纤维素对污泥厌氧消化产气性能及微生物形态的影响

李 新, 李江, 2, 3, 吴永贵, 2, 3, 孙梦阳, 杨 钊, 郑 磊

(1.贵州大学 资源与环境工程学院， 贵阳 550025； 2.贵州省普通高等学校喀斯特环境生态工程研究中心， 贵阳 550025； 3.贵州大学 应用生态研究所， 贵阳 550025)

活性污泥法处理污水过程中会产生大量的剩余污泥，数量一般为污水处理量的0.3%～0.5%(以含水率97%计)[1]，随着我国工业化水平提高和城镇化进程加快，大量污水处理厂兴建并投入运行，污泥产量也同步大幅提高。2015年全国污泥(含水率80%)产生量约3400万t[2]。污泥中的有机质和病原菌、持久性有机污染物、重金属等有毒有害物质若未经稳定、无害处理，进入环境后会引发水体和土壤的二次污染。污泥厌氧消化可以实现污泥处理的减量化、稳定化、无害化以及资源化，近年来，厌氧消化已经成为污泥稳定处理的有效方式之一[3,4]。但剩余污泥中的C/N值较低，进行厌氧消化处理往往产气率低且有机污染物降解效果差。污泥和高有机质物质联合厌氧消化成为目前厌氧消化领域研究热点之一，联合厌氧消化可改善污泥的营养结构和增加可降解有机物的负荷从而提高沼气产量[5-6]。

目前，关于污泥联合厌氧消化的研究主要集中在污泥与秸秆和城市生活垃圾方面[7-9]，秸秆和城市生活垃圾中均含有半纤维素、纤维素和难降解的木质素。木质素及其改性物质可用于共混材料、高效液体燃料、高分子聚合树脂炭纤维和精细化学品等方面[10]，但其在厌氧消化过程中会延长联合厌氧消化的时间，降低联合厌氧消化的稳定性及产气效率。将半纤维素、纤维素和木质素分离，分离后的半纤维素或纤维素与污泥联合厌氧消化可能更有利于厌氧消化的进行，且纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50%以上，每年通过光合作用可合成约1.5×1012t。纤维素资源目前大部分未能被有效利用，开拓纤维素在新技术、新材料和新能源中的应用，已成为热点课题之一。武春燕和卜玉山[11]通过对纤维素、蛋白胨、淀粉和木质素的产气特性差异进行研究发现，纤维素的累积产甲烷量仅次于蛋白胨。而产甲烷还原条件下，关于纤维素和污泥联合厌氧消化对产气性能的影响，目前鲜见相关研究报道。本文通过研究污泥与不同含量的纤维素联合厌氧消化对污泥产气性能及微生物形态的影响。以期为高产量、低C/N的城市污泥与纤维素含量较高的秸秆的资源化和能源化利用提供理论参考和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 污泥与纤维素的来源与特征

实验所用剩余污泥均采集于贵阳市某污水处理厂SBR工艺处理后的污泥浓缩池，命名为FS，剩余污泥采集过程中用1 mm钢筛过滤，去除较大颗粒杂质，运回实验室后储存在4℃条件下备用。厌氧消化接种污泥采集于污泥与纤维素合适添加比例的厌氧消化预实验装置中，分别命名为AS-1，AS-2，AS-3，AS-4，其中AS-1为单一的剩余污泥厌氧消化，AS-2，AS-3，AS-4分别按照VS污泥∶VS纤维素=5∶1, 2∶1，1∶1添加不同含量的纤维素所形成的厌氧消化污泥。实验所用纤维素购于国药集团化学试剂有限公司，白色粉末状，灼烧残渣量(以硫酸盐计)≤0.08%。剩余污泥和接种污泥的基本性质如表1所示。

表1 剩余污泥与接种污泥基本性质

注：TS为总固体，VS为挥发性固体。

1.2 试验装置

厌氧消化反应器采用5 mm厚有机玻璃制成(见图1)，反应器分内外两层，总体积为11 L。内层消化罐容积为7 L，有效容积为5 L；外层以功率2 W的微型潜水泵输送温度为35℃±1℃的恒温流动水为内层反应保温和水封，流动相水采用恒温水浴锅加热。反应器采用机械搅拌，搅拌轴与容器间采用水封密闭，内层设有温度监测器。装置顶部设置有进样口、排气口及氮气入口，其中排气口接湿式流量计监测每日产气量；氮气口接入氮气，在进出样过程中充入氮气，使厌氧环境处于平衡状态。取样口设置于反应器的中、下层。

图1 厌氧消化反应器结构图

1.搅拌机； 2.温度显示器； 3.排气管接口； 4.氮气管接口； 5.进泥管接口； 6.夹套出水口； 7.排泥阀门1； 8.搅拌桨； 9.温度探头； 10.排泥阀门2； 11.夹套进水口

1.3 实验方法

1.3.1 反应器的启动与运行

反应装置采用中温消化(35℃±1℃)，机械搅拌，接种培养法启动反应器。分4个实验组探究纤维素对剩余污泥厌氧消化产气性能及微生物形态的影响，4个实验组分别命名为CK，CA，CB，CC，其中CK组为未添加纤维素的对照组，CA，CB，CC组纤维素的添加量分别按照VS污泥∶VS纤维素=5∶1，2∶1，1∶1的含量添加。进样污泥含水率分别为97.23%±0.07%，96.84%±0.19%，96.38%±0.15%和95.85%±0.21%，属于传统厌氧消化污泥含固率(3%～5%)的范围。实验首次投入反应器容积1/3的厌氧消化污泥作为接种污泥，之后按10%的投配率投加污泥至反应器有效体积。放置3 d，之后每天按5%投配率投加剩余污泥1次，并排出等量消化污泥，并每天记录产气量变化。产气量稳定后采用BIOGAS5000(英国GEOTECH公司)连续7 d检测沼气成份。

1.3.2 产甲烷活性测试

厌氧污泥的产甲烷活性测试采用甲烷势自动测试系统(AMPTS II，Bioprocess Control , 瑞典)。测试时，以乙酸盐为基质，配制浓度为 2.0 g·L-1COD的乙酸钠溶液。厌氧污泥与基质的体积按VSS∶COD为2∶1[12]。将基质与厌氧污泥装入反应瓶(总体积 640 mL，工作体积 400 mL)，装上橡胶塞，插入搅拌器并拧紧，放入水浴锅，连接反应瓶与碱液吸收系统和气体流量计，向每个反应瓶充氮气4分钟，驱除反应瓶内残留的空气，保持厌氧条件。采用蒸馏水代替同体积的基质作空白实验，以扣除厌氧污泥本身所产的气体产量。测试过程中，水浴锅温度设置为(35.0±0.5)℃，反应瓶产生的沼气经碱液吸收系统去除所含酸性气体(CO2，H2S)后，余下的甲烷气体通过湿式气体流量计监测。

1.3.3 微生物形态测定

向取出的污泥样品中加入2.5%的戊二醛溶液，4℃条件下放置过夜。然后去掉固定液，用0.5 mol·L-1磷酸缓冲液(pH值7.0)漂洗样品2次，每次5 min。之后依次用浓度为30%，50%，70%和 90%的乙醇进行梯度脱水处理，每换一次乙醇溶液都需经3000 r·min-1离心5 min，最后用叔丁醇置换，冷冻干燥。将样品固定在样品台上，喷金镀膜后用扫描电镜(S-3400N型，日本日立公司)观察。

1.4 数据处理与统计

所有数据分析采用Microsoft Office Excel 2010进行处理和分析，采用Oringin8.5.1进行作图。

2 结果分析与讨论

2.1 污泥与纤维素混合后的C/N变化

在厌氧消化过程中，C/N对厌氧消化系统的稳定运行具有先决性作用。C/N太高，细胞的氮量不足，消化液的缓冲能力低，pH值较易降低；C/N太低，氮量过多，pH值可能上升，铵盐容易积累，会抑制消化进程。众多研究表明，厌氧细菌生长的合适碳氮比为20～30之间，且最佳比例为25[13-14]。但也有研究表明，大多数传统厌氧消化系统在较低的C/N条件下才能稳定运行。Romano[15]等在中温条件下对洋葱汁和污泥(含固率<5%)进行厌氧共消化时发现，C/N维持在15时系统较稳定，当C/N由13.7提高到20.3时，系统由于碱度过低而运行失败。Zhu[16]等以厌氧消化污泥作为接种物对玉米秆进行中温厌氧消化，当C/N超过21时，pH值发生骤降，系统运行失败。

本实验采用的剩余污泥C/N为5.9±0.26，远远低于厌氧消化的合适C/N。纤维素作为1种含碳量较高的物质，按照VS污泥∶VS纤维素=5∶1，2∶1，1∶1的含量添加，如图2所示，CA。CB，CC这3个实验组进泥的C/N分别达到7.4±0.03，9.8±0.13，12.9±0.98。厌氧消化过程中，反应器内污泥的pH值为6.64～7.20，氧化还原电位为-315～-275 mV, 含水率均在97.40%左右波动，氨氮含量为128.24～317.41 mg·L-1，pH值和氨氮含量随纤维素添加量增加而降低，但均符合厌氧消化相关参数要求，四组厌氧消化反应器运行良好。纤维素的添加有利于改善厌氧消化混合物料的营养平衡，增加系统中微生物的种类和数量，改善微生物的生存环境和对污泥的消化，提高系统缓冲能力和沼气产量，对厌氧消化具有促进作用。

图2 纤维素添加量对进泥中C/N的影响

2.2 污泥厌氧消化过程中的日产气量变化

污泥厌氧消化不仅可以去除有机质, 实现污泥的稳定化, 还可以产生可回收利用的能源(沼气)。如图3所示，纤维素含量的添加显著增加了污泥厌氧消化的日产气量：CK，CA，CB，CC这4个实验组在半连续进样的前3 d日产气量逐渐升高，随后呈现波动现象。CK，CA两个实验组在第15天出现产气高峰，CB和CC两个实验组在第20天出现产气高峰，说明污泥固体浓度(TS)的增加(4个实验组的TS浓度分别为2.83%±0.17%，3.21%±0.21%，3.63%±0.15%和4.31%±0.28%对厌氧消化的日产气高峰具有延迟效应[17]。CK，CA，CB，CC这4个实验组的反应系统在24 d后趋向稳定，日产气量也分别稳定在250 mL，600 mL，1200 mL和2300 mL左右，3个实验组(CA，CB，CC)日产气量分别约为CK组日产气量的2.4倍，4.8倍和9.2倍。Sosnowski[5]等将城市有机垃圾与剩余污泥1∶3混合后，C/ N从9.3提高到14. 2，产气量是污泥单独进行消化的2倍。袁海荣[7]等将剩余污泥和小麦秸秆联合厌氧消化，在C/N为25时，日产气量是污泥单独进行消化的1.6倍。以上研究结果的日产气量均低于本研究的日产气量，这可能是城市生活垃圾和小麦秸秆中存在的其他物质影响厌氧消化的产气效率。

图3 纤维素添加量对日产气量的影响

2.3 污泥厌氧消化稳定期气体成分变化

在联合厌氧消化稳定期，通过7 d连续监测厌氧消化系统中的CH4和CO2含量变化，CH4和CO2含量的变化趋势如图4所示。由图4 可以看出，不同含量的纤维素添加可以提高厌氧消化系统中CH4含量；CK，CA，CB，CC这4个实验组中CH4所占比例分别约为25%，40%，50%和50%。污泥与其他有机物混合厌氧消化，CH4含量在50%～70%之间波动[18-19]，这与本研究的结果基本一致。CK组CH4含量较低，这主要可能受污泥底物中有机成分的性质影响[7]，纤维素的添加可改善厌氧消化过程中的微生物生存环境，且可促进纤维素酶的产生。纤维素酶能够有效提高厌氧消化过程中生物质的水解[20]，使厌氧消化系统中的有机成分和种类增加。CB和CC两个实验组CH4所占比例基本一致，主要可能是因为CC实验组纤维素添加量相对于其它实验组较高，有机负荷的增加可改变反应器中微生物的生存环境，对不同产甲烷菌的丰度产生影响，从而影响了CH4的含量。

图4 纤维素添加量对厌氧消化稳定期CH4 含量的影响

图5 纤维素添加量对厌氧消化稳定期CO2 含量的影响

由图5可知，纤维素的添加可以增加厌氧消化系统中的CO2含量，其中CB和CC两个实验组中的CO2含量增加比例明显，CC实验组中CO2比例达到30%左右，但CA实验组中CO2含量增加不明显。Quantin[21]等研究表明，通过添加纤维素处理的厌氧消化实验组中CO2含量升高，与本实验的研究结果一致。沼气中含30%～40% 的CO2稳定运行的厌氧反应器体系内的pH值<7[22]。这与CC组中的pH值为6. 64相互印证，且可以进一步解释CC组CH4所占比例与CB组相同，这也与CC组反应体系中的pH值相对较低有关。

2.4 污泥厌氧消化稳定期产甲烷活性

产甲烷菌是厌氧消化的众多微生物中对环境条件和操作条件最敏感的菌种。产甲烷活性(specific methanogenic activity, SMA)即单位质量的厌氧污泥(以VSS计)在单位时间内将特定基质转化成CH4的量，能够评价出厌氧污泥去除COD生成CH4的潜力，是检验厌氧污泥活性和评估厌氧消化反应器运行效果的重要参数[23]。

图6 不同处理组的CH4累积产量

利用甲烷势自动测试系统对CK，CA，CB，CC这4个实验组的产甲烷活性进行了测试，4个实验组的甲烷累积产量在测试5天后趋于稳定，如图5所示。随纤维素添加量的增大，4个实验组累积CH4呈现不同程度的增加。

累积产气量曲线的斜率最大值即为产甲烷活性， mL·g-1VSS·d-1，CK，CA，CB，CC这4个实验组的产甲烷活性结果如图6所示。4个实验组的产甲烷活性分别为 45 mL·g-1VSS·d-1，73 mL·g-1VSS·d-1，94 mL·g-1VSS·d-1和120 mL·g-1VSS·d-1。按照VS污∶VS纤维素=5∶1，2∶1，1∶1的添加条件，纤维素添加组的SMA相对对照组的SMA分别提高62.6%，110.3% 和168.5%。实验表明，纤维素的添加显著促进了产甲烷菌的产甲烷活性。这也与4个实验组实际运行情况的甲烷含量变化趋势一致。尹军[24]研究表明，将初沉污泥、消化污泥和剩余污泥按照1∶1∶1混合后厌氧消化，产甲烷相的SMA在50～310 mL·g-1VSS·d-1波动。又有研究表明[25]，初沉污泥在投配率为5%的条件下，容积为5 L的消化池中污泥的SMA为17～48 mL·g-1VSS·d-1，。这与本实验的对照组中污泥的产甲烷活性基本一致。

2.5 污泥中厌氧消化稳定期细胞形态观察

由图8～图15稳定期的厌氧消化污泥SEM图片可知:稳定期的厌氧消化污泥表面的微生物主要由球状菌、杆状菌和丝状菌组成，微生物种类较为丰富，微观形态结构较为复杂。CK-1(见图6)和CK-2(见图7)表示对照组稳定期厌氧消化污泥中的微生物分布，SEM显示未添加纤维素的对照组主要菌群有丝状菌、短杆菌和球状菌组成。各种菌群分布不是十分均匀，大多数菌群都是混栖分布，丝状菌缠绕成团状结构，对杆菌和球状菌有包裹现象，这样可能会产生不同菌群之间的相互竞争作用，厌氧微生物难以形成菌胶团，微生物活性较低，这可以进一步证明CK组的产气性能低于纤维素添加组。

图9 厌氧消化污泥稳定期CK-2的SEM图

图10 厌氧消化污泥稳定期CA-1的SEM图

图11 厌氧消化污泥稳定期CA-2的SEM图

图12 厌氧消化污泥稳定期CB-1的SEM图

图13 厌氧消化污泥稳定期CB-2的SEM图

图14 厌氧消化污泥稳定期CC-1的SEM图

图15 厌氧消化污泥稳定期CC-2的SEM图

CA-1和CA-2在纤维素添加量按照VS污泥∶VS纤维素=5∶1的条件下，稳定期厌氧消化污泥中的微生物主要为球状菌和长杆状菌，丝状菌明显减少。球状菌菌落呈现成团生长，且以杆状菌为骨架。CB-1和CB-2在纤维素添加量按照VS污泥∶VS纤维素=2∶1的条件下，稳定期厌氧消化污泥中的微生物多数为球状菌，部分为长杆菌和短杆菌，对比其它3个实验组，球状菌数量增加明显且最多，菌落呈现成团生长。CC-1和CC-2在纤维素添加量按照VS污泥∶VS纤维素=1∶1的条件下，稳定期厌氧消化污泥中的微生物主要为丝状菌和球状菌，丝状菌菌落数量最大，丝状菌成团缠绕生长，但整个实验过程中未出现丝状菌膨胀现象。纤维素的添加明显改变厌氧消化污泥中的菌落结构，与CK组相比，CA和CB实验组增加了球状菌的数量，CC实验组增加了丝状菌的数量，且纤维素的添加改变了厌氧消化污泥中微生物生长的微生态环境，同一菌种成团生长，可以减小各菌种之间的互相抑制作用，微生物活性较高，这与前面所得的CH4含量和产甲烷活性增大的研究结果相互印证。

3 结论

(1) 污泥与纤维素按照VS污泥∶VS纤维素=5∶1，2∶1，1∶1的含量添加，C/N从5.9分别提高到7.4，9.8，12.9，较大地提高了厌氧消化混合物料的营养平衡，有利于厌氧消化的进行。

(2) CA，CB，CC这3个实验组日产气量分别约为CK组日产气量的2.4倍，4.8倍和9.2倍；CH4所占比例分别约为25%，40%，50%和50%；SMA分别为45 mL·g-1VSS·d-1，73 mL·g-1VSS·d-1，94 mL·g-1VSS·d-1和120 mL·g-1VSS·d-1。

(3) 稳定期的厌氧消化污泥表面的微生物组成与添加纤维素的含量有关。与丝状菌、短杆菌和球状菌混栖且不均匀分布的对照组相比，污泥与纤维素按照VS污泥∶VS纤维素=5∶1，2∶1的比例添加，可以促进球状菌和杆状菌的生长，球状菌菌落呈现成团生长，且以杆状菌为骨架。球状菌的数量随着纤维素添加而增多；当污泥与纤维素按照VS污泥∶VS纤维素=1∶1的比例添加时，稳定期厌氧消化污泥中的微生物主要为丝状菌和球状菌，丝状菌菌落数量最大，丝状菌成团缠绕生长。

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