厌氧生物处理低浓度污水研究进展

2021-04-20田帅朱易春黄书昌连军锋秦欣欣任黎晔李鑫

化工进展 2021年4期

田帅，朱易春，黄书昌，连军锋，秦欣欣，任黎晔，李鑫

（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西赣州341000）

随着污水处理普及率的提高，我国污水处理厂基本实现了全覆盖，污水处理率高达93.4%[1]。然而，污水处理厂主要以好氧生物处理技术为主，高能耗及高产泥量已成为不可忽视的问题。基于目前经济发展水平及水污染治理要求，高效、节能、生态平衡和环境友好的污水处理技术已成为研究热点。

厌氧生物处理技术不仅能耗低、污泥量少，而且还可将污水中的有机物转化为甲烷等能源物质回收利用，在生态环保和能源回收中发挥了重要作用[2]。但其主要应用于乳制品污水、酒厂污水和屠宰场污水等典型高有机物含量的污水处理[3]。近年来，由于能源短缺问题日益突显，厌氧生物处理技术开始逐步应用于低浓度污水处理[4]。但是对于低浓度污水，厌氧生物处理技术存在一系列急待解决的问题，如污水有机物含量低（COD 浓度低于1000mg/L[5]）使得厌氧微生物生长缓慢，产气量较小造成泥水混合液无法有效搅拌，厌氧功能菌生存条件苛刻导致微生物活性不高，严重制约了厌氧技术在低浓度污水中的应用。针对以上问题，当前主要通过添加膜组件截留污泥以提高生物量，调整系统运行参数或直接作用于厌氧污泥以提高微生物活性，构建微生物间的电子传递以维持厌氧系统的稳定性三个途径来强化低浓度污水厌氧处理。

实现厌氧生物处理技术在低浓度污水中的应用是污水处理转型的有效途径。因此，为进一步加强对厌氧生物处理低浓度污水的认识，本文阐述了厌氧生物处理的电子传递特性，梳理了温度、pH 等因素对厌氧过程的影响，并总结了强化低浓度污水厌氧生物处理的方法，以促进厌氧生物处理技术在低浓度污水中的应用。

1 厌氧微生物及种间电子传递

根据作用微生物及产物的不同，厌氧生物处理过程可分为水解发酵、产氢产乙酸、同型产乙酸和产甲烷4个阶段，各个阶段的紧密衔接以及厌氧系统的稳定运行与厌氧微生物和种间电子传递（IET）密切相关。

1.1 厌氧微生物

厌氧处理涉及多种微生物，微生物间通过协同、拮抗作用共同维系着微生物群落的稳定，为厌氧系统的高效运行奠定了基础。在厌氧处理过程中，拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes）是水解过程中的主要菌群；绿弯菌门（Chloroflexi）、变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes）是酸化过程中的主要菌群；并且与产甲烷菌相比，水解菌生长迅速，对pH、温度等环境因素的适应性更强[6]。此外，厌氧体系中还存在部分丰度较低的菌群，如螺旋菌门（Spirochaetes）、酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、浮霉菌门（Planctomycetes）和疣微菌门（Verrucomicrobia）等菌群[7]。

在厌氧处理过程中，只有产甲烷阶段完全由古菌参与。该阶段生化代谢的本质是产甲烷菌利用细胞内特殊的酶和辅酶将CO2或甲基化合物中的甲基通过一系列的生物化学反应还原成甲烷；同时产甲烷菌细胞形成钠离子或质子跨膜梯度，驱动细胞膜上的ATP 合成酶将ADP 转化成ATP 以获得能量[8]。然而，产甲烷菌对环境因子高度敏感且增殖周期长，一般情况下产甲烷是有机物甲烷化过程的限速步骤[9]。此外，产甲烷菌对底物有很强的特异性，仅能够利用CO2、乙酸、甲醇等简单化合物作为产甲烷底物。根据其利用底物可将产甲烷菌分为还原CO2型、甲基营养型和乙酸营养型（见表1），并由此形成还原CO2、乙酸和甲基营养3 种甲烷生物合成途径。研究表明[10]，自然界中约三分之二的生物产甲烷来自于乙酸代谢，但目前仅发现甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）和甲烷鬃菌属（Methanosaeta）可利用乙酸途径产甲烷。相比于Methanosarcina，Methanosaeta对乙酸的亲和力更强，可以在乙酸含量小于100μmol/L 的环境中生长[11]。通常一种产甲烷菌只具有一种甲烷代谢途径，但Methanosarcina可利用底物范围广泛，是唯一能通过3种途径产甲烷的甲烷菌，具有极强的适应性[12]。

1.2 种间电子传递

IET在厌氧微生物的生长代谢及有机污染物的降解中发挥了重要作用。长期以来，厌氧体系中细菌与产甲烷菌之间的电子传递被认为是通过种间H2/甲酸传递来实现[13]。其中，由于H2是还原CO2型产甲烷菌生成甲烷的电子供体，因此在厌氧体系中种间H2传递比较普遍。但是种间H2传递受H2分压影响大，因为产H2过程与NAD+/NADH、FAD/FADH2及Fd(ox)/Fd(red)等氧化还原中间体的相互转化相耦联，这些耦联反应在标准状态下的吉布斯自由能通常为正值，反应无法自发进行，只有当H2分压低于1Pa时，反应方可自发进行，从而完成电子的传递[14]。此外，甲酸也是厌氧过程中一种重要的种间电子载体，由其介导的种间甲酸传递同样对厌氧系统产生积极影响。然而，种间H2传递和种间甲酸传递在厌氧过程中的主导作用尚不明确。因此，种间电子载体的差异性对厌氧处理效果的影响仍需进一步研究。

表1 不同类型产甲烷菌的反应过程及代表菌属[8,10-11]

近年来，研究发现厌氧过程中存在直接种间电子传递（DIET）。Summers 等[15]首次发现并证实Geobacter metallireducens和Geobacter sulfurreducens共培养体系中存在DIET。随后研究发现产甲烷菌也能参与DIET。Rotaru 等[16]研究表明Methanosaeta harundinacea可通过 DIET 从Geobacter metallireducens接受电子，并利用获得的电子将CO2还原为甲烷。Methanosarcina barkeri与Geobacter metallireducens之间同样存在DIET，并通过DIET还原CO2产甲烷[17]。相关研究表明，DIET 比种间H2/甲酸传递更具代谢优势，其与种间H2/甲酸传递的本质区别在于微生物可通过自身的导电菌毛、分泌的细胞色素以及外源导电物质进行直接电子传递[18]，电子传递速度更快、更稳定（见图1）。其中，菌毛是从细胞表面延伸出来的丝状蛋白，不仅能帮助细菌附着，促进细胞运动，还能将电子传递给胞外电子受体；而细胞色素是电子由细胞表面传递至胞外电子受体的重要介体蛋白，并且在不同胞外电子传递模式下参与的细胞色素种类存在差异；此外，微生物也能借助外源导电物质如磁铁矿、颗粒活性炭或生物炭等实现DIET[19]。因此，基于传统厌氧消化面临着的一些瓶颈问题[20]，比如挥发性脂肪酸（VFA）的积累对产甲烷菌产生毒性抑制，H2的积累增加氢分压并抑制产乙酸菌的酶活性，以H2或甲酸为载体进行的种间电子传递是厌氧消化的限速步骤，将DIET 与厌氧消化的结合不仅可以提高低浓度污水的处理效率，而且还能维持厌氧系统在低浓度污水条件下的稳定运行。

图1 微生物种间电子传递机制

2 厌氧处理影响因素

厌氧生物处理主要是运用微生物的厌氧消化原理，即在无氧条件下通过一系列厌氧微生物的协同作用，将污水中的有机物分解转化成甲烷等物质。该过程容易受到温度、pH、VFA 等因素的影响。因此，有必要将以上因素控制在适宜的范围内（见表2），以维持厌氧体系的动态平衡，从而实现稳定高效的厌氧处理。

表2 厌氧处理适宜运行参数

2.1 温度

温度是厌氧消化的重要影响因素之一，其通过影响酶活性，进而影响微生物菌群的新陈代谢速率，最终改变有机物的降解速度。厌氧消化过程受温度影响很大，主要是因为产甲烷菌对温度非常敏感。当产甲烷菌在某温度下被驯化后，温度波动超过0.6℃即会影响消化效果，温度波动超过1℃时产气量将急剧降低[26]。并且温度降低对不同营养类型产甲烷菌活性的抑制程度存在显著差别，在20～30℃时乙酸营养型产甲烷菌对温度胁迫表现出更好的耐受性，而在15℃以下时氢营养型产甲烷菌则表现出更好的耐受性[27]。厌氧消化通常在中温（30～40℃）或高温（50～65℃）条件下进行[21]。虽然在高温条件下处理低浓度污水可提高有机物中碳流向甲烷的比例，但是需要更多的能量输入来维持运行条件。而在低温条件下处理低浓度污水不但会抑制微生物活性，使得处理效率降低，而且低温下水的黏度增大，降低固液传质效率。刘智斌等[28]发现在10℃下处理低浓度污水容易导致消化链球菌科（Peptostreptococcaceae）产酸菌的相对丰度增加，出现VFA 的积累，出水VFA 从2mg/L 升高至12mg/L。尽管厌氧过程强烈地依赖于温度，但在实际运行中，特别是冬季，很难保证中温的运行温度。因此，在低温条件下实现稳定、高效的低浓度污水厌氧处理显得尤为重要。厌氧膜生物反应器（AnMBR）通过膜过滤与厌氧处理的耦合，为低温下低浓度污水厌氧处理提供了可能。Ho 等[29]运用AnMBR 处理低浓度污水，在膜的截留作用下维持了反应器内较高的污泥浓度，使得AnMBR 在15℃时COD去除率仍能达到85%。

2.2 pH

pH 是影响厌氧消化性能和稳定性的重要参数之一。pH 过低会严重抑制产甲烷菌活性，过高则会导致有毒物质（游离氨）的形成[30]。参与厌氧消化的水解菌、产酸菌和产甲烷菌的最适pH 范围有所差异，其中产甲烷菌对pH非常敏感，其最适pH范围为6.5～7.2，并且在不同pH条件下，优势产甲烷菌群和产甲烷途径也存在差异；但pH对水解菌、产酸菌的影响较小，其最适pH范围较宽，在4～8.5之间[22]。张超等[31]通过低强度超声波提高了厌氧折流板反应器（ABR）在低浓度污水条件下的抗水力冲击负荷能力，并发现超声对产酸菌活性提高的程度比产甲烷菌更高，经产甲烷菌降解后，超声组中剩余的VFA比对照组更多，使得pH降低，但与对照组相比pH 降低的幅度并不大，并未影响厌氧处理过程中产酸菌和产甲烷菌对有机物的降解。Kannan 等[32]采用中试规模AnMBR 处理低浓度污水时发现，在温度和水力冲击下，反应器的pH 仍能维持在中性范围。因此，在厌氧处理低浓度污水时，由于污水中有机物含量偏低，生成的中间产物VFA不易积累，通常保持进水COD浓度/NaHCO3浓度比为0.9～1.0，即可控制反应器内pH在6.5～7.0之间，实现微生物之间的相平衡。

2.3 VFA

VFA 是厌氧消化关键影响因素之一，其浓度可用于判断水解酸化与产甲烷是否平衡。在稳定的厌氧消化系统中，VFA 的浓度为50～250mg/L，过量的VFA会对系统形成抑制[23]。VFA作为厌氧消化的中间产物，若不能被有效分解转化，将导致整个系统运行失稳。研究发现，VFA 中乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等的比例结构对其降解速率有明显影响[33]。其中，乙酸代谢因其最低的吉布斯自由能而使它比其他种类的VFA更容易被微生物降解利用，其降解速度比丙酸高20%～50%[33]。卡佳[34]采用上流式厌氧固定床反应器（UAFBR）处理低浓度污水，发现乙酸是VFA 的主要成分，其对HRT 的变化最为敏感，HRT为12h、6h、3h时反应器出水中乙酸分别为41.29mg/L、73.53mg/L、13.31mg/L，分别占出水总VFA 的83%、69%、86%。刘扬扬[35]采用沉降式污泥循环厌氧法处理低浓度污水，当HRT 由10h 降低至6h 时，由于OLR 突然升高导致出水VFA 増加，引起酸累积，但酸累积现象在短期内就得到有效控制，在整个运行过程中，反应器出水VFA 一直处于较低水平（16.2～48.0mg/L），这与低进水有机物浓度和增强的废水-生物质传质密切相关。因此，由于低浓度污水中有机物含量偏低，在厌氧处理过程中生成的VFA 基本能够及时的被产甲烷菌消耗，VFA 不易积累，使得反应器不易酸化。

2.4 氨氮

氨氮是影响厌氧消化整体效能的重要因素之一，其主要来自于厌氧消化过程中蛋白质、氨基酸、尿素等含氮物质的降解。氨氮为厌氧微生物的生长、繁殖提供了重要的氮源，但由于厌氧消化体系缺乏自养型无机氮代谢微生物，使得反应体系氨氮的积累加剧，这是氨氮成为厌氧消化抑制因素的重要原因[36]。研究表明，低浓度的氨氮可增强厌氧消化系统的缓冲能力，而高浓度的氨氮则会抑制厌氧微生物的活性，从而限制厌氧消化的进程[37]。为提高厌氧消化系统的处理效率及运行稳定性，可从调节C/N比等角度延缓或消除氨氮抑制。对于低浓度污水厌氧处理系统，如果进水C/N比过高，则会由于氮源不足导致碳源不能充分利用；如果C/N比过低，则易出现氨氮积累造成氨氮抑制厌氧微生物活性。通过调节进水C/N比，可以有效控制系统中氨氮浓度，避免出现氨氮抑制。因此，一般情况下，将进水C/N 比控制在20～30是低浓度污水厌氧处理的适宜条件[25]。

2.5 其他

3 强化厌氧生物处理策略

厌氧生物处理低浓度污水存在污泥活性较差、启动周期长和处理效率不高等问题，严重制约了厌氧技术在低浓度污水中的应用。为解决该问题，学者提出通过运用厌氧膜生物反应器、提高微生物活性以及构建DIET来强化低浓度污水厌氧处理。

3.1 厌氧膜生物反应器

低浓度污水厌氧处理效率较低主要是由于低有机物条件下厌氧菌活性不足，代谢能力较弱，导致相对于好氧菌需要更长的停留时间。而高效厌氧系统可以有效地分离水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT），并且由于系统内积累了较高的生物量，因而可在低浓度污水下稳定运行[43]。近年来，将厌氧折流板反应器（ABR）、厌氧膜生物反应器（AnMBR）等高效厌氧反应器用于处理低浓度污水的研究越来越多。其中，厌氧膜生物反应器（AnMBR）是一种将膜与厌氧生物处理有效结合的技术，具有COD 去除率高、污泥产量少等优点。膜组件的加入避免了污泥流失，促进了厌氧微生物的生长、繁殖以及优势菌群的富集，在提高污水处理效果的同时增强了能源回收效率[44]，使得AnMBR处理低浓度污水具有良好的可行性及潜力。Lin 等[45]利用浸没式厌氧膜生物反应器（SAnMBR）处理低浓度污水，甲烷产率高达0.26L CH4/gCOD，并论证了SAnMBR处理低浓度污水具有技术和经济可行性。许得雨等[46]发现AnMBR 处理低浓度污水具有良好的稳定性以及抗温度冲击能力，即使温度由35℃降到25℃，COD 去除率仍能保持在93%以上。AnMBR 在低浓度污水处理中展现出广阔的应用前景，但一直以来，膜污染问题严重制约了AnMBR 的应用与推广。厌氧动态膜生物反应器（AnDMBR）的出现有效缓解了AnMBR存在的膜污染问题，与AnMBR相比，AnDMBR在膜组件成本、膜通量、膜清洗和能量需求等方面具有显著优势[47]。在低浓度污水处理方面，Hu等[48]在22～25℃、HRT=8h条件下探讨了AnDMBR处理不同有机负荷（COD=300～1000mg/L）污水的可行性，结果表明，有机负荷的增加对COD 的去除没有负面影响，反而促使COD 去除率提高到90%以上。此外，Yang等[49]发现AnDMBR在极端操作条件下也有极好的适应性，即使HRT 缩短至1h，反应器COD 去除率仍能达到60%，甲烷产率达到0.05L CH4/gCOD。因此，AnMBR 是一种强化低浓度污水厌氧处理的有效手段，但其推广应用一直被膜污染问题所困扰，如何最大限度地缓解或者消除膜污染成为膜技术强化低浓度污水厌氧处理的关键所在。

3.2 微生物活性

厌氧处理低浓度污水时由于污水中有机物含量低于1000mg/L，厌氧微生物处于饥饿状态，导致微生物活性不足。因此，提高厌氧微生物活性可作为强化低浓度污水厌氧处理的有效手段。通常可对HRT、温度等运行参数进行调控，营造有利于厌氧微生物生存的环境，从而提高微生物活性。杨忠启等[50]在处理低浓度污水时发现，随着HRT降低，反应器COD 去除率逐渐提高，在HRT=5h 时COD 去除率可达85%以上。但处理效率提高的根本原因是微生物与污水之间的传质作用对微生物活性产生了重要影响[51]。HRT 的降低加强了反应器内的扰动，使得微生物与污水中有机物的接触更为充分，促进了微生物与污水之间的传质作用，为厌氧微生物营造了良好的生存环境，从而提高微生物活性。另有研究表明，适量微量元素能够提高厌氧微生物的活性，从而强化有机物的去除。李光蕾等[52]在低温（15～18℃）下通过投加Ni+（0.2mmol/L）提高了微生物活性，强化了厌氧反应器处理低浓度污水的性能，COD 去除率由67%提升至75%。近年来，基于超声作用能够提高生物活性这一特点，学者尝试将低强度超声波应用于低浓度污水厌氧处理，以提高污水生物净化效率。Xie 等[53]探讨了将低强度超声波应用于强化污水厌氧生物处理的可行性，结果表明，超声强度为0.2W/cm2、辐照时间为10min时，微生物活性得到显著增强，超声组出水COD较对照组降低了30%。Zhu 等[54]对低强度超声波强化低浓度污水厌氧生物处理进行研究，发现低强度超声波能显著提高厌氧污泥的生物活性，当声能密度为0.1W/mL、辐照时间为10min 时，厌氧污泥辅酶F420和脱氢酶（DHA）的含量分别增加了59.8%和192.3%，COD去除率达到87.3%。因此，通过调控运行参数、投加微量元素和低强度超声波处理均能提高微生物活性，从而有效强化低浓度污水的厌氧生物处理。

3.3 直接种间电子传递

DIET 是近年来新发现的种间电子传递方式，比传统的种间H2/甲酸传递更高效。DIET的出现不仅打破了厌氧体系中必须依赖种间H2/甲酸传递的传统认识，而且为强化低浓度污水厌氧处理提供了一条全新的思路。有学者提出通过富集地杆菌、产甲烷菌以实现DIET 的构建。Zhao 等[55]通过促进有机物的分解转化来富集地杆菌等微生物，进而促进系统中地杆菌与产甲烷菌构建DIET，最终有效提升了厌氧系统的效能。同样，对Methanosaeta、Methanosarcina等参与DIET的产甲烷菌进行富集也可有效促进DIET 的构建。也有学者选择直接投加菌剂以构建DIET。Zhang等[56]在厌氧消化系统中投加Geobacter sulfurreducensPCA 菌剂，以此实现DIET 的构建。另外，添加颗粒活性炭也可以促进厌氧体系中DIET的构建。并且宏基因组分析表明，颗粒活性炭可富集参与DIET 的微生物（Geobacter和Methanosarcina），使电子供体通过颗粒活性炭的介导作用将电子更高效的传递到电子受体上，实现DIET 的潜在增强[57]。尽管低浓度污水厌氧处理具有运行成本低、剩余污泥少等优点，但其主要适用于中温污水处理，低水解速率、低产甲烷活性限制了其在低温条件下的应用。最近研究发现，在低温条件下处理低浓度污水的厌氧反应器中投加颗粒活性炭可以促进DIET 的构建，由此提高产甲烷菌活性，改善低温下低浓度污水厌氧处理的性能。Zhang 等[58]研究表明，在低温（16.5℃±2.0℃）条件下投加颗粒活性炭有助于地杆菌和产甲烷菌的富集，促进二者间DIET 的构建，进而提高了低温下低浓度污水厌氧处理过程中COD 的去除（从62%提高到75%）和CH4的产生（从87mgCH4-COD/d提高到218mgCH4-COD/d）。同时，Zhang 等[59]发现投加颗粒活性炭促进了微生物功能基因pilA 的表达，并在细胞导电结构e-pili的作用下构建DIET，提高了低浓度污水在低温（20℃）下的厌氧处理效率（COD 去除率从56%提高到82%）和比产甲烷活性[从20mL CH4/(gVSS·d)提高到58mL CH4/(gVSS·d)]。综上所述，通过富集菌群、投加药剂和添加颗粒活性炭等方法均可实现DIET 的构建，并可通过构建DIET提高低浓度污水在低温下的厌氧处理效率。