市政污泥熱水解—真菌發(fā)酵產(chǎn)菌絲纖維回收有機質(zhì)資源的研究

梁嘉晉，李炳，溫磊，李若泓，李曉巖,,*

a Shenzhen Engineering Research Laboratory for Sludge and Food Waste Treatment and Resource Recovery, Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China

b Guangdong Provincial Engineering Research Center for Urban Water Recycling and Environmental Safety, Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China

c Shenzhen Environmental Science and New Energy Laboratory, Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China

d Environmental Engineering Research Centre, Department of Civil Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China

1. 引言

市政污泥是污水處理過程中的副產(chǎn)物，當采用活性污泥法處理市政污水時，污泥的產(chǎn)率系數(shù)接近0.5 [1-3]。市政污水主要采用活性污泥法處理，污水中30%～50%的有機物、30%～45%的氮（N）和80%以上的磷（P）最終被遷移轉(zhuǎn)化到剩余污泥中[4]。市政污泥由于產(chǎn)量大、易腐化變質(zhì)、環(huán)境風險大和處置成本高，已經(jīng)成為一個重大的社會環(huán)境問題。特別是對于大城市而言，市政污泥的處理壓力尤為突出[5-6]?，F(xiàn)階段，市政污泥的處理方法主要包括填埋、焚燒、厭氧消化和土地利用[7]。市政污泥的處理成本超過污水處理總成本的50% [8]。市政污泥脫水性能差以及缺乏高效的高附加值資源化開發(fā)技術(shù)是污泥處理面臨的兩大核心挑戰(zhàn)[9-11]。典型的市政污泥含有豐富的有機營養(yǎng)物質(zhì)，包括蛋白質(zhì)（約40%）、多糖（約14%）和脂類（10%～25%）[12]。然而，現(xiàn)有的市政污泥處理技術(shù)還很難將污泥中大量的有機物和營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品。因此，開發(fā)新型高效和可持續(xù)的市政污泥精煉策略是破解污泥處理難題的根本出路。

近年來，熱水解作為一種有效的污泥處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)可以實現(xiàn)污泥的快速減量和大幅改善污泥的脫水性能[13]。污泥熱水解技術(shù)雖然具有提高脫水性能、促進有機物溶解釋放以及同步實現(xiàn)生物滅菌等諸多優(yōu)點，但如何進一步提高污泥熱水解效率和熱水解產(chǎn)品的再利用效益仍是污泥資源化研究的重點?，F(xiàn)階段，科研工作者開發(fā)了多種調(diào)控手段來提高市政污泥的熱水解效率，包括優(yōu)化操作條件（如溫度、停留時間和固體含量）和添加化學助劑等[14,15]。前期的研究發(fā)現(xiàn)，多級熱水解也是提高生物質(zhì)基物料有機物整體釋放效率的有效途徑[16]。然而，關(guān)于多級熱水解能在多大程度上提升市政污泥的減量效果、促進有機物的釋放以及多級熱水解產(chǎn)物的生物適用性如何等問題目前還鮮見報道。

厭氧消化產(chǎn)甲烷是目前市政污泥熱水解后進行有機物資源轉(zhuǎn)化的主流技術(shù)，其中Cambi THP?和Biothelys工藝是典型代表[8,17]。污水處理廠的運行經(jīng)驗表明，市政污泥經(jīng)過熱水解處理后可以將沼氣發(fā)電凈輸出量提高20%以上[17,18]。然而，近年來由于受全球天然氣產(chǎn)量大幅增加和沼氣的市場價格持續(xù)下降的影響，甲烷的附加值并不高。因此，開發(fā)新型市政污泥資源化精煉技術(shù)，將污泥中的有機物轉(zhuǎn)化為更高附加值產(chǎn)品是更為明智的處理策略。與厭氧消化相比，真菌發(fā)酵過程中多細胞真菌能夠迅速增殖生長，產(chǎn)生大量的真菌菌絲，纖維狀的菌絲相互纏繞連接形成具有三維（3D）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的菌絲球，可以很容易地從發(fā)酵液中被分離回收[19]。若能通過真菌發(fā)酵將市政污泥熱水解上清液有機物轉(zhuǎn)化為菌絲纖維，則可進一步提高污泥生物轉(zhuǎn)化終端產(chǎn)品的附加值。真菌菌絲作為前驅(qū)體可以被進一步用于開發(fā)制備多種功能性產(chǎn)品，如紙張、紡織品、生物吸附劑、催化劑載體和碳基儲能材料等[20-22]。此外，菌絲纖維生物質(zhì)基材料具有可持續(xù)、生物相容和可生物降解等特點，近年來受到越來越多的關(guān)注[23]。市政污泥經(jīng)過熱水解后，上清液有機物含量豐富且同步實現(xiàn)了生物滅菌，熱水解上清液可以作為真菌發(fā)酵純培養(yǎng)的營養(yǎng)基質(zhì)。然而，現(xiàn)階段將市政污泥熱水解上清液用于真菌發(fā)酵產(chǎn)菌絲纖維回收有機質(zhì)資源還未見報道。

本研究旨在開發(fā)市政污泥熱水解減量耦合熱水解上清液真菌發(fā)酵產(chǎn)菌絲纖維的資源化新技術(shù)；開展市政污泥多級熱水解試驗，綜合評價多級熱水解對市政污泥減量、脫水性能、有機物釋放及熱水解上清液-固兩相產(chǎn)物特性的影響；在市政污泥熱水解產(chǎn)物進行厭氧消化處理前，將市政污泥熱水解上清液用于真菌發(fā)酵，優(yōu)先通過菌絲生長增殖將有機物轉(zhuǎn)化為高附加值的生物質(zhì)基材料菌絲纖維；研究市政污泥熱水解上清液真菌發(fā)酵產(chǎn)菌絲纖維的生物適用性及發(fā)酵效率，表征菌絲纖維制備紙基產(chǎn)品的力學性能。

2. 材料和方法

2.1. 材料

市政污泥取自深圳某大型水質(zhì)凈化廠，該水質(zhì)凈化廠采用無初沉單元的活性污泥法工藝處理市政污水。本研究取用的市政污泥為二級沉淀池排出的剩余污泥，其典型理化特性如表1所示。用于真菌發(fā)酵的供試菌株黑曲霉（CCTCC AF 2014010）購自中國典型培養(yǎng)物保藏中心（CCTCC）。黑曲霉具有環(huán)境適應(yīng)性強、菌絲增殖速度快以及易形成菌絲球顆粒等優(yōu)點。

表1 本研究選用的市政污泥的典型理化特性

2.2. 市政污泥熱水解試驗

市政污泥熱水解試驗在高壓反應(yīng)釜（GSA-1，北京世紀森朗實驗儀器有限公司）中進行。將600 g的污泥樣品加入體積為1.0 L的釜體內(nèi)，并將其從室溫加熱至100 ℃，保持1 h，然后再繼續(xù)升溫至預(yù)設(shè)的熱水解溫度，終溫停留時間為1 h。前期的研究表明，1 h的熱水解停留時間可以滿足污泥減量和有機物釋放的需求[24-26]。在熱水解過程中，反應(yīng)器以(200 ± 2) r·min-1的速度連續(xù)攪拌。在熱水解反應(yīng)結(jié)束后，快速通入冷凝水對熱水解污泥進行降溫冷卻，在3 min內(nèi)將物料溫度降至50 ℃以下。采用離心機對熱水解污泥進行固液分離，分別回收污泥熱水解上清液和固體殘渣。前期的研究表明，在4000 r·min-1的條件下進行離心，可以去除污泥中的游離水，結(jié)合水的去除則需要更嚴苛的離心條件和更高的能量消耗[27]。在4000 r·min-1的速度下，對本研究中的熱水解污泥離心10 min，然后收集熱水解上清液用于真菌發(fā)酵試驗。

為了進一步提高市政污泥有機物的釋放效率，本研究開展了市政污泥兩級熱水解試驗。在第二級熱水解（TH2）時，污泥從室溫直接升溫至第一級熱水解（TH1）時的終溫，并停留1 h。在熱水解結(jié)束后，采用與第一級熱水解相同的操作對熱水解污泥進行減壓降溫。第一級和第二級熱水解污泥分別被命名為第一級熱水解污泥和第二級熱水解污泥。在本研究中，將市政污泥熱水解終溫分別設(shè)定為140 ℃、160 ℃和180 ℃。市政污泥兩級熱水解及污泥熱水解上清液生物利用的示意圖見附錄A中的圖S1。每組熱水解試驗（不同溫度和級數(shù)）均進行三次重復(fù)。

在試驗結(jié)束后，采集樣品，分析熱水解對市政污泥體積、質(zhì)量、固體含量、熱水解上清液有機物濃度、熱水解上清液有機物組成、熱水解上清液分子量分布和污泥脫水性能的影響。市政污泥熱水解過程中特定組分的釋放效率采用公式（1）進行評價：

式中，Vs為熱水解污泥經(jīng)離心后上清液的體積（L）；Cs為上清液中某一種有機物的濃度（g·L-1）；M為熱水解前污泥的質(zhì)量（600 g）；TS為熱水解前市政污泥的固體含量（%）；Xi為某一種有機物質(zhì)（干基）在市政污泥中的占比（%）。熱水解污泥的脫水性能根據(jù)污泥脫水（在4000 r·min-1的條件下離心10 min）后殘渣的含水率進行評價。熱水解污泥的體積減量效率采用公式（2）進行評價：

式中，Vi是離心前污泥混合物的體積（L）。

2.3. 真菌發(fā)酵

將市政污泥熱水解上清液作為營養(yǎng)基質(zhì)進行真菌發(fā)酵純培養(yǎng)產(chǎn)菌絲纖維。為了更加準確地測量發(fā)酵過程中菌絲纖維的生物量，在真菌發(fā)酵試驗前，將熱水解市政污泥在12 000 r·min-1的條件下離心10 min，以進一步去除所有顆粒物后收集上清液。將無菌處理后的90 mL熱水解上清液加入體積為250 mL的錐形瓶，然后接入5 mL黑曲霉菌絲球懸液進行真菌發(fā)酵。真菌發(fā)酵試驗在恒溫振蕩培養(yǎng)箱中進行，培養(yǎng)溫度為28 ℃，轉(zhuǎn)速為150 r·min-1，每組試驗分別設(shè)置三個重復(fù)。真菌發(fā)酵試驗結(jié)束后，用孔徑為0.45 μm的濾膜過濾收集菌絲體，并在105 ℃下對其進行干燥，然后測定菌絲纖維的生物量。同時，收集真菌發(fā)酵后的上清液樣品，并測定有機物和營養(yǎng)物質(zhì)的濃度變化，然后分析真菌發(fā)酵有機物的轉(zhuǎn)化和利用效率。真菌發(fā)酵回收的菌絲纖維用于制備菌絲紙片。此外，將真菌發(fā)酵后的剩余發(fā)酵液用于厭氧消化，以進一步提高有機物的整體利用水平和分析剩余真菌發(fā)酵液產(chǎn)沼氣的潛力。菌絲纖維制備菌絲紙片和厭氧消化試驗的詳細步驟見附錄A（厭氧消化的接種污泥特性見附錄A中的表S1）。

2.4. 分析方法

在分析市政污泥熱水解上清液前，先用孔徑為0.45 μm的濾膜過濾樣品，然后將其用于后續(xù)的理化特性分析。樣品的總化學需氧量（TCOD）、化學需氧量（COD）、總磷（TP）、氨氮（NH4+-N）、總固體（TS）含量和總揮發(fā)性懸浮固體（TVS）含量的測定參考水質(zhì)分析標準方法[28]。上清液的pH采用pH計（PHB-4，上海儀電科學儀器股份有限公司）測定；總有機碳（TOC）和總氮（TN）的濃度采用總有機碳分析儀（TOC-L，日本島津公司）測定。在分析市政污泥熱水解上清液多糖時，以葡萄糖作為參照物，采用苯酚硫酸法[29]測定。采用改良的Lowry法[30]分析熱水解上清液中蛋白質(zhì)和腐殖酸類物質(zhì)含量。采用凝膠滲透色譜法（GPC-20A，日本島津公司）分析上清液中有機物的分子量分布。市政污泥固態(tài)樣品的碳（C）、氫（H）、N、硫（S）元素采用元素分析儀（Vario EL，德國艾力蒙塔公司）測定。市政污泥和熱水解后污泥殘渣經(jīng)烘干后，用馬弗爐于575 ℃下灼燒4 h，然后測定其灰分含量。采用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）半定量追蹤研究市政污泥熱水解后，固相產(chǎn)物化學結(jié)構(gòu)的演變特性[31]。真菌菌絲和菌絲紙品的形態(tài)使用掃描電子顯微鏡（SEM, Supra 55 Sapphire; Carl Zeiss Microscopy GmbH, Germany）觀察。

本研究涉及的熱水解、真菌發(fā)酵和厭氧消化試驗分別在不同處理條件下進行三次重復(fù)，每個樣品分析也同樣進行三次重復(fù)測定。不同熱水解條件對市政污泥減量效果、真菌發(fā)酵性能和厭氧消化潛力的影響采用SPSS軟件（v 17.0）進行單因素方差分析（ANOVA），p＜ 0.05被認為是統(tǒng)計檢驗的顯著值。

3. 結(jié)果與討論

3.1. 市政污泥熱水解有機物的釋放特性

市政污泥經(jīng)過熱水解處理后可有效地促進有機物溶解釋放到上清液，有助于更好地實現(xiàn)有機物的回收和再利用。市政污泥經(jīng)兩級熱水解處理后上清液的表觀特性和有機物濃度變化如圖1所示。由于市政污泥組成的復(fù)雜性以及熱水解反應(yīng)后產(chǎn)物種類繁多，本研究統(tǒng)一采用TOC來表征熱水解上清液中有機物含量，并使用公式（1）計算市政污泥熱水解有機物的釋放效率。市政污泥在第一級熱水解時，隨著熱水解溫度從140 ℃升高到180 ℃，有機物釋放效率顯著提高（p＜ 0.05）。在 140 ℃、160 ℃和180 ℃條件下，第一級熱水解上清液的平均TOC濃度分別為5590 mg·L-1、7548 mg·L-1和 10 280 mg·L-1，相較未經(jīng)處理的原污泥，熱水解后有機碳的溶解釋放率分別為20.1%、27.8%和34.1%。在第二級熱水解時，雖然第二級熱水解上清液的TOC濃度仍然隨著熱水解溫度的升高而增加，但第二級熱水解上清液有機物的釋放量明顯低于第一級熱水解上清液（p＜ 0.05）[圖1（b）]。市政污泥經(jīng)過兩級熱水解后，有機物的釋放效率降低，一方面是由于市政污泥中的復(fù)雜有機物，如腐殖質(zhì)類物質(zhì)、纖維素和細胞壁等在熱水解的過程中解聚困難，經(jīng)過1 h熱水解處理后仍難以溶解；另一方面，市政污泥在熱水解過程中還會發(fā)生脫水、脫氫、脫羧、脫羰和縮聚等一系列的二次反應(yīng)，這些反應(yīng)在一定程度上導致了市政污泥中有機物的碳化和芳構(gòu)化，限制了污泥有機物的進一步轉(zhuǎn)化，后續(xù)的FTIR分析也證明了這一現(xiàn)象。上述的兩方面因素降低了市政污泥的熱化學轉(zhuǎn)化活性，限制了市政污泥固體有機物的溶解釋放，并且隨著熱水解級數(shù)的增加，有機物的增溶難度進一步提高。

圖1. 熱水解溫度和級數(shù)對市政污泥熱水解上清液表觀特性和有機物轉(zhuǎn)化效率的影響。（a）污泥熱水解上清液照片；（b）熱水解上清液的TOC濃度和溶解轉(zhuǎn)化率。TH1：第一級熱水解；TH2：第二級熱水解。（b）圖中誤差棒上方不同的小寫字母表明不同處理之間的顯著性差異（p ＜ 0.05）。

經(jīng)過兩級熱水解后，TOC的累計轉(zhuǎn)化率分別達到28.0%（140 ℃）、38.0%（160 ℃）和45.1%（180 ℃）。試驗結(jié)果表明，溫度仍然是影響市政污泥有機物釋放效率的關(guān)鍵因素。與此同時，市政污泥的TS和揮發(fā)性有機物（VS）含量經(jīng)過熱水解處理后也顯著降低（見附錄A中的圖S2）。在140 ℃、160 ℃和180 ℃條件下，第一級熱水解市政污泥的平均TS去除率分別達到15.8%、21.2%和28.3%，VS去除率分別為26.0%、34.4%和45.8%。經(jīng)過兩級熱水解后，VS累計去除率達到36.6%、47.7%和58.5%。試驗結(jié)果表明，市政污泥經(jīng)熱水解處理后，有利于提高其脫水性能，實現(xiàn)污泥減量，促進有機物的溶解釋放并為后續(xù)發(fā)酵提供營養(yǎng)基質(zhì)。雖然市政污泥采用熱水解技術(shù)進行處理會增加污泥的處理成本和能量消耗，但考慮到在大規(guī)模工業(yè)化實踐中可以采用熱交換的方式回收能量降低能耗，以及市政污泥通過厭氧消化產(chǎn)沼氣也有望實現(xiàn)污泥處理過程的凈能量輸出，因此市政污泥熱水解技術(shù)仍具有較好的應(yīng)用前景[26]。

通過對市政污泥在不同熱水解條件下的TP、TN和NH4+-N的溶解和釋放效果進行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)140 ℃處理的第一級熱水解上清液具有最高的TP含量，濃度達到52.5 mg·L-1（見附錄A中的表S2）。前期的研究發(fā)現(xiàn)，污泥熱水解上清液中TP的濃度可以高達500 mg·L-1，遠高于本試驗中污泥熱水解上清液中TP的釋放量[32]。在140 ℃下，經(jīng)過兩級熱水解后，市政污泥只有4.5%的TP被溶解釋放到熱水解上清液，與前期的研究結(jié)果，即熱水解后污泥中的TP溶解率僅為1.5%相似[33]。有趣的是，與TOC濃度隨熱水解溫度升高而釋放效率提升的趨勢不同，TP的釋放效率隨著熱水解溫度的升高而降低。Brooks [34]在研究污泥熱水解時注意到TP的釋放效率也具有類似的趨勢，即當污泥熱水解溫度超過130 ℃時，溶解性TP的濃度降低。市政污泥TP的釋放率較低可能是由于熱水解過程中磷酸鹽與鈣和鎂發(fā)生了沉淀[33,35]。對于市政污泥N元素的釋放情況，隨著熱水解溫度的升高，熱水解上清液中TN和NH4+-N的濃度明顯升高（p＜ 0.05）。在第一級熱水解時，當熱水解溫度從140 ℃升高到180 ℃時，第一級熱水解上清液的TN濃度從1585 mg·L-1增加到2812 mg·L-1。經(jīng)過兩級熱水解后，市政污泥在140 ℃、160 ℃和180 ℃條件下的累積TN轉(zhuǎn)化率分別達到53.8%、71.5%和84.2%。污泥熱水解上清液中NH4+-N的濃度隨熱水解溫度的升高而不斷上升的主要原因是蛋白質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，180 ℃時的污泥熱水解上清液中蛋白質(zhì)的濃度（3272 mg·L-1）低于160 ℃時的蛋白質(zhì)濃度（4084 mg·L-1）也進一步證實了這一分析。

3.2. 污泥熱水解上清液的化學特性

在熱水解過程中，市政污泥的微生物細胞、胞外多聚物（EPS）以及其他有機物被降解成可溶性的生物大分子。如圖2所示，在熱水解過程中，市政污泥的大分子物質(zhì)，如多糖、蛋白質(zhì)和腐殖酸類物質(zhì)溶解釋放到熱水解上清液中。在140 ℃、160 ℃和180 ℃的熱水解條件下，第一級熱水解上清液的多糖濃度分別達到1741 mg·L-1、2117 mg·L-1和1672 mg·L-1。與多糖類似，熱水解上清液中蛋白質(zhì)的濃度也在160 ℃熱水解時達到最高（4084 mg·L-1）。市政污泥熱水解時釋放到水解液中的可溶性有機物，如多糖和蛋白質(zhì)等為微生物的生長提供了營養(yǎng)基質(zhì)[36,37]。與兩級熱水解時總有機物釋放趨勢一致，第二級熱水解時的可溶性多糖和蛋白質(zhì)的濃度也較第一級熱水解時顯著降低。

圖2. 熱水解溫度和級數(shù)對市政污泥溶解性多糖、蛋白質(zhì)和腐殖酸類物質(zhì)的影響。

腐殖酸類物質(zhì)是具有脂肪族和芳香族結(jié)構(gòu)的一類物質(zhì)，其含有羰基、羧基、醇、烯醇、羥基和酚基等官能團[38]。通過市政污泥兩級熱水解試驗發(fā)現(xiàn)，腐殖酸類物質(zhì)的生成受溫度的影響較為顯著。尤其是在第一級熱水解時，隨著熱水解溫度從140 ℃升高到180 ℃，腐殖酸類物質(zhì)的濃度從2366 mg·L-1迅速增加到9323 mg·L-1，成為污泥熱水解上清液中的首要成分。此時，熱水解上清液呈黑色并伴有難聞的異味。隨著腐殖酸類物質(zhì)濃度的增加，多糖（p＜ 0.05）和蛋白質(zhì)（p＜ 0.05）的含量與160 ℃熱水解時相比顯著降低。這主要是由于市政污泥熱水解上清液中的多糖和蛋白質(zhì)會發(fā)生美拉德反應(yīng)，生成Amadori化合物或類黑素[10,14]。腐殖酸類物質(zhì)的可生化性較多糖和蛋白質(zhì)類有機物差。在較高溫度下獲得的熱水解產(chǎn)物，如腐殖酸類物質(zhì)和美拉德反應(yīng)產(chǎn)物很難被微生物轉(zhuǎn)化和利用。因此，當市政污泥熱水解溫度達到180 ℃時，熱水解上清液的可生化性降低，可能不利于后續(xù)的生物轉(zhuǎn)化。

市政污泥兩級熱水解上清液有機物的分子量分布如圖3所示。凝膠滲透色譜法的試驗結(jié)果表明，市政污泥熱水解上清液主要由分子量小于1 kDa的小分子物質(zhì)組成，其次是分子量在1～10 kDa之間的聚合物。與前期的研究相比，Vardon等[39]發(fā)現(xiàn)，厭氧污泥經(jīng)熱水解液化后，液相產(chǎn)物的分子量略大于本研究的市政污泥熱水解上清液，其分子量在10～40 kDa。在不同的熱水解溫度和級數(shù)下，市政污泥熱水解上清液的分子量分布差異不大，試驗結(jié)果表明，在140 ℃及以上溫度下，市政污泥中聚合物和大分子（如多糖和蛋白質(zhì)）之間的化學鍵即可以實現(xiàn)熱解聚。

3.3. 真菌發(fā)酵及菌絲纖維的產(chǎn)品性能

經(jīng)過140 ℃或更高溫度的熱水解處理后，市政污泥可實現(xiàn)生物滅菌。富含有機物的污泥熱水解上清液為有目的地通過純培養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)更有價值的產(chǎn)品提供了適宜的生長環(huán)境和培養(yǎng)底物。真菌菌絲是一種比厭氧消化產(chǎn)沼氣更有價值的生物質(zhì)基纖維材料，具有廣泛的用途。綜合考慮經(jīng)濟效益，本研究在厭氧消化前先將市政污泥熱水解上清液通過黑曲霉進行真菌發(fā)酵，回收高附加值的產(chǎn)品菌絲纖維。如圖4所示，黑曲霉在市政污泥熱水解上清液中成功地實現(xiàn)了增殖并形成菌絲球。黑曲霉在140 ℃和160 ℃的第一級熱水解上清液中發(fā)酵時，菌絲纖維的得率最高。發(fā)酵7 d后，140 ℃和160 ℃的第一級熱水解上清液的生物量分別達到1.30 g·L-1和1.27 g·L-1，熱水解上清液有機物的轉(zhuǎn)化率分別為24.6%和24.0%。盡管在180 ℃的熱水解條件下，市政污泥熱水解上清液有機物的含量遠高于140 ℃熱水解時熱水解上清液的有機物含量，但180 ℃的第一級熱水解上清液真菌發(fā)酵的生物量卻顯著降低（p＜ 0.05）。這可能主要是由于 180 ℃的第一級熱水解上清液含有較高的腐殖酸類物質(zhì)，從而抑制了真菌的增殖。試驗結(jié)果表明，市政污泥熱水解上清液的組成往往對真菌發(fā)酵具有重要影響，當熱水解溫度高于180 ℃時將不利于黑曲霉的發(fā)酵增殖。對于市政污泥第二級熱水解上清液（140 ℃和160 ℃），雖然由于其有機物的含量降低，真菌發(fā)酵后的生物量也顯著降低（p＜ 0.05），但熱水解上清液有機物的轉(zhuǎn)化率仍超過20%。140 ℃和160 ℃的第一級污泥熱水解上清液的真菌發(fā)酵生物量分別為0.87 g·g-1（即去除每克有機碳產(chǎn)生的真菌生物量）和0.69 g·g-1。如附錄A中的圖S3所示，在相同的培養(yǎng)條件下，采用葡萄糖和蛋白胨（真菌發(fā)酵更為理想的基質(zhì)）作為培養(yǎng)基進行真菌發(fā)酵時，菌絲纖維的生物量濃度達到2.08 g·L-1，產(chǎn)率為0.90 g·g-1。市政污泥熱水解上清液真菌發(fā)酵的生物量可達到葡萄糖-蛋白胨培養(yǎng)基發(fā)酵時生物量的60%以上。這表明市政污泥通過熱水解處理后進行真菌發(fā)酵產(chǎn)真菌菌絲纖維是將低品質(zhì)有機物轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品的資源化策略。

在真菌發(fā)酵過程中，真菌菌絲從約1 mm的小顆粒逐漸增殖到直徑為3～5 mm的菌絲球顆粒（圖5）。通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，菌絲球顆粒由菌絲纖維相互纏繞形成緊密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好和比表面積大等特點。真菌發(fā)酵回收的菌絲可以作為前驅(qū)體制備高附加值的生物質(zhì)基材料，包括菌絲纖維紙、包裝材料、填充材料和碳纖維。如圖5（e）、（f）所示，市政污泥熱水解上清液真菌發(fā)酵回收的菌絲纖維經(jīng)采用傳統(tǒng)的造紙工藝進行疏解、抄造、壓榨和干燥后可以制備成真菌菌絲紙張（見圖S4）。菌絲纖維紙具有致密的纖維結(jié)構(gòu)（見圖S5），在菌絲纖維紙定量為104.2 g·m-2時，其物理特性如表S3所示。菌絲纖維紙具有與用傳統(tǒng)木質(zhì)纖維素抄造的紙張相似的力學性能，菌絲纖維紙的環(huán)壓強度為2.59 N·m·g-1、抗張強度為10.75 N·m·g-1。菌絲纖維紙可以彎曲折疊，表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能。通過改變菌絲纖維的用量，可以控制纖維產(chǎn)品的厚度，滿足不同紙張或填充材料的生產(chǎn)需要。通過真菌發(fā)酵將市政污泥中的有機物生物合成并制備的高附加值產(chǎn)品具有環(huán)境友好的優(yōu)點。此外，菌絲纖維除了可以制備紙基材料外，還可以作為富N前驅(qū)體用于制備更高附加值的N摻雜電極材料 [22]。

圖4. 不同熱水解溫度和級數(shù)條件下獲取的污泥熱水解上清液經(jīng)7 d真菌發(fā)酵后的性能。（a）不同熱水解上清液真菌菌絲球團生長狀態(tài)；（b）不同熱水解上清液真菌發(fā)酵黑曲霉的生物量。真菌培養(yǎng)：采用錐形瓶在28 ℃和150 r·min-1條件下培養(yǎng)7 d。（b）圖中誤差棒上方不同的小寫字母表明不同處理之間的顯著性差異（p ＜ 0.05）。

圖5. 市政污泥熱水解上清液真菌發(fā)酵后回收的菌絲纖維及利用其制備的紙基材料的形態(tài)。（a）、（b）通過SEM觀察到的真菌菌絲顆粒；（c）、（d）真菌菌絲的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的SEM圖；（e）真菌菌絲的懸浮液；（f）由菌絲纖維制成的不同厚度的菌絲紙品。

市政污泥熱水解上清液經(jīng)真菌發(fā)酵產(chǎn)菌絲纖維后，利用剩余真菌發(fā)酵液進行厭氧消化產(chǎn)沼氣。140 ℃、160 ℃和180 ℃熱水解—真菌發(fā)酵后的發(fā)酵液的累計沼氣產(chǎn)率分別為每克COD回收 302.9 mL、312.3 mL和298.1 mL（見表S4）。對于160 ℃熱水解的一級污泥熱水解上清液經(jīng)過真菌發(fā)酵（24.1%）和厭氧消化（51.4%）兩級生物處理后，熱水解上清液總有機物的利用率超過75%（見圖S6）。試驗結(jié)果表明，采用熱水解—真菌發(fā)酵—厭氧消化的污泥處理策略可以有效地實現(xiàn)污泥減量化和低品位有機物的高附加值資源化利用。如圖S6所示，160 ℃的第一級污泥熱水解上清液經(jīng)兩級生物轉(zhuǎn)化可回收菌絲纖維14.32 g·kg-1和沼氣62.5 L·kg-1（約48.0 g·kg-1）。雖然同等條件下采用單獨厭氧消化可以回收更多的沼氣[78.1 L·kg-1（約60.0 g·kg-1）]，但在厭氧消化前，通過真菌發(fā)酵回收菌絲纖維可以制成附加值更高的菌絲纖維產(chǎn)品，如紙基材料（約20美元·kg-1）或高質(zhì)量碳纖維（約70美元·kg-1），其市場價值遠高于甲烷（＜ 0.2美元·kg-1）。以處理1000 kg濕的市政污泥（含水率80%）為例，采用熱水解上清液真菌發(fā)酵耦合厭氧消化預(yù)計可獲得菌絲纖維2.86 kg、甲烷9.6 kg（約70%沼氣），而采用厭氧消化只能獲得甲烷12.0 kg（約70%沼氣）。試驗結(jié)果及經(jīng)濟效益估算顯示，真菌發(fā)酵耦合厭氧消化工藝回收的產(chǎn)品效益預(yù)計可高達58.54美元·t-1，遠高于厭氧消化產(chǎn)沼氣的收益（1.68美元·t-1）。我們后續(xù)的研究將進一步考察該市政污泥處理策略長期運行的穩(wěn)定性及資源回收的綜合成本效益。

3.4. 熱水解污泥的理化特性及其脫水性能

市政污泥經(jīng)兩級熱水解后，固相產(chǎn)物的有機元素組成特性如圖S7所示。在兩級熱水解過程中，市政污泥的C、H、N、S和O等有機元素含量幾乎全部下降，而灰分含量則不斷增加[14]。在160 ℃的熱水解條件下，市政污泥經(jīng)第一級熱水解后灰分含量從41.5%增加到51.3%，經(jīng)第二級熱水解后，灰分含量進一步升高到56.2%。隨著熱水解溫度的升高，揮發(fā)分和有機元素含量的減量速率加快。前期的一項研究表明，H/C和O/C值可以反映市政污泥熱水解過程中的反應(yīng)路徑[40,41]。在不同熱處理條件下，未經(jīng)熱水解處理的市政污泥與熱水解后的市政污泥的H/C值均在2.0附近，熱水解過程對其并沒有太大的影響。與H/C值相比，在140 ℃、160 ℃和180 ℃的熱水解條件下，第一級熱水解市政污泥殘渣的O/C值分別從0.45（原市政污泥）下降到0.41、0.41和0.32。O/C值降低主要歸因于熱水解處理過程中發(fā)生了脫羧反應(yīng)[42]。試驗結(jié)果還表明，熱水解溫度越高（180 ℃），市政污泥脫羧反應(yīng)越明顯。

通過FTIR進一步研究了市政污泥熱水解后有機官能團的演化特性。如圖S8所示，3421 cm-1處對應(yīng)的是-OH 的特征吸收峰[43]。隨著熱水解溫度和級數(shù)增加，-OH的強度逐漸減弱，表明熱水解處理可以提高市政污泥的脫水性能。2922 cm-1和2852 cm-1處的兩個特征峰分別屬于亞甲基的不對稱和對稱-C-H伸縮振動[10]。污泥經(jīng)熱水解處理后，脂肪族的-CHx吸收峰強度較未經(jīng)熱水解處理的市政污泥的大。這一結(jié)果與Wang和Li [10]的研究結(jié)果一致，市政污泥經(jīng)熱水解處理后，脂肪族化合物的相對強度增強。1654 cm-1和1560 cm-1處的兩個特征峰分別對應(yīng)于酮和酰胺基中-C=O的拉伸振動與羧基中-C=O的不對稱伸縮振動[40]。市政污泥經(jīng)熱水解處理后，這兩個特征峰的相對強度下降，說明市政污泥在熱水解過程中發(fā)生了脫羧反應(yīng)。這也與市政污泥中O/C值的變化以及市政污泥液相產(chǎn)物中生成大量腐殖酸類物質(zhì)相一致。市政污泥經(jīng)過兩級熱水解處理后，1458 cm-1處的芳香C=C鍵強度和913 cm-1處的芳香C-H結(jié)構(gòu)強度不斷增強。這些變化表明，市政污泥在熱水解過程中，特別是在高溫和兩級熱水解處理后，發(fā)生了碳化和芳構(gòu)化[44]。1406 cm-1處是N-O的吸收峰，市政污泥經(jīng)熱水解處理后其相對強度降低[45]，這表明市政污泥細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)和氨基酸溶解釋放到了液相中。1032 cm-1附近的特征吸收峰歸屬于C-O-R（脂肪族的醚和醇）和-Si-O伸縮振動[40]。隨著熱水解溫度和級數(shù)的增加，其特征吸收峰變寬，這可能是由于在碳水化合物降解過程中，C-O-R官能團和灰分（含大量SiO2）的相對含量隨著市政污泥中揮發(fā)性有機物的溶解釋放而減少。

本研究比較了熱水解市政污泥在4000 r·min-1的條件下離心10 min后的TS含量以及體積的變化特性。如圖6所示，與未經(jīng)熱水解處理的原市政污泥脫水后的TS含量（13.4%）相比，經(jīng)過140 ℃、160 ℃和180 ℃熱水解處理和離心脫水后，第一級熱水解市政污泥的TS含量分別提高到16.7%、18.1%和18.9%。市政污泥經(jīng)熱水解處理后脫水性能顯著提高（p＜ 0.05）。相應(yīng)地，在140 ℃、160 ℃和180 ℃的條件下，離心后的熱水解市政污泥的體積減量率分別達到69.8%、72.8%和73.2%（見圖S9）。與未經(jīng)熱水解處理的原市政污泥體積減量率（51.9%）相比可知，熱水解處理可顯著提高市政污泥的體積減量效率（35%～41%）。當熱水解溫度高于160 ℃時，市政污泥的脫水性能和體積減量隨溫度的升高而降低，試驗結(jié)果表明，160 ℃可以滿足市政污泥脫水的要求。該研究結(jié)果與前期的研究結(jié)果相吻合，150 ℃是污泥實現(xiàn)有效脫水的臨界溫度[14]。對于經(jīng)熱水解和脫水處理后的剩余市政污泥，除了對其進行填埋處置外，還可以通過高固體厭氧消化將其轉(zhuǎn)化為沼氣，或通過堆肥轉(zhuǎn)化為生物固體肥料進行土地利用[46-48]。對于土地利用而言，熱水解后的市政污泥不需要進行額外的化學穩(wěn)定化處理?？偟膩碚f，160 ℃是市政污泥熱水解的最佳溫度，有助于改善市政污泥脫水性能和從市政污泥中回收有機質(zhì)資源。

4. 結(jié)論

本研究構(gòu)建了一種基于熱水解—真菌發(fā)酵—厭氧消化的新型市政污泥精煉策略，顯著改善了市政污泥的脫水性能以及實現(xiàn)了市政污泥的減量化和資源化。經(jīng)過160 ℃的兩級熱水解處理后，市政污泥的TVS去除率和TOC轉(zhuǎn)化率分別達到47.7%和38.0%。采用黑曲霉進行真菌發(fā)酵，能夠?qū)⑹姓勰酂崴馍锨逡杭s25%的有機物轉(zhuǎn)化為高附加值的菌絲纖維產(chǎn)品。菌絲纖維可以用于制備高附加值紙張，該紙張具有緊密的結(jié)構(gòu)和良好的力學性能。采用真菌發(fā)酵產(chǎn)菌絲纖維耦合厭氧消化產(chǎn)沼氣的兩級生物處理，市政污泥熱水解上清液有機物的總體利用率超過75%，其潛在的經(jīng)濟效益遠高于單獨厭氧消化產(chǎn)沼氣的效益。本研究將熱水解與真菌發(fā)酵技術(shù)相結(jié)合，為市政污泥的處理提供了一種新的方法，實現(xiàn)了市政污泥的高效減量和有機物的高附加值資源化開發(fā)。

圖6. 熱水解污泥經(jīng)過離心脫水后殘渣的固體含量。圖中誤差棒上方不同的小寫字母表明不同處理之間的顯著性差異（p ＜ 0.05）。

致謝

本研究得到了深圳市科技創(chuàng)新委員會（JCYJ20170307153821435、JCYJ20180508152004176）、國家自然科學基金（51678333）、香港研究資助局（17261916、T21-711/16R）以及深圳市發(fā)展和改革委員會（城市水循環(huán)與水環(huán)境安全學科建設(shè)）的支持。

Compliance with ethics guidelines

Jia-jin Liang, Bing Li, Lei Wen, Ruo-hong Li , Xiaoyan Li declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

Appendix A. Supplementary data

Supplementary data to this article can be found online at https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.09.002.