微生物菌劑對市政污泥厭氧消化的作用

目前，全國污水處理廠年產污泥量已超過2億t，剩余污泥采用的處理方式，如焚燒或填埋等，均需要較高的投資和能耗，資源化程度低，而且給環境帶來嚴重的二次污染[1]。相對的，污泥厭氧消化由于運行費用低且能源效益高，近年來逐漸成為國際上主流的污泥處理處置方式[2～3]。國內一些大型污水處理廠如天津紀莊子、東郊和咸陽路污水處理廠等均建有完善的污泥厭氧消化與沼氣發電設施，但受技術條件的限制，其中具有污泥穩定處理設施的不到25%，處理工藝和配套設施完善的不到10%。多數設施因投入產出比過高、效率不足或安全問題面臨停運，如北京高碑店污水處理廠2004年上半年沼氣發電機組累計發電528萬kW·h，占全廠電量消耗的22.6%，后因設備設施老化等問題全面停產達3 a[4]。迄今為止，我國厭氧消化池的穩定、高效運行和沼氣利用等問題亟待完善。常規環境生物技術對于厭氧消化增效的研究思路是開發具有產甲烷功能的菌劑[5]，但產甲烷菌均為專性嚴格厭氧菌，遇氧后立即受到抑制甚至死亡[6]，即使實現人工培養，也難以解決向實際工程中應用的關鍵問題。研究針對這一難題，轉換角度，按照環境微生物技術中優勢菌篩選的方式，從厭氧活性污泥中獲得更易培養的兼性菌并通過模擬厭氧消化反應驗證其作用，借此對厭氧消化反應的增效機制進行探討。

1 材料與方法

1.1 模擬污泥接種試驗

分別采集來自天津市紀莊子、咸陽路、東郊、北辰4家污水廠的剩余污泥，按各廠日產泥量比例（32∶43∶40∶10）進行復配，以最大程度模擬實際條件；采集紀莊子污水處理廠厭氧池的厭氧活性污泥作為接種物。對污泥樣本分別測試含水率、有機份（濕重）并按照接種物有機質VSS含量10～20 kg/m3的比例[7]進行復配，以確保整體厭氧活性。分別設置空白對照組（僅含4廠混合污泥）、接種處理組（同時包含接種污泥與4廠混合污泥），每組3個重復，設計排水計量模型見圖1，進行模擬試驗。

圖1 厭氧消化產氣排水計量模型

1.2 菌種篩選

驗證接種污泥活性后，將污泥樣品進行梯度稀釋并傾注LB平板培養基進行篩選，計數長出的菌落個數折算菌株在污泥中的原濃度。對可穩定培養的菌株提取基因組DNA，通過細菌16SrDNA引物338F和518R進行PCR擴增和測序鑒定。

1.3 菌種增效能力驗證

根據計數結果，取活菌數量級與污泥原濃度相同的菌液離心脫水，將菌體沉淀代替接種污泥與4廠混合污泥混勻并設置有機質等量的空白對照，啟動模擬試驗并進行對比分析。

2 結果與分析

4廠污泥混合后含水率81.41%，有機份10.37%，接種污泥含水率96.37%，有機份1.87%，按有機質比例充分混勻并調整處理組和對照組總有機份含量、總反應體積均相等，啟動試驗。經過17 d反應時間，處理組平均產氣量達到（312.13±34.54）mL，比空白對照組平均產氣量（121.30±30.92）mL提升157.32%，驗證接種污泥具有厭氧消化活性。兩組產氣甲烷純度分別為57.30%和56.19%，無顯著差異。產氣量對比見圖2a。

經過篩選和傳代，僅從接種污泥中獲得1株穩定性較好的細菌，其他菌株均無法穩定培養。研究中將該菌株命名為KY-03，經測序鑒定，KY-03屬于熒光假單胞菌（Pseudomonas f luorescens，相似度 99.9%），菌株已保藏于中國普通微生物菌種保藏管理中心（China General Microbiological Cul ture Col lection Center，CGMCC），保藏編號 CGMCCNo.8525。

按照菌落計數結果，KY-03在每升厭氧活性污泥中的菌體數量級約為1 011，按此數量級取KY-03培養液離心脫水并與4廠混合剩余污泥配比接種，進行中溫厭氧消化模擬試驗，結果見圖2b。接種KY-03處理組平均產氣量達到（226.70±9.59）mL，比空白對照組平均產氣量（129.80±28.46）mL提升74.65%。此外試驗中觀察到，兩組產氣中甲烷含量分別為62.70%和58.00%，KY-03處理組顯著高于對照組，同時菌劑處理組內測量結果的標準差顯著低于空白對照組和混合接種泥處理組。表明該接種菌株可使污泥厭氧消化效率顯著提高并且由于菌體成分較單一，由接種污泥帶來的干擾因素相對較少，因此接種后，盡管總產氣量未達到接種厭氧活性污泥的水平，但可以使產氣純度更高、產氣量更加穩定。

圖2 污泥產氣量對比

3 討論

污泥厭氧消化工藝已在國外得到廣泛應用，涉及水處理、固廢、生物質能源等方向[3，8]，但國內仍然受技術水平等原因的限制，表現為反應緩慢、效率不足、可控性差[4]。污泥成分復雜，加之受甲烷菌自身特性影響，造成反應啟動緩慢、效率不足并極易受泥質等因素干擾產生波動[8]。為解決因產甲烷菌嚴格厭氧而難以培養和無法直接應用的難題，從厭氧活性污泥中篩選1株兼性厭氧的熒光假單胞菌（P.f luorescens）并驗證其同樣具有促進中溫厭氧消化的作用。根據厭氧消化三階段、四種群學說[6]，該菌株屬于水解或酸化階段的輔助增效菌，盡管研究中接種KY-03的處理組產氣提升效果與接種厭氧活性污泥處理組相比略低，但甲烷濃度卻顯著高于后者。研究一方面證明該菌株具有增強厭氧消化反應的作用，同時也為同類研究提供了新的思路。

假單胞菌屬（Pseudomonas）為一系列可產生多種生物酶的異養型微生物，其中產堿假單胞菌P.alcaligenes、門多薩假單胞菌P.mendocina、類產堿假單胞菌P.pseudoalcaligenes、惡臭假單胞菌P.putida、食樹脂假單胞菌P.resinovorans、維氏假單胞菌P.veronii及施氏假單胞菌P.stutzeri等菌種均具有專性降解特定有機物的作用，從而在環境修復等方面得到應用[9]，而P.f luorescens的研究多針對植物根際生物防治、氮代謝、污水重金屬去除等[10～11]，國內尚無在污泥厭氧消化方面應用的報道。本研究中獲取的KY-03菌株已申報國家專利（專利受理編號201310746712.3），可待深入開展對其增強厭氧消化的生理生化機制研究后，用于污泥厭氧消化相關菌劑的開發并應用于污水廠對污泥厭氧消化反應進行強化，促進該工藝技術的進一步推廣普及。

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