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1、如何优化剩余污泥厌氧消化工艺污水活性污泥处理过程中会产生大量的剩余污泥，数量可达到污水处理量的0.3%0.5%（以含水率97%十）1.剩余污泥除了具有含水率高、易腐烂、恶臭等特征外，还含有大量的病原菌、寄生虫、重金属和二英、苯并芘等难以降解的有毒、有害、致癌物质，极易对土壤、地下水等造成二次污染2.厌氧消化处理是对剩余污泥进行稳定化、减量化和资源化过程中被广泛采用的处理手段，具有能耗低、污泥稳定性好、产生生物能源沼气等优点3.影响剩余污泥厌氧消化过程的因子包括基础因素（厌氧污泥组成、浓度、污泥负荷等）和环境因素（pH、ORP、抑制性物质等）两大类，其中厌氧污泥的生物相组成和代谢活性 对厌氧消化
2、处理的过程进展发挥着重要的作用4.在剩余污泥厌氧消化过程中，由于微生物构成、对基质的适应性和接种量的不同，采用不同的接种厌氧污泥会对剩余污泥产CH4生成势形成不同程度的影响5,6.深入探究剩余污泥厌氧消化过程中产CH4生成势与菌群动态变化的关系，一方面可对厌氧消化过程中剩余污泥的生化降解过程和产CH4潜能进行评价7，另一方面也能为剩余污泥厌氧消化工艺的关键操作参数优化提供依据8,9剩余污泥厌氧消化的效率在很大程度上取决于厌氧微生物种群多样性及优势种群的活 性10,11.不同条件下厌氧消化运行的稳定性及效率与系统群落结构的变迁会存在一定的 关联.厌氧污泥中主要存在水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷
3、菌及硫酸盐还原菌12.其中产甲烷菌属于典型的古细菌，大致可以分为两类： 一类主要利用乙酸产生甲烷，主要有产甲烷八叠球菌（Methanosarcina） 和产甲烷髦毛菌（Methanothrix）;另一类利用氢和二氧化碳合成甲烷.由于传统微生物培养、鉴定的局限性，近年来研究人员尝试应用基于16SrRNA的分子生物学技术（变性梯度凝胶电泳、克隆文库技术、荧光原位杂交）对厌氧污泥系统群落结构的变化进行分析.其中末端限制性片段多态性（terminal-restrictionfragment length polymorphism, T-RFLP）根据PCR扩增产物片断的大小不同以及标记片断种类和数量的
4、不同来分析群落的结构及组成 Colli ns 等13利用T-RFLP技术对接种污泥和接种后的污泥中微生物菌群变化进行研究后发现接种污泥中占优势的产甲烷菌群是Methanosarcinales 、Methanobacteria 禾口 Proteobacteria ,而反应器运行稳定后占优势的 菌群为 Methanosarcina vacuolata 和 Methanobacterium palustre.T-RFLP技术可以很灵敏地检测微生物种类的微小变化，能够提供微生物种群结构和数量动态变化的信息，已成功应用于厌氧污泥产CH4菌的群落结构、动态变化的检测等方面14.本研究采用剩余污泥厌氧消化产
5、CH4生成势（biological methane potential, BMP的测试方法15, 16，对两厂的剩余污泥厌氧消化进行了批次实验，在两厂剩余污泥的产的产 CH4速率、基质浓度回归的基础上得出产CH4的关键参数，评价不同剩余污泥在厌氧消化过程中的产CH4生成势；同时对BMP实验前后的水质变化进行分析，结合厌氧消化前后 T-RFLP的变化，对两种剩余污泥在厌氧消化过程中CH4生成势的差异进行解析17. 一方面可对不同剩余污泥厌氧消化过程中的产CH4潜能进行评价，同时也能为厌氧消化工艺中微生物菌群动态变化跟踪及关键参数优化提供依据.1材料与方法1.1厌氧污泥来源与特征本研究所用的剩余污
6、泥、厌氧污泥分别来自于 AP和DH污水处理厂，AP污水处理厂采用合流制明渠排水沟进水，进水水质易受降雨影响，且泥沙等无机颗粒含量较高；DH污水处理厂配套管网设施完善，进水为完整的下水管网收集的城市生活污水污水厂长期的监测数据表明，AP厌氧污泥的VSS/TSS值多在0.5以下，而DH厌氧污泥的VSS/TSS值维持在0.6 以上，厌氧消化池代谢活性较好 .AP剩余污泥的VSS为8 050 mg L-1 , TSS为14 350 mg L-1.DH 剩余污泥的 VSS为 9 250 mg L-1 , TSS为 13 230 mg L-1. 1.2 BMP 实验 设计AP-BMR DH-BMP共设置
7、6 组不同的污泥负荷 F/M(0、0.1、0.25、0.4、0.6、1) 进行实验，由于污泥浓缩的不均衡性，实测F/M如表1所示.BMP实验在120 mL的血清瓶中进行，依据测试基质浓度加入定量剩余污泥.采用Owen等15提出的厌氧微量元素溶液配方，其中 CaCI2 2H2 O NH4CI、 MgCI2 6H2 O KCI、 MnCI2 4H2 O CoCI2 6H2 O H3BO3 CuCI2 2H2 O Na2MoO4 2H2 O ZnCI2 的浓度分别为 16.7、26.6、120、 86.7、1.33、2、0.38、0.18、0.17、0.14 g L-1.每个血清瓶加入 27 mL的
8、微量元 素液体和5.4 mL的(NH4)2HPO4(26.7 g -L-1)，之后依据不同的 F/M比值接种厌氧污泥、剩余污泥后，盖上胶盖并用铝箔封口.在35 C下旋转培养箱内进行实验，实验过程中以玻璃注射筒(50 mL)测量总产气量，并利用 GC-ECD测定CH4 CO2和H2的比例.共设置两组平行实 验，取均值进行产气量、水质分析.AP-BMP、DH-BMP分别设置两组平行实验，产气量测量可精确到0.1 mL.项目编号基质（S）（以COD） imgC接种污泥09 （以 VSSi+mg-L*F/M0014 550012 82014 5500.19APBMP2610914550042312 2
9、201455Q0.84420 63014 5501.42531 570U5502.170012 90D013 09212 9000.24DH-BMP25 85611 9000.4931180211 4501.0341465011 7001.25528 45012 900221表1 BMP实验实测 F/M比1.3分析方法1.3.1常规指标常规水质指标，包括 pH(Suntex Ion Analyzer 3000A)、TSS(Sartorius Analytic oven)、 NH+4-N(Autotitrator AT-400KYOTO) 、TKN(Autotitrator AT-400KYOT
10、O) 、COD(回流加热 滴定)等，均依照美国 EPA规定的Standard Methods18规定进行.实验过程中气体成分(CH4、CO2 和 H2)的测量采用气相色谱 (China Chromatography GC8900T) 进行.1.3.2 T-RFLP 分析图1实测CH4累积产气量与回归曲线本研究参照了 Lueders等19建立的T-RFLP方法对实验前后厌氧污泥的生物多样性进 行分析，实验步骤如下：通过PCR来复制DNA样品中的目标基因，引物为在5的尾端上带有荧光的Ar 109f和Ar 912r*，首先在94C预变性5 min，扩增循环阶段包括94C变性1 min , 52 C退
11、火1 min , 72 C延伸1.5 min，共循环28 cycles，最后在72 C条件下延伸 6 min.在8.5卩L的PCR产物中加入 0.5卩L Taq I和1.5卩L的缓冲溶液，在65 C条件下 消化切割2 h;将切割后的片段利用电泳分离并以荧光侦测器(全自动遗传分析仪，ABIPRISM3100 Genetic Analyzer)检测片段上所带的荧光强度.Lueders等19成功分离、 克隆出产 CH4髦毛菌 Methanosaeta spp.、产 CH4微菌 Methanomicrobiaceae、RC-I 和产 CH4 杆菌 Methanobacteriaceae ，未能定性的菌
12、种归入Diverse 类.1.3.3数据分析剩余污泥厌氧消化过过程中累积CH4产气量采用改进的 Gompertz模型回归分析20r -(8*1 + 4) *式中，y为累积产气量(mL); 3为产气末期校正斜率(mL h-1); t为反应时间(h); A为平衡产气量(mL); Rmax :最大产气速率(mL h-1);入：迟滞期(h).底物的厌氧代谢过 程实质上是一系列的酶促反应，因此采用 Michaelis-Me nte n模型描述剩余污泥浓度与比产气速率的关系： V=Vmax S Km+S (2) 式中，Vmax为最大比产气速率mL (g d)-1; V为比产气速率mL (g d)-1; K
13、m为半饱和常数(mg L-1); S为基质浓度(mg L-1).2结果与讨论2.1 BMP产气结果分析AP-BMP DH-BMP批次实验持续时间分别为439 h、765 h , 6组不同的投配比设计累积产气量存在着明显的差异 .实验初期累积产气量差异不明显(图1)，后期逐步增大.两组实验气体成分均以 CH4(80%) CO2(20%)为王，同时存在少量的H2(不足1%).实验产气均匀，可分为两个阶段.第一阶段产气速率大，产甲烷菌利用溶解性COD或易水解性物质进行厌氧发酵；之后产气速率逐渐降低至稳定水平，该阶段的限速步骤为剩余污泥的水解过程，产气随着水解的进程而稳定增加.至该实验结束时，每天仍有
14、稳定体积的气体产生，表明微生物的水解、 厌氧产CH4仍在进行中.应用改进的 Gompertz模型对AP-BMR DH-BMP产气进行 回归后的参数如表 2所示.两厂的厌氧污泥产气数据与改进的Gompertz模型拟合较好(R20.99).通常厌氧消化过程中的限速步骤为水解破壁过程21, 22，在无添加外来基质的0号样品中，AR DH厌氧污泥的迟滞期分别为20.00 h、12.93 h，表明DH厌氧污泥的活性较高顶目lh/mL h16JmLAFmLVSSig/mL g-d)_1R2020.000.150061.1643000.99217.58Q.230.0823.051.1644.700.993AP-BMP20000.380.1333.231,1647 850.99B30.000.650.1841741.15413.460.99640.000.960.2557.021.16419.83099650.001.350 3477 531.16427.750996012.920.19ooa26.331.0324390.99013930.2900942201 0326690997
