污泥和有机质厌氧共消化效果和微生物群落研究

摘要

近年来，随着中国城市建设的快速发展和人民生活水平的不断提高，城市居民生活污水的产生量日益增多。因此，中国污水处理厂以及相关设施设备的建设也进入高速发展阶段，越来越多的城市污水厂已经建成投产。相应地，污水处理量也在不断攀升。目前，中国城市污水厂传统处理工艺大多采用活性污泥法，城市污水经过该方法处理后会产生大量的副产品——城市污水厂污水污泥（以下简称污泥）。据测算，城市污水厂每处理1万吨污水，将产生大约5吨的污泥（以含水率80％计）。由此可见，随着中国城市污水厂污水处理量的不断增加，势必会导致污泥产量的猛增。来自中国环境保护部《2015年全国环境统计公报》的数据显示，2015年全国共建有投产的城市污水处理厂6910座，设计处理能力达到1.9亿吨/天，全年共处理污水532.3亿吨。据此估算，2015年中国污泥产量已经突破2600万吨。由于污泥成分复杂，往往富集浓缩了污水中各种有毒有害物质，如病原菌、寄生虫、重金属、抗生素等。同时，污泥含水率高，体积大，给后续运输处理带来了困难。如果不妥善处理污泥，将对水体、土壤、大气造成直接危害，近年来多地已有报道因污泥处理不当而引发的污染事件，给当地居民、生态环境造成了不可估量的损害。因此，如何有效地对污泥实施减量化、无害化以及资源化，一直以来是中国固体废弃物处理行业的重大难题。当前迫切需要根据中国城市污水厂污泥的特点，研究一套处理效果好，运行成本低，操作简单的污泥处理工艺，这对解决中国污泥处理处置困境具有重要的现实意义。
　　利用厌氧消化技术处理污泥，不仅可以使污泥得到减量化、无害化，还可以产生清洁能源（甲烷），进一步实现污泥的资源化。厌氧消化是在无氧条件下，依赖兼性菌和专性厌氧菌等微生物共同作用，将污泥中复杂的可生物降解有机物（多糖、蛋白、脂类等）分解为二氧化碳、甲烷、氢气和水等，使污泥得到稳定的过程。该过程中不同种类的微生物（主要为细菌和古菌）代谢活动相互影响、相互制约，形成一个互生/共生的复杂平衡的生态系统，协同完成了有机质的水解、酸化和产甲烷阶段。但是中国污泥有机质含量低，单独将污泥厌氧发酵的效率不高。因此本研究尝试在污泥厌氧消化系统中加入不同的共消化底物，试图通过均衡厌氧消化系统的营养配比，更好地促进厌氧消化效率。同时，本研究对比了中温（35℃）和高温（55℃）条件对污泥厌氧效率的影响。最后，本研究借助新一代高通量测序技术，分析了厌氧消化系统中的功能微生物组成和变化，深入挖掘厌氧消化过程中的生物学机制。具体研究内容如下：
　　（1）由于中国污泥本身具有泥沙含量高，有机质含量低的特点，导致碳氮比远远小于厌氧消化需求量，微生物可利用的消化底物不够。底物碳氮比主要通过影响微生物的生长繁殖及代谢产物的形成和积累，进而影响甲烷产量。对于厌氧消化工艺而言，适宜的碳氮比能促进发酵底物中各种有机物的快速分解，并产生足够的产甲烷底物供后续微生物利用。因此，为了调节污泥单独发酵时底物营养配比不均衡的问题，本研究采用单相序批次实验（将物料一次性投入到一个反应器中，以产气停止为消化终点），选取了3种不同废弃物（猪粪、水藻、果蔬垃圾）与污泥一同共消化，同时对比了污泥单独厌氧消化效果。厌氧消化效果主要以甲烷每日产量、甲烷累计产量、COD去除率、pH、VS含量、VFA含量和氨氮含量评价。结果表明：添加猪粪和污泥共消化时甲烷累计产量最高能达到270 L?(kg VS)-1，水藻组、果蔬垃圾组和污泥单独消化组分别为230、180和140L?(kg VS)-1。若以产气量为标准，参与污泥共消化的底物优先顺序建议为猪粪>水藻>果蔬垃圾。此外，厌氧反应器中的各种微生物对环境pH有一个适应范围，它们对pH值的波动十分敏感。一般而言，单相反应器的最佳pH约为6.8-7.2。厌氧系统过酸（<6.0）或过碱（>8.0）都会抑制微生物活性，进而影响厌氧消化效率。本研究发现果蔬垃圾共消化组的pH经过厌氧消化后迅速下降到5.0左右，说明该体系出现了明显的有机酸积累现象。而猪粪组的pH在消化过程中却能维持在7.0左右，并未出现明显的酸/氨氮抑制。并且猪粪组的COD去除率达到最高的58%，而污泥单独消化组则仅为32%。说明添加猪粪参与共消化能明显提高污泥厌氧消化效率，并在一定程度上促进了系统的稳定性。
　　（2）基于上述共消化结果中最佳的猪粪+污泥组混合条件，本实验通过设置5组混合比例（猪粪：污泥=0：1，2：1，1：1，1：2，1：0，以VS比例计），进一步比较了猪粪与污泥的厌氧消化时的混合配比对消化效率的影响。混合比例是影响猪粪与污泥共消化的一个重要参数，不同的混合比例会直接影响消化底物的营养配比，某种共消化组份过高或过低都有可能引起微生物消化活性受到抑制。5组消化反应装置的总VS均保持在40g VS? L-1，每组均接种200 mL厌氧种泥。研究结果表明：对于3组猪粪和污泥的共消化组（2：1，1：1和1：2），甲烷每日产气量的峰值分别出现在第23天（30.6L?(kg VS)-1），15天（26.0L?(kg VS)-1）和11天（25.0L?(kg VS)-1）。与猪粪单独消化相比，产气峰值分别延迟了15天、7天和3天。对于污泥单独消化组（0：1），甲烷产气较低，仅在第10天出现1个产气峰值（13.3L?(kg VS)-1）。在50 d消化结束后，3组共消化实验组(2∶1,1∶1,1∶2)的累计产气量分别为684、515和494L?(kg VS)-1，这比污泥单独消化时（305L?(kg VS)-1）提高了50-120%。此外，当猪粪和污泥2∶1添加时系统的VS去除率最高，约为63.1%。因此，对于工程应用而言，将猪粪与污泥在2∶1进行混合厌氧消化是一个理想参考值。
　　（3）传统厌氧消化工艺可分为中温消化和高温消化。厌氧消化系统中的微生物均有其相对应的最佳生存温度范围，只有在最适温度环境下，其生长速率才能达到最大，进而完成复杂的代谢功能。一般而言，高温厌氧细菌的代谢速率明显比中/低温厌氧细菌的快，即高温厌氧消化系统的效率更高，但该条件下系统不稳定且工艺能耗也较高。本研究通过构建循环水浴保温系统，将厌氧消化反应装置设定为35℃和55℃进行，进一步对比了不同消化温度对猪粪与污泥共消化的影响。结果表明：中温消化条件下，甲烷每日最大产量为18.1L?(kg VS)-1，而高温消化时可达37.4L?(kg VS)-1。高温厌氧消化组的甲烷累计产量为175-363L?(kg VS)-1，中温组为142-271L?(kg VS)-1。高温消化条件提升了28%-37%的甲烷产气量，并且COD去除率提升了8%-10%。与此同时， VS含量在高温组中更高，达到了38-65%，而中温消化组只有32-58%。说明高温消化在一定程度上促进了有机质的分解利用，从而导致更高的有机质去除率和甲烷产生量。此外，高温厌氧消化系统的氨氮含量能降低33%，最高浓度不超过800mg/L，可见高温消化能在一定程度上缓解氨氮抑制。但是不同温度对厌氧消化系统的pH影响不大，经过50天的消化周期后，中温消化组和高温消化组的pH差异较小。
　　（4）厌氧消化本质上是一个由微生物驱动的反应过程，稳定、高效地厌氧消化工艺依赖于多种功能微生物间的良好协作。但目前对于污泥这种复杂环境样品中的微生物群落组成、环境功能研究手段有限（如传统的PCR-DGGE或荧光PCR等），不能充分揭示样品内的物种组成以及生物学功能。本研究借助最新的二代测序技术，基于微生物16S rRNA片段分析，全面展示了污泥厌氧消化系统中功能微生物群落的组成与动态变化过程，结合多元统计分析，进一步解释了消化系统中优势/关键菌种可能的环境功能。结果表明：添加猪粪与污泥共同消化的3组样品（2∶1,1∶1和1∶2）内，微生物的多样性比猪粪（1∶0）或污泥（1∶1）单独消化时更高。说明添加猪粪参与共消化能明显促进环境微生物的多样性。猪粪与污泥中微生物更好的协同作用能够增强微生物活性，促进有机质的分解和甲烷转化能力。OTU注释结果发现细菌和古菌属可以鉴别的种类只占总序列数的30%~60%，表明样品中存在大量的未知微生物。3组猪粪和污泥共消化的系统中虽然优势菌种类别相似，均可检测出Bacteroides、Clostridium、Lactobacillus、Ruminococcus和Eubacterium，但它们也都呈现出明显的演替过程。其中相对丰度最高的Bacteroides含量约为6.99%~12.30%，推测其对于稳定高效的厌氧消化过程能起到重要作用。而本次样品检测得到的古菌门中， Methanosaeta和Methanosarcina在猪粪单独消化系统中的含量比其他系统都要高（29.23%和8.21%），并且随着污泥的添加，Methanosaeta和Methanosarcina的优势地位逐渐下降。Methanobacterium和Methanobrevibacter的含量则在各个实验组中相对丰度较低并且都保持相对稳定的含量，说明这2种古菌属对猪粪和污泥消化底料的性质变化不敏感。冗余分析表明pH、VFA、TAN和累计产气量能分别解释50.0%和42.1%的环境变量。其中pH和VFA是2个最明显的环境因素，并且pH变化和VFA变化呈现出明显的负相关性。pH和甲烷累计产气量之间存在共线性关系，并且它们与优势古菌群落结构（Methanosaeta，Methanosarcina和Methanobacterium）变化均有显著相关性。总氨氮浓度和V FA浓度变化则主要与优势细菌群落形成显著关联性。
　　本

目录

声明

Chapter1 Introduction

1.1 Introduction

1.2Briefly introduction of anaerobic digestion (AD)

1.3Brief introduction of anaerobic co-digestion (ACoD)

1.4Research background and content

Chapter 2Anaerobic co-digestion of different ratio method and experimental design

2.1Materials and methods

2.2Resultsand discussion

2.3 Summary

Chapter 3Anaerobic co-digestion of different material method and experiment design

3.1Experimental and methods

3.2Experimental and methods

3.3 Summary

Chapter4Anaerobic co-digestion of different temperature method and experimental design

4.1Experimental and methods

4.2Results and discussion

4.3 Summary

Chapter5Microbial community method and experimental design

5.1Materials and methods

5.2Results and discussion

5.3 Summary

Chapter 6 Conclusion

参考文献

附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢