污泥协同消化微生物的研究进展*

郑琳珂，戴晓虎

(同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

厌氧消化是一种得到广泛应用的有机废物处理方式，可以实现污染控制和能源回收。厌氧消化的优势包括生物污泥含量低，营养需求低，效率高，而且可以用作现场供热和电力的能源[1]。许多农业和工业废弃物是厌氧消化的理想选择，因为它们含有高含量的易生物降解材料[2]。这种复杂的生物过程将有机物转化为主要由甲烷(CH4)，二氧化碳(CO2)[3]。启动是厌氧消化器运行的关键步骤，并且高度依赖于微生物来源，接种物的种类和初始操作模式[4]。

为了提高厌氧消化器的性能，将污泥与不同有机废物协同消化是非常有前景的一种处理处置策略[5]。污泥的厌氧消化是不同废物协同生物降解，可以用来增强具有某些特征的废物的厌氧降解[6]。协同消化的优点包括创造合适的营养比例，稀释潜在的有毒物质[7]，提高体系的缓冲能力[8]，设备共享，建立所需的含水量和更容易的废物处理[6]。而且，污泥厌氧协同消化也是经济可行的[9]。已经有许多关于各种废物协同厌氧消化的研究，包括食品工业废物[10]，动物粪便[11]，废水污泥[3]，水产养殖废弃物[8]和废纸[12]等等。从资源化和稳定化角度来看，协同消化与单一废物厌氧消化相比都具有显著的优势。

近年来，微生物测序手段发展迅速，定点梯度凝胶电泳(DGGE)和克隆文库是用于评估微生物群体的最普遍的方法[13]。454高通量测序技术作为新一代测序技术，能够更快速地识别大量序列，促进了微生物群落动态环境的调查研究[14]。过去的研究涉及污泥协同消化的环境条件，物理和化学性能参数与微生物种群动态之间的联系[15]，这些结果表明，微生物群体密度可能与消化过程中厌氧微生物的活性密切相关。本文从协同消化的微生物群落和主要限制因素及其调控手段进行深入分析。

1 协同消化的微生物群落

协同消化是两种及以上多种底物进行厌氧消化，是传统污泥厌氧消化的延伸。污泥厌氧消化系统有多种微生物存在，主要有细菌和古菌两大类。协同消化与厌氧消化的步骤一致，最初步骤是大分子有机物的水解。在这一步骤中，大分子(如蛋白质，碳水化合物和脂肪)分别被细菌和少数真菌分解为氨基酸，糖和脂肪酸[16-17]，根据底物的不同，相应的水解菌群也有一定的区别[18-20]。化能有机营养的专性厌氧杆菌(拟杆菌门)、化能营养型(厚壁菌)、兼性厌氧生物(绿弯菌)、部分致病菌(螺旋菌)、嗜热或者超嗜热细菌(热袍菌)和多生存于水体和土壤中的细菌(放线菌)是反应器内的主导细菌[21]。紧接着，产乙酸细菌将糖、氨基酸和脂肪酸转化为有机酸、醇、酮、乙酸、CO2和H2。第三阶段是产甲烷古菌利用H2和短链脂肪酸形成沼气(通常为60%CH4，38%CO2和2%微量气体)，所以古菌在资源化过程中占据关键地位。

由于降解阶段彼此密切相关，细菌群和古细菌群之间的不平衡会导致反应器性能的恶化，从而导致沼气的产量和产率以及沼气中的甲烷含量的变化[22-24]。

2 主要限制因素及其调控

影响协同消化系统的因子主要有有机负荷、pH和温度，下面介绍几种主要的限制因素及其调控机理。

2.1 有机负荷

有机负荷的改变，对于细菌和古菌的影响有所差别。史宏伟等[25]将果蔬垃圾与污泥进行协同消化，发现在厌氧消化反应器中，细菌与古菌相比占有数量和种类上的绝对优势，一定程度负荷的提升不会对细菌群落结构造成明显的影响，但古细菌的分析中则显示，低负荷下古细菌种类比较丰富，有机负荷的提升会使古细菌种类下降。甲烷鬃毛菌在乙酸浓度较低时占主导地位，甲烷八叠球菌则在乙酸占主导地位[26]。研究表明，随着果蔬垃圾协同消化反应器中进料负荷的提升，甲烷产量有明显的提升，且微生物的代谢强度有所增强[25]。Guo 等[14]和Regueiro 等[23]曾在超负荷的餐厨垃圾厌氧消化系统中观察到柔膜菌门和放线菌门增加的现象，该阶段高VFA 产量很可能是由于产酸菌的活动增强。有机超载后，氢营养型甲烷菌(Methanospirillumhungatei和Methanoculleuscontaculi)变得更加优势[27]。有机负荷提高后，由于VFA降解的氢气可用性增加，有机冲击负荷引发富氢甲烷生成，高进料负荷下，柔膜菌门和放线菌门的微生物迅速增殖，抬高反应体系中的VFA含量，导致甲烷八叠球菌相对于甲烷鬃毛菌占据主导，整个协同厌氧消化体系中，细菌和古菌经过一段时间的波动，重新适应生长环境，达到新的平衡。反应器中新的平衡的特征为产甲烷古菌中，氢利用型产甲烷菌占据主导地位[21]。还有研究表明，随着有机负荷的增加，CH4产量降低[33-34]。其中一个原因可能是系统的水力停留时间较短，导致活性产甲烷菌在去除毒性物质时被冲洗掉，另一个原因是，增加的TS浓度可能会降低共消化底物的传质效率，并最终导致甲烷产量下降[30]。

2.2 pH

VFA也被称为短链脂肪酸，被广泛用作厌氧消化过程中压力的指标。VFA的积累导致pH下降，甚至可能导致反应器故障或严重损害消化[31-32]。保持合适的pH对于消化的正确操作和最佳的VFA降解是必不可少的。

在一个强大的系统中，VFA/Alk比值介于0.0和0.1之间，表明体系中低或无酸化风险[33]。任南琪等[34]研究发现，利用乙醇产乙酸的微生物与产甲烷菌所需最佳 pH 值范围相近，乙醇型发酵是充分发挥两相厌氧系统功能的最佳发酵类型[35]。Delbès等[36]检测了由于增加的VFA浓度和从厌氧消化器中的pH依赖于细菌群落演替的类似观察。聚磷酸盐累积放线菌可能涉及形成由于有机过量而形成的多层聚集体，聚集体的形成表明矿物生产过程中的矿物生成过程，并且可能支持污泥的脱酸过程，因为pH处于中性水平并且在有机超载几周后VFA浓度大幅下降[42]。

2.3 温 度

温度是另一个重要的环境因素，能够直接影响微生物的新陈代谢情况。目前，研究主要集中在提高特定操作温度下协同消化的效率，如常温消化(15～25 ℃)[38]，中温(30～37 ℃)[28]和高温消化(50～56 ℃)[39]。

Jorge Arreola Vargas等[40]将餐厨垃圾与污泥进行协同消化，实验结果表明，嗜热甲烷菌表现出更高的有效性，并且对于高有机负荷的承载能力比其他两个更低的温度更好，这与之前报道嗜热过程优异性能的研究结果一致[41]。在整个操作过程中，在嗜热系统中获得了显着较高的VS去除效率。结果证明，在相似的有机负荷或水力停留时间中，嗜热生物系统在其他两个反应器中具有更高的有机转化效率优势，这与先前的研究一致[28, 42]，即使在相同的SRT下，嗜热条件也能加速生物增殖和有机质的降解转化过程。Fernández-Rodríguez等[43]也证明了嗜热范围内的厌氧消化系统具有较高的工艺稳定性。最大有机负荷的研究进一步证实嗜热系统可以承受比中温条件下更高的进料有机负荷，这也得到了Bayrand Rintala的证实[44]。这说明高温系统中的细菌对环境的变化比中温系统更敏感，因此导致CH4产量和VS去除率更高。Rocío Montaés等[45]将甜菜浆与污泥进行协同消化在生化产甲烷势测试(Biochemical Methane Potential，BMP)中，考虑到等质量的有机质，中温范围的净甲烷产量较高，甲烷产量、VS去除率和高水平的VFA提供了中温范围的最佳表现的进一步证据。协同消化在温度上的研究表明，常温消化停留时间长，效率低；中温消化产气较快，有机物降解率较高，在国内外都得到普遍的应用；高温消化能提供更高的VS降解率和沼气产率，但是系统稳定性差，设备运行维护费用高，有待进一步研究。

3 展 望

近年来，厌氧消化技术作为一种极具潜力的污泥处理处置技术，可以在控制环境污染的同时实现能源的回收，成为目前国际上最受欢迎的污泥减量化与资源化处理技术之一。污泥与有机废弃物进行协同消化对于提高处理负荷、有机质去除率和甲烷产率大有裨益，是污泥厌氧消化发展的新方向。对于协同消化中微生物群落的深入研究，可以帮助我们最直观也最有效地揭示协同厌氧消化的本质。