污泥協(xié)同消化微生物的研究進展*

鄭琳珂，戴曉虎

(同濟大學(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)用的有機廢物處理方式，可以實現(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，因為它們含有高含量的易生物降解材料[2]。這種復(fù)雜的生物過程將有機物轉(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，可以用來增強具有某些特征的廢物的厭氧降解[6]。協(xié)同消化的優(yōu)點包括創(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)控機理。

2.1 有機負(fù)荷

有機負(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，且微生物的代謝強度有所增強[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。有機超載后，氫營養(yǎng)型甲烷菌(Methanospirillumhungatei和Methanoculleuscontaculi)變得更加優(yōu)勢[27]。有機負(fù)荷提高后，由于VFA降解的氫氣可用性增加，有機沖擊負(fù)荷引發(fā)富氫甲烷生成，高進料負(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，因為pH處于中性水平并且在有機超載幾周后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行協(xié)同消化，實驗結(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。最大有機負(fù)荷的研究進一步證實嗜熱系統(tǒng)可以承受比中溫條件下更高的進料有機負(fù)荷，這也得到了Bayrand Rintala的證實[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)備運行維護費用高，有待進一步研究。

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。污泥與有機廢棄物進行協(xié)同消化對于提高處理負(fù)荷、有機質(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)。