厭氧消化（AD）是一種可將廢物轉(zhuǎn)化為生物能源的技術(shù)。污泥中含有大量的有機(jī)物，是一種典型的生物質(zhì)資源，采用AD對(duì)污泥進(jìn)行處理，在減量污泥的同時(shí)可以產(chǎn)生沼氣，因此可達(dá)到碳減排的效果，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國的雙碳目標(biāo)意義重大。

傳統(tǒng)的中溫厭氧消化（MAD）水解速度較慢，使得產(chǎn)氣速率較低，從而導(dǎo)致MAD在實(shí)際工程應(yīng)用中體積較大。與MAD相比，高溫厭氧消化（TAD）被認(rèn)為可通過加速污泥水解來提高產(chǎn)氣量，但其缺點(diǎn)是需要更大的能耗，這在一定程度上限制了TAD在工程上的應(yīng)用。因此，TAD提高的沼氣量與系統(tǒng)所需能耗之間是否平衡決定了其推廣應(yīng)用是否可能。鑒于此，筆者設(shè)計(jì)了不同負(fù)荷下污泥中溫和高溫厭氧消化連續(xù)反應(yīng)器，研究溫度及負(fù)荷對(duì)污泥厭氧消化的產(chǎn)氣性能、水解性能及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，并對(duì)系統(tǒng)能量供耗進(jìn)行核算，以期為污泥TAD在工程上的應(yīng)用提供參考。

1、材料與方法

1.1 污泥來源及性質(zhì)

試驗(yàn)采用西安市某污水處理廠奧貝爾氧化溝剩余污泥經(jīng)離心壓濾后的脫水污泥，該廠奧貝爾氧化溝工藝部分的污泥停留時(shí)間（SRT）為18~20d，是典型的長泥齡污泥。試驗(yàn)開始前，采用脫水污泥調(diào)制含固率為4%和8%的污泥并將其保存在4℃環(huán)境中，將含固率為4%的污泥作為試驗(yàn)啟動(dòng)階段基質(zhì)，含固率為8%的污泥作為反應(yīng)器運(yùn)行階段Ⅰ和Ⅱ的試驗(yàn)污泥。污泥的理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)裝置及啟動(dòng)運(yùn)行方法

AD裝置如圖1所示。AD反應(yīng)器為1L的玻璃瓶，工作體積為0.6L。使用集熱式恒溫加熱磁力攪拌器分別將MAD系統(tǒng)和TAD系統(tǒng)控制在中溫（36±1）℃和高溫（52±1）℃條件下。采用排水法（6%的NaOH溶液）計(jì)算每日產(chǎn)甲烷量，采用抽填法進(jìn)行AD系統(tǒng)每日的進(jìn)樣和出樣。

試驗(yàn)共運(yùn)行130d，在開始之前接種污泥，并在低OLR下啟動(dòng)AD系統(tǒng)，控制SRT為30d，運(yùn)行10d；然后將OLR提高至1.79g/（L·d），縮短SRT至24d，運(yùn)行50d；然后繼續(xù)縮短SRT至15d，以提高OLR至2.87g/（L·d），運(yùn)行70d。

1.3 分析項(xiàng)目與方法

沼氣產(chǎn)量采用排水法測定；氣體組分占比采用氣相色譜法（Agilent6890N，TCD，TDX-01）分析，每5d測定1次。消化液的性質(zhì)每5d測定1次，pH采用雷磁pH計(jì)測定，TS和VS采用標(biāo)準(zhǔn)重量法測定，TAN、TCOD、溶解性COD（SCOD）和TN濃度均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定，游離氨（FAN）濃度通過式（1）計(jì)算得到，VS降解率按照Koch的方法計(jì)算。將消化液在10000r/min下離心10min后經(jīng)0.22μm膜過濾，采用甲酸調(diào)pH至2.0，然后采用氣相色譜法（Agilent6890N，FID）測定揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)將消化液送至生工生物工程（上海）股份有限公司進(jìn)行細(xì)菌和古菌群落的高通量測序。

2、結(jié)果與討論

2.1 不同負(fù)荷下AD系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行性能

2.1.1 產(chǎn)氣性能

不同階段MAD和TAD系統(tǒng)的單位容積產(chǎn)甲烷速率、產(chǎn)甲烷占比及VS降解率如圖2所示。

由圖2可知，在啟動(dòng)階段，MAD和TAD系統(tǒng)的單位容積產(chǎn)甲烷速率接近，均保持在50mL/（L·d）左右。提高有機(jī)負(fù)荷到階段Ⅰ后，MAD系統(tǒng)的單位容積產(chǎn)甲烷速率接近70mL/（L·d），而TAD系統(tǒng)高達(dá)254.7mL/（L·d），是MAD的3.7倍。進(jìn)一步提高有機(jī)負(fù)荷到階段Ⅱ時(shí)，MAD和TAD系統(tǒng)的單位容積產(chǎn)甲烷速率分別為147.0和419.5mL/（L·d），分別為階段Ⅰ的2.1倍和1.6倍。因此，提高AD系統(tǒng)的溫度和有機(jī)負(fù)荷均會(huì)明顯提高產(chǎn)甲烷量。

在污泥含固率為8%的條件下，TAD與MAD系統(tǒng)的平均VS降解率分別為33.9%和22.3%。雖然兩個(gè)系統(tǒng)的VS降解率均未滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）中對(duì)厭氧消化技術(shù)有機(jī)物降解率需大于40%的穩(wěn)定化要求，但整個(gè)運(yùn)行過程中TAD系統(tǒng)的VS降解率均明顯高于MAD系統(tǒng)，TAD與MAD系統(tǒng)的VS降解率變化范圍分別為30%~41%和17%~30%。

此外，圖2顯示，TAD系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣中甲烷占比略高于MAD系統(tǒng)，且對(duì)產(chǎn)甲烷占比進(jìn)行方差計(jì)算可知，MAD系統(tǒng)的方差（δ）為245.5，而TAD系統(tǒng)的δ為4.7，因此TAD系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷占比相對(duì)穩(wěn)定。在階段Ⅰ的前25d，兩個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷占比均有較大的波動(dòng)，而在后25d中MAD系統(tǒng)基本穩(wěn)定在55%左右，TAD則穩(wěn)定在57%左右。提高有機(jī)負(fù)荷后MAD和TAD系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷占比分別提升到57%和59%。

綜上，TAD系統(tǒng)的單位容積產(chǎn)甲烷速率及產(chǎn)甲烷占比均高于MAD系統(tǒng)，且變化幅度較小，表明TAD系統(tǒng)的產(chǎn)沼氣性能優(yōu)于MAD系統(tǒng)。

2.1.2 水解性能

MAD和TAD系統(tǒng)在不同負(fù)荷下運(yùn)行的水解指標(biāo)歷時(shí)變化見圖3。圖3（a）和（b）為VFAs組分的歷時(shí)變化，可以看出，啟動(dòng)階段MAD系統(tǒng)的VFAs組分以乙酸為主，而TAD系統(tǒng)開始出現(xiàn)了丙酸積累。提高負(fù)荷后的階段Ⅰ，TAD系統(tǒng)中丙酸積累更加明顯，濃度高達(dá)419.9mg/L。再次提高負(fù)荷的階段Ⅱ，兩個(gè)系統(tǒng)均以乙酸為主，其次為少量的丙酸。

圖3（c）為MAD和TAD系統(tǒng)的SCOD及VFAs濃度的歷時(shí)變化。可以看出，TAD系統(tǒng)的SCOD濃度及波動(dòng)均較MAD系統(tǒng)要大，但是兩個(gè)系統(tǒng)的VFAs濃度卻相差不大，說明TAD系統(tǒng)中產(chǎn)生了一定量的非揮發(fā)性有機(jī)物。在階段Ⅰ中，MAD系統(tǒng)的SCOD濃度從1759.6mg/L下降并穩(wěn)定在600mg/L左右，而TAD系統(tǒng)的SCOD濃度則從2999.2mg/L增加到3613.9mg/L。提高負(fù)荷至階段Ⅱ后，MAD系統(tǒng)的SCOD濃度沒有明顯的增加，平均濃度為700mg/L，而TAD系統(tǒng)的SCOD及VFAs均有增加，SCOD濃度在85d時(shí)達(dá)到了最高值（5161.3mg/L），這也為TAD系統(tǒng)在階段Ⅱ產(chǎn)氣提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3（d）為MAD與TAD系統(tǒng)的pH、TAN及FAN濃度的歷時(shí)變化。可以看出，整個(gè)運(yùn)行過程中TAD系統(tǒng)的pH、TAN及FAN濃度均高于MAD系統(tǒng)，階段Ⅱ的波動(dòng)較階段Ⅰ明顯。pH是AD系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)境因素，在本試驗(yàn)中，啟動(dòng)階段MAD及TAD系統(tǒng)的pH分別在7.06~7.58和7.43~7.88范圍波動(dòng)，未超出文獻(xiàn)報(bào)道的pH抑制產(chǎn)氣范圍。此外，MAD系統(tǒng)的TAN濃度在啟動(dòng)階段從1044.5mg/L減少到827.5mg/L，然后在階段Ⅰ穩(wěn)定在810.0mg/L左右，但在階段Ⅱ時(shí)波動(dòng)變大，最高濃度達(dá)到了1088.9mg/L；而TAD系統(tǒng)的TAN濃度在整個(gè)運(yùn)行階段內(nèi)呈上升趨勢，變化范圍為994.0~1800.8mg/L。至于FAN濃度，MAD系統(tǒng)在運(yùn)行期間均穩(wěn)定在20mg/L左右，而TAD系統(tǒng)的FAN平均濃度為198.2mg/L，是MAD系統(tǒng)的10倍左右，這是溫度變化所導(dǎo)致的�？偟膩碚f，MAD和TAD系統(tǒng)的氨濃度均未達(dá)到文獻(xiàn)中所報(bào)道的氨抑制閾值。

2.2 微生物群落分析

2.2.1 微生物多樣性

表2所示為MAD及TAD系統(tǒng)中微生物的α多樣性指數(shù)。其中Chao、ACE和Shannon指數(shù)與微生物多樣性呈正相關(guān)，而Simpson指數(shù)與微生物多樣性呈負(fù)相關(guān)。從表2可以看出，MAD系統(tǒng)中的序列數(shù)是TAD系統(tǒng)的1.28倍，并且其Chao、Shannon及ACE指數(shù)均大于TAD系統(tǒng)，而Simpson指數(shù)小于TAD系統(tǒng)。由此可見，MAD系統(tǒng)中的微生物多樣性高于TAD系統(tǒng)。

2.2.2 微生物群落相對(duì)豐度

眾所周知，在污泥厭氧消化中微生物群落起到了至關(guān)重要的作用，連續(xù)反應(yīng)結(jié)束時(shí)MAD和TAD系統(tǒng)中微生物群落在屬水平上的相對(duì)豐度見圖4。

從圖4（a）可以看出，除相對(duì)豐度<1%的屬水平細(xì)菌（Other）外，MAD和TAD系統(tǒng)中的優(yōu)勢細(xì)菌屬存在較大的差異。MAD系統(tǒng)中屬水平上的優(yōu)勢細(xì)菌屬分別為Unclassified_Bacteroidales（10.44%）、Parcubacteria_genera_incertae_sedis（5.06%）以及Unclassified_Sphingobacteriales（4.83%）。Unclassified_Sphingobacteriales屬于Sphingobacteriia，其可以降解復(fù)雜大分子有機(jī)物，例如蛋白質(zhì)和碳水化合物等。TAD系統(tǒng)中屬水平上相對(duì)豐度最高的細(xì)菌為Unclassified_Firmicutes（29.72%），是厭氧消化系統(tǒng)中常見的細(xì)菌，在丁酸等VFAs的降解過程中起著重要的作用。此外，高溫菌Unclassified_Clostridia在TAD系統(tǒng)中的相對(duì)豐度也高達(dá)13.56%，其被報(bào)道是一種常見的能夠降解蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和聚合碳水化合物的高溫菌。

從圖4（b）可以看出，MAD與TAD系統(tǒng)中的古菌群落存在明顯區(qū)別。Methanothrix在MAD系統(tǒng)中的相對(duì)豐度高達(dá)56.9%，為MAD系統(tǒng)的優(yōu)勢古菌屬，其以乙酸作為產(chǎn)甲烷基質(zhì)。而TAD系統(tǒng)中的優(yōu)勢古菌屬為Methanosarcina（56.4%），其作為AD系統(tǒng)中常見的多功能產(chǎn)甲烷古菌，可以利用H2/CO2、乙酸、甲醇、甲胺等基質(zhì)產(chǎn)甲烷，且有文獻(xiàn)報(bào)道稱，Methanosarcina可在較大的溫度范圍內(nèi)生長，并且對(duì)環(huán)境pH的接受范圍較大，因此可以在高溫中保持較高豐度。此外，Methanobacterium（28.0%）也是TAD系統(tǒng)中的優(yōu)勢古菌屬，該菌是一種氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌，可利用H2和CO2作為產(chǎn)甲烷基質(zhì)，其在MAD系統(tǒng)中未被發(fā)現(xiàn)。

綜上可知，溫度提高導(dǎo)致AD系統(tǒng)中優(yōu)勢菌群豐度發(fā)生了變化，這與溫度所導(dǎo)致的AD系統(tǒng)中pH、TAN及VFAs等環(huán)境條件和基質(zhì)條件變化相關(guān)。

2.3 能量衡算

為了初步評(píng)價(jià)工藝能耗及產(chǎn)氣能源回收，本研究對(duì)連續(xù)試驗(yàn)進(jìn)行能量衡算。污泥厭氧消化系統(tǒng)的能耗主要包括將污泥從環(huán)境溫度加熱到反應(yīng)溫度并維持所需要的能耗，而產(chǎn)能則是由系統(tǒng)最終產(chǎn)甲烷的量來決定。具體計(jì)算方法見式（2）~（5）。

式中：Ei，P為污泥加熱所需的熱能，kJ/d；Ei，E為污泥加熱所需的電能，kJ/d；ρ為污泥密度，取1.04kg/L；Q為污泥量，m3/d；γ為污泥比熱容，含固率為8%的污泥比熱容取4.0kJ/（kg·℃）；t1為環(huán)境溫度，取西安市年平均溫度15℃；t2為厭氧消化系統(tǒng)所需的溫度，℃；k為熱損失系數(shù)，取8%；θ為輸送污泥泵的電能消耗，取1.8×103kJ/m3；V為處理污泥體積，取0.6L；ω為攪拌消耗的電能，取3.0×102kJ/（m3·d）；Eo，P為污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷回收的能量，kJ/d；PCH4為產(chǎn)甲烷體積，L；H為甲烷最低燃燒值，取35.8kJ/L；ηm為轉(zhuǎn)化效率，取90%。

計(jì)算結(jié)果見表3�？芍�，TAD系統(tǒng)的凈能量高于MAD系統(tǒng)，提高負(fù)荷后MAD系統(tǒng)的凈能量減少而TAD系統(tǒng)的凈能量增加。就耗能情況來看，在階段Ⅰ中，MAD系統(tǒng)的總能耗為2.59kJ/d，TAD系統(tǒng)則需要4.39kJ/d的能耗來維持更高的反應(yīng)溫度。同樣，在階段Ⅱ中，MAD與TAD系統(tǒng)的能耗也分別提升到了4.02和6.90kJ/d。然而，產(chǎn)能方面，TAD系統(tǒng)與MAD系統(tǒng)相比，不同的運(yùn)行階段均產(chǎn)生了更多甲烷量，因此也產(chǎn)生了更多可回收的能量�？傊�，整個(gè)運(yùn)行階段MAD和TAD系統(tǒng)的凈能量分別為-3.26、1.13kJ/d，TAD系統(tǒng)可以能量自給，而MAD系統(tǒng)尚需要額外的能量輸入。

3、結(jié)論

①TAD系統(tǒng)的單位容積產(chǎn)甲烷速率高于MAD系統(tǒng)，最高可達(dá)608.3mL/（L·d）；相同負(fù)荷下TAD系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷占比高于MAD系統(tǒng)，且波動(dòng)較MAD系統(tǒng)的要小。②MAD與TAD系統(tǒng)的水解指標(biāo)波動(dòng)相似，但TAD系統(tǒng)的pH、TAN、FAN及SCOD濃度均明顯高于MAD系統(tǒng)。高溫會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌及古菌群落的多樣性減少，細(xì)菌的優(yōu)勢菌屬豐度發(fā)生變化，古菌的優(yōu)勢菌屬從Methanothrix演變?yōu)?/span>Methanosarcina。

③TAD系統(tǒng)在不同負(fù)荷下運(yùn)行均可滿足能量自給，而MAD系統(tǒng)還需要額外的能量輸入，因此，從系統(tǒng)能量收支角度看，TAD更有優(yōu)勢。（來源：中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院）