近年来，随着我国城镇污水收集系统的日趋完善和污水处理设施的不断建设运行，城镇污水处理厂的剩余污泥产量急剧增加。这些污泥如果得不到妥善处理，将会对环境造成极大危害，因此，寻求合理的处理方法成为关键。
厌氧消化（AD）作为一种可持续发展的污泥处理技术，符合我国目前提出的碳达峰与碳中和战略目标。AD一般有中温厌氧消化（MAD）和高温厌氧消化（TAD）两大类，与应用广泛的MAD相比，TAD稳定性更差，但因其具有水解速率快、产气潜能大和病原体去除率高等优势，被认为具有较大的应用前景。因此，解决污泥TAD稳定性是推进该技术实际应用的关键。目前关于TAD稳定性的研究主要包括微生物驯化、共消化和添加导电材料等，其中添加导电材料（如生物炭、碳纤维和磁铁矿等）因能提高TAD沼气产率和工艺稳定性而成为近年来的研究热点。生物质热解制取的生物炭是一种成本较低的碱性导电材料，由于其能够缓解挥发性脂肪酸（VFAs）积累，因而成为重要的导电添加剂。但有关生物炭对污泥AD的影响研究大都基于中温批次试验，在连续进料、有机负荷率（OLR）变化的情况下对污泥TAD的影响尚不清楚，因此限制了其实际应用。
鉴于此，笔者将由菖蒲制备的生物炭添加到污泥TAD连续运行系统中，探讨生物炭对系统中VFAs浓度、产气稳定性、微生物群落结构及沼渣沼液性质的影响，以期为实现污泥TAD系统的连续稳定运行提供参考，也为污泥TAD工程应用提供可靠的技术途径。
1、材料与方法
1.1 污泥和生物炭的来源
本研究采用西安市第三污水处理厂的脱水污泥，利用纯水稀释该污泥使其含固率为4%和8%，分别用于连续反应器的启动和运行阶段，其理化性质如表1所示。
生物炭由黄菖蒲茎在600℃下烧制2h制得，其pH为11.47、比表面积为15.2m2/g、总孔容为0.68cm3/g、平均孔径为153.9nm。
1.2 试验装置
采用两个总容积为1L、有效容积为0.6L的恒温加热磁力搅拌反应器（见图1），分别作为污泥高温厌氧消化对照组和添加组。生物炭投量为0.36g/gVS，由本课题组之前的批式试验优化获得。两个反应器均接种实验室规模驯化的厌氧消化种泥，运行工况及OLR（以VS计）控制如表2所示。反应器保持（52±1）℃的高温条件，并通过磁子搅拌保证物料充分混合，每天进料和出料各1次。
1.3 分析方法
沼气产量采用排水法（6%的NaOH溶液）每天测定；沼气组分采用气相色谱（Agilent6890N，TCD，TDX-01）检测，每5d测定1次。消化混合液的VFAs每5d测定1次，将消化混合液在10000r/min下离心后，经0.22μm膜过滤，用甲酸将pH调至2.0，采用气相色谱（Agilent6890N，FID）测定VFAs。pH采用雷磁pH计测定；总固体（TS）和挥发性固体（VS）采用标准重量法测定；氨氮（NH4+-N）、总化学需氧量（TCOD）、溶解性化学需氧量（SCOD）、总磷（TP）和总氮（TN）均采用国家标准方法测定；VS降解率采用Koch所报道的方法计算。
试验结束时取消化残余物50mL于离心管中，在4000r/min下离心10min，收集上清液为沼液、浓缩物为沼渣。利用奥林巴斯手持式XRF分析仪测定沼渣的重金属含量，沼渣的TP、TN和总钾（TK）测定方法参考《土壤农化分析》。在实验结束后将消化残余物送至生工生物工程（上海）股份有限公司进行细菌以及古菌群落的IlluminaMiSeq高通量测序。
2、结果与讨论
2.1 生物炭对TAD产气量及组分的影响
不同OLR条件下，添加组和对照组的单位VS产气速率变化及VS降解率如图2所示，平均甲烷含量、日产气量及其均值偏差如表3所示。由图2可以看出，两个反应器在启动阶段，产气量先升高后稳定在较低值，这可视为微生物的适应阶段。当增加OLR时，得到营养供给的微生物变得活跃，产气量明显上升，对照组的平均日产气量和VS降解率都大于添加组，可能是因为微生物适应生物炭添加需要一个过程，但从平均甲烷含量来看，添加生物炭后沼气中的甲烷含量略有提高。
当OLR从1.79g/（L·d）提高到2.87g/（L·d）时，添加组的污泥VS降解率逐渐超过对照组，对照组和添加组的平均VS降解率分别为33.55%和35.23%，日产气量也有类似的趋势，添加组的平均产甲烷速率达到96.89mL/（gVS·d），比对照组提高了11.96%，这是产气量和甲烷含量均提高共同带来的结果。更重要的是，添加组日产气量的均值偏差比对照组低5.54%，表明生物炭的添加既能提高污泥有机质的转化率和甲烷产量，也能提高产气稳定性，这与Wei等人的研究结果一致，尤其是在第100天之后，添加组的产气速率和VS降解率明显高于对照组。
2.2 生物炭对TVFAs及其组分的影响
图3为TVFAs浓度及其组分的历时变化。可以看出，两个反应器的TVFAs浓度在初始阶段均较高，且以丙酸为主，但生物炭的添加降低了其浓度。当OLR提高至1.79g/（L·d）、运行至第15天时，对照组和添加组的TVFAs浓度均出现回升，分别为708.44和781.33mg/L，此时丙酸占比分别为59.28%和62.38%。随着TAD反应的进行，两个反应器中的TVFAs均大幅下降且以乙酸为主，在添加生物炭组其浓度更低且几乎无丙酸积累，说明生物炭促进了丙酸向乙酸及乙酸向甲烷的转化，与前述甲烷含量提高的结果一致。Lü等人的研究表明，添加的生物炭可通过提高氢营养型产甲烷菌的相对丰度和促进种间直接电子转移（DIET），来加速丙酸的转化。
运行60d后，随着OLR的进一步提高，生物炭的促进作用更加明显。当OLR为2.87g/（L·d）时，对照组的平均TVFAs浓度是添加组的2.23倍，乙酸和丙酸的占比分别为66.98%和13.71%，还检测到少量的丁酸和戊酸，而添加组中TVFAs几乎全为乙酸，且维持在较低水平。因此，添加生物炭促进了丙酸、丁酸和戊酸的降解，加速了乙酸向甲烷的转化，从而确保了TAD即使在较高的OLR下也能稳定产甲烷。
2.3 微生物群落分析
试验结束时两反应器中细菌门水平和属水平以及古菌属水平的微生物相对丰度如图4所示。由图4（a）可知，两个TAD系统的优势菌门均与水解酸化有关（Firmicutes、Proteobacteria和Bacteroidetes），差异在于生物炭促进了Thermotogae菌门的生长，其在对照组中的占比为1.39%，而在添加组中的占比为4.91%，Thermotogae是TAD中常见的菌门，能够利用复杂的碳水化合物，其富集表明添加生物炭有助于有机物的降解。为进一步研究添加生物炭对细菌群落的影响，分析了属水平上的细菌组成，如图4（b）所示，添加生物炭后，Proteobacteria菌门中的Pseudomonas菌属有所增加，Pseudomonas被认为是一种产电细菌，能将乙醇转化为乙酸，同时产生电子。此外，生物炭的添加还促进了Thermotogae菌门中Defluviitoga菌属的生长，使其相对丰度从对照组的0.10%提高到4.91%。Defluviitoga属于互营菌，能够将复杂化合物降解为乙酸、H2和CO2。因此，添加组中Defluviitoga的富集可能是该系统中VFAs浓度较低的原因。
由图4（c）可以看出，兼性营养型产甲烷菌Methanosarcina是对照组和添加组的主导菌属，相对丰度分别为56.44%和49.16%。然而，生物炭的添加显著提高了氢营养型产甲烷菌Methanoculleus和Methanobacterium的相对丰度，使其从对照组中的0.62%和14.39%分别提高为6.43%和27.99%。Methanoculleus的富集可能与互营菌Defluviitoga的富集有关，Maus等人研究认为Defluviitoga可与Methanoculleus形成互营代谢以促进VFAs降解。而Methanobacterium相对丰度的增加可能与产电细菌Pseudomonas有关，有研究表明，Pseudomonas可与Methanobacterium之间建立DIET。
总之，添加生物炭促进了TAD系统中产甲烷菌与细菌的DIET及互营代谢，在保持乙酸型产甲烷菌为主导菌属的基础上，显著提高了氢营养型产甲烷菌的相对丰度，增强了多种营养途径的物质消耗，从而提高了TAD系统的稳定性和甲烷产率。
2.4 沼渣沼液性质分析
2.4.1 沼液性质
对照组和添加组的沼液性质如表4所示。可知，添加组的沼液BOD5和COD浓度均低于对照组，表明添加生物炭促进了有机物的降解和向甲烷的转化；沼液氮浓度均高于对照组，但TP和PO43--P浓度分别比对照组降低了24.42%和34.46%，表明生物炭对沼液中的磷有一定的吸附作用，但对氮没有吸附作用。
2.4.2 沼渣性质
添加生物炭对沼渣性质的影响如表5所示。总养分（氮、磷、钾）含量是评价沼渣作为有机肥的重要参数，从表5可以看出，添加生物炭并没有导致沼渣中TN和TP含量的显著增加，但使得TK含量提高了20.98%，此外，添加组的沼渣中还富含植物次生常量营养元素（Ca、Mg）和微量营养元素（Fe、Mn等），这可能是由于生物炭中K、Ca、Mg等元素含量较高。另外，对照组和添加组的沼渣中重金属含量均满足《农用污泥污染物控制标准》（GB4284—2018）中的B级标准，但添加组的沼渣中重金属含量更低，可能是由于添加生物炭导致的稀释作用。综上，添加组的沼渣在重金属含量未增加的前提下，TK和植物营养元素含量均得到了提高。
3、结论
①向污泥TAD连续运行系统中添加生物炭可以促进污泥VS的降解以及VFA的降解（主要是丙酸和乙酸），提高沼气中甲烷的含量、产气量及产气稳定性，在OLR为2.87g/（L·d）条件下，添加组的平均产甲烷速率为96.89mL/（gVS·d），比对照组提高了11.96%，同时其日产气量的均值偏差降低了5.54%。
②生物炭的添加促进了TAD系统中产电细菌Pseudomonas、互营细菌Defluviitoga和氢营养型产甲烷菌（Methanobacterium和Methanoculleus）的生长，进而促进了Pseudomonas与Methanobacterium的DIET以及Defluviitoga和Methanoculleus的互营代谢，增强了多种营养途径的物质消耗，从而提高了甲烷产率。
③生物炭的添加使污泥TAD沼液中的TP和PO43--P含量降低了24.42%和34.46%，使沼渣中的氮、磷、钾以及植物营养元素含量也得到了提高，表明生物炭的添加可以改善消化残余物的性质。（来源：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安建筑科技大学环境与市政工程学院）
