近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)污水收集系統(tǒng)的日趨完善和污水處理設(shè)施的不斷建設(shè)運(yùn)行，城鎮(zhèn)污水處理廠的剩余污泥產(chǎn)量急劇增加。這些污泥如果得不到妥善處理，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大危害，因此，尋求合理的處理方法成為關(guān)鍵。
厭氧消化（AD）作為一種可持續(xù)發(fā)展的污泥處理技術(shù)，符合我國(guó)目前提出的碳達(dá)峰與碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)。AD一般有中溫厭氧消化（MAD）和高溫厭氧消化（TAD）兩大類，與應(yīng)用廣泛的MAD相比，TAD穩(wěn)定性更差，但因其具有水解速率快、產(chǎn)氣潛能大和病原體去除率高等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為具有較大的應(yīng)用前景。因此，解決污泥TAD穩(wěn)定性是推進(jìn)該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。目前關(guān)于TAD穩(wěn)定性的研究主要包括微生物馴化、共消化和添加導(dǎo)電材料等，其中添加導(dǎo)電材料（如生物炭、碳纖維和磁鐵礦等）因能提高TAD沼氣產(chǎn)率和工藝穩(wěn)定性而成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。生物質(zhì)熱解制取的生物炭是一種成本較低的堿性導(dǎo)電材料，由于其能夠緩解揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）積累，因而成為重要的導(dǎo)電添加劑。但有關(guān)生物炭對(duì)污泥AD的影響研究大都基于中溫批次試驗(yàn)，在連續(xù)進(jìn)料、有機(jī)負(fù)荷率（OLR）變化的情況下對(duì)污泥TAD的影響尚不清楚，因此限制了其實(shí)際應(yīng)用。
鑒于此，筆者將由菖蒲制備的生物炭添加到污泥TAD連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)中，探討生物炭對(duì)系統(tǒng)中VFAs濃度、產(chǎn)氣穩(wěn)定性、微生物群落結(jié)構(gòu)及沼渣沼液性質(zhì)的影響，以期為實(shí)現(xiàn)污泥TAD系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供參考，也為污泥TAD工程應(yīng)用提供可靠的技術(shù)途徑。
1、材料與方法
1.1 污泥和生物炭的來(lái)源
本研究采用西安市第三污水處理廠的脫水污泥，利用純水稀釋該污泥使其含固率為4%和8%，分別用于連續(xù)反應(yīng)器的啟動(dòng)和運(yùn)行階段，其理化性質(zhì)如表1所示。
生物炭由黃菖蒲莖在600℃下燒制2h制得，其pH為11.47、比表面積為15.2m2/g、總孔容為0.68cm3/g、平均孔徑為153.9nm。
1.2 試驗(yàn)裝置
采用兩個(gè)總?cè)莘e為1L、有效容積為0.6L的恒溫加熱磁力攪拌反應(yīng)器（見(jiàn)圖1），分別作為污泥高溫厭氧消化對(duì)照組和添加組。生物炭投量為0.36g/gVS，由本課題組之前的批式試驗(yàn)優(yōu)化獲得。兩個(gè)反應(yīng)器均接種實(shí)驗(yàn)室規(guī)模馴化的厭氧消化種泥，運(yùn)行工況及OLR（以VS計(jì)）控制如表2所示。反應(yīng)器保持（52±1）℃的高溫條件，并通過(guò)磁子攪拌保證物料充分混合，每天進(jìn)料和出料各1次。
1.3 分析方法
沼氣產(chǎn)量采用排水法（6%的NaOH溶液）每天測(cè)定；沼氣組分采用氣相色譜（Agilent6890N，TCD，TDX-01）檢測(cè)，每5d測(cè)定1次。消化混合液的VFAs每5d測(cè)定1次，將消化混合液在10000r/min下離心后，經(jīng)0.22μm膜過(guò)濾，用甲酸將pH調(diào)至2.0，采用氣相色譜（Agilent6890N，FID）測(cè)定VFAs。pH采用雷磁pH計(jì)測(cè)定；總固體（TS）和揮發(fā)性固體（VS）采用標(biāo)準(zhǔn)重量法測(cè)定；氨氮（NH4+-N）、總化學(xué)需氧量（TCOD）、溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）、總磷（TP）和總氮（TN）均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定；VS降解率采用Koch所報(bào)道的方法計(jì)算。
試驗(yàn)結(jié)束時(shí)取消化殘余物50mL于離心管中，在4000r/min下離心10min，收集上清液為沼液、濃縮物為沼渣。利用奧林巴斯手持式XRF分析儀測(cè)定沼渣的重金屬含量，沼渣的TP、TN和總鉀（TK）測(cè)定方法參考《土壤農(nóng)化分析》。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將消化殘余物送至生工生物工程（上海）股份有限公司進(jìn)行細(xì)菌以及古菌群落的IlluminaMiSeq高通量測(cè)序。
2、結(jié)果與討論
2.1 生物炭對(duì)TAD產(chǎn)氣量及組分的影響
不同OLR條件下，添加組和對(duì)照組的單位VS產(chǎn)氣速率變化及VS降解率如圖2所示，平均甲烷含量、日產(chǎn)氣量及其均值偏差如表3所示。由圖2可以看出，兩個(gè)反應(yīng)器在啟動(dòng)階段，產(chǎn)氣量先升高后穩(wěn)定在較低值，這可視為微生物的適應(yīng)階段。當(dāng)增加OLR時(shí)，得到營(yíng)養(yǎng)供給的微生物變得活躍，產(chǎn)氣量明顯上升，對(duì)照組的平均日產(chǎn)氣量和VS降解率都大于添加組，可能是因?yàn)槲⑸镞m應(yīng)生物炭添加需要一個(gè)過(guò)程，但從平均甲烷含量來(lái)看，添加生物炭后沼氣中的甲烷含量略有提高。
當(dāng)OLR從1.79g/（L·d）提高到2.87g/（L·d）時(shí)，添加組的污泥VS降解率逐漸超過(guò)對(duì)照組，對(duì)照組和添加組的平均VS降解率分別為33.55%和35.23%，日產(chǎn)氣量也有類似的趨勢(shì)，添加組的平均產(chǎn)甲烷速率達(dá)到96.89mL/（gVS·d），比對(duì)照組提高了11.96%，這是產(chǎn)氣量和甲烷含量均提高共同帶來(lái)的結(jié)果。更重要的是，添加組日產(chǎn)氣量的均值偏差比對(duì)照組低5.54%，表明生物炭的添加既能提高污泥有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化率和甲烷產(chǎn)量，也能提高產(chǎn)氣穩(wěn)定性，這與Wei等人的研究結(jié)果一致，尤其是在第100天之后，添加組的產(chǎn)氣速率和VS降解率明顯高于對(duì)照組。
2.2 生物炭對(duì)TVFAs及其組分的影響
圖3為TVFAs濃度及其組分的歷時(shí)變化�？梢钥闯�，兩個(gè)反應(yīng)器的TVFAs濃度在初始階段均較高，且以丙酸為主，但生物炭的添加降低了其濃度。當(dāng)OLR提高至1.79g/（L·d）、運(yùn)行至第15天時(shí)，對(duì)照組和添加組的TVFAs濃度均出現(xiàn)回升，分別為708.44和781.33mg/L，此時(shí)丙酸占比分別為59.28%和62.38%。隨著TAD反應(yīng)的進(jìn)行，兩個(gè)反應(yīng)器中的TVFAs均大幅下降且以乙酸為主，在添加生物炭組其濃度更低且?guī)缀鯚o(wú)丙酸積累，說(shuō)明生物炭促進(jìn)了丙酸向乙酸及乙酸向甲烷的轉(zhuǎn)化，與前述甲烷含量提高的結(jié)果一致。Lü等人的研究表明，添加的生物炭可通過(guò)提高氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的相對(duì)豐度和促進(jìn)種間直接電子轉(zhuǎn)移（DIET），來(lái)加速丙酸的轉(zhuǎn)化。
運(yùn)行60d后，隨著OLR的進(jìn)一步提高，生物炭的促進(jìn)作用更加明顯。當(dāng)OLR為2.87g/（L·d）時(shí)，對(duì)照組的平均TVFAs濃度是添加組的2.23倍，乙酸和丙酸的占比分別為66.98%和13.71%，還檢測(cè)到少量的丁酸和戊酸，而添加組中TVFAs幾乎全為乙酸，且維持在較低水平。因此，添加生物炭促進(jìn)了丙酸、丁酸和戊酸的降解，加速了乙酸向甲烷的轉(zhuǎn)化，從而確保了TAD即使在較高的OLR下也能穩(wěn)定產(chǎn)甲烷。
2.3 微生物群落分析
試驗(yàn)結(jié)束時(shí)兩反應(yīng)器中細(xì)菌門(mén)水平和屬水平以及古菌屬水平的微生物相對(duì)豐度如圖4所示。由圖4（a）可知，兩個(gè)TAD系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)均與水解酸化有關(guān)（Firmicutes、Proteobacteria和Bacteroidetes），差異在于生物炭促進(jìn)了Thermotogae菌門(mén)的生長(zhǎng)，其在對(duì)照組中的占比為1.39%，而在添加組中的占比為4.91%，Thermotogae是TAD中常見(jiàn)的菌門(mén)，能夠利用復(fù)雜的碳水化合物，其富集表明添加生物炭有助于有機(jī)物的降解。為進(jìn)一步研究添加生物炭對(duì)細(xì)菌群落的影響，分析了屬水平上的細(xì)菌組成，如圖4（b）所示，添加生物炭后，Proteobacteria菌門(mén)中的Pseudomonas菌屬有所增加，Pseudomonas被認(rèn)為是一種產(chǎn)電細(xì)菌，能將乙醇轉(zhuǎn)化為乙酸，同時(shí)產(chǎn)生電子。此外，生物炭的添加還促進(jìn)了Thermotogae菌門(mén)中Defluviitoga菌屬的生長(zhǎng)，使其相對(duì)豐度從對(duì)照組的0.10%提高到4.91%。Defluviitoga屬于互營(yíng)菌，能夠?qū)?fù)雜化合物降解為乙酸、H2和CO2。因此，添加組中Defluviitoga的富集可能是該系統(tǒng)中VFAs濃度較低的原因。
由圖4（c）可以看出，兼性營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanosarcina是對(duì)照組和添加組的主導(dǎo)菌屬，相對(duì)豐度分別為56.44%和49.16%。然而，生物炭的添加顯著提高了氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanoculleus和Methanobacterium的相對(duì)豐度，使其從對(duì)照組中的0.62%和14.39%分別提高為6.43%和27.99%。Methanoculleus的富集可能與互營(yíng)菌Defluviitoga的富集有關(guān)，Maus等人研究認(rèn)為Defluviitoga可與Methanoculleus形成互營(yíng)代謝以促進(jìn)VFAs降解。而Methanobacterium相對(duì)豐度的增加可能與產(chǎn)電細(xì)菌Pseudomonas有關(guān)，有研究表明，Pseudomonas可與Methanobacterium之間建立DIET。
總之，添加生物炭促進(jìn)了TAD系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌與細(xì)菌的DIET及互營(yíng)代謝，在保持乙酸型產(chǎn)甲烷菌為主導(dǎo)菌屬的基礎(chǔ)上，顯著提高了氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的相對(duì)豐度，增強(qiáng)了多種營(yíng)養(yǎng)途徑的物質(zhì)消耗，從而提高了TAD系統(tǒng)的穩(wěn)定性和甲烷產(chǎn)率。
2.4 沼渣沼液性質(zhì)分析
2.4.1 沼液性質(zhì)
對(duì)照組和添加組的沼液性質(zhì)如表4所示�？芍砑咏M的沼液BOD5和COD濃度均低于對(duì)照組，表明添加生物炭促進(jìn)了有機(jī)物的降解和向甲烷的轉(zhuǎn)化；沼液氮濃度均高于對(duì)照組，但TP和PO43--P濃度分別比對(duì)照組降低了24.42%和34.46%，表明生物炭對(duì)沼液中的磷有一定的吸附作用，但對(duì)氮沒(méi)有吸附作用。
2.4.2 沼渣性質(zhì)
添加生物炭對(duì)沼渣性質(zhì)的影響如表5所示。總養(yǎng)分（氮、磷、鉀）含量是評(píng)價(jià)沼渣作為有機(jī)肥的重要參數(shù)，從表5可以看出，添加生物炭并沒(méi)有導(dǎo)致沼渣中TN和TP含量的顯著增加，但使得TK含量提高了20.98%，此外，添加組的沼渣中還富含植物次生常量營(yíng)養(yǎng)元素（Ca、Mg）和微量營(yíng)養(yǎng)元素（Fe、Mn等），這可能是由于生物炭中K、Ca、Mg等元素含量較高。另外，對(duì)照組和添加組的沼渣中重金屬含量均滿足《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB4284—2018）中的B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但添加組的沼渣中重金屬含量更低，可能是由于添加生物炭導(dǎo)致的稀釋作用。綜上，添加組的沼渣在重金屬含量未增加的前提下，TK和植物營(yíng)養(yǎng)元素含量均得到了提高。
3、結(jié)論
①向污泥TAD連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)中添加生物炭可以促進(jìn)污泥VS的降解以及VFA的降解（主要是丙酸和乙酸），提高沼氣中甲烷的含量、產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣穩(wěn)定性，在OLR為2.87g/（L·d）條件下，添加組的平均產(chǎn)甲烷速率為96.89mL/（gVS·d），比對(duì)照組提高了11.96%，同時(shí)其日產(chǎn)氣量的均值偏差降低了5.54%。
②生物炭的添加促進(jìn)了TAD系統(tǒng)中產(chǎn)電細(xì)菌Pseudomonas、互營(yíng)細(xì)菌Defluviitoga和氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌（Methanobacterium和Methanoculleus）的生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)了Pseudomonas與Methanobacterium的DIET以及Defluviitoga和Methanoculleus的互營(yíng)代謝，增強(qiáng)了多種營(yíng)養(yǎng)途徑的物質(zhì)消耗，從而提高了甲烷產(chǎn)率。
③生物炭的添加使污泥TAD沼液中的TP和PO43--P含量降低了24.42%和34.46%，使沼渣中的氮、磷、鉀以及植物營(yíng)養(yǎng)元素含量也得到了提高，表明生物炭的添加可以改善消化殘余物的性質(zhì)。（來(lái)源：中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院）
