低溫厭氧消化廢水處理的現(xiàn)狀及展望

王興富，王 堯

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042）

低溫厭氧消化作為一種初期的生物處理技術(shù)，相對于常規(guī)需氧和厭氧工程，是更有吸引力的另類選擇。從處理廢水和生成生物能源方面來說，低溫厭氧消化生成甲烷的工程系統(tǒng)早已駕輕就熟。在實驗室和中試規(guī)模，以低溫厭氧消化技術(shù)處理下水道污水和來自啤酒廠、食品廠、制藥廠的工業(yè)廢水，并生成甲烷的實驗都已經(jīng)取得了成功。當下，結(jié)合生物工程、生理學(xué)和分子生物數(shù)據(jù)庫建立一種整體的多相途徑，是低溫厭氧消化概念至關(guān)重要的發(fā)展方向。

1 厭氧消化的研究進展

1.1 厭氧消化的原理及優(yōu)勢

全球約20 億人口缺乏足夠的公共設(shè)施來獲取凈水，凈水已經(jīng)成為當下日益減少的資源，發(fā)展穩(wěn)定可持續(xù)的水資源基礎(chǔ)設(shè)施是全球面臨的挑戰(zhàn)。而常規(guī)的高速需氧廢水處理系統(tǒng)生成大量污泥、導(dǎo)致能量富集，需要更多的處理，這會增加能量足跡、CO2的釋放和生命循環(huán)損耗，不能夠有效地實現(xiàn)作為可持續(xù)凈水基礎(chǔ)設(shè)施、并滿足環(huán)境保護的需求。相對于常規(guī)需氧技術(shù)在處理緊急情況時技術(shù)低端、高耗能的性質(zhì)，高效的厭氧消化將是廢水處理領(lǐng)域的重大發(fā)展[1]。

厭氧消化的相對優(yōu)點包括：有機負載量高，反應(yīng)器數(shù)量少，有效降低污泥質(zhì)量，能生成有用燃料（生物甲烷氣體），生成衛(wèi)生學(xué)上穩(wěn)定無害的水，能使營養(yǎng)物質(zhì)恢復(fù)更加便利，并且已有一些該處理技術(shù)的報導(dǎo)被應(yīng)用[2]。

在厭氧消化中，龐大復(fù)雜的有機分子通過多種細菌(熱帶細菌和古生菌）的連續(xù)協(xié)調(diào)活動完成轉(zhuǎn)化，催化活動過程如下：①水解；②成酸；③生成酮類；④生成甲烷[3]。由于厭氧消化中的很多反應(yīng)是在不利于熱力學(xué)標準的條件下進行的，因此來自脂肪酸、氨基酸和乙醇等化合物轉(zhuǎn)化成的甲烷的能源較低。而且生成甲烷的古生菌和生成乙酸的細菌之間的互養(yǎng)關(guān)系能夠進一步進化，使得能量只能在一定限制下恢復(fù)和生長[4]。

厭氧技術(shù)主要被應(yīng)用于處理成分相對簡單的廢水，比如農(nóng)產(chǎn)品和食物工業(yè)產(chǎn)生的廢水。在這些應(yīng)用中，高效厭氧消化反應(yīng)器在常溫(25 ℃～37 ℃)或適溫(45 ℃～60 ℃)運行能確保最佳微生物活動。厭氧消化屬于低能耗策略，非常適用于發(fā)展中國家的分散廢水處理，擴展厭氧消化的應(yīng)用范圍具有廣闊前景。

1.2 低溫條件下甲烷的生成

盡管細菌間的相互作用和生化途徑很難得到透徹研究，但已有許多報導(dǎo)證明，甲烷生成活動能夠在多種包括環(huán)北極和北極泥煤地、淡水沉淀物和高原水稻田在內(nèi)的多種低溫環(huán)境土壤中進行。最初低溫環(huán)境下的水解作用被視為是處于限速階段，而實質(zhì)上，降低溫度可以限制互養(yǎng)作用產(chǎn)生的不穩(wěn)定脂肪酸(VFA)降解所生成能量的增加，并且可以降低生成甲烷的基底提供者——產(chǎn)醋酸菌種的重要性，從而使水解作用在低溫環(huán)境下增速[5]。低溫環(huán)境最佳溫度處于15 ℃～25 ℃，最高溫度不超過30 ℃～35 ℃，使得一些活躍的生成醋酸的厭氧細菌被隔離，而依然能夠活躍生成甲烷的古生菌得以更好繁殖。

在以氫氣為主要部分的低壓平衡系統(tǒng)中，吸收氫氣營養(yǎng)培育出的甲烷菌，由于它們偏嗜氫氣，無論在自然條件還是在機械系統(tǒng)中，能夠具備比同型醋酸菌更強的競爭力[6]。

1.3 細菌對低溫環(huán)境的適應(yīng)性

為了適應(yīng)環(huán)境，微生物通過減少新陳代謝活動，在非最佳的條件下依然能正常生存，但會出現(xiàn)生物量階段延遲的現(xiàn)象?？紤]到這一因素，可以使用前適應(yīng)污泥培養(yǎng)液來增加微生物對有毒物質(zhì)的耐受能力[7]，加強處理效率，從而減少發(fā)動時間，增加整體過程消耗污泥的速率。

微生物能夠調(diào)整膜流動性、營養(yǎng)物質(zhì)運輸、轉(zhuǎn)錄、細胞分裂、蛋白質(zhì)折疊等幾乎所有細胞生物進程，以基因型和表型的改變來克服低溫環(huán)境的挑戰(zhàn)。其調(diào)整策略包括：改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，比如生成更多的構(gòu)型，結(jié)構(gòu)更加靈活和柔韌；改變細胞液的構(gòu)成，增加膜的流動性；合成“防凍劑”糖蛋白和縮氨酸，或合成“冷激”蛋白質(zhì)來維系正常蛋白質(zhì)的合成[8]。目前，研究者已經(jīng)能夠確認蛋白質(zhì)組提高的過程，這對于更好的理解分子對低溫厭氧條件的反應(yīng)非常重要[9]。

在工程系統(tǒng)中從群落水平上改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)后，延長嗜常溫接種生物在低溫條件下的培養(yǎng)，激發(fā)了真正喜寒的同族體應(yīng)對緊急突發(fā)低溫事件生成甲烷活動的屬性[10]，這顯示了喜寒微生物在適應(yīng)過程中的選擇性改進。一些作者認為，以基質(zhì)在低溫條件下的轉(zhuǎn)化速率計算，對低溫條件的適應(yīng)會導(dǎo)致生成甲烷的活動增強[11]。憑借對甲烷聯(lián)合蛋白質(zhì)組的提取和分析，蛋白質(zhì)組變化的應(yīng)用已經(jīng)能夠成功闡明在低溫厭氧消化中一些群體水平功能型的回應(yīng)。伴隨著功能型宏基因組、目標型宏基因組和原子間學(xué)的進步，未來可能會拓展出一個非常有趣又多產(chǎn)的研究“生態(tài)系統(tǒng)生物學(xué)”的空間[12]。

1.4 低溫厭氧消化反應(yīng)器

高效厭氧反應(yīng)器可以根據(jù)生物量保留的方式來區(qū)分，例如:以薄膜隔離延緩生長的系統(tǒng)(厭氧膜反應(yīng)器AMBR)；附加的生長系統(tǒng)(厭氧過濾器AF)；以粒狀污泥為基底的系統(tǒng)(擴展粒狀污泥基底反應(yīng)器EGSB)。如今，污泥固定式基底反應(yīng)器、粒狀反應(yīng)器和表面薄膜反應(yīng)器組合的混合反應(yīng)器也已經(jīng)被開發(fā)。這些反應(yīng)器能夠滿足短暫水力保留時間(1～48 h)和高效率有機負載(OLRS；達到100 kg 化學(xué)需氧量[COD]·m-3d-1)的應(yīng)用[1]。目前，應(yīng)用最廣泛的是粒狀污泥基底系統(tǒng)。

顆粒狀污泥基底系統(tǒng)的EGSB 型反應(yīng)器的配置，是在低溫厭氧消化發(fā)展中的一個里程碑。增加反應(yīng)器的高度和直徑比例以及更高效的廢水循環(huán)，可以加強生物量與基質(zhì)的接觸，克服質(zhì)量傳輸限制，同時保持較高水平的系統(tǒng)生物量。EGSB 型系統(tǒng)可以較好地完成高效廢水處理，即使對低濃度的廢水(<1 kgCOD·m-3d-1)和需要低溫處理的廢水(2 ℃～20 ℃)同樣有效。此外，高循環(huán)率能夠物理去除在反應(yīng)器的溶液中溶解的新陳代謝的氣體，并且低溫厭氧消化途徑顯示能獲得與常溫處理相同量的生物能[10]。

在低溫條件下既要保持厭氧顆粒健康、良好配置的條件，還要面對高上升氣流速度的存在（由于顆粒剪切的高潛能），在某種情況下可能會比較困難，而且可能限制到EGSB 系統(tǒng)的應(yīng)用。在搭配AF 厭氧過濾器的組合反應(yīng)器中，固定薄膜在固定基質(zhì)上生長，可以解決從污泥顆粒床上流失的生長緩慢的嗜冷生物質(zhì)能被捕捉和保留的生長問題。另外，膜輔助的物理性分離，可以支持污泥的滯留時間。AMBR 厭氧膜反應(yīng)器可以通過微濾或者超濾過程保證微生物生物量的保留。這種方法可以保證即使在高污泥濃度下，完整的生物質(zhì)的保留和運轉(zhuǎn)，而且AMBR 與低溫厭氧消化串聯(lián)應(yīng)用的可行性十分樂觀。最后，將生物質(zhì)單獨隔離的帶有擋板的厭氧反應(yīng)器，同樣也被證明了可以用于低溫厭氧消化，而且對于流速多變和高毒性的廢水特別有效[13]。

到目前為止，低溫厭氧消化的有效范圍非常廣泛，從簡單的污水到復(fù)雜頑固的工業(yè)廢水（揮發(fā)性脂肪酸、蔗糖、葡萄糖、食品、乳制品、啤酒、麥芽制造業(yè)、醫(yī)藥業(yè)、苯酚以及氯代酚類化合物廢水）都可以處理，這些實驗數(shù)據(jù)也已經(jīng)被實驗室和試點處理點證實，反應(yīng)速度為0.5～20 kg/m3，反應(yīng)時間為1.6～48 h。結(jié)果表明，高效低溫厭氧消化的全面應(yīng)用已經(jīng)近在咫尺。

2 前景及展望

2.1 低溫厭氧消化的理論缺陷

在過去10 年里，分子和微觀分析方法為自然條件下的厭氧生物膜群落，以及在低溫厭氧消化中的富甲烷生成菌團的局限和潛能提供了重要的新信息。此外，分子識別技術(shù)可以準確預(yù)測不穩(wěn)定的操作。一個整體的、多相性的生物監(jiān)測方法，已經(jīng)開始解開生態(tài)系統(tǒng)黑匣子的工程原理[14]。然而，這些問題大多數(shù)集中在解決甲烷的富營養(yǎng)化方面，而且那些多樣化的古生菌目前也并不是廣泛存在的。關(guān)于低溫厭氧消化更多生物方面、以及細菌調(diào)節(jié)過程的利用率和局限性，尤其是其水解過程方面的信息需求十分迫切，這也是全面應(yīng)用低溫厭氧消化成功治理各種范圍和類型廢水的關(guān)鍵。

2.2 低溫厭氧消化面臨的機遇

最近，這個問題已經(jīng)取得了重大的突破。例如，Werner 等人強調(diào)了深度測序的潛能，可以克服識別方法的局限性，并且有助于揭示厭氧消化中細菌群落的本質(zhì)[17]。據(jù)其研究報道，在9 種不同規(guī)模的常溫厭氧消化設(shè)備中的菌團都非常穩(wěn)定和獨特(機器學(xué)習(xí)可以以高于96%的準確度預(yù)測這些生物的起源)。最重要的是，關(guān)鍵的性能變量與菌群的結(jié)構(gòu)相關(guān)[15]。最近，宏基因組的測試，也幫助人們更好地了解了一系列潛在的細菌在甲烷系統(tǒng)中的互養(yǎng)作用。在未來，將深度測序或宏基因組學(xué)與功能性的“經(jīng)濟”方法結(jié)合起來研究，比如代謝物組學(xué)、宏蛋白組學(xué)和數(shù)學(xué)模型[16]，即使是復(fù)雜的厭氧消化聯(lián)合系統(tǒng)和菌團結(jié)構(gòu)中的代謝過程的各種問題都可以得到很好的解決。通過如此強大的生態(tài)水平上的信息，環(huán)保工程師運用優(yōu)良的厭氧消化系統(tǒng)處理廢水將指日可待。

2.3 低溫厭氧消化的發(fā)展方向

厭氧消化和低溫厭氧消化系統(tǒng)可能需要后處理流程除去頑固的、礦化的化合物(例如NH4+，S2-)和殘余的有機物，以確保能達到環(huán)保標準[2]。通過這一方法，在微生物反應(yīng)器中，還可以額外獲得一個潛在的有趣技術(shù)，即微生物燃料電池(MFC)或者說是微生物電化學(xué),能夠輔助微生物反應(yīng)器(BEAMR)。在這個反應(yīng)器中，剩余的揮發(fā)性脂肪酸VFA 可以轉(zhuǎn)化為電能，進而高效轉(zhuǎn)化為氫氣。這些系統(tǒng)已經(jīng)證實了在實驗室規(guī)模下，成功使用厭氧消化器在低溫條件下對廢水后處理也是可行的[17]。

低溫厭氧消化同樣也提出了一個潛在的生物處理廢水的概念。例如，在雙相低溫厭氧消化系統(tǒng)中包含一個低溫混合培養(yǎng)發(fā)酵的過程，然后再生成甲烷。這種方法可以為VFA 或者氫氣的工業(yè)生產(chǎn)提供一個具有成本效益的廢水處理工藝。例如，VFA 是生產(chǎn)生物可降解塑料這類高附加值產(chǎn)品的理想原料。

3 結(jié)論

厭氧消化作為一項綠色科技，處理后的廢水能夠滿足可持續(xù)發(fā)展環(huán)境保護標準要求，還能夠從有機廢水中得到可再生能源、有價值的副產(chǎn)品以及營養(yǎng)物質(zhì)。這種生物方法處理廢水的概念有可能從根本上改變廢水處理過程中的經(jīng)濟效益問題，并對全球可持續(xù)性的水資源基礎(chǔ)設(shè)施做出巨大貢獻。在未來，一個綜合性的、多學(xué)科性的調(diào)查報告將會幫助人們認識到厭氧消化系統(tǒng)的遠大前景。

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