污泥協(xié)同消化微生物的研究進(jìn)展*

鄭琳珂，戴曉虎

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

厭氧消化是一種得到廣泛應(yīng)用的有機(jī)廢物處理方式，可以實(shí)現(xiàn)污染控制和能源回收。厭氧消化的優(yōu)勢包括生物污泥含量低，營養(yǎng)需求低，效率高，而且可以用作現(xiàn)場供熱和電力的能源[1]。許多農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢棄物是厭氧消化的理想選擇，因?yàn)樗鼈兒懈吆康囊咨锝到獠牧蟍2]。這種復(fù)雜的生物過程將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為主要由甲烷(CH4)，二氧化碳(CO2)[3]。啟動是厭氧消化器運(yùn)行的關(guān)鍵步驟，并且高度依賴于微生物來源，接種物的種類和初始操作模式[4]。

為了提高厭氧消化器的性能，將污泥與不同有機(jī)廢物協(xié)同消化是非常有前景的一種處理處置策略[5]。污泥的厭氧消化是不同廢物協(xié)同生物降解，可以用來增強(qiáng)具有某些特征的廢物的厭氧降解[6]。協(xié)同消化的優(yōu)點(diǎn)包括創(chuàng)造合適的營養(yǎng)比例，稀釋潛在的有毒物質(zhì)[7]，提高體系的緩沖能力[8]，設(shè)備共享，建立所需的含水量和更容易的廢物處理[6]。而且，污泥厭氧協(xié)同消化也是經(jīng)濟(jì)可行的[9]。已經(jīng)有許多關(guān)于各種廢物協(xié)同厭氧消化的研究，包括食品工業(yè)廢物[10]，動物糞便[11]，廢水污泥[3]，水產(chǎn)養(yǎng)殖廢棄物[8]和廢紙[12]等等。從資源化和穩(wěn)定化角度來看，協(xié)同消化與單一廢物厭氧消化相比都具有顯著的優(yōu)勢。

近年來，微生物測序手段發(fā)展迅速，定點(diǎn)梯度凝膠電泳(DGGE)和克隆文庫是用于評估微生物群體的最普遍的方法[13]。454高通量測序技術(shù)作為新一代測序技術(shù)，能夠更快速地識別大量序列，促進(jìn)了微生物群落動態(tài)環(huán)境的調(diào)查研究[14]。過去的研究涉及污泥協(xié)同消化的環(huán)境條件，物理和化學(xué)性能參數(shù)與微生物種群動態(tài)之間的聯(lián)系[15]，這些結(jié)果表明，微生物群體密度可能與消化過程中厭氧微生物的活性密切相關(guān)。本文從協(xié)同消化的微生物群落和主要限制因素及其調(diào)控手段進(jìn)行深入分析。

1 協(xié)同消化的微生物群落

協(xié)同消化是兩種及以上多種底物進(jìn)行厭氧消化，是傳統(tǒng)污泥厭氧消化的延伸。污泥厭氧消化系統(tǒng)有多種微生物存在，主要有細(xì)菌和古菌兩大類。協(xié)同消化與厭氧消化的步驟一致，最初步驟是大分子有機(jī)物的水解。在這一步驟中，大分子(如蛋白質(zhì)，碳水化合物和脂肪)分別被細(xì)菌和少數(shù)真菌分解為氨基酸，糖和脂肪酸[16-17]，根據(jù)底物的不同，相應(yīng)的水解菌群也有一定的區(qū)別[18-20]。化能有機(jī)營養(yǎng)的專性厭氧桿菌(擬桿菌門)、化能營養(yǎng)型(厚壁菌)、兼性厭氧生物(綠彎菌)、部分致病菌(螺旋菌)、嗜熱或者超嗜熱細(xì)菌(熱袍菌)和多生存于水體和土壤中的細(xì)菌(放線菌)是反應(yīng)器內(nèi)的主導(dǎo)細(xì)菌[21]。緊接著，產(chǎn)乙酸細(xì)菌將糖、氨基酸和脂肪酸轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸、醇、酮、乙酸、CO2和H2。第三階段是產(chǎn)甲烷古菌利用H2和短鏈脂肪酸形成沼氣(通常為60%CH4，38%CO2和2%微量氣體)，所以古菌在資源化過程中占據(jù)關(guān)鍵地位。

由于降解階段彼此密切相關(guān)，細(xì)菌群和古細(xì)菌群之間的不平衡會導(dǎo)致反應(yīng)器性能的惡化，從而導(dǎo)致沼氣的產(chǎn)量和產(chǎn)率以及沼氣中的甲烷含量的變化[22-24]。

2 主要限制因素及其調(diào)控

影響協(xié)同消化系統(tǒng)的因子主要有有機(jī)負(fù)荷、pH和溫度，下面介紹幾種主要的限制因素及其調(diào)控機(jī)理。

2.1 有機(jī)負(fù)荷

有機(jī)負(fù)荷的改變，對于細(xì)菌和古菌的影響有所差別。史宏偉等[25]將果蔬垃圾與污泥進(jìn)行協(xié)同消化，發(fā)現(xiàn)在厭氧消化反應(yīng)器中，細(xì)菌與古菌相比占有數(shù)量和種類上的絕對優(yōu)勢，一定程度負(fù)荷的提升不會對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)造成明顯的影響，但古細(xì)菌的分析中則顯示，低負(fù)荷下古細(xì)菌種類比較豐富，有機(jī)負(fù)荷的提升會使古細(xì)菌種類下降。甲烷鬃毛菌在乙酸濃度較低時占主導(dǎo)地位，甲烷八疊球菌則在乙酸占主導(dǎo)地位[26]。研究表明，隨著果蔬垃圾協(xié)同消化反應(yīng)器中進(jìn)料負(fù)荷的提升，甲烷產(chǎn)量有明顯的提升，且微生物的代謝強(qiáng)度有所增強(qiáng)[25]。Guo 等[14]和Regueiro 等[23]曾在超負(fù)荷的餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)中觀察到柔膜菌門和放線菌門增加的現(xiàn)象，該階段高VFA 產(chǎn)量很可能是由于產(chǎn)酸菌的活動增強(qiáng)。有機(jī)超載后，氫營養(yǎng)型甲烷菌(Methanospirillumhungatei和Methanoculleuscontaculi)變得更加優(yōu)勢[27]。有機(jī)負(fù)荷提高后，由于VFA降解的氫氣可用性增加，有機(jī)沖擊負(fù)荷引發(fā)富氫甲烷生成，高進(jìn)料負(fù)荷下，柔膜菌門和放線菌門的微生物迅速增殖，抬高反應(yīng)體系中的VFA含量，導(dǎo)致甲烷八疊球菌相對于甲烷鬃毛菌占據(jù)主導(dǎo)，整個協(xié)同厭氧消化體系中，細(xì)菌和古菌經(jīng)過一段時間的波動，重新適應(yīng)生長環(huán)境，達(dá)到新的平衡。反應(yīng)器中新的平衡的特征為產(chǎn)甲烷古菌中，氫利用型產(chǎn)甲烷菌占據(jù)主導(dǎo)地位[21]。還有研究表明，隨著有機(jī)負(fù)荷的增加，CH4產(chǎn)量降低[33-34]。其中一個原因可能是系統(tǒng)的水力停留時間較短，導(dǎo)致活性產(chǎn)甲烷菌在去除毒性物質(zhì)時被沖洗掉，另一個原因是，增加的TS濃度可能會降低共消化底物的傳質(zhì)效率，并最終導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降[30]。

2.2 pH

VFA也被稱為短鏈脂肪酸，被廣泛用作厭氧消化過程中壓力的指標(biāo)。VFA的積累導(dǎo)致pH下降，甚至可能導(dǎo)致反應(yīng)器故障或嚴(yán)重?fù)p害消化[31-32]。保持合適的pH對于消化的正確操作和最佳的VFA降解是必不可少的。

在一個強(qiáng)大的系統(tǒng)中，VFA/Alk比值介于0.0和0.1之間，表明體系中低或無酸化風(fēng)險[33]。任南琪等[34]研究發(fā)現(xiàn)，利用乙醇產(chǎn)乙酸的微生物與產(chǎn)甲烷菌所需最佳 pH 值范圍相近，乙醇型發(fā)酵是充分發(fā)揮兩相厭氧系統(tǒng)功能的最佳發(fā)酵類型[35]。Delbès等[36]檢測了由于增加的VFA濃度和從厭氧消化器中的pH依賴于細(xì)菌群落演替的類似觀察。聚磷酸鹽累積放線菌可能涉及形成由于有機(jī)過量而形成的多層聚集體，聚集體的形成表明礦物生產(chǎn)過程中的礦物生成過程，并且可能支持污泥的脫酸過程，因?yàn)閜H處于中性水平并且在有機(jī)超載幾周后VFA濃度大幅下降[42]。

2.3 溫 度

溫度是另一個重要的環(huán)境因素，能夠直接影響微生物的新陳代謝情況。目前，研究主要集中在提高特定操作溫度下協(xié)同消化的效率，如常溫消化(15～25 ℃)[38]，中溫(30～37 ℃)[28]和高溫消化(50～56 ℃)[39]。

Jorge Arreola Vargas等[40]將餐廚垃圾與污泥進(jìn)行協(xié)同消化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，嗜熱甲烷菌表現(xiàn)出更高的有效性，并且對于高有機(jī)負(fù)荷的承載能力比其他兩個更低的溫度更好，這與之前報道嗜熱過程優(yōu)異性能的研究結(jié)果一致[41]。在整個操作過程中，在嗜熱系統(tǒng)中獲得了顯著較高的VS去除效率。結(jié)果證明，在相似的有機(jī)負(fù)荷或水力停留時間中，嗜熱生物系統(tǒng)在其他兩個反應(yīng)器中具有更高的有機(jī)轉(zhuǎn)化效率優(yōu)勢，這與先前的研究一致[28, 42]，即使在相同的SRT下，嗜熱條件也能加速生物增殖和有機(jī)質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化過程。Fernández-Rodríguez等[43]也證明了嗜熱范圍內(nèi)的厭氧消化系統(tǒng)具有較高的工藝穩(wěn)定性。最大有機(jī)負(fù)荷的研究進(jìn)一步證實(shí)嗜熱系統(tǒng)可以承受比中溫條件下更高的進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷，這也得到了Bayrand Rintala的證實(shí)[44]。這說明高溫系統(tǒng)中的細(xì)菌對環(huán)境的變化比中溫系統(tǒng)更敏感，因此導(dǎo)致CH4產(chǎn)量和VS去除率更高。Rocío Montaés等[45]將甜菜漿與污泥進(jìn)行協(xié)同消化在生化產(chǎn)甲烷勢測試(Biochemical Methane Potential，BMP)中，考慮到等質(zhì)量的有機(jī)質(zhì)，中溫范圍的凈甲烷產(chǎn)量較高，甲烷產(chǎn)量、VS去除率和高水平的VFA提供了中溫范圍的最佳表現(xiàn)的進(jìn)一步證據(jù)。協(xié)同消化在溫度上的研究表明，常溫消化停留時間長，效率低；中溫消化產(chǎn)氣較快，有機(jī)物降解率較高，在國內(nèi)外都得到普遍的應(yīng)用；高溫消化能提供更高的VS降解率和沼氣產(chǎn)率，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性差，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，有待進(jìn)一步研究。

3 展 望

近年來，厭氧消化技術(shù)作為一種極具潛力的污泥處理處置技術(shù)，可以在控制環(huán)境污染的同時實(shí)現(xiàn)能源的回收，成為目前國際上最受歡迎的污泥減量化與資源化處理技術(shù)之一。污泥與有機(jī)廢棄物進(jìn)行協(xié)同消化對于提高處理負(fù)荷、有機(jī)質(zhì)去除率和甲烷產(chǎn)率大有裨益，是污泥厭氧消化發(fā)展的新方向。對于協(xié)同消化中微生物群落的深入研究，可以幫助我們最直觀也最有效地揭示協(xié)同厭氧消化的本質(zhì)。