厭氧生物處理低濃度污水研究進展

田帥，朱易春，黃書昌，連軍鋒，秦欣欣，任黎曄，李鑫

（江西理工大學土木與測繪工程學院，江西贛州341000）

隨著污水處理普及率的提高，我國污水處理廠基本實現了全覆蓋，污水處理率高達93.4%[1]。然而，污水處理廠主要以好氧生物處理技術為主，高能耗及高產泥量已成為不可忽視的問題?；谀壳敖洕l展水平及水污染治理要求，高效、節能、生態平衡和環境友好的污水處理技術已成為研究熱點。

厭氧生物處理技術不僅能耗低、污泥量少，而且還可將污水中的有機物轉化為甲烷等能源物質回收利用，在生態環保和能源回收中發揮了重要作用[2]。但其主要應用于乳制品污水、酒廠污水和屠宰場污水等典型高有機物含量的污水處理[3]。近年來，由于能源短缺問題日益突顯，厭氧生物處理技術開始逐步應用于低濃度污水處理[4]。但是對于低濃度污水，厭氧生物處理技術存在一系列急待解決的問題，如污水有機物含量低（COD 濃度低于1000mg/L[5]）使得厭氧微生物生長緩慢，產氣量較小造成泥水混合液無法有效攪拌，厭氧功能菌生存條件苛刻導致微生物活性不高，嚴重制約了厭氧技術在低濃度污水中的應用。針對以上問題，當前主要通過添加膜組件截留污泥以提高生物量，調整系統運行參數或直接作用于厭氧污泥以提高微生物活性，構建微生物間的電子傳遞以維持厭氧系統的穩定性三個途徑來強化低濃度污水厭氧處理。

實現厭氧生物處理技術在低濃度污水中的應用是污水處理轉型的有效途徑。因此，為進一步加強對厭氧生物處理低濃度污水的認識，本文闡述了厭氧生物處理的電子傳遞特性，梳理了溫度、pH 等因素對厭氧過程的影響，并總結了強化低濃度污水厭氧生物處理的方法，以促進厭氧生物處理技術在低濃度污水中的應用。

1 厭氧微生物及種間電子傳遞

根據作用微生物及產物的不同，厭氧生物處理過程可分為水解發酵、產氫產乙酸、同型產乙酸和產甲烷4個階段，各個階段的緊密銜接以及厭氧系統的穩定運行與厭氧微生物和種間電子傳遞（IET）密切相關。

1.1 厭氧微生物

厭氧處理涉及多種微生物，微生物間通過協同、拮抗作用共同維系著微生物群落的穩定，為厭氧系統的高效運行奠定了基礎。在厭氧處理過程中， 擬 桿 菌 門（Bacteroidetes） 和 厚 壁 菌 門（Firmicutes）是水解過程中的主要菌群；綠彎菌門（Chloroflexi）、變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和厚壁菌門（Firmicutes）是酸化過程中的主要菌群；并且與產甲烷菌相比，水解菌生長迅速，對pH、溫度等環境因素的適應性更強[6]。此外，厭氧體系中還存在部分豐度較低的菌群， 如 螺 旋 菌 門（Spirochaetes）、 酸 桿 菌 門（Acidobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、浮霉菌 門 （Planctomycetes） 和 疣 微 菌 門（Verrucomicrobia）等菌群[7]。

在厭氧處理過程中，只有產甲烷階段完全由古菌參與。該階段生化代謝的本質是產甲烷菌利用細胞內特殊的酶和輔酶將CO2或甲基化合物中的甲基通過一系列的生物化學反應還原成甲烷；同時產甲烷菌細胞形成鈉離子或質子跨膜梯度，驅動細胞膜上的ATP 合成酶將ADP 轉化成ATP 以獲得能量[8]。然而，產甲烷菌對環境因子高度敏感且增殖周期長，一般情況下產甲烷是有機物甲烷化過程的限速步驟[9]。此外，產甲烷菌對底物有很強的特異性，僅能夠利用CO2、乙酸、甲醇等簡單化合物作為產甲烷底物。根據其利用底物可將產甲烷菌分為還原CO2型、甲基營養型和乙酸營養型（見表1），并由此形成還原CO2、乙酸和甲基營養3 種甲烷生物合成途徑。研究表明[10]，自然界中約三分之二的生物產甲烷來自于乙酸代謝，但目前僅發現甲烷八疊球菌 屬 （Methanosarcina） 和 甲 烷 鬃 菌 屬（Methanosaeta）可利用乙酸途徑產甲烷。相比于Methanosarcina，Methanosaeta對乙酸的親和力更強，可以在乙酸含量小于100μmol/L 的環境中生長[11]。通常一種產甲烷菌只具有一種甲烷代謝途徑，但Methanosarcina可利用底物范圍廣泛，是唯一能通過3種途徑產甲烷的甲烷菌，具有極強的適應性[12]。

1.2 種間電子傳遞

IET在厭氧微生物的生長代謝及有機污染物的降解中發揮了重要作用。長期以來，厭氧體系中細菌與產甲烷菌之間的電子傳遞被認為是通過種間H2/甲酸傳遞來實現[13]。其中，由于H2是還原CO2型產甲烷菌生成甲烷的電子供體，因此在厭氧體系中種間H2傳遞比較普遍。但是種間H2傳遞受H2分壓影響大，因為產H2過程與NAD+/NADH、FAD/FADH2及Fd(ox)/Fd(red)等氧化還原中間體的相互轉化相耦聯，這些耦聯反應在標準狀態下的吉布斯自由能通常為正值，反應無法自發進行，只有當H2分壓低于1Pa時，反應方可自發進行，從而完成電子的傳遞[14]。此外，甲酸也是厭氧過程中一種重要的種間電子載體，由其介導的種間甲酸傳遞同樣對厭氧系統產生積極影響。然而，種間H2傳遞和種間甲酸傳遞在厭氧過程中的主導作用尚不明確。因此，種間電子載體的差異性對厭氧處理效果的影響仍需進一步研究。

表1 不同類型產甲烷菌的反應過程及代表菌屬[8,10-11]

近年來，研究發現厭氧過程中存在直接種間電子傳遞（DIET）。Summers 等[15]首次發現并證實Geobacter metallireducens和Geobacter sulfurreducens共培養體系中存在DIET。隨后研究發現產甲烷菌也能參與DIET。Rotaru 等[16]研究表明Methanosaeta harundinacea可 通 過 DIET 從Geobacter metallireducens接受電子，并利用獲得的電子將CO2還原為甲烷。Methanosarcina barkeri與Geobacter metallireducens之間同樣存在DIET，并通過DIET還原CO2產甲烷[17]。相關研究表明，DIET 比種間H2/甲酸傳遞更具代謝優勢，其與種間H2/甲酸傳遞的本質區別在于微生物可通過自身的導電菌毛、分泌的細胞色素以及外源導電物質進行直接電子傳遞[18]，電子傳遞速度更快、更穩定（見圖1）。其中，菌毛是從細胞表面延伸出來的絲狀蛋白，不僅能幫助細菌附著，促進細胞運動，還能將電子傳遞給胞外電子受體；而細胞色素是電子由細胞表面傳遞至胞外電子受體的重要介體蛋白，并且在不同胞外電子傳遞模式下參與的細胞色素種類存在差異；此外，微生物也能借助外源導電物質如磁鐵礦、顆?；钚蕴炕蛏锾康葘崿FDIET[19]。因此，基于傳統厭氧消化面臨著的一些瓶頸問題[20]，比如揮發性脂肪酸（VFA）的積累對產甲烷菌產生毒性抑制，H2的積累增加氫分壓并抑制產乙酸菌的酶活性，以H2或甲酸為載體進行的種間電子傳遞是厭氧消化的限速步驟，將DIET 與厭氧消化的結合不僅可以提高低濃度污水的處理效率，而且還能維持厭氧系統在低濃度污水條件下的穩定運行。

圖1 微生物種間電子傳遞機制

2 厭氧處理影響因素

厭氧生物處理主要是運用微生物的厭氧消化原理，即在無氧條件下通過一系列厭氧微生物的協同作用，將污水中的有機物分解轉化成甲烷等物質。該過程容易受到溫度、pH、VFA 等因素的影響。因此，有必要將以上因素控制在適宜的范圍內（見表2），以維持厭氧體系的動態平衡，從而實現穩定高效的厭氧處理。

表2 厭氧處理適宜運行參數

2.1 溫度

溫度是厭氧消化的重要影響因素之一，其通過影響酶活性，進而影響微生物菌群的新陳代謝速率，最終改變有機物的降解速度。厭氧消化過程受溫度影響很大，主要是因為產甲烷菌對溫度非常敏感。當產甲烷菌在某溫度下被馴化后，溫度波動超過0.6℃即會影響消化效果，溫度波動超過1℃時產氣量將急劇降低[26]。并且溫度降低對不同營養類型產甲烷菌活性的抑制程度存在顯著差別，在20～30℃時乙酸營養型產甲烷菌對溫度脅迫表現出更好的耐受性，而在15℃以下時氫營養型產甲烷菌則表現出更好的耐受性[27]。厭氧消化通常在中溫（30～40℃）或高溫（50～65℃）條件下進行[21]。雖然在高溫條件下處理低濃度污水可提高有機物中碳流向甲烷的比例，但是需要更多的能量輸入來維持運行條件。而在低溫條件下處理低濃度污水不但會抑制微生物活性，使得處理效率降低，而且低溫下水的黏度增大，降低固液傳質效率。劉智斌等[28]發現在10℃下處理低濃度污水容易導致消化鏈球菌科（Peptostreptococcaceae）產酸菌的相對豐度增加，出現VFA 的積累，出水VFA 從2mg/L 升高至12mg/L。盡管厭氧過程強烈地依賴于溫度，但在實際運行中，特別是冬季，很難保證中溫的運行溫度。因此，在低溫條件下實現穩定、高效的低濃度污水厭氧處理顯得尤為重要。厭氧膜生物反應器（AnMBR）通過膜過濾與厭氧處理的耦合，為低溫下低濃度污水厭氧處理提供了可能。Ho 等[29]運用AnMBR 處理低濃度污水，在膜的截留作用下維持了反應器內較高的污泥濃度，使得AnMBR 在15℃時COD去除率仍能達到85%。

2.2 pH

pH 是影響厭氧消化性能和穩定性的重要參數之一。pH 過低會嚴重抑制產甲烷菌活性，過高則會導致有毒物質（游離氨）的形成[30]。參與厭氧消化的水解菌、產酸菌和產甲烷菌的最適pH 范圍有所差異，其中產甲烷菌對pH非常敏感，其最適pH范圍為6.5～7.2，并且在不同pH條件下，優勢產甲烷菌群和產甲烷途徑也存在差異；但pH對水解菌、產酸菌的影響較小，其最適pH范圍較寬，在4～8.5之間[22]。張超等[31]通過低強度超聲波提高了厭氧折流板反應器（ABR）在低濃度污水條件下的抗水力沖擊負荷能力，并發現超聲對產酸菌活性提高的程度比產甲烷菌更高，經產甲烷菌降解后，超聲組中剩余的VFA比對照組更多，使得pH降低，但與對照組相比pH 降低的幅度并不大，并未影響厭氧處理過程中產酸菌和產甲烷菌對有機物的降解。Kannan 等[32]采用中試規模AnMBR 處理低濃度污水時發現，在溫度和水力沖擊下，反應器的pH 仍能維持在中性范圍。因此，在厭氧處理低濃度污水時，由于污水中有機物含量偏低，生成的中間產物VFA不易積累，通常保持進水COD濃度/NaHCO3濃度比為0.9～1.0，即可控制反應器內pH在6.5～7.0之間，實現微生物之間的相平衡。

2.3 VFA

VFA 是厭氧消化關鍵影響因素之一，其濃度可用于判斷水解酸化與產甲烷是否平衡。在穩定的厭氧消化系統中，VFA 的濃度為50～250mg/L，過量的VFA會對系統形成抑制[23]。VFA作為厭氧消化的中間產物，若不能被有效分解轉化，將導致整個系統運行失穩。研究發現，VFA 中乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等的比例結構對其降解速率有明顯影響[33]。其中，乙酸代謝因其最低的吉布斯自由能而使它比其他種類的VFA更容易被微生物降解利用，其降解速度比丙酸高20%～50%[33]?？裑34]采用上流式厭氧固定床反應器（UAFBR）處理低濃度污水，發現乙酸是VFA 的主要成分，其對HRT 的變化最為敏感，HRT為12h、6h、3h時反應器出水中乙酸分別為41.29mg/L、73.53mg/L、13.31mg/L，分別占出水總VFA 的83%、69%、86%。劉揚揚[35]采用沉降式污泥循環厭氧法處理低濃度污水，當HRT 由10h 降低至6h 時，由于OLR 突然升高導致出水VFA 増加，引起酸累積，但酸累積現象在短期內就得到有效控制，在整個運行過程中，反應器出水VFA 一直處于較低水平（16.2～48.0mg/L），這與低進水有機物濃度和增強的廢水-生物質傳質密切相關。因此，由于低濃度污水中有機物含量偏低，在厭氧處理過程中生成的VFA 基本能夠及時的被產甲烷菌消耗，VFA 不易積累，使得反應器不易酸化。

2.4 氨氮

氨氮是影響厭氧消化整體效能的重要因素之一，其主要來自于厭氧消化過程中蛋白質、氨基酸、尿素等含氮物質的降解。氨氮為厭氧微生物的生長、繁殖提供了重要的氮源，但由于厭氧消化體系缺乏自養型無機氮代謝微生物，使得反應體系氨氮的積累加劇，這是氨氮成為厭氧消化抑制因素的重要原因[36]。研究表明，低濃度的氨氮可增強厭氧消化系統的緩沖能力，而高濃度的氨氮則會抑制厭氧微生物的活性，從而限制厭氧消化的進程[37]。為提高厭氧消化系統的處理效率及運行穩定性，可從調節C/N比等角度延緩或消除氨氮抑制。對于低濃度污水厭氧處理系統，如果進水C/N比過高，則會由于氮源不足導致碳源不能充分利用；如果C/N比過低，則易出現氨氮積累造成氨氮抑制厭氧微生物活性。通過調節進水C/N比，可以有效控制系統中氨氮濃度，避免出現氨氮抑制。因此，一般情況下，將進水C/N 比控制在20～30是低濃度污水厭氧處理的適宜條件[25]。

2.5 其他

3 強化厭氧生物處理策略

厭氧生物處理低濃度污水存在污泥活性較差、啟動周期長和處理效率不高等問題，嚴重制約了厭氧技術在低濃度污水中的應用。為解決該問題，學者提出通過運用厭氧膜生物反應器、提高微生物活性以及構建DIET來強化低濃度污水厭氧處理。

3.1 厭氧膜生物反應器

低濃度污水厭氧處理效率較低主要是由于低有機物條件下厭氧菌活性不足，代謝能力較弱，導致相對于好氧菌需要更長的停留時間。而高效厭氧系統可以有效地分離水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT），并且由于系統內積累了較高的生物量，因而可在低濃度污水下穩定運行[43]。近年來，將厭氧折流板反應器（ABR）、厭氧膜生物反應器（AnMBR）等高效厭氧反應器用于處理低濃度污水的研究越來越多。其中，厭氧膜生物反應器（AnMBR）是一種將膜與厭氧生物處理有效結合的技術，具有COD 去除率高、污泥產量少等優點。膜組件的加入避免了污泥流失，促進了厭氧微生物的生長、繁殖以及優勢菌群的富集，在提高污水處理效果的同時增強了能源回收效率[44]，使得AnMBR處理低濃度污水具有良好的可行性及潛力。Lin 等[45]利用浸沒式厭氧膜生物反應器（SAnMBR）處理低濃度污水，甲烷產率高達0.26L CH4/gCOD，并論證了SAnMBR處理低濃度污水具有技術和經濟可行性。許得雨等[46]發現AnMBR 處理低濃度污水具有良好的穩定性以及抗溫度沖擊能力，即使溫度由35℃降到25℃，COD 去除率仍能保持在93%以上。AnMBR 在低濃度污水處理中展現出廣闊的應用前景，但一直以來，膜污染問題嚴重制約了AnMBR 的應用與推廣。厭氧動態膜生物反應器（AnDMBR）的出現有效緩解了AnMBR存在的膜污染問題，與AnMBR相比，AnDMBR在膜組件成本、膜通量、膜清洗和能量需求等方面具有顯著優勢[47]。在低濃度污水處理方面，Hu等[48]在22～25℃、HRT=8h條件下探討了AnDMBR處理不同有機負荷（COD=300～1000mg/L）污水的可行性，結果表明，有機負荷的增加對COD 的去除沒有負面影響，反而促使COD 去除率提高到90%以上。此外，Yang等[49]發現AnDMBR在極端操作條件下也有極好的適應性，即使HRT 縮短至1h，反應器COD 去除率仍能達到60%，甲烷產率達到0.05L CH4/gCOD。因此，AnMBR 是一種強化低濃度污水厭氧處理的有效手段，但其推廣應用一直被膜污染問題所困擾，如何最大限度地緩解或者消除膜污染成為膜技術強化低濃度污水厭氧處理的關鍵所在。

3.2 微生物活性

厭氧處理低濃度污水時由于污水中有機物含量低于1000mg/L，厭氧微生物處于饑餓狀態，導致微生物活性不足。因此，提高厭氧微生物活性可作為強化低濃度污水厭氧處理的有效手段。通?？蓪RT、溫度等運行參數進行調控，營造有利于厭氧微生物生存的環境，從而提高微生物活性。楊忠啟等[50]在處理低濃度污水時發現，隨著HRT降低，反應器COD 去除率逐漸提高，在HRT=5h 時COD 去除率可達85%以上。但處理效率提高的根本原因是微生物與污水之間的傳質作用對微生物活性產生了重要影響[51]。HRT 的降低加強了反應器內的擾動，使得微生物與污水中有機物的接觸更為充分，促進了微生物與污水之間的傳質作用，為厭氧微生物營造了良好的生存環境，從而提高微生物活性。另有研究表明，適量微量元素能夠提高厭氧微生物的活性，從而強化有機物的去除。李光蕾等[52]在低溫（15～18℃）下通過投加Ni+（0.2mmol/L）提高了微生物活性，強化了厭氧反應器處理低濃度污水的性能，COD 去除率由67%提升至75%。近年來，基于超聲作用能夠提高生物活性這一特點，學者嘗試將低強度超聲波應用于低濃度污水厭氧處理，以提高污水生物凈化效率。Xie 等[53]探討了將低強度超聲波應用于強化污水厭氧生物處理的可行性，結果表明，超聲強度為0.2W/cm2、輻照時間為10min時，微生物活性得到顯著增強，超聲組出水COD較對照組降低了30%。Zhu 等[54]對低強度超聲波強化低濃度污水厭氧生物處理進行研究，發現低強度超聲波能顯著提高厭氧污泥的生物活性，當聲能密度為0.1W/mL、輻照時間為10min 時，厭氧污泥輔酶F420和脫氫酶（DHA）的含量分別增加了59.8%和192.3%，COD去除率達到87.3%。因此，通過調控運行參數、投加微量元素和低強度超聲波處理均能提高微生物活性，從而有效強化低濃度污水的厭氧生物處理。

3.3 直接種間電子傳遞

DIET 是近年來新發現的種間電子傳遞方式，比傳統的種間H2/甲酸傳遞更高效。DIET的出現不僅打破了厭氧體系中必須依賴種間H2/甲酸傳遞的傳統認識，而且為強化低濃度污水厭氧處理提供了一條全新的思路。有學者提出通過富集地桿菌、產甲烷菌以實現DIET 的構建。Zhao 等[55]通過促進有機物的分解轉化來富集地桿菌等微生物，進而促進系統中地桿菌與產甲烷菌構建DIET，最終有效提升了厭氧系統的效能。同樣，對Methanosaeta、Methanosarcina等參與DIET的產甲烷菌進行富集也可有效促進DIET 的構建。也有學者選擇直接投加菌劑以構建DIET。Zhang等[56]在厭氧消化系統中投加Geobacter sulfurreducensPCA 菌劑，以此實現DIET 的構建。另外，添加顆粒活性炭也可以促進厭氧體系中DIET的構建。并且宏基因組分析表明，顆?；钚蕴靠筛患瘏⑴cDIET 的微生物（Geobacter和Methanosarcina），使電子供體通過顆?；钚蕴康慕閷ё饔脤㈦娮痈咝У膫鬟f到電子受體上，實現DIET 的潛在增強[57]。盡管低濃度污水厭氧處理具有運行成本低、剩余污泥少等優點，但其主要適用于中溫污水處理，低水解速率、低產甲烷活性限制了其在低溫條件下的應用。最近研究發現，在低溫條件下處理低濃度污水的厭氧反應器中投加顆?；钚蕴靠梢源龠MDIET 的構建，由此提高產甲烷菌活性，改善低溫下低濃度污水厭氧處理的性能。Zhang 等[58]研究表明，在低溫（16.5℃±2.0℃）條件下投加顆?；钚蕴坑兄诘貤U菌和產甲烷菌的富集，促進二者間DIET 的構建，進而提高了低溫下低濃度污水厭氧處理過程中COD 的去除（從62%提高到75%）和CH4的產生（從87mgCH4-COD/d提高到218mgCH4-COD/d）。同時，Zhang 等[59]發現投加顆?；钚蕴看龠M了微生物功能基因pilA 的表達，并在細胞導電結構e-pili的作用下構建DIET，提高了低濃度污水在低溫（20℃）下的厭氧處理效率（COD 去除率從56%提高到82%）和比產甲烷活性[從20mL CH4/(gVSS·d)提高到58mL CH4/(gVSS·d)]。綜上所述，通過富集菌群、投加藥劑和添加顆?；钚蕴康确椒ň蓪崿FDIET 的構建，并可通過構建DIET提高低濃度污水在低溫下的厭氧處理效率。

4 結語

厭氧生物處理能夠實現污水治理和能源回收，是一種極具前景的綠色技術。通過了解種間電子傳遞、厭氧微生物及影響因素，有助于保證厭氧系統穩定高效運行。同時，對強化低濃度污水厭氧生物處理的研究，能夠促進厭氧處理技術在低濃度污水中的應用，對其發展具有重要意義。今后可在以下方面加強研究。

（1）菌種篩選。雖然對厭氧功能菌的研究取得了一定的進展，但仍有大量菌群尚未確定，這極大地限制了厭氧技術的發展。特別是低濃度污水中的有機物含量低，厭氧微生物長期處于饑餓狀態將發生菌群演變，將“耐饑餓”的菌群進行富集可有效縮短反應器啟動周期。

（2）強化途徑。目前大多是通過調控溫度、pH 等參數來營造適宜厭氧微生物生存的環境，以此提高微生物活性。但參數控制法的效率偏低，使得反應器啟動周期較長。今后可考慮直接作用于微生物本身，通過促進胞內外物質分泌、加強底物傳質速率來強化微生物活性。