不同劑量臭氧預(yù)處理污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷效果評(píng)價(jià)?

王太恒， 陳彩霞， 王旭東， 李先國， 張大海

(中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 山東 青島 266100)

隨著人口的不斷增長和城市化進(jìn)程的不斷加快，城市污水的排放量越來越多，污泥的產(chǎn)量也隨之增多，到2018年，中國污泥總產(chǎn)量已達(dá)到5 665萬t[1]。在污水生物處理過程中產(chǎn)生大量的活性污泥。活性污泥含有較多的蛋白質(zhì)及碳水化合物等有機(jī)成分[2]，是潛在的生物能源。但是活性污泥中大部分的有機(jī)物質(zhì)都在細(xì)胞內(nèi)，且它們大多是大分子有機(jī)物，難以被利用[3]。因此，應(yīng)用有效的預(yù)處理方法使污泥釋放更多可利用的有機(jī)質(zhì)。

傳統(tǒng)的污泥的預(yù)處理方法有熱預(yù)處理、微波預(yù)處理、超聲波預(yù)處理、臭氧預(yù)處理和堿解預(yù)處理等[4]。其中臭氧預(yù)處理污泥能夠利用臭氧的強(qiáng)氧化性將污泥中的微生物細(xì)胞破解，使細(xì)胞中的易降解有機(jī)質(zhì)釋放出來[5]。此外，經(jīng)過臭氧預(yù)處理還可以顯著改善污泥的沉降性能、消除污泥中的化學(xué)殘留物[6]。文獻(xiàn)中報(bào)道的最佳消耗臭氧劑量范圍為0.05～0.5 g O3/g總懸浮固體(TSS)[7]。Ak等[5]研究發(fā)現(xiàn)在1.33 mg O3/g生物質(zhì)時(shí)，由臭氧處理的污泥進(jìn)料反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣幾乎是對(duì)照反應(yīng)器的兩倍，這意味著從污泥消化中獲得的能量將增加一倍。同時(shí)臭氧預(yù)處理不會(huì)產(chǎn)生二次污染，具有良好的發(fā)展前景[7-10]。

目前關(guān)于臭氧投加劑量對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷效果的影響研究還不夠完善，不同污泥的最佳臭氧投加劑量有較大差別[11-13]，且臭氧劑量過高會(huì)將液相中的有機(jī)物氧化[14]，導(dǎo)致產(chǎn)甲烷量下降。本研究通過對(duì)污泥進(jìn)行臭氧預(yù)處理，分析不同劑量臭氧對(duì)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷效果的影響，為臭氧預(yù)處理污泥厭氧發(fā)酵提供技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 污泥預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)采用青島某污水處理廠的二次沉淀池污泥及消化污泥(用于接種微生物)作為實(shí)驗(yàn)的污泥原料。由于二次沉淀池污泥TSS較低，不利于產(chǎn)氣，采用0.45 μm聚醚砜濾膜通過正壓過濾器(10 L，萬大實(shí)驗(yàn)器材)壓濾后，取上清液與濾餅混合配成體積濃縮比為3∶1的濃縮污泥。

用純氧通過臭氧發(fā)生器(CF-G-3-10 g，青島國林環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?制得的臭氧將濃縮污泥氧化，反應(yīng)瓶體積2 L，污泥反應(yīng)體積1 L，反應(yīng)過程中磁力攪拌(500 r/min)使反應(yīng)均勻進(jìn)行。臭氧濃度控制在160 g/m3，進(jìn)氣流量為0.3 L/min。臭氧投加量為：0.016、0.048、0.096、0.144和0.24 g/g TSS。

表1 實(shí)驗(yàn)污泥主要參數(shù)

1.2 污泥厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

取臭氧氧化后的濃縮污泥100 mL和消化污泥300 mL，混合后加入培養(yǎng)瓶中，未投加臭氧的濃縮污泥與消化污泥同比例混合作空白對(duì)照?；旌蠚怏w(30% CO2，70% N2)吹掃10 min除去瓶中的氧氣，在培養(yǎng)瓶頂部安裝集氣袋收集氣體。厭氧發(fā)酵在35℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行，期間持續(xù)進(jìn)行磁力攪拌(500 r/min)，實(shí)驗(yàn)周期11 d，每天更換集氣袋，測定氣體成分及體積。

1.3 分析方法

通過GC-TCD(GC-2014，日本島津)外標(biāo)法測定甲烷含量，甲烷、二氧化碳和氮?dú)獾幕旌蠚怏w作為標(biāo)準(zhǔn)氣體[16]。色譜條件：載氣為高純氬氣，流量為40 mL/min；空氣流量為400 mL/min；色譜柱為TDX-01型填充柱(30 m×0.32 mm×0.25 nm)；進(jìn)樣口溫度60 ℃、色譜柱溫度50 ℃、檢測器溫度60 ℃；樣品保留時(shí)間為8 min。

16S rDNA測序技術(shù)對(duì)樣品中細(xì)菌群落組成進(jìn)行分析[17]，樣品由北京諾禾致源科技股份有限公司進(jìn)行檢測。檢測流程包括樣品準(zhǔn)備、DNA提取與檢測、PCR擴(kuò)增、產(chǎn)物純化、文庫制備與庫檢及NovaSep上機(jī)測序等。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、過濾后得到有效數(shù)據(jù)，并基于有效數(shù)據(jù)以97%的一致性進(jìn)行可操作分類單元(OTUs)聚類和物種分類分析。其中混合污泥(未氧化及臭氧劑量為0.016、0.048、0.096、0.144、0.24 g/g TSS)在厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)開始前取樣，編號(hào)為A0，A5，A15，A30，A45，A75；在厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取樣，編號(hào)為B0，B5，B15，B30，B45，B75。

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧劑量對(duì)濃縮污泥的影響

隨著臭氧劑量的增加，污泥各參數(shù)的變化情況見圖1，不同臭氧劑量下的總化學(xué)需氧量(TCOD)均在25 000 mg/L左右，臭氧劑量未對(duì)污泥本身的總化學(xué)需氧量影響非常大。其余參數(shù)均隨著臭氧劑量的增加而增加，這是因?yàn)樵谖勰喑粞趸^程中的微生物被逐漸破壞分解，細(xì)胞中的有機(jī)質(zhì)被釋放出來[18-19]。

2.2 厭氧發(fā)酵前后混合污泥參數(shù)的變化

厭氧發(fā)酵前后固體懸浮物(TSS、VSS)及總有機(jī)碳(TOC)的變化見圖2。厭氧發(fā)酵前后各組的TSS和VSS均降低(見圖2(a))，表明活性污泥在厭氧發(fā)酵過程中實(shí)現(xiàn)了減量，因?yàn)樵趨捬醢l(fā)酵過程中，固相中大分子有機(jī)物被逐漸分解為小分子轉(zhuǎn)移至液相中[20]?？瞻捉MTSS和VSS分別下降了4.6%和5.1%；隨著臭氧劑量的增加，污泥減量效果也逐漸增加，其中臭氧劑量為0.24 g/g TSS的污泥在厭氧發(fā)酵期間TSS和VSS分別下降了13.6%和17.3%。同理分析各組污泥總有機(jī)碳(TOC)的含量也在厭氧發(fā)酵后降低(見圖2(b))，臭氧劑量為0.24 g/g TSS時(shí)污泥的TOC下降最多，達(dá)31.9%。因此可以得出結(jié)論，活性污泥可通過厭氧消化發(fā)酵實(shí)現(xiàn)減量，且臭氧預(yù)處理能夠促進(jìn)厭氧發(fā)酵過程中污泥有機(jī)質(zhì)的消耗，具有良好的應(yīng)用前景。

圖2 厭氧發(fā)酵前后不同臭氧劑量下混合污泥固體懸浮物(a)和TOC(b)的含量變化

2.3 產(chǎn)氣效果評(píng)價(jià)

在厭氧發(fā)酵過程中，生產(chǎn)的氣體主要成分為甲烷、二氧化碳及氮?dú)猓@與王在釗[23]的研究中氣體成分較為相似。不同臭氧劑量下氣體累積產(chǎn)量見圖4。各實(shí)驗(yàn)組氣體產(chǎn)量隨臭氧劑量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，空白組產(chǎn)氣總量為1 257 mL；而臭氧劑量為0.016～0.096 g/g TSS時(shí)，三組氣體產(chǎn)量分別為1 761、1 754和1 718 mL，較空白組有一定增加，但三組的有機(jī)物釋放量差別不大，產(chǎn)氣量也基本一致；在臭氧劑量為0.144、0.24 g/g TSS的實(shí)驗(yàn)組中，隨著SCOD去除率的快速升高，其產(chǎn)氣量也明顯增加。說明在厭氧發(fā)酵過程中，SCOD去除率的增加表明細(xì)菌消耗的有機(jī)物量增加，導(dǎo)致其甲烷產(chǎn)量的增加。

圖4 不同臭氧劑量下氣體累積產(chǎn)量

2.4 產(chǎn)甲烷效果評(píng)價(jià)

在厭氧發(fā)酵過程中，不同臭氧劑量下甲烷累積產(chǎn)量見圖5。空白組的甲烷總產(chǎn)量為196 mL；臭氧投加時(shí)甲烷產(chǎn)量顯著升高，其中臭氧劑量為0.016～0.096 g/g TSS時(shí)，由于胞內(nèi)物質(zhì)未大量釋放，產(chǎn)甲烷效果差別不大(257～269 mL)。而臭氧劑量達(dá)到0.144 g/g TSS時(shí)，甲烷產(chǎn)量較前幾實(shí)驗(yàn)組有所提升(284 mL)；臭氧劑量在0.24 g/g TSS時(shí)，有機(jī)物大量釋放且SCOD的去除率大大提高，甲烷產(chǎn)量大幅提高，為空白組的1.88倍(368 mL)。Weemaes等[11]研究發(fā)現(xiàn)臭氧預(yù)處理污泥能夠使污泥的產(chǎn)甲烷量提升220%；Yeom等[12]同樣發(fā)現(xiàn)臭氧預(yù)處理能夠促進(jìn)污泥的生物降解。說明臭氧預(yù)處理有利于污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷，且實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)甲烷量也隨著臭氧劑量的增加而提升。

圖5 不同臭氧劑量下甲烷累積產(chǎn)量

厭氧發(fā)酵的前5天，污泥產(chǎn)甲烷量逐漸降低，這主要是由于體系內(nèi)pH值逐漸升高，不利于揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的產(chǎn)生和產(chǎn)甲烷菌的生長[24-25]。在第5天時(shí)加入鹽酸調(diào)節(jié)pH至中性后，第6—11天甲烷產(chǎn)量逐漸增加至最后趨于穩(wěn)定，各組產(chǎn)甲烷量較前五天有較大提升。這主要是因?yàn)閂FAs是厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)甲烷的基礎(chǔ)底物[26-27]，在pH在接近中性時(shí)，有機(jī)物水解產(chǎn)生VFAs的效率會(huì)加快，同時(shí)也適合產(chǎn)甲烷菌的生長。因此，在適宜的pH值條件下，產(chǎn)甲烷菌的活性更高，更有利于甲烷產(chǎn)量的提升。

2.5 微生物群落多樣性分析

圖6為各樣品在門(a)、屬(b)水平上的物種相對(duì)豐度柱形圖。圖6(a)表明，在門分類水平上，主要的優(yōu)勢菌為擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、互養(yǎng)菌門(Synergistetes)、厚壁菌門(Firmicutes)和綠彎菌門(Chloroflexi)等，這些都是污泥厭氧發(fā)酵過程中的常見菌群。Proteobacteria是污水處理廠活性污泥中常見的菌群，包括很多致病菌如大腸桿菌、幽門螺旋桿菌和霍亂弧菌等[28]，通常和有機(jī)物中氮磷及其它污染物的去除相關(guān)[29]，其相對(duì)豐度在厭氧發(fā)酵后均降低。Bacteroidetes和Synergistetes厭氧發(fā)酵后的相對(duì)豐度都有較大提高，這主要是因?yàn)锽acteroidetes和Synergistetes可以利用蛋白質(zhì)、糖類、短鏈脂肪酸等有機(jī)物合成乙酸和丙酸[30]，乙酸和丙酸可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲烷[31]，在生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程中發(fā)揮重要作用。

圖6 門(a)、屬(b)水平上的物種相對(duì)豐度

在屬的分類水平(見圖6(b))上，相對(duì)豐度大于1%的菌群有11個(gè)。DMER64和利恩氏熱桿菌(Thermovirga)是產(chǎn)甲烷過程中的兩種重要菌屬，厭氧發(fā)酵后相對(duì)豐度明顯增加，其中DMER64能夠參與直接種間的電子傳遞，促進(jìn)電子從產(chǎn)酸菌轉(zhuǎn)移到產(chǎn)甲烷菌，從而提高產(chǎn)甲烷速率[32]；Thermovirga則屬于一類降解蛋白質(zhì)的菌屬[33]，通過蛋白質(zhì)的降解提供相關(guān)碳源。長繩菌屬(Longilinea)在發(fā)酵過程中也較為活躍，其主要功能是代謝多種碳水化合物，并促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的生長[34]。脫硝酸彎桿菌屬(Denitratisoma)是紅環(huán)菌科的一個(gè)新屬,是一類新型的具有好氧反硝化能力的菌群,能直接將亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮[35]，在厭氧發(fā)酵過程中相對(duì)豐度明顯下降。檢測到的產(chǎn)甲烷菌主要有甲烷鬃毛菌屬(Methanosaeta)、甲烷粒菌屬(Methanocorpusculum.) 、甲烷絲菌屬(Methanothrix)和甲烷八疊球菌屬(Methanosarcina)，其中Methanosaeta是產(chǎn)甲烷過程中的優(yōu)勢菌，它是一類嗜乙酸甲烷菌，即能夠利用乙酸進(jìn)一步水解產(chǎn)生甲烷，為產(chǎn)甲烷過程中的重要菌群[31]。在厭氧發(fā)酵過程中，各實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)甲烷菌含量的增加和臭氧劑量的增加正相關(guān)，說明臭氧的投加有利于產(chǎn)甲烷菌屬的生長。這主要是由于臭氧劑量的增加有利于有機(jī)物從固相溶解到液相，更容易被產(chǎn)甲烷菌利用。Methanosaeta的相對(duì)豐度在厭氧發(fā)酵后也隨著臭氧劑量的增加而增加，空白對(duì)照組的相對(duì)豐度為3.2%，而在臭氧劑量為0.24 g/g TSS時(shí)相對(duì)豐度可提高到10.0%。

3 結(jié)語

臭氧預(yù)處理技術(shù)能夠有效地破壞污泥微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促進(jìn)胞內(nèi)有機(jī)物的釋放，更有利于微生物的生長，從而提升厭氧發(fā)酵過程中活性污泥產(chǎn)甲烷能力。臭氧劑量的增加和活性污泥產(chǎn)甲烷能力正相關(guān)，臭氧劑量為0.24 g/g TSS污泥的產(chǎn)甲烷能力最佳(368 mL)，明顯優(yōu)于空白實(shí)驗(yàn)組污泥的產(chǎn)甲烷能力(196 mL)。厭氧發(fā)酵后，主要的產(chǎn)甲烷菌為嗜乙酸的Methanosaeta，其相對(duì)豐度隨臭氧劑量的增大而增加；其它與產(chǎn)甲烷正相關(guān)的菌群相對(duì)豐度也明顯增加。