厭氧消化酸累積條件下強(qiáng)化產(chǎn)甲烷研究與應(yīng)用

王云琦， 杜玉瑩， 梅紅， 汪炎

（東華工程科技股份有限公司， 合肥 230088）

厭氧消化是利用微生物在厭氧條件下代謝去除有機(jī)污染物的一種方法［1］， 由于其具有運(yùn)行能耗低、 處理負(fù)荷高、 產(chǎn)泥量低且可回收能源等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類有機(jī)廢水的處理處置過(guò)程中［2］。 厭氧消化通常被認(rèn)為分為4 步： 水解、 酸化、乙酸化、 產(chǎn)甲烷［3］。 在這個(gè)過(guò)程中， 酸化、 乙酸化（統(tǒng)稱產(chǎn)酸階段）與產(chǎn)甲烷階段存在著精準(zhǔn)的平衡，以保證厭氧消化中有機(jī)物更好地向甲烷轉(zhuǎn)化［4－5］。由于厭氧消化是包含產(chǎn)酸菌、 產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌等多種微生物之間的復(fù)雜相互作用的過(guò)程， 不同功能的微生物生長(zhǎng)和代謝速率不同［6］， 對(duì)pH 值等環(huán)境條件要求也不盡相同［7］， 產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段之間精準(zhǔn)的平衡很容易被打破， 導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸（VFAs）出現(xiàn)積累， 系統(tǒng)pH 值降低最終使厭氧消化系統(tǒng)酸化崩潰［8－9］。 對(duì)于某些特定的工業(yè)廢水的處理， 在利用厭氧消化處理時(shí)， 由于其pH 值低， 且主要成分為高濃度的短鏈脂肪酸、 醇， 因此也經(jīng)常會(huì)發(fā)生厭氧消化系統(tǒng)崩潰現(xiàn)象［10］。

為了避免發(fā)生酸累積， 保證厭氧消化正常運(yùn)行， 在實(shí)際生產(chǎn)中， 通常采用投加堿的方式提高系統(tǒng)pH 值， 防止產(chǎn)甲烷過(guò)程被抑制［11－12］， 這又帶來(lái)了藥劑的消耗以及廢水含鹽量升高的問(wèn)題， 給污水處理廠增加了額外的成本。 隨著對(duì)酸累積抑制產(chǎn)甲烷機(jī)理研究的深入， 研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到酸累積條件下強(qiáng)化產(chǎn)甲烷能力的方向上， 嘗試采用生物強(qiáng)化、 外源強(qiáng)化等方法對(duì)酸累積條件下厭氧消化強(qiáng)化產(chǎn)甲烷進(jìn)行研究， 取得了不錯(cuò)的效果［1］。 本文綜述了厭氧消化中酸累積產(chǎn)生的原因、 影響因素及發(fā)生酸累積情況下強(qiáng)化產(chǎn)甲烷的方法， 以期為保證厭氧消化反應(yīng)器的正常運(yùn)行提供參考。

1 酸累積原因及抑制機(jī)理

1.1 酸累積原因及其對(duì)產(chǎn)甲烷菌的影響

有機(jī)物厭氧消化過(guò)程如圖1 所示。 厭氧消化過(guò)程中首先發(fā)生有機(jī)物的水解， 在這個(gè)過(guò)程中大分子如蛋白質(zhì)、 碳水化合物和脂肪分別被細(xì)菌和真菌分解成氨基酸、 多糖和脂肪酸。 在厭氧消化的酸化階段， 產(chǎn)酸菌將糖、 氨基酸和脂肪酸轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸（如丙酸、 丁酸）、 醇和酮、 乙酸、 CO2和H2。 隨后在乙酸化階段產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將短鏈脂肪酸和醇轉(zhuǎn)化為乙酸、 H2和CO2， 最后這些產(chǎn)物被產(chǎn)甲烷菌用來(lái)產(chǎn)生甲烷［13］。 由于產(chǎn)甲烷階段是抑制厭氧消化速率的關(guān)鍵步驟［14］， 當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷過(guò)高時(shí)， 酸化和乙酸化過(guò)程產(chǎn)生大量的VFAs， 這些VFAs 無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)被產(chǎn)甲烷菌利用， 便會(huì)造成VFAs 的累積， 導(dǎo)致系統(tǒng)pH 值持續(xù)降低。

圖1 有機(jī)物厭氧消化過(guò)程Fig.1 Process of anaerobic digestion of organic matters

VFAs 的累積和pH 值的下降會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的活性， 李建政等［15］發(fā)現(xiàn)降低消化體系的pH 值，甲烷逐漸從產(chǎn)物中消失。 Horn 等［16］研究結(jié)果表明VFAs 濃度是甲烷生成的關(guān)鍵抑制劑， 在pH 值為4.5 時(shí)， 乙酸質(zhì)量濃度僅為0.3 g／L 時(shí)， 氫營(yíng)養(yǎng)型甲烷的生成完全被抑制。 產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制導(dǎo)致VFAs 進(jìn)一步累積和系統(tǒng)pH 值進(jìn)一步降低， 直到厭氧消化系統(tǒng)崩潰。

1.2 酸累積影響因素

厭氧消化中酸累積的發(fā)生受多種因素的影響，如VFAs 的濃度與種類、 系統(tǒng)pH 值等。 Sun 等［17］的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH 值為5.1 時(shí)， 幾乎90% 的乙酸營(yíng)養(yǎng)型甲烷菌和氫營(yíng)養(yǎng)型甲烷菌在6 d 的培養(yǎng)過(guò)程中從培養(yǎng)物中消失， 低pH 值環(huán)境提高了產(chǎn)甲烷微生物的死亡速度， 且這種抑制是不可逆的， 而產(chǎn)酸菌對(duì)酸性環(huán)境的耐受性較強(qiáng)。 Xiao 等［18－19］利用兩相厭氧工藝研究了乙酸濃度對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用，在相同pH 值條件下乙酸濃度對(duì)產(chǎn)酸相產(chǎn)甲烷菌沒(méi)有抑制作用， 但對(duì)產(chǎn)甲烷相產(chǎn)甲烷菌的抑制作用明顯， 從而造成酸累積。 Zhang 等［20］研究了在不同pH 值條件下不同的乙酸濃度對(duì)產(chǎn)甲烷作用的影響，結(jié)果表明自由乙酸的濃度與甲烷的抑制作用成線性關(guān)系， 自由乙酸濃度是影響酸累積的主要原因。

厭氧消化系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷代謝途徑主要有2 條，乙酸營(yíng)養(yǎng)型和氫營(yíng)養(yǎng)型［21－22］， 產(chǎn)甲烷菌無(wú)法直接利用丙酸等短鏈脂肪酸， 需要互營(yíng)產(chǎn)乙酸菌將其降解為乙酸和氫氣才能繼續(xù)產(chǎn)甲烷， 方程式如下所示：

丙酸降解吉布斯自由能大于0， 只有在降解產(chǎn)物濃度低以及氫分壓極低的情況下該反應(yīng)才能向右進(jìn)行， 發(fā)生丙酸的降解。 因此， 越來(lái)越多的研究者認(rèn)為丙酸等短鏈脂肪酸是影響酸累積的關(guān)鍵因素［23］。

2 酸累積條件下增強(qiáng)產(chǎn)甲烷方法

2.1 生物強(qiáng)化

生物強(qiáng)化法是向厭氧消化系統(tǒng)中投加某一種或某幾種功能的微生物來(lái)提高厭氧消化系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷能力。 傳統(tǒng)認(rèn)為， 產(chǎn)甲烷菌最適pH 值范圍為6.8 ～7.2［24］， 隨著研究的深入， 產(chǎn)甲烷菌被發(fā)現(xiàn)可在更低的pH 值條件下生存和代謝。 Wolfe 等［25］在西伯利亞泥炭沼澤中首先發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷微生物Methanobacillus在pH 值為4.0 條件下能正常生長(zhǎng)， Williams 等［26］在明尼蘇達(dá)泥炭沼澤中得到了嗜酸產(chǎn)甲烷微生物， 該微生物可在pH 值為3 的條件下產(chǎn)甲烷， Sizova 等［27］在西伯利亞泥炭沼澤中富集得到了2 個(gè)含嗜酸產(chǎn)甲烷的微生物菌群， 其最適的生長(zhǎng)pH 值為4.9±0.5。Savant 等［28］從釀酒廢水厭氧處理酸化反應(yīng)器的污泥中分離了一種嗜酸產(chǎn)甲烷菌Methanobrevibacter acididurans， 并用該菌與常見(jiàn)的產(chǎn)甲烷菌Methanobacterium bryantii 的厭氧消化處理效果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明， 在VFAs 濃度高時(shí)， 特別是高濃度乙酸存在的條件下， 前者表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)， 并且無(wú)論是在酸化反應(yīng)器還是在產(chǎn)甲烷反應(yīng)器中投加該菌種的富集物， 均可提高甲烷產(chǎn)率并降低VFAs 在系統(tǒng)中的積累。

利用嗜酸產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行生物強(qiáng)化研究較少， 主要原因在于嗜酸產(chǎn)甲烷菌主要被發(fā)現(xiàn)于酸性泥炭沼澤等地區(qū)， 且分離提純較復(fù)雜。 近年來(lái)的生物強(qiáng)化研究主要集中在富集丙酸產(chǎn)甲烷微生物方面。

Li 等［29］在一個(gè)半連續(xù)式反應(yīng)器中通過(guò)每日調(diào)節(jié)消化液pH 值對(duì)微生物進(jìn)行馴化， 結(jié)果表明， 被馴化的微生物在pH 值為4.8 ～5.5 條件下可降解丙酸， 產(chǎn)生甲烷， 反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌由乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌（占產(chǎn)甲烷菌總數(shù)的87%）轉(zhuǎn)變?yōu)闅錉I(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌（占產(chǎn)甲烷菌總數(shù)的67%）。 將該富集的菌群加入到發(fā)生酸累積的反應(yīng)器中， 可以通過(guò)降解累積的VFAs 和提高系統(tǒng)pH 值來(lái)恢復(fù)系統(tǒng)產(chǎn)甲烷能力， 且生物強(qiáng)化后， 乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌從占產(chǎn)甲烷菌總數(shù)的5% 提高到35%。 Tale 等［30］在嚴(yán)格厭氧和微氧條件下（氧氣負(fù)荷為有機(jī)負(fù)荷的1／10）分別富集丙酸降解產(chǎn)甲烷微生物， 并將2 種條件下富集的微生物投加到反應(yīng)器中進(jìn)行生物強(qiáng)化， 并與未進(jìn)行生物強(qiáng)化的反應(yīng)器進(jìn)行對(duì)比， 結(jié)果表明， 在發(fā)生酸累積后， 經(jīng)過(guò)生物強(qiáng)化的反應(yīng)器比不經(jīng)過(guò)生物強(qiáng)化的反應(yīng)器提前恢復(fù)處理效果， 與嚴(yán)格厭氧條件富集的微生物相比， 微氧條件下富集的菌群具有更高的產(chǎn)甲烷活性。

2.2 外源強(qiáng)化

細(xì)菌與古細(xì)菌之間的種間電子傳遞可以突破熱力學(xué)障礙， 是微生物互營(yíng)產(chǎn)甲烷的關(guān)鍵［31］。 種間電子傳遞分為間接電子傳遞和直接電子傳遞（DIET）2種類型， 其中DIET 不需要電子穿梭體， 細(xì)胞與細(xì)胞之間可實(shí)現(xiàn)直接電子傳遞［32］。 外源強(qiáng)化是利用該原理， 通過(guò)向厭氧消化體系中投加磁鐵礦、 活性炭等導(dǎo)電材料， 加強(qiáng)DIET 功能， 加速VFAs 的降解利用和產(chǎn)甲烷速率。

2.2.1 磁鐵礦強(qiáng)化

Viggi 等［33］的研究表明， 添加微米大小的磁鐵礦（Fe3O4）顆?？商岣弑猁}的甲烷產(chǎn)量（高達(dá)33%）， 推測(cè)這種刺激效應(yīng)很可能是因?yàn)榻⒘艘环NDIET， 基于磁鐵礦顆粒作為丙酸氧化型產(chǎn)乙酸菌和二氧化碳還原型甲烷菌之間的電子通道。 王德欣［34］通過(guò)投加磁鐵礦粉末的方式加強(qiáng)厭氧消化處理費(fèi)托合成廢水， COD 去除率達(dá)到（84.3±2.0）%，在該條件下， Geobacter 和Methanosaeta 2 種菌屬之間形成了以Fe3O4為基礎(chǔ)的DIET 機(jī)制， 且其取代了傳統(tǒng)的種間氫轉(zhuǎn)移（IHT）機(jī)制而成為主導(dǎo)性的電子傳遞機(jī)制。 Yamada 等［35］研究了補(bǔ)充導(dǎo)電氧化鐵（磁鐵礦）對(duì)嗜熱厭氧消化池的嗜熱產(chǎn)甲烷微生物群落的影響， 在嗜熱條件下， 添加磁鐵礦可誘導(dǎo)有機(jī)酸氧化菌和產(chǎn)甲烷菌之間的電共生， 加速產(chǎn)甲烷。

2.2.2 納米零價(jià)鐵（ZVI）強(qiáng)化

ZVI 除了具有良好的導(dǎo)電性可參與DIET 外，還可以降低厭氧消化反應(yīng)器的氧化還原電位（ORP）， 為產(chǎn)甲烷菌等專性厭氧微生物創(chuàng)造了良好的環(huán)境， 因此也常常用于加強(qiáng)產(chǎn)甲烷的研究。Zhong 等［36］研究了不同粒徑的ZVI 對(duì)產(chǎn)甲烷的強(qiáng)化作用， 結(jié)果表明在ZVI（48 μm）投加量為2 g／L 的條件下對(duì)照組比空白組增加了84.12% 的甲烷產(chǎn)量， ZVI 可使擬桿菌門(mén)和變形菌門(mén)的豐度分別從1.46% 和0.07% 提高到15.56% 和2.27%， 使產(chǎn)甲烷菌的豐度從3.59% 提高到51.64%， 基因預(yù)測(cè)結(jié)果表明ZVI 顆粒能夠促進(jìn)細(xì)胞復(fù)制， 提高甲烷生成酶的活性， 此外， 還可以介導(dǎo)發(fā)酵菌和產(chǎn)甲烷菌之間的直接種間電子傳遞。

2.2.3 炭材料強(qiáng)化

除了磁鐵礦外， 不同類型的炭材料也常被作為DIET 的介質(zhì)。 活性炭是由炭材料經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)活化制備的高微孔導(dǎo)電材料， 具有高比表面積、 高孔容及高吸附性能的優(yōu)點(diǎn)。 Yang 等［37］在間歇式厭氧污泥消化反應(yīng)器中加入顆粒活性炭， 當(dāng)活性炭的添加量從0 增加到5.0 g 時(shí)， 產(chǎn)甲烷量提高了17.4%；在20 d 的消化過(guò)程中， 活性炭的投加明顯富集了氫型產(chǎn)甲烷菌、 Geobacter 和其他能直接進(jìn)行種間電子轉(zhuǎn)移的產(chǎn)甲烷菌， 增強(qiáng)了合養(yǎng)菌和產(chǎn)甲烷菌之間的電子交換， 加速了底物消耗和甲烷的產(chǎn)生。

生物炭是由天然生物質(zhì)在缺氧條件下經(jīng)過(guò)熱解、 碳化等處理而制成的多孔碳基導(dǎo)電材料。 Qi等［38］發(fā)現(xiàn)投加高溫（900 ℃）熱解產(chǎn)生的生物炭的反應(yīng)器甲烷含量從對(duì)照組的抑制值60% 左右提高到理論值75%， 微生物群落和代謝途徑的宏基因組分析結(jié)果表明， 假單胞菌可以通過(guò)生物炭作為電子接觸體， 通過(guò)還原二氧化碳參與同甲烷菌的DIET，從而提高甲烷代謝。

石墨烯是一種新型碳材料， 其極高的導(dǎo)電性可為提高厭氧消化的穩(wěn)定性和效率提供解決方案。Tian 等［39］探索了石墨烯對(duì)微生物產(chǎn)甲烷的潛在影響， 結(jié)果表明， 石墨烯添加量為30 mg／L 時(shí)對(duì)甲烷產(chǎn)率有顯著的積極影響， 乙酸鹽消耗的甲烷生成增強(qiáng)， 長(zhǎng)期運(yùn)行后， 甲烷產(chǎn)率比未投加石墨烯的對(duì)照組提高14.3%； 微生物測(cè)序數(shù)據(jù)顯示， 添加石墨烯的污泥中， 古細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)基本保持不變， 其中以Methanoregula、 Methanosaeta 和Methanospirillum 為優(yōu)勢(shì)種， 此外， 石墨烯還富集了Geobacter， 這表明石墨烯可能促進(jìn)了物種間的DIET。

2.3 其他強(qiáng)化方法

微量元素， 如Fe、 Co、 Ni 等可作為產(chǎn)甲烷微生物胞外電子傳遞的導(dǎo)體， 同時(shí)也是產(chǎn)甲烷過(guò)程所需酶的重要組成部分［40］。 Zhang 等［41］的研究發(fā)現(xiàn)適量添加微量金屬元素可顯著提高甲烷產(chǎn)量， 在Fe、Co、 Mo、 Ni 的投加量分別為100、 1、 5、 5 mg／L的條件下， 反應(yīng)器甲烷產(chǎn)率最高， 比未添加金屬元素的反應(yīng)器增加了35.5%。

電化學(xué)系統(tǒng)可以提供能量， 促進(jìn)丙酸、 丁酸的降解， Jiang 等［42］在餐廚垃圾的厭氧消化中施加了外加電場(chǎng)來(lái)解決酸累積的問(wèn)題， 在沒(méi)有施加電壓的情況下， 酸累積嚴(yán)重抑制了甲烷的生成； 相比之下，當(dāng)施加電壓為0.6 ～1.2 V 時(shí)， 酸累積得到緩解，VFAs 質(zhì)量濃度始終低于6 000 mg／L。 Hou 等［43］將厭氧消化反應(yīng)器（AD）作為藻類輔助微生物燃料電池（AMFC）的陽(yáng)極室， 構(gòu)建了AD－AMFC 系統(tǒng)處理廚余垃圾， 研究結(jié)果表明， AD－AMFC 系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)出量是AD 系統(tǒng)的2 倍多， 生物電化學(xué)系統(tǒng)和藻類成功地提高了AD 性能和能量產(chǎn)量。

3 結(jié)論與展望

厭氧消化作為一種成熟的廢物處理及能源回收技術(shù)， 目前已廣泛應(yīng)用于各類有機(jī)污染物的處理處置過(guò)程中。 厭氧消化中產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷的平衡容易被打破從而導(dǎo)致酸累積， 酸累積進(jìn)一步抑制產(chǎn)甲烷作用最終導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)崩潰。 隨著研究的深入， pH值、 VFAs 濃度和種類被認(rèn)為是酸累積抑制產(chǎn)甲烷的原因， 通過(guò)生物強(qiáng)化和外源強(qiáng)化， 可以增強(qiáng)酸累積條件下厭氧消化的產(chǎn)甲烷能力。

考慮到厭氧消化的復(fù)雜性和穩(wěn)定運(yùn)行厭氧消化反應(yīng)器的重要性， 有必要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究： ①加強(qiáng)酸累積對(duì)產(chǎn)甲烷作用抑制的機(jī)理研究。目前的研究雖然得到了不同條件對(duì)產(chǎn)甲烷作用的抑制， 但未從代謝機(jī)理角度對(duì)其抑制作用進(jìn)行研究，加強(qiáng)酸累積對(duì)產(chǎn)甲烷菌群代謝機(jī)理的研究可以為尋找更好的強(qiáng)化方法奠定基礎(chǔ)； ②通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)酸累積的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警和調(diào)控。 深入研究pH 值、VFAs 的種類和濃度、 堿度、 氨氮濃度等厭氧消化指標(biāo)相互之間的關(guān)系及對(duì)酸累積的影響， 在此基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)學(xué)建模來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)某些特定指標(biāo)， 從而對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的酸化進(jìn)行預(yù)警， 避免酸累積的發(fā)生或在酸累積發(fā)生后指導(dǎo)選擇合適的調(diào)控方法和劑量， 在快速恢復(fù)厭氧消化系統(tǒng)效能的前提下減少成本消耗； ③復(fù)合強(qiáng)化方法的研究。 目前研究的酸累積條件下強(qiáng)化產(chǎn)甲烷的方法均比較單一， 沒(méi)有考慮結(jié)合不同的方法對(duì)強(qiáng)化進(jìn)行研究。 復(fù)合強(qiáng)化方法結(jié)合不同的強(qiáng)化產(chǎn)甲烷的方法以提高強(qiáng)化效果， 降低強(qiáng)化產(chǎn)甲烷作用的成本。