廚垃圾與市政污泥混合厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢微生物主要為Bacteroidetes和Methanosarcina等，推測它們可能對(duì)于穩(wěn)定高效的厭氧消化過程起到了重要的作用。

混合厭氧消化有助于促進(jìn)底物的營養(yǎng)平衡，同時(shí)能夠稀釋底物中的有毒物質(zhì)濃度，加快系統(tǒng)產(chǎn)氣啟動(dòng)時(shí)間，提高系統(tǒng)產(chǎn)甲烷量。本文深入地探討餐廚垃圾與市政污泥的不同配料比對(duì)混合厭氧消化性能及微生物多樣性的影響。下階段還須從微生物的環(huán)境功能方面著手，以揭示環(huán)境因子與微生物間復(fù)雜的關(guān)聯(lián)作用，從而進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)甲烷的古細(xì)菌的變化進(jìn)行深入研究。

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