市政剩余污泥CaO处理及生物干化过程的细菌群落变化

梁晓辉, 司洪宇 , 赵玉晓, 华栋梁*, 唐春红, 李瑞国

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院能源研究所 山东省生物质气化技术重点实验室，山东 济南 250014；2.重庆工商大学 环境与资源学院，重庆 400067；3青岛特利尔环保集团股份有限公司，山东 青岛 266071)

随着我国城镇化进程的加快和环境质量标准的提高，污水处理量逐年上升。剩余污泥作为城市污水处理过程中的副产物，其生成量也在迅速增加[1]。目前我国大量剩余污泥未能得到有效的处理处置，造成了严重的二次污染，社会矛盾日益凸显。城市污水厂剩余污泥处理处置问题已经十分突出，其减量化、无害化及资源化处理引起我国环保部门的高度重视。市政污泥因含有大量的有机质，其资源化应用潜力较大，可用于燃烧、气化、提取微生物蛋白、堆肥、制备缓释剂和黏结剂的原料[2]。

在发达国家，污泥处理处置投资约占污水处理厂总投资的50%～70%。在我国现有污水处理设施中，有污泥稳定处理设施的还不到25%，处理工艺和配套设备较为完善的还不到10%，其中能够正常运行的为数不多，特别是在城市化水平较高的大城市与地区，污泥处理处置问题已经迫在眉睫[3]。由于市政污泥中含有大量的水分(80%左右)，不易脱水，有机物含量多，性质不稳定，必须经过脱水、干化等过程才能进一步处理处置。目前污泥脱水主要采取热干化技术，设备成本很高，且必须利用外加热源才能正常运行，故其能耗极高。污泥生物干化技术是利用微生物高温好氧发酵过程中有机物降解所产生的生物热能，将污泥中的水分快速蒸发去除，从而实现污泥无害化、稳定化和减量化的目的[4]。该技术具有能耗低、成本低、适应范围广等优点，符合我国国情，在处置市政污泥方面具有重要的推广价值。

生物干化技术主要依赖于好氧发酵过程中产生的热量使水分蒸发，故基质的特性对于生物干化效果至关重要[5-7]。因此，对污泥进行预处理是获得良好干化效果的关键步骤。污泥预处理主要调节基质的生物可及性、颗粒度、湿度、孔隙度、渗透性以及机械强度等，经过处理的污泥可以更好地被微生物利用，从而可以加快升温过程、缩短处理时间。目前污泥的预处理技术尚不成熟，需要在研究中发现和建立实用性较强的处理技术。另一方面，我国市政剩余污泥生物干化处理技术尚处于起步阶段，主要集中在污泥生物干化工艺及设备开发方面，而对其处理过程中的微生物群落动态变化过程尚无深入报道。本研究采用CaO结合生物干化的方式研究了其污泥处理的效果，实验结果表明添加低浓度CaO对市政剩余污泥的生物干化过程有一定促进作用。初步阐明了碱处理污泥生物干化过程中细菌群落的种类分布及变化规律，对生物干化工艺的改进与优化具有重要的理论参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料

市政剩余污泥，采集自济南市污水处理厂，系经过压滤后的脱水污泥，含水量(质量分数)为78.6%；干物质中总有机质质量分数为39.3%，总氮质量分数为0.62%，碳氮比为6∶1，pH为7.38。

1.2 方法

市政剩余污泥的CaO预处理及可溶蛋白含量测定，按照100 g污泥CaO添加量为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g的比例进行处理，搅拌均匀后处理时间为144 h，每天取样分析其中胞外可溶蛋白的含量。经处理的污泥经充分混合后称取1.00 g，加入20 mL蒸馏水，连续搅拌1 h后离心(10 000 g，15 min)，吸取上清液测定其中的可溶蛋白含量[8-9]。每个样品重复测定3次，实验样品表见表1。

表1 实验样品表

生物干化实验所用容器为小泡沫箱子(规格为33.5 cm×26 cm×28.5 cm，泡沫厚度3.5 cm)，装物料量为4 kg污泥(利用干污泥调整含水量为60%)，每日取样测定并翻料一次。

细菌群落分析以含水量60%的污泥作为对照，在第1 d、5 d和9 d分别在实验组中的上、中、下3个位置取样混合均匀后，由华大基因股份有限公司进行细菌群落分析。

2 结果与讨论

2.1 CaO对污泥可溶蛋白释放量的影响

按照100 g污泥中CaO粉末为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g的添加量，在处理不同时间后测定污泥中可溶蛋白的量，其结果如表2所示。

由表2可见，CaO对污泥可溶蛋白释放量有着明显的处理效果，其可溶蛋白含量效果随着CaO浓度的上升而增加。在每100 g污泥CaO添加量为为0.6～1.2 g时，可溶蛋白释放量为初始值2倍以上。可溶蛋白释放量在处理初期增加量较快，96 h之后则变慢。根据实验结果，在利用CaO对污泥进行处理时，每100 g污泥CaO添加量为0.6～0.8 g，处理时间控制在96 h。邓文义等[10]向脱水污泥中添加1%～5%的CaO，发现污泥上清液中有机质含量上升，常温处理下其上清液中蛋白含量为3 mg/g左右，与本研究结果相近。由于本研究需考虑污泥的pH对微生物活性的影响，故CaO的添加量较低。

表2 不同CaO添加量对污泥可溶蛋白释放量的影响

2.2 生物干化过程分析

2.2.1 pH变化

污泥在生物干化过程中的pH变化情况如图1所示。

图1 CaO处理污泥生物干化过程中pH变化

从图1中可以看出，经过CaO处理的污泥基质pH均在72 h内迅速下降到8左右，之后又有上升趋势。这表明污泥具有较强的pH缓冲能力，在处理过程中释放的胞内溶物属于酸性物质，且微生物在活动过程中产生的有机酸也可以中和部分CaO；此外，CaO在与空气接触时可以部分形成CaCO3，这对pH也具有一定的缓冲作用，且可以降低CaO的碱性。之后pH的上升趋势表明在生物干化过程中随着水分散失，污泥发酵基质的含水量相对下降，从而提高了pH。对照组(CK)pH在整个好氧处理过程中呈上升趋势，可能是由于污泥中的蛋白经微生物分解后产生的氨可提高基质的pH。总体而言，加入CaO后，经过72 h后污泥基质pH可以降低到微生物适宜的条件，这表明低浓度碱处理可以用于生物干化。

2.2.2 温度变化曲线

由图2可见，每100 g污泥CaO添加量为0.6 g时，对生物干化温度升高有着促进作用，而每100 g污泥CaO添加量为1.2 g时则抑制了生物干化过程，导致升温效果不如对照组。其中以每100 g污泥CaO添加量为0.6 g处理48 h效果最好，在实验中出现了最高温度43.1 ℃，高于环境温度13.5 ℃，可以认为该组的CaO添加量优于其他实验组。由于污泥中可有效利用有机质含量较低，且未添加辅料导致透气性较差，故发酵温度总体较低。

图2 CaO处理污泥生物干化过程中温度变化

2.2.3 含水量变化曲线

从含水量变化曲线(图3)可以看出，每100 g污泥CaO添加量为0.6 g的处理组对污泥的生物脱水有着较好的效果，基质含水量从最初的55%降低到了49%。每100 g污泥CaO添加量为1.2 g处理组效果最差，这可能是由于污泥中添加CaO浓度较高，影响了生物干化效率。由于污泥结块严重，透气性差，发酵温度较低，故水分去除率总体较低。

图3 CaO处理污泥生物干化过程中含水量变化

2.3 细菌群落变化分析

2.3.1 细菌种类及丰度

生物干化过程中细菌群落变化情况见表3。从表中可以看出，该过程中丰度较高的菌群为Bacteroidia、Bacteroidetes、Bacteria、Bacilli、Clostridia、Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria等，其中以Bacteroidia和Bacteria占种群比例较大，且变化较为剧烈，表明其在生物干化过程中起着重要作用。

表3 细菌种群在污泥生物干化过程中的分布及丰度变化

李昂等[11]研究发现，在污泥高温好氧堆肥前中期细菌活动占主导作用,且在整个堆肥期间丰度较高，细菌的比例增长主要集中在堆肥反应中温度较高的时期。Wu等[12]研究发现，生物干化过程中变形菌门细菌占优势。本研究也显示了相似的规律，其中变形菌门(Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Deltaproteobacteria、Epsilonproteobacteria、Gammaproteobacteria)细菌丰度从初期的27.1%(L1)提高到40%以上(L8和L9)。然而因本研究中发酵基质透气性不好且未通风，故厌氧性菌群Clostridia含量也较高。碱性环境对种群有一定影响，如Bacteroidia和Bacilli在碱性环境污泥基质中比例较高，表明其对碱性条件下生物干化升温过程有一定促进作用，Clostridia和Gammaproteobacteria也表现出类似的趋势。变形菌中的Alphaproteobacteria对碱性环境及高温环境适应性较差，在干化过程中比例呈降低趋势。魏炜等[6-7]认为，高效通风和温度是使生物干化基质中菌群从嗜温微生物菌群快速转变为嗜热微生物(如嗜热芽孢杆菌)菌群结构变化的主要因素。较之物料配比、通风、温度的影响，pH对微生物群落的影响较小。由于污泥营养成分较低，微生物活力较差，故生物干化过程中整体发酵温度较低，无论是对照组还是实验组，发酵温度均处于50 ℃以下，故嗜热菌的丰度不高。因此，后续实验中需考虑加入部分辅料并进行通风提高发酵温度和生物干化效率。

2.3.2 主坐标分析

细菌群落的主坐标分析如图4所示。由图中可以看出，空白组污泥样品L1，取样时间为第1 d实验组的L2、L3、L4，取样时间为第5 d实验组的L5、L6、L7和取样时间为第9 d实验组的L7、L8、L10分布距离较近，说明在本研究所涉及的CaO处理浓度内，生物干化时间是影响细菌菌群种类变化的主要因素，而CaO的浓度对菌群中微生物种类的影响较小。在本研究的pH范围内，生物干化过程中细菌菌群种类的变化有着相似的规律。

图4 生物干化样品中细菌群落的主坐标分析

3 结论

本文采用CaO作为碱处理剂对市政剩余污泥进行了处理和生物干化实验，结果表明低浓度CaO(每100 g污泥CaO添加量为0.6 g)可大幅提升污泥可溶蛋白的释放量，并能在一定程度上提高生物干化温度及脱水效果。对市政剩余污泥CaO处理及生物干化过程中的温度、pH、含水量等进行了研究，并与未经CaO处理的市政剩余污泥进行了对比分析，发现市政剩余污泥具有良好的pH缓冲能力，且CaO处理可以在一定程度上提高市政剩余污泥生物干化温度，但在无其他辅料存在的情况下发酵温度仍然较低。在此基础上，对经CaO处理和未处理两种条件下的市政剩余污泥生物干化过程中的细菌群落变化进行了分析，结果表明不同处理方式以及生物干化时间对污泥基质中细菌群落的影响较为明显。本研究结果为进一步阐明市政剩余污泥好氧生物干化的微生物群落更替规律奠定了初步基础。