剩余污泥厌氧消化抑制产甲烷代谢研究进展.pdf

第53卷第2 期2024年2 月剩余污泥厌氧消化抑制产甲烷代谢研究进展肖雨，徐辉,刘方剑,杨波（东华大学环境科学与工程学院，上海2 0 16 2 0）摘要：首先阐述了抑制污泥厌氧产甲烷代谢的环境因素，主要是初始溶解氧、有机负荷、温度及pH。归纳了污泥厌氧消化产甲烷的内源抑制因素腐殖酸、氨氮及盐度,腐殖酸可通过竞争产甲烷菌的电子及影响相关酶的活性来抑制产甲烷，氨氮主要依靠影响产甲烷菌活性抑制产甲烷，盐度不仅影响产甲烷活性，而且也影响胞内有机基质释放。阐明了两种常用专性和非专性的外源抑制剂的作用机理。归纳了抑制污泥厌氧产甲烷的研究进展，以期为污泥产酸资源化利用提供理论参考。关键词：剩余污泥；厌氧消化；挥发性脂肪酸；内源抑制因素；产甲烷抑制剂中图分类号：TQ09;X705Recent advances in inhibition of methanogenesis foranaerobic digestion of waste-activated sludgeXIAO Yu,XU Hui,LIU Fang-jian,YANG Bo(College of Environmental Science and Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China)Abstract:The environmental factors that inhibit the anaerobic methanogenesis of waste-activated sludgewere first described,including initial dissolved oxygen,organic load,temperature,and pH.The effects ofendogenous inhibitors(e.g.,humic acid,ammonia,and salinity)on methane production of anaerobic di-gestion of waste-activated sludge were summarized.Humic acid can inhibit methanogenesis by competingwith methanogens for electron donors and shifting the activity of the enzyme.Ammonia can affect methano-gens activity.Salinity not only affects the methanogens activity but also affects the release of intracellu-lar organic substances.The mechanisms of two commonly used obligate and non-obligate exogenous inhibi-tors on methane production are discussed.This review summarizes the recent advances in the inhibition ofanaerobic methanogenesis of waste-activated sludge,which is expected to provide a theoretical referencefor the resource utilization of sludge to produce acid.Key words:waste-activated sludge;anaerobic digestion;volatile fatty acids;endogenous inhibitor;methanogenic inhibitors随着我国污水处理规模的提高，副产物剩余污泥产量逐渐增大，预计在2 0 2 5年，我国剩余污泥产量将达到9 0 0 0 万t（以含水率8 0%计），为2 0 2 0 年产量的2.4倍。剩余污泥中富含大量有机质，存在较大的资源化潜力。厌氧消化技术是目前应用较广的污泥资源化技术，利用厌氧微生物将剩余污泥中复杂有机物转化为挥发性脂肪酸（VFAs）、甲烷等能源。污泥厌氧消化系统产生沼气中甲烷占55%70%，二氧化碳占30%45%，甲烷纯度低造成生物气的热值低。实际应用中,剩余污泥生物质能的回收受限于甲烷的纯度和泄露等因素VFAs是污泥厌氧消化产酸阶段的重要产物，被用于许多领域，如生物塑料合成、生物脱氮和生物能源生产，VFAs也可作为污水处理中外部碳源2 3。通过适当的方法，VFA可以转化为醇、生物氢、微藻脂质、生物电、醛、酮、烷烃、聚羟基烷酸酯，收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 55修改稿日期：2 0 2 3-0 5-0 9基金项目：上海市科技发展基金项目（2 1DZ1209802）作者简介：肖雨（2 0 0 0），女，湖北荆州人，东华大学在读硕士，师从杨波教授。电话：17 340 50 916 7,Ema i l：l e v i o s a x y 16 3.c o m通信作者：杨波（197 3-）,教授,E-mail:应用化工Applied Chemical Industry5文献标识码：A文章编号：16 7 1-32 0 6(2 0 2 4)0 2-0 443-0 4价值和更加广泛的应用场景。已有文献基于物化手段强化有机物水解和引人生物制剂的角度综述了强化VFAs生成的过程及机理。此外,通过抑制产甲烷，减少VFAs的消耗是积累VFAs的另一条途径。本文从影响污泥厌氧产甲烷代谢的环境因素、内、外源抑制因素及其作用机理三个方面，综述了近年来污泥厌氧消化过程中抑制产甲烷的研究成果，强调了抑制污泥厌氧消化产甲烷、强化产酸将是实现剩余污泥资源化的一种有效途径，为污泥产酸的资源化利用方式提供路径。1污泥厌氧消化技术原理污泥中含有大量有机物和少量无机物，还含有少量重金属、病原体等有害物质，会对人体健康和生态环境造成威胁，因此必需对污泥进行妥善处Vol.53 No.2Feb.2024还可以在食品和制药行业中直接用作食品添加剂4。因此,VFAs相对于甲烷具有更加高的应用444理5。厌氧消化是一种利用微生物在缺氧环境下代谢污泥中有机物并将其转化为VFAs、甲烷等能源的生物过程。厌氧消化是污泥减量化、稳定化及资源化处理的一种有效方式,具有成本低、效益高、环境友好等优点。污泥的厌氧代谢分为水解、酸化、产乙酸、产甲烷四个阶段。首先，污泥中复杂的有机物通过水解细菌的作用转化为结构简单的溶解性有机物；随后,通过酸化细菌作用将有机物转化为VFAs、乙醇、CO,等；与此同时,产乙酸菌将VFAs、乙醇转化为乙酸和H2;最后,通过产甲烷菌将VFAs等中间产物转化为甲烷。然而，甲烷是短寿命强势温室气体，具有快速增温效应,在2 0 年时间尺度上,其全球增温潜势约为CO，的8 4倍7 。污泥厌氧消化中间产物VFAs比甲烷具有更加广泛的应用价值，可作为有机化工行业的生产原料，也可作为污水脱氮除磷处理过程的碳源。2污泥厌氧产甲烷代谢的环境影响因素产甲烷菌是一类对环境极其敏感的微生物，系统中存在初始O2pH、底物负荷、温度等其他环境因素的均会对产甲烷菌造成影响，进而抑制产甲烷过程。Lukitawesa等8 研究发现,厌氧消化反应器中存在的初始0，会抑制产甲烷，甲烷产量由1.7mL/gVS降低至0.8 mL/gVS,产甲烷抑制率为53%,但VFAs的产量未受到影响。此外,增大系统中有机负荷会影响产甲烷代谢过程。当接种物与底物比例由1:1变为1:3时,高的有机负荷抑制了甲烷菌的生长,甲烷产量由6.2 mL/gVS降低至0.4 mL/gVS,抑制率达到93.5%。温度是厌氧消化系统的基本运行条件之一。温度能够改变厌氧系统内微生物群落结构，当运行温度由35升高至50 时，甲烷产量抑制率达到64%9。而且温度也会影响产甲烷途径,在0 40低温条件下嗜乙酸型产甲烷菌为主要产甲烷菌群,在40 50 高温条件下嗜氢型产甲烷菌为产甲烷优势菌。pH的变化也会影响产甲烷过程。厌氧消化过程中VFAs的积累,会导致系统的pH降低,产甲烷菌最适宜的pH为6.8 7.2,范围较小,VFAs引起的pH变化较易影响产甲烷过程10 。同时,pH可通过影响VFAs的形态来影响产甲烷过程,随着pH降低,系统中 VFAs 由离子型转化为非离子型,对细胞的毒害作用增强,产甲烷菌的活性下降,产甲烷被抑制。因此,在污泥厌氧消化回收利用VFAs过程中，可通过调控运行参数来实现产甲烷过程的抑制。3内源抑制因素3.1腐殖酸剩余污泥主要由微生物、碳水化合物、无机盐、蛋白质和腐殖质组成。其中腐殖质占其成分比例应用化工较大，占6%10%。腐殖酸是腐殖质的主要成分,腐殖酸结构复杂，含有多种官能团，主要是羧基、酚羟基和醇羟基、酮基、醌基和醛基等12 。由于腐殖酸中各类复杂的官能团能与厌氧消化过程中乙酰辅酶A等关键酶结合,故腐殖酸可影响产甲烷代谢过程。Liu等13 研究发现,由于腐殖酸中含有大量醌基,电子接受能力较强，在嗜乙酸型产甲烷过程中，醒基作为电子受体更具有竞争优势，影响了乙酰辅酶A向5-甲基-四氢甲烷蝶呤（5-methyl-THMPT)的转化,甲烷的产生受到抑制。Yap等14研究发现,系统中腐殖酸浓度越高，抑制产甲烷作用越明显。当系统中腐殖酸浓度为5g/L时,产甲烷过程开始受到抑制。当腐殖酸浓度增加至10 g/L时,产甲烷的活性降低了40%，当腐殖酸浓度达到20g/L时,系统中产甲烷过程被完全抑制。同时，腐殖酸还可直接参与厌氧消化过程中的电子传递过程。Wang等15 研究发现,腐殖酸具有较强的电子传递能力，在产甲烷过程中与产甲烷菌竞争电子处于优势地位，进而抑制了产甲烷菌的活性。因此,腐殖酸可通过影响相关过程酶的活性、与产甲烷菌竞争电子来抑制产甲烷过程。3.2氨氮剩余污泥中蛋白质含量可达到6 3%，蛋白质和氨基酸等物质经过氨化反应生成氨氮，系统中氨氮主要以游离氨和铵离子的形式存在16 。高浓度的氨氮可导致微生物代谢失衡，从而对微生物产生毒害作用。氨氮对厌氧消化系统的主要抑制作用表现在抑制产甲烷菌活性方面。氨氮可能通过抑制编码甲基辅酶M还原酶的基因表达来抑制产甲烷菌的活性。Zhang等17 研究发现,高浓度的铵离子抑制了编码乙酰辅酶A脱羰酶和甲基辅酶M还原酶相关基因的表达,铵离子浓度从1.5g/L增加至5g/L,甲烷产量下降7 5%。氨氮还可能影响产甲烷的途径。Moerland等18 研究发现，在超嗜热条件下,将氨浓度从1.5g/L增加至3.0 g/L（其对应游离氨的浓度分别为0.6 g/L和0.8 g/L）,嗜乙酸型甲烷产量明显降低。与嗜乙酸型产甲烷菌相比较，嗜氢型产甲烷菌对氨氮的耐受性更高，游离氨浓度最高可达到0.9 g/L。随着氨氮浓度的增加,厌氧消化系统中产甲烷途径从嗜乙酸型产甲烷途径转变为嗜氢型产甲烷途径。因此，氨氮对产甲烷过程的抑制作用主要通过影响产甲烷菌活性实现，其中对嗜乙酸型产甲烷过程影响较大。3.3盐度由于淡水资源短缺，部分沿海地区直接使用海水代替淡水冲厕,海水进人污水系统中会使污水盐度升高。此外,垃圾渗滤液和用于室外道路融雪的盐分进人污水中，也会使污水盐度升高19。利用活性污泥法处理含盐废水会使污泥中富集大量盐第53卷第2 期NaCl是提供盐度的成分之一,是影响产甲烷菌活性的重要因素。Zhao 等2 0 研究发现,厌氧消化系统内NaCl浓度越高，辅酶F42o活性越低,产甲烷受到抑制作用越明显。当NaCl浓度为10 g/L时,产甲烷菌的活性降低50%；当浓度为2 5g/L时,产甲烷菌活性被完全抑制。NaCl 浓度增加至15g/L时,甲烷的最大产量降低91%。同时，钠盐也会影响厌氧系统内有机质的释放过程。Su等2 1 发现NaCl 可提高污泥的溶解效率,高浓度的钠离子诱导细胞发生质壁分离，促进了活性污泥胞外聚合物的裂解释放细胞内有机物。当NaCl浓度从2 g/L增加至15g/L,可溶性碳水化合物和蛋白质浓度增加了1.5倍。因此,盐度不仅可以影响产甲烷活性，还会影响细胞内有机基质的释放。4外源抑制剂外源产甲烷抑制剂是一类运用较广泛且高效的抑制产甲烷手段，分为专性抑制剂和非专性抑制剂两类。专性抑制剂是指一类只抑制产甲烷微生物的活性的抑制剂,该类抑制剂是通过抑制产甲烷过程中相关酶的活性达到抑制产甲烷的目的。非专性抑制剂是指一类不仅影响产甲烷微生物的活性,而且还会影响系统中其他微生物的抑制剂。4.1专性抑制剂二溴乙烷磺酸钠（BES)是一类产甲烷专性抑制剂，可影响产甲烷菌和产甲烷过程中辅酶F420等关键酶的活性。Qiu等2 2 研究发现,BES 提高了嗜氢型产甲烷菌活性，抑制了嗜乙酸型产甲烷的活性，但甲烷生成途径是嗜乙酸型产甲烷，整体上产甲烷过程被抑制。辅酶 F420是电子传递过程中的重要组成部分，甲基辅酶M是产甲烷过程的必需酶，当BES投加浓度为12 g/L时,辅酶F420的活性降低80.8%,甲基辅酶M活性降低6 6.1%。随着BES投加量增大，产甲烷过程抑制作用越明显，3g/L浓度BES累积甲烷产量抑制率可达到7 2.9%，浓度增加至9g/L时可完全抑制产甲烷过程。BES可在抑制产甲烷的同时提高VFAs产量。Omar等2 3 研究发现，投加10.55g/L浓度的BES完全抑制了产甲烷菌的活性并提高了VFAs的产量,乙酸占VFAs的主要成分，为总量的93%。BES还会影响同型产乙酸反应的吉布斯自由能。Wang等2 4 研究发现,在未添加BES的系统中测得同型产乙酸过程的吉布斯自由能约为+13 kJ/mol,在添加BES 的系统中测得该过程的吉布斯自由能约为-18 kJ/mol,吉布斯自由能明显降低,且将该反应的吉布斯自由能降至小于零,该反应可自发进行。BES选择性地抑制了产甲烷菌的生长,并使系统中活性较高的菌种为产乙酸菌。Cheng等2 5 在生物电化学反应器中使用BES,成功抑制了产甲烷过程，减少了产甲烷菌对系统中短链脂肪酸(SCFAs)的消耗。Allaart等2 6 ,通肖雨等：剩余污泥厌氧消化抑制产甲烷代谢研究进展4.2非专性抑制剂氯仿是一种非专性抑制剂，其不仅会抑制产甲烷过程,而且可能会对系统中其他过程造成一定的影响。Zhao等2 7 研究发现,氯仿具有不稳定的碳氢键,其可参与过程中 THSPt或HS-CoM 等关键酶的反应过程，抑制了产甲烷的代谢过程。此外，氯甲基和甲基具有相似的立体结构,可以和过程中辅酶结合,影响产甲烷过程。金鑫等2 8 研究发现，氯仿在抑制产甲烷的过程中，对同型产乙酸过程有显著的抑制作用。其不仅影响了同型产乙酸菌的数量，而且影响产氢产乙酸菌的活性，同时，系统的产酸率也出现下降。据报道2 9，投加0.0 5%0/浓度的氯仿可实现95%的产甲烷抑制率。氯仿通过抑制乙酰辅酶A的活性，实现对同型产乙酸过程的抑制作用，通过阻断类咕啉酶的功能，抑制产甲烷菌的甲基辅酶M还原酶的活性,实现对产甲烷过程的抑制作用。Bagchi 等30 将氯仿应用在微生物燃料电池中，通过抑制产甲烷过程，提高了系统的库伦效率。Li等2 9 将氯仿应用在脂肪酸链延长反应器中,在低浓度0.0 5%/条件下成功抑制了产甲烷作用,但对脂肪酸链延长作用也产生了一定的抑制作用，高浓度条件下，系统中链延长作用被完全抑制。氯仿主要通过影响相关过程酶的作用达到抑制产甲烷效果。由于其非特异性作用,在抑制产甲烷过程的同时对系统中其他过程也产生潜在影响。5结论厌氧消化产甲烷技术是目前应用较广的污泥资源化技术，但存在收集难度大、纯度低、温室气体甲烷易逸出等问题。为了获得更好的环境效益和经济效益，抑制污泥厌氧消化产甲烷、强化产酸将是实现污泥减量化及资源化的一种有效途径。产甲烷菌是一类对环境敏感的微生物，可通过改变环境因素从而达到抑制产甲烷效果。剩余污泥成分复杂，污泥中含有腐殖质、氨氮、盐类等物质，这些内源物质会影响产甲烷过程相关酶的活性，对产甲烷菌的活性产生抑制作用，导致产甲烷无法顺利进行。可通过利用污泥中的抑制成分来制得产甲烷抑制剂,达到富集污泥厌氧消化过程VFAs的目的。参考文献：1戴晓虎.我国污泥处理处置现状及发展趋势J.科学,2 0 2 0,7 2(6):30-34,4.2 LU F,WANG Z,ZHANG H,et al.Anaerobic digestion of445过补充BES投加量成功地抑制了产甲烷过程，同时稳定了系统生成丁酸和已酸的过程。BES是一类应用广泛的专性产甲烷抑制剂，对产甲烷过程具有良好的抑制效果，主要应用于短链脂肪酸延长系统、脂肪酸资源回收系统中。然而,BES价格昂贵,可能造成二次污染，限制了其在工业上的应用。446organic waste:Recovery of value-added and inhibitorycompounds from liquid fraction of digestate J.BioresourTechnol,2021,333:125196.3叶红梅，刘祖文，田帅.污泥厌氧发酵产酸技术研究进展J.应用化工,2 0 2 3,52(2)：58 8-594.4WAINAINA S,LUKITAWESA,KUMAR AWASTHI M,etal.Bioengineering of anaerobic digestion for volatile fattyacids,hydrogen or methane production:A critical 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