低温厌氧消化废水处理的现状及展望

王兴富，王 尧

（青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042）

低温厌氧消化作为一种初期的生物处理技术，相对于常规需氧和厌氧工程，是更有吸引力的另类选择。从处理废水和生成生物能源方面来说，低温厌氧消化生成甲烷的工程系统早已驾轻就熟。在实验室和中试规模，以低温厌氧消化技术处理下水道污水和来自啤酒厂、食品厂、制药厂的工业废水，并生成甲烷的实验都已经取得了成功。当下，结合生物工程、生理学和分子生物数据库建立一种整体的多相途径，是低温厌氧消化概念至关重要的发展方向。

1 厌氧消化的研究进展

1.1 厌氧消化的原理及优势

全球约20 亿人口缺乏足够的公共设施来获取净水，净水已经成为当下日益减少的资源，发展稳定可持续的水资源基础设施是全球面临的挑战。而常规的高速需氧废水处理系统生成大量污泥、导致能量富集，需要更多的处理，这会增加能量足迹、CO2的释放和生命循环损耗，不能够有效地实现作为可持续净水基础设施、并满足环境保护的需求。相对于常规需氧技术在处理紧急情况时技术低端、高耗能的性质，高效的厌氧消化将是废水处理领域的重大发展[1]。

厌氧消化的相对优点包括：有机负载量高，反应器数量少，有效降低污泥质量，能生成有用燃料（生物甲烷气体），生成卫生学上稳定无害的水，能使营养物质恢复更加便利，并且已有一些该处理技术的报导被应用[2]。

在厌氧消化中，庞大复杂的有机分子通过多种细菌(热带细菌和古生菌）的连续协调活动完成转化，催化活动过程如下：①水解；②成酸；③生成酮类；④生成甲烷[3]。由于厌氧消化中的很多反应是在不利于热力学标准的条件下进行的，因此来自脂肪酸、氨基酸和乙醇等化合物转化成的甲烷的能源较低。而且生成甲烷的古生菌和生成乙酸的细菌之间的互养关系能够进一步进化，使得能量只能在一定限制下恢复和生长[4]。

厌氧技术主要被应用于处理成分相对简单的废水，比如农产品和食物工业产生的废水。在这些应用中，高效厌氧消化反应器在常温(25 ℃～37 ℃)或适温(45 ℃～60 ℃)运行能确保最佳微生物活动。厌氧消化属于低能耗策略，非常适用于发展中国家的分散废水处理，扩展厌氧消化的应用范围具有广阔前景。

1.2 低温条件下甲烷的生成

尽管细菌间的相互作用和生化途径很难得到透彻研究，但已有许多报导证明，甲烷生成活动能够在多种包括环北极和北极泥煤地、淡水沉淀物和高原水稻田在内的多种低温环境土壤中进行。最初低温环境下的水解作用被视为是处于限速阶段，而实质上，降低温度可以限制互养作用产生的不稳定脂肪酸(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——产醋酸菌种的重要性，从而使水解作用在低温环境下增速[5]。低温环境最佳温度处于15 ℃～25 ℃，最高温度不超过30 ℃～35 ℃，使得一些活跃的生成醋酸的厌氧细菌被隔离，而依然能够活跃生成甲烷的古生菌得以更好繁殖。

在以氢气为主要部分的低压平衡系统中，吸收氢气营养培育出的甲烷菌，由于它们偏嗜氢气，无论在自然条件还是在机械系统中，能够具备比同型醋酸菌更强的竞争力[6]。

1.3 细菌对低温环境的适应性

为了适应环境，微生物通过减少新陈代谢活动，在非最佳的条件下依然能正常生存，但会出现生物量阶段延迟的现象。考虑到这一因素，可以使用前适应污泥培养液来增加微生物对有毒物质的耐受能力[7]，加强处理效率，从而减少发动时间，增加整体过程消耗污泥的速率。

微生物能够调整膜流动性、营养物质运输、转录、细胞分裂、蛋白质折叠等几乎所有细胞生物进程，以基因型和表型的改变来克服低温环境的挑战。其调整策略包括：改变蛋白质结构，比如生成更多的构型，结构更加灵活和柔韧；改变细胞液的构成，增加膜的流动性；合成“防冻剂”糖蛋白和缩氨酸，或合成“冷激”蛋白质来维系正常蛋白质的合成[8]。目前，研究者已经能够确认蛋白质组提高的过程，这对于更好的理解分子对低温厌氧条件的反应非常重要[9]。

在工程系统中从群落水平上改变群落结构后，延长嗜常温接种生物在低温条件下的培养，激发了真正喜寒的同族体应对紧急突发低温事件生成甲烷活动的属性[10]，这显示了喜寒微生物在适应过程中的选择性改进。一些作者认为，以基质在低温条件下的转化速率计算，对低温条件的适应会导致生成甲烷的活动增强[11]。凭借对甲烷联合蛋白质组的提取和分析，蛋白质组变化的应用已经能够成功阐明在低温厌氧消化中一些群体水平功能型的回应。伴随着功能型宏基因组、目标型宏基因组和原子间学的进步，未来可能会拓展出一个非常有趣又多产的研究“生态系统生物学”的空间[12]。

1.4 低温厌氧消化反应器

高效厌氧反应器可以根据生物量保留的方式来区分，例如:以薄膜隔离延缓生长的系统(厌氧膜反应器AMBR)；附加的生长系统(厌氧过滤器AF)；以粒状污泥为基底的系统(扩展粒状污泥基底反应器EGSB)。如今，污泥固定式基底反应器、粒状反应器和表面薄膜反应器组合的混合反应器也已经被开发。这些反应器能够满足短暂水力保留时间(1～48 h)和高效率有机负载(OLRS；达到100 kg 化学需氧量[COD]·m-3d-1)的应用[1]。目前，应用最广泛的是粒状污泥基底系统。

颗粒状污泥基底系统的EGSB 型反应器的配置，是在低温厌氧消化发展中的一个里程碑。增加反应器的高度和直径比例以及更高效的废水循环，可以加强生物量与基质的接触，克服质量传输限制，同时保持较高水平的系统生物量。EGSB 型系统可以较好地完成高效废水处理，即使对低浓度的废水(<1 kgCOD·m-3d-1)和需要低温处理的废水(2 ℃～20 ℃)同样有效。此外，高循环率能够物理去除在反应器的溶液中溶解的新陈代谢的气体，并且低温厌氧消化途径显示能获得与常温处理相同量的生物能[10]。

在低温条件下既要保持厌氧颗粒健康、良好配置的条件，还要面对高上升气流速度的存在（由于颗粒剪切的高潜能），在某种情况下可能会比较困难，而且可能限制到EGSB 系统的应用。在搭配AF 厌氧过滤器的组合反应器中，固定薄膜在固定基质上生长，可以解决从污泥颗粒床上流失的生长缓慢的嗜冷生物质能被捕捉和保留的生长问题。另外，膜辅助的物理性分离，可以支持污泥的滞留时间。AMBR 厌氧膜反应器可以通过微滤或者超滤过程保证微生物生物量的保留。这种方法可以保证即使在高污泥浓度下，完整的生物质的保留和运转，而且AMBR 与低温厌氧消化串联应用的可行性十分乐观。最后，将生物质单独隔离的带有挡板的厌氧反应器，同样也被证明了可以用于低温厌氧消化，而且对于流速多变和高毒性的废水特别有效[13]。

到目前为止，低温厌氧消化的有效范围非常广泛，从简单的污水到复杂顽固的工业废水（挥发性脂肪酸、蔗糖、葡萄糖、食品、乳制品、啤酒、麦芽制造业、医药业、苯酚以及氯代酚类化合物废水）都可以处理，这些实验数据也已经被实验室和试点处理点证实，反应速度为0.5～20 kg/m3，反应时间为1.6～48 h。结果表明，高效低温厌氧消化的全面应用已经近在咫尺。

2 前景及展望

2.1 低温厌氧消化的理论缺陷

在过去10 年里，分子和微观分析方法为自然条件下的厌氧生物膜群落，以及在低温厌氧消化中的富甲烷生成菌团的局限和潜能提供了重要的新信息。此外，分子识别技术可以准确预测不稳定的操作。一个整体的、多相性的生物监测方法，已经开始解开生态系统黑匣子的工程原理[14]。然而，这些问题大多数集中在解决甲烷的富营养化方面，而且那些多样化的古生菌目前也并不是广泛存在的。关于低温厌氧消化更多生物方面、以及细菌调节过程的利用率和局限性，尤其是其水解过程方面的信息需求十分迫切，这也是全面应用低温厌氧消化成功治理各种范围和类型废水的关键。

2.2 低温厌氧消化面临的机遇

最近，这个问题已经取得了重大的突破。例如，Werner 等人强调了深度测序的潜能，可以克服识别方法的局限性，并且有助于揭示厌氧消化中细菌群落的本质[17]。据其研究报道，在9 种不同规模的常温厌氧消化设备中的菌团都非常稳定和独特(机器学习可以以高于96%的准确度预测这些生物的起源)。最重要的是，关键的性能变量与菌群的结构相关[15]。最近，宏基因组的测试，也帮助人们更好地了解了一系列潜在的细菌在甲烷系统中的互养作用。在未来，将深度测序或宏基因组学与功能性的“经济”方法结合起来研究，比如代谢物组学、宏蛋白组学和数学模型[16]，即使是复杂的厌氧消化联合系统和菌团结构中的代谢过程的各种问题都可以得到很好的解决。通过如此强大的生态水平上的信息，环保工程师运用优良的厌氧消化系统处理废水将指日可待。

2.3 低温厌氧消化的发展方向

厌氧消化和低温厌氧消化系统可能需要后处理流程除去顽固的、矿化的化合物(例如NH4+，S2-)和残余的有机物，以确保能达到环保标准[2]。通过这一方法，在微生物反应器中，还可以额外获得一个潜在的有趣技术，即微生物燃料电池(MFC)或者说是微生物电化学,能够辅助微生物反应器(BEAMR)。在这个反应器中，剩余的挥发性脂肪酸VFA 可以转化为电能，进而高效转化为氢气。这些系统已经证实了在实验室规模下，成功使用厌氧消化器在低温条件下对废水后处理也是可行的[17]。

低温厌氧消化同样也提出了一个潜在的生物处理废水的概念。例如，在双相低温厌氧消化系统中包含一个低温混合培养发酵的过程，然后再生成甲烷。这种方法可以为VFA 或者氢气的工业生产提供一个具有成本效益的废水处理工艺。例如，VFA 是生产生物可降解塑料这类高附加值产品的理想原料。

3 结论

厌氧消化作为一项绿色科技，处理后的废水能够满足可持续发展环境保护标准要求，还能够从有机废水中得到可再生能源、有价值的副产品以及营养物质。这种生物方法处理废水的概念有可能从根本上改变废水处理过程中的经济效益问题，并对全球可持续性的水资源基础设施做出巨大贡献。在未来，一个综合性的、多学科性的调查报告将会帮助人们认识到厌氧消化系统的远大前景。

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