不同剂量臭氧预处理污泥厌氧发酵产甲烷效果评价❋

王太恒， 陈彩霞， 王旭东， 李先国， 张大海

(中国海洋大学化学化工学院， 山东 青岛 266100)

随着人口的不断增长和城市化进程的不断加快，城市污水的排放量越来越多，污泥的产量也随之增多，到2018年，中国污泥总产量已达到5 665万t[1]。在污水生物处理过程中产生大量的活性污泥。活性污泥含有较多的蛋白质及碳水化合物等有机成分[2]，是潜在的生物能源。但是活性污泥中大部分的有机物质都在细胞内，且它们大多是大分子有机物，难以被利用[3]。因此，应用有效的预处理方法使污泥释放更多可利用的有机质。

传统的污泥的预处理方法有热预处理、微波预处理、超声波预处理、臭氧预处理和碱解预处理等[4]。其中臭氧预处理污泥能够利用臭氧的强氧化性将污泥中的微生物细胞破解，使细胞中的易降解有机质释放出来[5]。此外，经过臭氧预处理还可以显著改善污泥的沉降性能、消除污泥中的化学残留物[6]。文献中报道的最佳消耗臭氧剂量范围为0.05～0.5 g O3/g总悬浮固体(TSS)[7]。Ak等[5]研究发现在1.33 mg O3/g生物质时，由臭氧处理的污泥进料反应器产生的沼气几乎是对照反应器的两倍，这意味着从污泥消化中获得的能量将增加一倍。同时臭氧预处理不会产生二次污染，具有良好的发展前景[7-10]。

目前关于臭氧投加剂量对厌氧发酵产甲烷效果的影响研究还不够完善，不同污泥的最佳臭氧投加剂量有较大差别[11-13]，且臭氧剂量过高会将液相中的有机物氧化[14]，导致产甲烷量下降。本研究通过对污泥进行臭氧预处理，分析不同剂量臭氧对污泥厌氧发酵产甲烷效果的影响，为臭氧预处理污泥厌氧发酵提供技术参考。

1 材料和方法

1.1 污泥预处理

实验采用青岛某污水处理厂的二次沉淀池污泥及消化污泥(用于接种微生物)作为实验的污泥原料。由于二次沉淀池污泥TSS较低，不利于产气，采用0.45 μm聚醚砜滤膜通过正压过滤器(10 L，万大实验器材)压滤后，取上清液与滤饼混合配成体积浓缩比为3∶1的浓缩污泥。

用纯氧通过臭氧发生器(CF-G-3-10 g，青岛国林环保科技股份有限公司)制得的臭氧将浓缩污泥氧化，反应瓶体积2 L，污泥反应体积1 L，反应过程中磁力搅拌(500 r/min)使反应均匀进行。臭氧浓度控制在160 g/m3，进气流量为0.3 L/min。臭氧投加量为：0.016、0.048、0.096、0.144和0.24 g/g TSS。

表1 实验污泥主要参数

1.2 污泥厌氧发酵实验

取臭氧氧化后的浓缩污泥100 mL和消化污泥300 mL，混合后加入培养瓶中，未投加臭氧的浓缩污泥与消化污泥同比例混合作空白对照。混合气体(30% CO2，70% N2)吹扫10 min除去瓶中的氧气，在培养瓶顶部安装集气袋收集气体。厌氧发酵在35℃培养箱中进行，期间持续进行磁力搅拌(500 r/min)，实验周期11 d，每天更换集气袋，测定气体成分及体积。

1.3 分析方法

通过GC-TCD(GC-2014，日本岛津)外标法测定甲烷含量，甲烷、二氧化碳和氮气的混合气体作为标准气体[16]。色谱条件：载气为高纯氩气，流量为40 mL/min；空气流量为400 mL/min；色谱柱为TDX-01型填充柱(30 m×0.32 mm×0.25 nm)；进样口温度60 ℃、色谱柱温度50 ℃、检测器温度60 ℃；样品保留时间为8 min。

16S rDNA测序技术对样品中细菌群落组成进行分析[17]，样品由北京诺禾致源科技股份有限公司进行检测。检测流程包括样品准备、DNA提取与检测、PCR扩增、产物纯化、文库制备与库检及NovaSep上机测序等。对原始数据进行拼接、过滤后得到有效数据，并基于有效数据以97%的一致性进行可操作分类单元(OTUs)聚类和物种分类分析。其中混合污泥(未氧化及臭氧剂量为0.016、0.048、0.096、0.144、0.24 g/g TSS)在厌氧发酵实验开始前取样，编号为A0，A5，A15，A30，A45，A75；在厌氧发酵实验结束后取样，编号为B0，B5，B15，B30，B45，B75。

2 结果与分析

2.1 臭氧剂量对浓缩污泥的影响

随着臭氧剂量的增加，污泥各参数的变化情况见图1，不同臭氧剂量下的总化学需氧量(TCOD)均在25 000 mg/L左右，臭氧剂量未对污泥本身的总化学需氧量影响非常大。其余参数均随着臭氧剂量的增加而增加，这是因为在污泥臭氧化过程中的微生物被逐渐破坏分解，细胞中的有机质被释放出来[18-19]。

2.2 厌氧发酵前后混合污泥参数的变化

厌氧发酵前后固体悬浮物(TSS、VSS)及总有机碳(TOC)的变化见图2。厌氧发酵前后各组的TSS和VSS均降低(见图2(a))，表明活性污泥在厌氧发酵过程中实现了减量，因为在厌氧发酵过程中，固相中大分子有机物被逐渐分解为小分子转移至液相中[20]。空白组TSS和VSS分别下降了4.6%和5.1%；随着臭氧剂量的增加，污泥减量效果也逐渐增加，其中臭氧剂量为0.24 g/g TSS的污泥在厌氧发酵期间TSS和VSS分别下降了13.6%和17.3%。同理分析各组污泥总有机碳(TOC)的含量也在厌氧发酵后降低(见图2(b))，臭氧剂量为0.24 g/g TSS时污泥的TOC下降最多，达31.9%。因此可以得出结论，活性污泥可通过厌氧消化发酵实现减量，且臭氧预处理能够促进厌氧发酵过程中污泥有机质的消耗，具有良好的应用前景。

图2 厌氧发酵前后不同臭氧剂量下混合污泥固体悬浮物(a)和TOC(b)的含量变化

2.3 产气效果评价

在厌氧发酵过程中，生产的气体主要成分为甲烷、二氧化碳及氮气，这与王在钊[23]的研究中气体成分较为相似。不同臭氧剂量下气体累积产量见图4。各实验组气体产量随臭氧剂量的增加呈现增加的趋势，空白组产气总量为1 257 mL；而臭氧剂量为0.016～0.096 g/g TSS时，三组气体产量分别为1 761、1 754和1 718 mL，较空白组有一定增加，但三组的有机物释放量差别不大，产气量也基本一致；在臭氧剂量为0.144、0.24 g/g TSS的实验组中，随着SCOD去除率的快速升高，其产气量也明显增加。说明在厌氧发酵过程中，SCOD去除率的增加表明细菌消耗的有机物量增加，导致其甲烷产量的增加。

图4 不同臭氧剂量下气体累积产量

2.4 产甲烷效果评价

在厌氧发酵过程中，不同臭氧剂量下甲烷累积产量见图5。空白组的甲烷总产量为196 mL；臭氧投加时甲烷产量显著升高，其中臭氧剂量为0.016～0.096 g/g TSS时，由于胞内物质未大量释放，产甲烷效果差别不大(257～269 mL)。而臭氧剂量达到0.144 g/g TSS时，甲烷产量较前几实验组有所提升(284 mL)；臭氧剂量在0.24 g/g TSS时，有机物大量释放且SCOD的去除率大大提高，甲烷产量大幅提高，为空白组的1.88倍(368 mL)。Weemaes等[11]研究发现臭氧预处理污泥能够使污泥的产甲烷量提升220%；Yeom等[12]同样发现臭氧预处理能够促进污泥的生物降解。说明臭氧预处理有利于污泥厌氧发酵产甲烷，且实验过程中产甲烷量也随着臭氧剂量的增加而提升。

图5 不同臭氧剂量下甲烷累积产量

厌氧发酵的前5天，污泥产甲烷量逐渐降低，这主要是由于体系内pH值逐渐升高，不利于挥发性脂肪酸(VFAs)的产生和产甲烷菌的生长[24-25]。在第5天时加入盐酸调节pH至中性后，第6—11天甲烷产量逐渐增加至最后趋于稳定，各组产甲烷量较前五天有较大提升。这主要是因为VFAs是厌氧发酵过程中产甲烷的基础底物[26-27]，在pH在接近中性时，有机物水解产生VFAs的效率会加快，同时也适合产甲烷菌的生长。因此，在适宜的pH值条件下，产甲烷菌的活性更高，更有利于甲烷产量的提升。

2.5 微生物群落多样性分析

图6为各样品在门(a)、属(b)水平上的物种相对丰度柱形图。图6(a)表明，在门分类水平上，主要的优势菌为拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形菌门(Proteobacteria)、互养菌门(Synergistetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和绿弯菌门(Chloroflexi)等，这些都是污泥厌氧发酵过程中的常见菌群。Proteobacteria是污水处理厂活性污泥中常见的菌群，包括很多致病菌如大肠杆菌、幽门螺旋杆菌和霍乱弧菌等[28]，通常和有机物中氮磷及其它污染物的去除相关[29]，其相对丰度在厌氧发酵后均降低。Bacteroidetes和Synergistetes厌氧发酵后的相对丰度都有较大提高，这主要是因为Bacteroidetes和Synergistetes可以利用蛋白质、糖类、短链脂肪酸等有机物合成乙酸和丙酸[30]，乙酸和丙酸可以进一步转化为甲烷[31]，在生物厌氧发酵产甲烷过程中发挥重要作用。

图6 门(a)、属(b)水平上的物种相对丰度

在属的分类水平(见图6(b))上，相对丰度大于1%的菌群有11个。DMER64和利恩氏热杆菌(Thermovirga)是产甲烷过程中的两种重要菌属，厌氧发酵后相对丰度明显增加，其中DMER64能够参与直接种间的电子传递，促进电子从产酸菌转移到产甲烷菌，从而提高产甲烷速率[32]；Thermovirga则属于一类降解蛋白质的菌属[33]，通过蛋白质的降解提供相关碳源。长绳菌属(Longilinea)在发酵过程中也较为活跃，其主要功能是代谢多种碳水化合物，并促进产甲烷菌的生长[34]。脱硝酸弯杆菌属(Denitratisoma)是红环菌科的一个新属,是一类新型的具有好氧反硝化能力的菌群,能直接将亚硝态氮转化为气态氮[35]，在厌氧发酵过程中相对丰度明显下降。检测到的产甲烷菌主要有甲烷鬃毛菌属(Methanosaeta)、甲烷粒菌属(Methanocorpusculum.) 、甲烷丝菌属(Methanothrix)和甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)，其中Methanosaeta是产甲烷过程中的优势菌，它是一类嗜乙酸甲烷菌，即能够利用乙酸进一步水解产生甲烷，为产甲烷过程中的重要菌群[31]。在厌氧发酵过程中，各实验组的产甲烷菌含量的增加和臭氧剂量的增加正相关，说明臭氧的投加有利于产甲烷菌属的生长。这主要是由于臭氧剂量的增加有利于有机物从固相溶解到液相，更容易被产甲烷菌利用。Methanosaeta的相对丰度在厌氧发酵后也随着臭氧剂量的增加而增加，空白对照组的相对丰度为3.2%，而在臭氧剂量为0.24 g/g TSS时相对丰度可提高到10.0%。

3 结语

臭氧预处理技术能够有效地破坏污泥微生物的细胞结构，促进胞内有机物的释放，更有利于微生物的生长，从而提升厌氧发酵过程中活性污泥产甲烷能力。臭氧剂量的增加和活性污泥产甲烷能力正相关，臭氧剂量为0.24 g/g TSS污泥的产甲烷能力最佳(368 mL)，明显优于空白实验组污泥的产甲烷能力(196 mL)。厌氧发酵后，主要的产甲烷菌为嗜乙酸的Methanosaeta，其相对丰度随臭氧剂量的增大而增加；其它与产甲烷正相关的菌群相对丰度也明显增加。