腐殖質(zhì)對污泥厭氧消化的影響及其屏蔽方法

1 引言

《巴黎氣候協(xié)定》的簽署意味著污水處理碳中和運(yùn)行時(shí)代的來臨.污水處理化石燃料消耗產(chǎn)生的CO2及處理過程產(chǎn)生的甲烷(CH4)與氮氧化物(N2O)引起的CO2排放當(dāng)量約占全球溫室氣體排放量的2%~5%.污水處理如果實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行，或者說完全能量自給，那么，因外源化石燃料消耗所產(chǎn)生的CO2排放量便可為零.顯然，碳中和運(yùn)行能量自給的首要來源是污水處理過程中產(chǎn)生的剩余污泥.然而，污泥中細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)、木質(zhì)纖維素及腐殖質(zhì)等在很大程度上制約了污泥厭氧消化轉(zhuǎn)化能源的效率，中溫厭氧消化獲得的污泥能源轉(zhuǎn)化率一般在30%~45%以下，這就制約了污泥厭氧消化轉(zhuǎn)化能源的大規(guī)模應(yīng)用.其中，污泥所含腐殖質(zhì)成分較為特別，它不僅自身難以生物降解，而且在厭氧消化過程中還會(huì)影響其它有機(jī)物降解或轉(zhuǎn)化，這就使之成為需要重點(diǎn)研究的對象.

腐殖質(zhì)(Humic Substances，HS)廣泛分布于土壤、沉積物與水體環(huán)境之中，由動(dòng)、植物與微生物殘骸經(jīng)物理、化學(xué)、生物分解、合成作用產(chǎn)生，是一類具有芳香族醌類結(jié)構(gòu)特征的聚合物.腐殖質(zhì)是污水/污泥有機(jī)成分(COD)中不可忽視的組成成分.研究表明，腐殖質(zhì)在污水中大部分以膠體微粒(1~100 nm)形式存在，部分以懸浮顆粒形式存在，亦有少量以溶液形式存在;它們是污水中溶解性有機(jī)物(DOM，可通過0.45 μm濾膜)組成成分之一，含量約占污水中溶解性有機(jī)物(DOM)的3%~55%、約占剩余污泥中有機(jī)物含量的6%~20%(以VSS計(jì)).污泥中的腐殖質(zhì)含量雖少，但極難降解，而且會(huì)明顯抑制蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、纖維素等復(fù)雜有機(jī)物的水解.此外，腐殖質(zhì)或醌類物質(zhì)還會(huì)影響污泥厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)甲烷細(xì)菌生理代謝，進(jìn)而影響污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷過程(Cervantes et al., 2000).但是，腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)中的醌類基團(tuán)可以作為電子受體、電子中間體參與厭氧消化過程微生物與有機(jī)底物間的電子傳遞，可促進(jìn)酸化和產(chǎn)氫/乙酸過程.這就是說，污泥中腐殖質(zhì)可能抑制或影響厭氧消化過程的兩頭，對中間過程或許還存在某些促進(jìn)作用.因此，研究腐殖質(zhì)影響厭氧消化過程的機(jī)理十分必要，這對提高污泥厭氧消化有機(jī)物能源轉(zhuǎn)化效率具有十分重要的意義.

本文在介紹剩余污泥腐殖質(zhì)來源與形成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的基礎(chǔ)上，歸納腐殖質(zhì)對污泥厭氧消化過程的作用機(jī)理，探討破解腐殖質(zhì)抑制厭氧消化的方法，總結(jié)污泥腐殖質(zhì)厭氧消化研究方向.

2 剩余污泥中的腐殖質(zhì)

了解剩余污泥中腐殖質(zhì)來源、形成及結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對深入認(rèn)識(shí)其對厭氧消化過程的影響十分重要，是本文的基礎(chǔ)，分述如下.

2.1 來源與形成

腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)最主要的存在形式，一般占土壤有機(jī)質(zhì)的60%~90%.腐殖質(zhì)由胡敏酸(俗稱腐殖酸)、富里酸、胡敏素組成;胡敏酸溶于堿, 在pH < 2的酸液中會(huì)形成沉淀，富里酸為在酸、堿溶液中均可溶解的低分子物質(zhì)，胡敏素既不溶于堿也不溶于酸.土壤(黑土、草甸土)腐殖質(zhì)中胡敏酸、富里酸、胡敏素含量分別為42%、22%和36%.因腐殖質(zhì)中胡敏酸、富里酸為主要成分(達(dá)60%以上)，且胡敏酸最為活躍，因此，研究多以胡敏酸、富里酸為主;胡敏素由于分離純化復(fù)雜，難以測定，對它的研究相對較少.

剩余污泥中的腐殖質(zhì)來源于污水中夾雜的蔬菜殘?jiān)?、廁紙、紙屑、雜草樹葉等;同時(shí)，雨水沖刷土壤也會(huì)將土壤腐殖質(zhì)帶入污水.此外，木質(zhì)素及其降解產(chǎn)物(酚類、醌類及脂肪族化合物)也是腐殖質(zhì)形成的重要前體物質(zhì).研究表明，在微生物作用下，木質(zhì)素側(cè)鏈氧化生成木質(zhì)素類衍生物，構(gòu)成了腐殖質(zhì)核心骨架;木質(zhì)素經(jīng)微生物代謝單體產(chǎn)物經(jīng)縮合或聚合反應(yīng)也可能形成腐殖質(zhì).腐殖質(zhì)一般比其前體物質(zhì)更難降解.剩余污泥腐殖質(zhì)中富里酸含量約為胡敏酸含量的1/8.腐殖質(zhì)因來源、形成路徑、前體物聚合方式等不同，導(dǎo)致腐殖質(zhì)組分千差萬別，其提純過程也復(fù)雜、繁瑣.剩余污泥中的腐殖質(zhì)比土壤腐殖質(zhì)含有較少的C元素、芳香族和羧基官能團(tuán)，而其中H、N元素、脂肪族和酚羥基官能團(tuán)含量較多.

因活性污泥比表面積較大，且具有多孔結(jié)構(gòu)和黏性胞外聚合物(EPS)，所以，活性污泥具有良好的吸附性能.在傳統(tǒng)活性污泥工藝，污水中腐殖質(zhì)難以作為微生物生長的碳源而被降解，主要(67%~84%)通過活性污泥吸附于污泥表面而隨同污泥從污水中分離出來;腐殖質(zhì)隨污泥進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)后，一部分被吸附的腐殖質(zhì)會(huì)在污泥水解過程中解吸而溶入消化液.

醌類物質(zhì)是形成腐殖質(zhì)的重要前體物質(zhì).雖然醌類模式物--蒽醌-2, 6-雙磺酸(AQDS)與腐殖質(zhì)物理特性完全不同，但微生物還原腐殖質(zhì)過程主要通過醌類基團(tuán)接受電子，能夠還原AQDS的微生物也能還原腐殖質(zhì).腐殖質(zhì)或AQDS作為電子受體可氧化不同有機(jī)物(如甲苯、甲酚、四氯化碳等)，腐殖質(zhì)或AQDS氧化有機(jī)物的降解率十分相近.此外，醌類或腐殖質(zhì)具有相似的生物化學(xué)特性，厭氧條件下腐敗希瓦菌(Shewanella putrefaciens MR)可降解腐殖質(zhì)或醌類物質(zhì).因此，有研究人員使用醌類模式物AQDS代替腐殖質(zhì)作為厭氧消化電子受體進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

2.2 結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

腐殖質(zhì)主要由C、H、O、N、P、S等元素構(gòu)成，并含有少量Ca、Mg、Fe、Al等元素.因腐殖質(zhì)組分復(fù)雜、官能團(tuán)序列不一，因此，至今仍無統(tǒng)一的分子結(jié)構(gòu)和相對分子量.污泥中腐殖質(zhì)分子量從幾百到幾萬不等，胡敏酸分子量大于50 kDa的約占72%左右, 而富里酸分子量約有65%分布在10~50 kDa之間.

腐殖質(zhì)是芳香族多環(huán)或雜環(huán)狀有機(jī)物，在污水/污泥處理中極難被微生物降解，其降解難度甚至高過絡(luò)氨酸和色氨酸.腐殖質(zhì)中含有大量羧基(-COOH)、酚羥基(酚-OH)，醇羥基(醇-OH)、甲氧基(-OCH3)和羰基(CO)等多種含氧官能團(tuán)，且這些官能團(tuán)具有離子交換性、弱酸性、吸附性、絡(luò)合性、氧化還原性等性質(zhì).腐殖質(zhì)呈負(fù)電性，容易與金屬離子形成復(fù)合物;腐殖質(zhì)具有較強(qiáng)的氧化還原活性，可還原電勢為0.5~0.7 V以下的金屬離子.

雖然腐殖質(zhì)難以被微生物降解，但腐殖質(zhì)可作為微生物和污染物間的電子中間體或直接作為微生物厭氧呼吸電子受體參與厭氧消化電子傳遞過程.微生物和有機(jī)物在自然條件下是腐殖質(zhì)的主要電子供體，腐殖質(zhì)可顯著提高厭氧消化系統(tǒng)電子轉(zhuǎn)移能力.除作為電子受體外，當(dāng)腐殖質(zhì)遇到更高氧化還原電位物質(zhì)存在時(shí)，如硝酸鹽、延胡索酸、高氯酸鹽、砷酸鹽和硒酸鹽等，腐殖質(zhì)本身亦可作為電子供體.

剩余污泥中部分細(xì)菌能夠在厭氧條件下以腐殖質(zhì)或腐殖質(zhì)模式物AQDS作為終端電子受體，通過氧化有機(jī)底物(如糖原、乙酸、甲酸等)或H2，進(jìn)行腐殖質(zhì)氧化還原，從而參與細(xì)菌呼吸代謝過程.目前發(fā)現(xiàn)具有腐殖質(zhì)或醌參與呼吸功能的微生物主要集中在地桿菌屬(Geobacter)和希瓦氏菌屬(Shewanella), 具體包括Fe3+還原菌、硝酸鹽還原菌、脫亞硫酸菌、發(fā)酵性細(xì)菌和嗜熱產(chǎn)甲烷菌等.研究表明，厭氧條件下腐殖質(zhì)可作為電子中間體促進(jìn)難降解有機(jī)物(如偶氮染料活性紅、四氯化碳)和Fe3+等轉(zhuǎn)化;同時(shí)，電子傳遞過程會(huì)產(chǎn)生能量，支持菌體生長.圖 1顯示了腐殖質(zhì)作為電子受體/中間體的作用機(jī)制.

圖 1腐殖質(zhì)作為電子受體/中間體的作用機(jī)制

總之，因腐殖質(zhì)含諸多復(fù)雜官能團(tuán)和電子傳遞機(jī)制的存在，腐殖質(zhì)無疑會(huì)參與污泥厭氧消化反應(yīng)過程，勢必影響酶促水解反應(yīng)、厭氧消化底物分解/合成、微生物生理代謝等.

3 腐殖質(zhì)對污泥厭氧消化過程的影響

腐殖質(zhì)對厭氧消化過程的影響在不同階段表現(xiàn)不同，可能呈現(xiàn)出完全不同的影響.正影響自然不必?fù)?dān)心，而負(fù)影響就是副作用、甚至是抑制作用.因此，首先需要全面了解腐殖質(zhì)對厭氧消化全過程的不同影響，以制定消除負(fù)作用或者解除抑制作用的技術(shù)路線.

3.1 水解階段

水解是厭氧消化的限速步驟.污泥中腐殖質(zhì)含量雖然較少，但一旦出現(xiàn)則會(huì)抑制蛋白質(zhì)酶、脂肪酶和纖維素酶活性，導(dǎo)致厭氧消化水解效率降低、后續(xù)產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷階段延遲.研究表明，結(jié)晶纖維素(Avicel)單獨(dú)進(jìn)行厭氧消化水解效率為78%，添加5.0 g·L-1腐殖質(zhì)后結(jié)晶纖維素厭氧消化水解效率可降低50%.也有研究顯示，當(dāng)厭氧消化系統(tǒng)未添加腐殖質(zhì)時(shí)，纖維素(Sigmacell type 50)水解效率為6%，當(dāng)腐殖質(zhì)添加濃度提高至0.5 g·L-1時(shí)，纖維素水解幾乎被完全抑制;腐殖質(zhì)對于三丁酸甘油酯水解抑制率約為10%~50%.有學(xué)者嘗試采用紫外分光光度法探究水溶性腐殖質(zhì)對鏈霉蛋白酶水解底物L(fēng)-亮氨酸-4-硝基苯胺E的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水解底物濃度為150~450 mg·L-1時(shí)，約22.7%的蛋白酶活性被腐殖質(zhì)抑制.

腐殖質(zhì)主要通過共價(jià)鍵作用、靜電網(wǎng)捕作用、化學(xué)平衡作用等方式抑制污泥厭氧消化有機(jī)底物水解過程，具體如圖 2所示.

圖 2腐殖質(zhì)抑制有機(jī)物水解作用機(jī)理

3.1.1 共價(jià)鍵作用

水解酶碰撞反應(yīng)物分子頻率和超越活化能(屏障)而有效碰撞的機(jī)會(huì)決定了水解反應(yīng)進(jìn)行的速度.腐殖質(zhì)通過共價(jià)鍵方式與水解酶發(fā)生作用;腐殖質(zhì)所含羧基、酚羥基與水解酶氨基相互連結(jié)，從而減少、阻礙了水解酶與反應(yīng)物碰撞頻率，使厭氧消化水解速度和效率降低.研究表明，腐殖質(zhì)酚羥基含量越多，其對蘋果酸酶親和性就越好(親和系數(shù)Km小);腐殖質(zhì)會(huì)優(yōu)先與酶相互結(jié)合，阻礙其它有機(jī)底物與酶活性點(diǎn)位接觸，從而抑制水解酶的催化作用.更多研究顯示，腐殖質(zhì)會(huì)抑制胰蛋白酶水解苯甲酰精氨酸乙酯(BAEE)66%~68%的活性;腐殖質(zhì)還會(huì)抑制羧肽酶水解芐氧羰基甘氨?；奖彼?Z-gly-phe)66%~74%的活性;但是，當(dāng)兩者水解酶氨基被乙?；?，酶活性并未受到抑制.

3.1.2 靜電網(wǎng)捕作用

腐殖質(zhì)相互交聯(lián)具有空隙網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠捕獲和包裹各種有機(jī)物、無機(jī)物和水分子，因此，腐殖質(zhì)會(huì)阻礙水解酶與復(fù)雜有機(jī)物接觸.研究顯示，通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、核磁共振等技術(shù)證實(shí)了復(fù)雜難溶蛋白質(zhì)顆粒或水解酶容易被腐殖質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所包裹，物質(zhì)不容易進(jìn)出，從而阻止有機(jī)物與水解酶接觸，減少有機(jī)物水解效率.也有研究人員采用動(dòng)電光散射、滴定儀、微熱量等技術(shù)證實(shí)了在靜電和疏水作用下，蛋白質(zhì)被包裹在腐殖質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之中.脂質(zhì)分子具有非極性疏水性，分子量小于蛋白質(zhì)、糖類，不能形成聚合物(王鏡巖等，2008).因此，腐殖質(zhì)對脂質(zhì)的包裹作用較蛋白質(zhì)、糖類要小.更多研究表明，胞外聚合物(EPS)中腐殖質(zhì)含量約為25 mg·L-1，其中，粘性層(最外層)腐殖質(zhì)含量約占67%;EPS所含腐殖質(zhì)多數(shù)存在于粘性層，因此，會(huì)包裹細(xì)胞，阻礙外界水解酶對內(nèi)層蛋白質(zhì)、多糖水解.

腐殖質(zhì)與水解酶質(zhì)量比會(huì)影響結(jié)合物分子表面所帶電荷量.當(dāng)比值小于等電點(diǎn)質(zhì)量比，分子間以靜電作用力為主，水解酶被腐殖質(zhì)包裹，使得底物不易接觸到酶活性位點(diǎn)，導(dǎo)致酶活性下降.當(dāng)比值大于等電點(diǎn)質(zhì)量比，因結(jié)合多余腐殖質(zhì)導(dǎo)致分子之間存在靜電排斥作用，此時(shí)疏水作用開始發(fā)揮;當(dāng)疏水作用不足以克服靜電排斥力時(shí)就會(huì)導(dǎo)致部分水解酶游離，促使水解酶部分活性位點(diǎn)裸露出來，增強(qiáng)酶活性;反之，水解酶仍被包被，導(dǎo)致酶活性不變或下降.

3.1.3 化學(xué)平衡作用

隨著厭氧消化過程進(jìn)行，系統(tǒng)中溶解性腐殖質(zhì)濃度會(huì)不斷積累.根據(jù)化學(xué)平衡原理，溶解性腐殖質(zhì)濃度升高會(huì)阻礙難溶性有機(jī)聚合物(蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)等)向溶解性有機(jī)物方向水解.此外，位于酶活性中心的金屬離子(如Fe3+、Zn2+、Cu2+、Ni2+等)是酶的重要組成部分，腐殖質(zhì)存在可能會(huì)與這些金屬離子發(fā)生絡(luò)合、螯合、吸附反應(yīng)，減少活性中心與底物接觸，改變酶結(jié)構(gòu)，從而抑制酶活性.

3.2 酸化階段

酸化階段是水解階段產(chǎn)生的有機(jī)化合物既作為電子受體亦作為電子供體的生物降解過程.腐殖質(zhì)能促進(jìn)酸化過程進(jìn)行，腐殖質(zhì)所含醌基可以作為乙酸形成的電子受體，且醌基越多其接受電子容量越高，形成的乙酸就越多(Lovley et al., 1996;Liu et al., 2015).研究表明，添加醌類模式物AQDS可促進(jìn)污泥厭氧消化酸化過程VFAs產(chǎn)量;僅添加AQDS劑量為0.066和0.33 g·g-1 TS時(shí)，VFAs產(chǎn)生量便可分別提高0.9和1.7倍，產(chǎn)生的VFAs主要是乙酸和丙酸;同時(shí)，添加AQDS還可顯著提高蛋白質(zhì)降解率，但對多糖降解率提高并不明顯.酸化過程中，AQDS作為電子受體加速了氨基酸氧化還原.

污泥厭氧消化酸化階段有機(jī)物會(huì)轉(zhuǎn)化為VFAs，這使得厭氧消化系統(tǒng)pH下降，而適度pH值下降(pH=4.5~5.5)對酸化細(xì)菌較為有利.由于腐殖酸中羧基和羥基解離可以釋放出質(zhì)子，因此，腐殖酸為弱酸，其與腐殖酸鹽可以形成良好的酸/堿緩沖體系.腐殖質(zhì)在厭氧消化系統(tǒng)可作為酸堿緩沖劑，避免厭氧消化酸化過度，維持微生物活性.

3.3 產(chǎn)氫/乙酸階段

表 1列舉了產(chǎn)氫/乙酸階段有機(jī)底物產(chǎn)氫/乙酸生化反應(yīng).表 1中的生化反應(yīng)只有在厭氧消化系統(tǒng)中乙酸和H2分壓很低時(shí)才能完成.當(dāng)H2分壓低于1.5×104 Pa時(shí)，乙醇可進(jìn)行產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng);丁酸要求低于200 Pa，丙酸則要求低于900 Pa .因此，系統(tǒng)H2分壓較高時(shí)會(huì)先后抑制丙酸、丁酸和乙醇降解.厭氧消化系統(tǒng)H2分壓降低必須依靠嗜氫營養(yǎng)菌完成.換言之，自養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌和硫酸鹽還原菌(SRB)會(huì)利用H2，使厭氧消化系統(tǒng)H2分壓降低，促進(jìn)有機(jī)酸降解.同時(shí)，腐殖質(zhì)還原菌也可利用H2作為電子供體生成AH2QDS，使系統(tǒng)H2分壓降低.然而，因反應(yīng)熱力學(xué)吉布斯自由能不同(表 2)，因此，以H2作為電子供體的硫酸鹽還原菌、產(chǎn)甲烷菌和同型產(chǎn)乙酸菌利用H2比腐殖質(zhì)還原菌更具優(yōu)勢(Cervantes et al., 2008;Madigan et al., 2000).

表 1 有機(jī)底物產(chǎn)氫/乙酸生化反應(yīng)

表 2 嗜氫營養(yǎng)細(xì)菌熱力學(xué)反應(yīng)

污泥厭氧消化系統(tǒng)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)中丙酸是最難降解的;丙酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸速率很慢，大量丙酸會(huì)在厭氧消化系統(tǒng)中形成積累，進(jìn)而使系統(tǒng)pH值降低，影響產(chǎn)甲烷菌活性.研究表明，厭氧消化過程中30%的電子傳遞與丙酸降解過程有關(guān)，腐殖質(zhì)可作為電子中間體，提高厭氧消化氧化還原電位，強(qiáng)化丙酸氧化生成乙酸.

乳酸也是厭氧消化的關(guān)鍵中間產(chǎn)物，研究表明，幾乎所有單糖可通過乳酸路徑進(jìn)行降解，但乳酸降解很快，只有當(dāng)瞬時(shí)有機(jī)負(fù)荷過高時(shí)乳酸才會(huì)出現(xiàn).污泥厭氧消化系統(tǒng)中乳酸轉(zhuǎn)化為丙酸，會(huì)對系統(tǒng)造成潛在危害，且乳酸不宜作為產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用的終端產(chǎn)物.研究也表明，腐殖質(zhì)還原菌可利用乳酸作為底物，促進(jìn)乳酸向乙酸轉(zhuǎn)化，減少系統(tǒng)內(nèi)丙酸積累，參與產(chǎn)氫/乙酸形成.腐殖質(zhì)促進(jìn)乳酸轉(zhuǎn)化乙酸的反應(yīng)過程如式(1)所示.

(1)

3.4 產(chǎn)甲烷階段

厭氧條件下腐殖質(zhì)所含醌基可作為微生物呼吸電子受體，氧化簡單有機(jī)物而產(chǎn)生CO2.在厭氧呼吸中，腐殖質(zhì)所含醌基或胞外醌類物質(zhì)可充當(dāng)微生物電子中間穿梭體，醌基數(shù)量決定了腐殖質(zhì)接受電子的能力究表明，在腐殖質(zhì)或醌類模式物缺乏條件下，G. Metallireducens或W. Succinogenes均難以利用乙酸;G. Metallireducens和W. Succinogenes加入到含乙酸緩沖溶液后，乙酸仍未被利用;但添加腐殖質(zhì)或醌類模式物后，乙酸(標(biāo)記2-14C)則被迅速氧化為14CO2.結(jié)果顯示，腐殖質(zhì)或醌類模式物可作為電子中間穿梭體促進(jìn)微生物共同作用氧化乙酸.腐殖質(zhì)或AQDS作為電子受體，氧化乙酸產(chǎn)甲烷反應(yīng)過程如式(2)所示.

(2)

然而，腐殖質(zhì)也可能抑制污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷過程.有學(xué)者嘗試從煤中提取腐殖質(zhì)并添加到厭氧消化系統(tǒng)中，系統(tǒng)CH4產(chǎn)量幾乎被完全抑制，但發(fā)現(xiàn)有少量CO2產(chǎn)生.研究表明，向污泥厭氧消化系統(tǒng)添加劑量分別為0.3、0.5、0.8和1.0 g·g-1的腐殖質(zhì)，CH4產(chǎn)量分別減少了14%、42%、85%和97%;腐殖質(zhì)抑制CH4產(chǎn)生主要是抑制嗜乙酸產(chǎn)甲烷路徑，而嗜氫型產(chǎn)甲烷路徑幾乎未被抑制;抑制嗜乙酸產(chǎn)甲烷路徑為乙酰輔酶A向5-甲基-四氫甲烷蝶呤轉(zhuǎn)化過程，腐殖質(zhì)會(huì)與該過程競爭電子，致使乙酸產(chǎn)甲烷路徑被阻斷.

厭氧條件下腐殖質(zhì)還原菌、產(chǎn)甲烷細(xì)菌和硫酸鹽還原菌(SRB)僅以乙酸為底物時(shí)，腐殖質(zhì)還原菌會(huì)在競爭乙酸中占優(yōu)勢，且腐殖質(zhì)濃度越高對產(chǎn)甲烷細(xì)菌抑制效果越好;但當(dāng)腐殖質(zhì)與硫酸鹽還原菌(SRB)僅以丙酸為底物時(shí)，硫酸鹽還原菌會(huì)在競爭中會(huì)占優(yōu)勢.在實(shí)際應(yīng)用中，因污泥腐殖質(zhì)濃度低，腐殖質(zhì)作為電子受體容量有限，因此，腐殖質(zhì)還原菌并不會(huì)對產(chǎn)甲烷菌造成明顯抑制作用.

前已述及，高濃度腐殖質(zhì)會(huì)對產(chǎn)甲烷過程造成明顯抑制作用，且腐殖質(zhì)濃度越高抑制作用越明顯，但低濃度腐殖質(zhì)可作為良好電子受體促進(jìn)產(chǎn)甲烷過程.研究表明，腐殖質(zhì)對垃圾滲濾液厭氧消化系統(tǒng)CH4產(chǎn)生速率有促進(jìn)作用;與不加腐殖質(zhì)相比，加入腐殖質(zhì)濃度由250 mg·L-1提高至2000 mg·L-1，厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)氣速率提高了10.2%~28.2%.也有研究顯示，高濃度(10 g·L-1)腐殖質(zhì)會(huì)抑制產(chǎn)甲烷活性，導(dǎo)致CH4產(chǎn)量降低;原因主要是腐殖質(zhì)濃度過高使得污泥基質(zhì)黏度增加，從而微生物利用營養(yǎng)物質(zhì)出現(xiàn)延遲;腐殖質(zhì)還原菌會(huì)與產(chǎn)甲烷菌(Archaea)競爭并占優(yōu)勢.但較低濃度(1.0~5.0 g·L-1)的腐殖質(zhì)可作為厭氧消化降解有機(jī)物的電子受體，促進(jìn)VFAs轉(zhuǎn)化效率和CH4產(chǎn)量增加.更多研究顯示，在極端嗜熱條件下，低濃度AQDS (0.2 mg·L-1)可作為電子中間穿梭體強(qiáng)化Fe2O3還原;但當(dāng)濃度超過2.0 g·L-1時(shí)，腐殖質(zhì)呼吸作用會(huì)抑制產(chǎn)甲烷細(xì)菌活性.因此，有必要進(jìn)一步探究污泥厭氧消化系統(tǒng)腐殖質(zhì)提高VFAs轉(zhuǎn)化效率和CH4產(chǎn)量而不會(huì)對CH4產(chǎn)生抑制作用的最佳濃度.

此外，參與中溫厭氧消化產(chǎn)甲烷細(xì)菌要求環(huán)境中維持氧化還原電位(ORP)應(yīng)低于-350 mV，而腐殖質(zhì)作為電子受體屬于氧化劑.研究顯示，在T=25 ℃和pH=5.0的條件下，腐殖質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)電極電位平均值為0.778 V，且pH每升高1，標(biāo)準(zhǔn)電極電位降低約20 mV。因此，過高濃度的腐殖質(zhì)或AQDS會(huì)使厭氧消化系統(tǒng)氧化還原電位升高，導(dǎo)致產(chǎn)甲烷細(xì)菌活性被抑制.

4 腐殖質(zhì)抑制污泥厭氧消化消除方法

盡管腐殖質(zhì)可能促進(jìn)酸化和產(chǎn)氫/乙酸過程，且在低濃度時(shí)還有可能有利于產(chǎn)甲烷過程，但腐殖質(zhì)對厭氧消化水解過程的抑制是肯定的、顯著的、不可逆轉(zhuǎn)的.因此，避免或減少腐殖質(zhì)進(jìn)入污泥厭氧消化系統(tǒng)成為破解腐殖質(zhì)抑制水解過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié).為此，從污泥中提取、回收腐殖質(zhì)顯然是技術(shù)首選，亦可考慮在腐殖質(zhì)進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)前采用預(yù)處理措施將其結(jié)構(gòu)破壞.一旦腐殖質(zhì)進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)則需要采取被動(dòng)技術(shù)措施來屏蔽、消除抑制影響.在此方面，金屬陽離子的存在可減緩、甚至完全屏蔽腐殖質(zhì)對水解酶的抑制束縛作用.

4.1 腐殖質(zhì)提取

為避免腐殖質(zhì)進(jìn)入污泥厭氧消化系統(tǒng)，抑制污泥水解過程，有學(xué)者嘗試通過堿處理方法提取初沉污泥腐殖質(zhì)，以利于污泥進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)甲烷.實(shí)驗(yàn)表明，堿處理方法提取腐殖質(zhì)后，污泥厭氧消化效果明顯改善，沼氣產(chǎn)量提高了29.4%~49.2%，其中，提取腐殖質(zhì)對沼氣增量的貢獻(xiàn)率約為10.3%~17.2%.

盡管堿處理提取腐殖質(zhì)的實(shí)驗(yàn)手段在很大程度上可避免腐殖質(zhì)抑制水解的過程，但其經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性備受質(zhì)疑，因?yàn)楦迟|(zhì)提取過程需要消耗大量化學(xué)藥劑，且需經(jīng)過濾膜截留腐殖質(zhì)分子，步驟異常復(fù)雜.

4.2 腐殖質(zhì)預(yù)處理

目前單獨(dú)針對污泥腐殖質(zhì)預(yù)處理的研究并不多見，只在農(nóng)業(yè)土壤學(xué)方面存在少量文獻(xiàn).其實(shí)，很多污泥預(yù)處理方法亦適用于腐殖質(zhì)，如酸/堿、熱解、水解酶、微波和H2O2預(yù)處理等.

4.2.1 酸/堿處理

污泥酸/堿預(yù)處理為常規(guī)方法，可有效促進(jìn)污泥水解.因腐殖質(zhì)內(nèi)部共價(jià)鍵結(jié)合穩(wěn)定、復(fù)雜，絕大多數(shù)結(jié)合鍵僅通過酸/堿水解反應(yīng)很難斷裂, 因此，酸/堿預(yù)處理對腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)破穩(wěn)效果并不理想.況且，堿預(yù)處理只會(huì)增加溶解性腐殖質(zhì)濃度，并不能起到結(jié)構(gòu)破穩(wěn)作用.只有酸預(yù)處理對腐殖質(zhì)破穩(wěn)效果稍好，但所需酸的濃度很高;在6 mol·L-1 HCl條件下，腐殖質(zhì)水解產(chǎn)生單糖、氨基酸、嘌呤和嘧啶等水溶性有機(jī)分子，最后50 %以上的研究發(fā)現(xiàn)腐殖質(zhì)發(fā)生了水解反應(yīng).

4.2.2 熱解處理

有學(xué)者嘗試將污泥中的胡敏酸和富里酸提取后在180 ℃條件下進(jìn)行30 min熱水解，發(fā)現(xiàn)腐殖質(zhì)濃度基本沒有變化，只是溶解性腐殖質(zhì)增加了35%;其中，部分大分子腐殖質(zhì)分解成小分子，約32%的胡敏酸轉(zhuǎn)化成富里酸;胡敏酸分子量中位數(shù)由81 kDa減至41 kDa，富里酸分子量中位數(shù)由15 kDa減至2 kDa;與此同時(shí)，熱水解也導(dǎo)致某些含氧官能團(tuán)消失，使芳香族結(jié)構(gòu)增加.也有研究人員用熱解方法處理瀝青煤腐殖質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨溫度升高腐殖質(zhì)官能團(tuán)會(huì)發(fā)生分解，芳香族結(jié)構(gòu)增加;在溫度低于200~400 ℃時(shí)，羧基會(huì)發(fā)生分解，而酚羥基分解溫度需達(dá)600 ℃以上.也有研究顯示，污泥經(jīng)65 ℃熱水解后進(jìn)行厭氧消化(SRT=60 d)，可生物降解有機(jī)物濃度幾乎未變，熱處理只是增加了非溶解態(tài)有機(jī)物(蛋白質(zhì)、多糖、腐殖質(zhì)等)向溶解態(tài)轉(zhuǎn)化，并未提高污泥有機(jī)物降解效率;污泥經(jīng)48 h或更長時(shí)間熱處理厭氧消化后，污泥中溶解性腐殖質(zhì)占難降解有機(jī)物的比例幾乎恒定在28%左右.

可見，熱解預(yù)處理雖然可使腐殖質(zhì)羧基和酚羥基發(fā)生一定程度分解，并使腐殖質(zhì)向溶解態(tài)方向轉(zhuǎn)化，在一定程度上減輕腐殖質(zhì)對水解酶的束縛，但所需溫度很高，能量入不敷出.

4.2.3 生物酶處理

生物酶處理是向污泥中投加酶制劑或可以分泌胞外酶的細(xì)菌.酶能夠催化有機(jī)物水解，降低長鏈蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)黏性，使大分子有機(jī)物分解成小分子有機(jī)物，提高污泥有機(jī)物轉(zhuǎn)化效率.

腐殖質(zhì)會(huì)對水解酶產(chǎn)生束縛作用，從而阻礙水解酶與有機(jī)物接觸, 但污泥中腐殖質(zhì)含量一定，其束縛水解酶的數(shù)量也就一定.因此，向污泥厭氧消化系統(tǒng)添加水解酶，強(qiáng)化酶對污泥的水解作用，可有效提高厭氧消化系統(tǒng)污泥水解的速度和效率.研究表明，將淀粉酶與蛋白酶分別以6%的劑量添加到剩余污泥中，污泥VSS溶解性可分別達(dá)54.24%和39.70%(而控制組溶解性為10%).當(dāng)用淀粉酶與蛋白酶以1:3比例(質(zhì)量比)處理污泥時(shí)，污泥固體溶解性達(dá)到了68.43%;添加水解酶也促進(jìn)了溶解性腐殖質(zhì)成分的增加.

剩余污泥生物酶預(yù)處理可增強(qiáng)污泥水解和產(chǎn)甲烷能力，具有較好的處理效果，且不需要額外設(shè)施與能量消耗.隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展，生物酶制劑提取成本會(huì)不斷降低，相信這種技術(shù)也會(huì)有較好的發(fā)展前景.

4.2.4 微波/H2O2處理

有研究人員實(shí)驗(yàn)比較了H2O2、微波和微波/H2O2聯(lián)合方法預(yù)處理污泥的效果，結(jié)果顯示，添加H2O2劑量為1.0 g·g-1(以TS計(jì))預(yù)處理后，污泥溶解性COD由原來的2.7 g·L-1提高到10.6 g·L-1，溶解性腐殖質(zhì)濃度由0.3 g·L-1提高至1.5 g·L-1，而總腐殖質(zhì)濃度由原來的8.3 g·L-1降低至6.9 g·L-1;采用微波、微波/H2O2聯(lián)合預(yù)處理同樣可達(dá)到與H2O2預(yù)處理類似的效果.因此，采用H2O2、微波和微波/H2O2聯(lián)合預(yù)處理方法，均可降低污泥總腐殖質(zhì)濃度，但溶解性腐殖質(zhì)濃度會(huì)有所升高，腐殖質(zhì)仍會(huì)抑制水解酶活性.

4.3 金屬離子屏蔽腐殖質(zhì)抑制水解作用

腐殖質(zhì)活性基團(tuán)能夠與金屬離子發(fā)生絡(luò)合、螯合、吸附等作用，尤其是羧基、酚羥基可與金屬離子相互結(jié)合.研究表明，腐殖質(zhì)對金屬離子捕獲容量很大，1.0 g腐殖質(zhì)可以和數(shù)克金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng).腐殖質(zhì)與金屬離子的結(jié)合能力較水解酶強(qiáng)，因此，金屬離子會(huì)與酶競爭腐殖質(zhì)羧基、酚羥基點(diǎn)位并優(yōu)先與腐殖質(zhì)結(jié)合，導(dǎo)致水解酶被替換而“解脫”.

研究表明，當(dāng)腐殖質(zhì)與水解酶存在靜電吸引力時(shí)，金屬離子會(huì)屏蔽分子之間的靜電引力作用.當(dāng)腐殖質(zhì)與水解酶質(zhì)量比小于腐殖質(zhì)與水解酶電中性質(zhì)量比時(shí)，相反電荷分子間主要是靜電引力，金屬離子在一定程度上能夠減弱腐殖質(zhì)對蛋白質(zhì)分子的包裹作用，提高酶與底物接觸的機(jī)率.更多研究表明，雖然金屬陽離子可解除腐殖質(zhì)對酶的吸附作用，但只有當(dāng)金屬離子達(dá)到一定濃度時(shí)，這種作用才會(huì)出現(xiàn);達(dá)到同樣解除抑制效果時(shí)，多價(jià)金屬離子較單價(jià)金屬離子效果要好;1價(jià)和3價(jià)金屬離子濃度分別大于10-2、10-3 mol·L-1時(shí)，便可使酶從腐殖質(zhì)上“解脫”.

由于羧基、酚羥基等酸性官能團(tuán)在不同pH條件下電離度不同，因此，金屬離子參與鍵合腐殖質(zhì)基團(tuán)的情況也不一樣.在中性條件下，以羧基絡(luò)合金屬離子為主;而在堿性條件下，羧基和酚羥基共同絡(luò)合金屬離子.腐殖質(zhì)含有羧基、酚羥基等多種官能團(tuán)，它們與金屬離子相互作用的形式多樣.研究表明，腐殖質(zhì)與金屬離子作用主要有4種可能模式：①1個(gè)羧基與金屬離子Mn+形成有機(jī)鹽或絡(luò)合物;②1個(gè)羧基和1個(gè)酚羥基(即水楊酸型官能團(tuán))與Mn+形成二齒絡(luò)合物;③2個(gè)羧基(即苯二酸型官能團(tuán))與Mn+形成二齒絡(luò)合物;④游離羧基與水合金屬離子M (H2O)x通過靜電相互作用形成結(jié)合物，如Fe3+、Al3+等.圖 3顯示了腐殖質(zhì)與金屬離子的4種作用模式.

圖 3腐殖質(zhì)與金屬離子的4種作用模式

腐殖質(zhì)與2價(jià)或3價(jià)金屬離子容易形成穩(wěn)定配合物.因此，4種作用模式中，模式(2)~(4)應(yīng)占主導(dǎo)地位.腐殖質(zhì)與金屬離子絡(luò)合穩(wěn)定常數(shù)受腐殖質(zhì)來源、金屬離子性質(zhì)和介質(zhì)條件(pH、離子強(qiáng)度、介質(zhì)陰陽離子等)的影響.不同學(xué)者對腐殖質(zhì)與金屬離子絡(luò)合物穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得出了不太一致的結(jié)果.有學(xué)者實(shí)驗(yàn)得出，金屬離子絡(luò)合穩(wěn)定性滿足Irving-Williams序列：Ba < Ca < Mg < Mn < Fe < Zn < Co < Pb < Ni < Cu .也有學(xué)者采用離子交換平衡法測定了腐殖質(zhì)與金屬離子形成絡(luò)合穩(wěn)定序列為：Mg < Ca < Ag < Zn < Co < Mn < Cu < Pb < Ni (pH < 5.5).還有學(xué)者采用電位滴定法測定了腐殖質(zhì)形成絡(luò)合物穩(wěn)定序列為：Mn < Co < Ni < Zn < Cu < Al < Fe (pH < 7.5).因污泥腐殖質(zhì)存在較多脂肪族和較少芳香族聚合物，因此，污泥腐殖質(zhì)與金屬離子絡(luò)合穩(wěn)定常數(shù)較土壤腐殖質(zhì)要小.

研究表明，向含有木質(zhì)纖維素和腐殖質(zhì)的實(shí)驗(yàn)組中分別添加Ca2+、Mg2+和Fe3+，木質(zhì)纖維素水解效率較未添加金屬離子分別提高了47%、37%和44%，CH4產(chǎn)量分別提高146%、128%和145%，且添加的Fe3+被腐殖質(zhì)還原成Fe2+;然而，添加Na+、K+解除腐殖質(zhì)抑制效果并不明顯，腐殖質(zhì)與金屬離子絡(luò)合穩(wěn)定性滿足K+、Na+ < Mg2+ < Fe3+ (Fe2+) < Ca2+.也有研究表明，添加Ca2+可以有效緩解腐殖質(zhì)對土豆蛋白質(zhì)的水解.更多研究顯示，Ca2+與腐殖質(zhì)結(jié)合能力較強(qiáng)，隨添加Ca2+濃度增加，80%以上被抑制的蘋果醋酶活性可以恢復(fù)，且Ca2+添加對系統(tǒng)中未受抑制的酶活性并沒有影響.這些實(shí)驗(yàn)均得出，金屬離子可以解除腐殖質(zhì)抑制木質(zhì)纖維素水解并提高CH4產(chǎn)量，而金屬離子解除剩余污泥水解抑制和提高CH4產(chǎn)量的效果還有待進(jìn)一步探究.

重金屬離子(如Hg2+、Cu2+、Cd2+、Cr2+等)與腐殖質(zhì)結(jié)合能力較Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+等高很多.然而，向污泥厭氧消化系統(tǒng)添加重金屬離子(Fe3+除外)會(huì)提高污泥重金屬離子濃度，增加生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).因此，Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+等較適宜被選作屏蔽腐殖質(zhì)抑制污泥厭氧消化水解作用的研究對象.除了考慮投加金屬離子種類外，還需要考慮金屬離子濃度對厭氧微生物的毒害作用，但金屬離子對厭氧微生物毒害作用存在一定的濃度閥值，投加適宜濃度的金屬離子并不會(huì)對厭氧微生物產(chǎn)生毒害作用.具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

5 結(jié)論

1) 腐殖質(zhì)作為一種結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜、穩(wěn)定性極強(qiáng)的芳香族多環(huán)或雜環(huán)狀有機(jī)物難以在常規(guī)污水生物處理過程中被降解，大多數(shù)(67%~84%)被吸附于活性污泥而最終進(jìn)入污泥厭氧消化系統(tǒng).即使是被微生物厭氧分解，也難以破壞腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)，它們大多會(huì)原封不動(dòng)地隨消化污泥排出系統(tǒng)，這也是污泥有機(jī)物能源轉(zhuǎn)化率不高的原因之一.

2) 腐殖質(zhì)在厭氧消化中最大的問題還不是自身難以降解，而是它們還會(huì)抑制其它有機(jī)物水解過程，造成更低的有機(jī)物能源轉(zhuǎn)化率.腐殖質(zhì)含有大量羧基(-COOH)、酚羥基(酚-OH)，醇羥基(醇-OH)、甲氧基(-OCH3)和羰基(CO)等多種含氧官能團(tuán)，這些官能團(tuán)具有離子交換性、弱酸性、吸附性、絡(luò)合性、氧化還原性等性質(zhì).腐殖質(zhì)中的某些官能團(tuán)可通過共價(jià)鍵方式與水解酶發(fā)生作用，如腐殖質(zhì)所含的羧基、酚羥基可與水解酶氨基相互連結(jié)，從而減少、阻礙水解酶與其它有機(jī)物的接觸機(jī)會(huì)，使厭氧消化水解速度和效率均降低.雖然腐殖質(zhì)可作為電子受體、中間體、pH緩沖劑等具有促進(jìn)厭氧消化酸化、產(chǎn)氫/乙酸、甚至產(chǎn)甲烷的有限作用，但與其抑制水解作用相比則顯得微不足道.況且，水解是厭氧消化的第一步，這步不能有效完成，后續(xù)步驟便無從談起.

3) 需要在厭氧消化階段以“防患于未然”和“除患于既成之后”兩個(gè)方面來最大限度地去除或消除腐殖質(zhì)對水解的影響.提取腐殖質(zhì)與污泥預(yù)處理(如酸/堿、熱、微波，H2O2、生物酶等預(yù)處理)是去除腐殖質(zhì)的有效手段，但這些方法大都需要投入大量化學(xué)/生物試劑及消耗大量能量，且對腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)破穩(wěn)作用不強(qiáng)，預(yù)處理后大多腐殖質(zhì)仍以溶解狀態(tài)存在，進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)仍會(huì)抑制其它有機(jī)物水解.

4) 相對于上述方法，金屬離子可起到“解脫”水解酶的作用，很大程度上可破解腐殖質(zhì)對其它有機(jī)物的水解作用.腐殖質(zhì)與金屬離子的結(jié)合能力較水解酶要強(qiáng)，金屬離子會(huì)與酶競爭腐殖質(zhì)羧基、酚羥基活性點(diǎn)位并優(yōu)先與腐殖質(zhì)結(jié)合，從而“解脫”它們對水解酶的束縛.因此，研究金屬離子破解水解酶束縛作用顯得很有必要，二價(jià)或三價(jià)等高價(jià)離子效果似乎更好.到目前相關(guān)研究較少，該種技術(shù)尚未有工程化應(yīng)用報(bào)道，未來工程化應(yīng)選擇屏蔽腐殖質(zhì)抑制水解作用效果好、價(jià)格低廉的金屬離子，以達(dá)到入能敷出目的.

5) 污泥細(xì)胞破壁、木質(zhì)纖維素破穩(wěn)、腐殖質(zhì)屏蔽是提高污泥有機(jī)物能源轉(zhuǎn)化率的三大關(guān)鍵技術(shù).細(xì)胞破壁、木質(zhì)素破穩(wěn)可通過合二而一的預(yù)處理實(shí)現(xiàn)，但隨之而來的可能是腐殖質(zhì)仍然不變、甚至略有增量地進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)，使本來可以水解的破壁、破穩(wěn)有機(jī)物難以水解.因此，用金屬離子吸附腐殖質(zhì)活性點(diǎn)位的研究對提高有機(jī)物能源轉(zhuǎn)化率便顯得至關(guān)重要.

  (郝曉地 唐興 曹亞莉)