向錦茜，張路聃，梁承月,2，王昌梅,2，尹芳,2，吳凱,2，楊斌,2，趙興玲,2，張無敵,2

(1.云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500；2.云南省沼氣工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500)

1 引言

隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)的污水排放量與日俱增，城鎮(zhèn)污水在得到有效收集和處理的同時也產(chǎn)生了大量剩余活性污泥.2019年我國污泥量已超過6 000萬噸(以含水率80%計)，預(yù)計2025年將突破9 000萬噸[1]，這些污泥如果得不到安全有效的處置，將對環(huán)境構(gòu)成巨大的威脅.

近年來，由于成本低、經(jīng)濟效益高和綠色環(huán)保等特點，厭氧消化被廣泛用于剩余活性污泥的處理；通過厭氧消化，剩余活性污泥中的大部分有機物轉(zhuǎn)化為高價值的生物產(chǎn)品，如短鏈脂肪酸、氫氣和甲烷等；迄今為止，關(guān)于剩余活性污泥厭氧消化的研究大多數(shù)集中于操作條件(如pH和溫度等)和預(yù)處理方法(如熱處理、微波處理、酸堿處理和生物處理等)對發(fā)酵的影響[2-4].

事實上，剩余活性污泥是各種化合物的集合體，除了可生物降解的蛋白質(zhì)、碳水化合物和細胞內(nèi)多羥基脂肪酸等以外，還包括許多污染物，如多環(huán)芳烴(PAH).眾所周知，厭氧消化是一系列的生物過程，受許多微生物的控制，如產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌等[5]，它們很有可能受到污泥中殘留的PAHs的影響，如Luo等[6]發(fā)現(xiàn)在堿性發(fā)酵條件下(pH=10)，菲能提高產(chǎn)乙酸菌的活性從而促進剩余活性污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸尤其是乙酸.然而，目前PAHs尤其是高環(huán)芳烴(含有4個及以上苯環(huán)的多環(huán)芳烴)對剩余活性污泥厭氧消化的影響還不清楚，因此本研究選取芘作為高環(huán)芳烴代表，通過實驗探究了不同質(zhì)量濃度的芘對剩余活性污泥厭氧消化的影響，同時分析了芘在污泥厭氧消化過程中的降解.

2 材料與方法

2.1 試驗材料與裝置

剩余活性污泥取自昆明市某污水處理廠，總固體含量(TS)為19.47%，揮發(fā)性固體含量(VS)為7.77%，可溶性化學(xué)需氧量(SCOD)為104.76 mg/L.接種物為實驗室馴化處理后的底泥，總固體含量(TS)為9.92%，揮發(fā)性固體含量(VS)為3.62%.芘訂購于Aladdin公司，純度為99%.試驗裝置為實驗室自制的批量式沼氣發(fā)酵裝置[7].

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗設(shè)計

試驗分為A、B、C、D和E共五個實驗組和一個對照組(CK)，每組均設(shè)3個平行，發(fā)酵體積為400 mL，接種物用量為120 mL，剩余活性污泥用量為50 g，發(fā)酵溫度為(35±1)℃，其中CK組不添加芘，A、B、C、D和E組中芘的質(zhì)量濃度分別為100、300、500、700 mg/kg 和1 000 mg/kg TS污泥.

2.2.2 測定項目及方法

(1)發(fā)酵液的酸堿度(pH)用pH 5.5-9.0精密試紙測定；(2)總固體含量(TS)和揮發(fā)性固體含量(VS)的測定參照文獻[8];(3)甲烷含量用氣相色譜儀(福立GC9790Ⅱ)測定；(4)可溶性化學(xué)需氧量(SCOD)用盛奧華6B-100型多參數(shù)水質(zhì)檢測儀測定；(5)芘的萃取及測定參照文獻[9].

2.2.3 數(shù)據(jù)分析

(1)試驗結(jié)束后，計算累積產(chǎn)氣量、TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率[10-11].

(2)芘降解率[12]：

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

3.1.1 日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量、甲烷含量和產(chǎn)沼氣潛力

日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量和甲烷含量隨發(fā)酵時間的變化如圖1所示.發(fā)酵初期實驗組和對照組的日產(chǎn)氣量相近，但在發(fā)酵中后期，實驗組日產(chǎn)氣量明顯高于對照組；CK、A、B、C、D和E組分別在第1、1、10、11、12和14天達到各自日產(chǎn)氣量的最高峰，即隨著芘濃度的升高，污泥厭氧消化日產(chǎn)氣量達到峰值的時間變長(圖1(a)).實驗組累積產(chǎn)氣量明顯比對照組多，且實驗組累積產(chǎn)氣量隨著芘濃度的升高而增加(圖1(b)).實驗組甲烷含量明顯高于對照組，發(fā)酵初期各實驗組甲烷含量相差不大，但在發(fā)酵中后期，甲烷含量隨著芘濃度的升高而增加(圖1(c)).

圖1 日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量和甲烷含量變化Fig.1 Changes in daily and cumulative gas production and methane content

試驗后計算剩余活性污泥的產(chǎn)氣潛力，結(jié)果如表1所示.實驗組累積產(chǎn)氣量、TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率均高于對照組，且其數(shù)值都隨著芘濃度的升高而增大.

表1 剩余污泥產(chǎn)沼氣潛力Table 1 Biogas production potential of waste activated sludge

3.1.2 發(fā)酵前后TS、VS、SCOD和芘含量的變化

發(fā)酵前后TS、VS、SCOD和芘含量的變化如表2所示.

發(fā)酵體系TS和VS發(fā)酵后均有一定程度的降低，說明原料被不同程度地分解利用，實驗組TS降解率和VS降解率基本高于對照組.

發(fā)酵前，實驗組SCOD高于對照組，且實驗組SCOD隨芘濃度的升高而升高；發(fā)酵后各組SCOD較發(fā)酵前都明顯降低，且實驗組的SCOD去除率隨芘濃度的升高而增大.

測量發(fā)酵前后實驗組中芘的濃度并計算其降解率，結(jié)果表明厭氧消化后各實驗組中部分芘被降解，但降解率隨著芘濃度的升高而降低.

表2 發(fā)酵前后TS、VS、SCOD及芘含量的變化Table 2 The changes in TS,VS,SCOD and the content of pyrene before and after fermentation

3.2 結(jié)果分析

綜合上述實驗結(jié)果，在 100～1 000 mg/kg TS污泥質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，芘可促進剩余活性污泥的厭氧消化，且促進作用隨著芘濃度的升高而增強.發(fā)酵初期，因為芘具有高毒性[13]，大多數(shù)微生物對芘毒性不耐受，導(dǎo)致這些微生物細胞結(jié)構(gòu)遭到破壞，系統(tǒng)厭氧消化能力降低，而破裂的細胞為厭氧微生物提供了更多可利用的有機物質(zhì)，這抵消了芘對微生物的毒害作用，所以發(fā)酵初期各組的日產(chǎn)氣量和甲烷含量相近.在發(fā)酵中后期，隨著厭氧發(fā)酵菌群對芘的耐受能力增強，菌群生長繁殖加快，使得實驗組的日產(chǎn)氣量和甲烷含量高于對照組，產(chǎn)沼氣潛力和降解率也隨之提升.

由于芘本身疏水性強，生物可利用性低[14]，所以在實驗組中隨著芘濃度的升高，芘的降解率降低.需要指出的是，盡管實驗組中加入的芘出現(xiàn)一定程度的降解，但加入芘的量很少，所以降解的芘對整個體系厭氧消化產(chǎn)氣量的貢獻可以忽略不計.

4 結(jié)語

通過批量式厭氧消化實驗，研究了(35±1)℃下不同質(zhì)量濃度的芘對剩余活性污泥厭氧消化的影響，得到如下結(jié)果：

(1)100～1 000 mg/kg TS污泥質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，芘可促進污泥的厭氧消化，且促進作用隨著芘濃度的升高而增強.

(2)厭氧消化過程中芘能夠被部分降解，降解率隨著加入芘質(zhì)量濃度的升高而降低.