近年來，隨著我國城鎮污水收集系統的日趨完善和污水處理設施的不斷建設運行，城鎮污水處理廠的剩余污泥產量急劇增加。這些污泥如果得不到妥善處理，將會對環境造成極大危害，因此，尋求合理的處理方法成為關鍵。

厭氧消化（AD）作為一種可持續發展的污泥處理技術，符合我國目前提出的碳達峰與碳中和戰略目標。AD一般有中溫厭氧消化（MAD）和高溫厭氧消化（TAD）兩大類，與應用廣泛的MAD相比，TAD穩定性更差，但因其具有水解速率快、產氣潛能大和病原體去除率高等優勢，被認為具有較大的應用前景。因此，解決污泥TAD穩定性是推進該技術實際應用的關鍵。目前關于TAD穩定性的研究主要包括微生物馴化、共消化和添加導電材料等，其中添加導電材料（如生物炭、碳纖維和磁鐵礦等）因能提高TAD沼氣產率和工藝穩定性而成為近年來的研究熱點。生物質熱解制取的生物炭是一種成本較低的堿性導電材料，由于其能夠緩解揮發性脂肪酸（VFAs）積累，因而成為重要的導電添加劑。但有關生物炭對污泥AD的影響研究大都基于中溫批次試驗，在連續進料、有機負荷率（OLR）變化的情況下對污泥TAD的影響尚不清楚，因此限制了其實際應用。

鑒于此，筆者將由菖蒲制備的生物炭添加到污泥TAD連續運行系統中，探討生物炭對系統中VFAs濃度、產氣穩定性、微生物群落結構及沼渣沼液性質的影響，以期為實現污泥TAD系統的連續穩定運行提供參考，也為污泥TAD工程應用提供可靠的技術途徑。

1、材料與方法

1.1 污泥和生物炭的來源

本研究采用西安市第三污水處理廠的脫水污泥，利用純水稀釋該污泥使其含固率為4%和8%，分別用于連續反應器的啟動和運行階段，其理化性質如表1所示。

生物炭由黃菖蒲莖在600℃下燒制2h制得，其pH為11.47、比表面積為15.2m2/g、總孔容為0.68cm3/g、平均孔徑為153.9nm。

1.2 試驗裝置

采用兩個總容積為1L、有效容積為0.6L的恒溫加熱磁力攪拌反應器（見圖1），分別作為污泥高溫厭氧消化對照組和添加組。生物炭投量為0.36g/gVS，由本課題組之前的批式試驗優化獲得。兩個反應器均接種實驗室規模馴化的厭氧消化種泥，運行工況及OLR（以VS計）控制如表2所示。反應器保持（52±1）℃的高溫條件，并通過磁子攪拌保證物料充分混合，每天進料和出料各1次。

1.3 分析方法

沼氣產量采用排水法（6%的NaOH溶液）每天測定；沼氣組分采用氣相色譜（Agilent6890N，TCD，TDX-01）檢測，每5d測定1次。消化混合液的VFAs每5d測定1次，將消化混合液在10000r/min下離心后，經0.22μm膜過濾，用甲酸將pH調至2.0，采用氣相色譜（Agilent6890N，FID）測定VFAs。pH采用雷磁pH計測定；總固體（TS）和揮發性固體（VS）采用標準重量法測定；氨氮（NH4+-N）、總化學需氧量（TCOD）、溶解性化學需氧量（SCOD）、總磷（TP）和總氮（TN）均采用國家標準方法測定；VS降解率采用Koch所報道的方法計算。

試驗結束時取消化殘余物50mL于離心管中，在4000r/min下離心10min，收集上清液為沼液、濃縮物為沼渣。利用奧林巴斯手持式XRF分析儀測定沼渣的重金屬含量，沼渣的TP、TN和總鉀（TK）測定方法參考《土壤農化分析》。在實驗結束后將消化殘余物送至生工生物工程（上海）股份有限公司進行細菌以及古菌群落的IlluminaMiSeq高通量測序。

2、結果與討論

2.1 生物炭對TAD產氣量及組分的影響

不同OLR條件下，添加組和對照組的單位VS產氣速率變化及VS降解率如圖2所示，平均甲烷含量、日產氣量及其均值偏差如表3所示。由圖2可以看出，兩個反應器在啟動階段，產氣量先升高后穩定在較低值，這可視為微生物的適應階段。當增加OLR時，得到營養供給的微生物變得活躍，產氣量明顯上升，對照組的平均日產氣量和VS降解率都大于添加組，可能是因為微生物適應生物炭添加需要一個過程，但從平均甲烷含量來看，添加生物炭后沼氣中的甲烷含量略有提高。

當OLR從1.79g/（L·d）提高到2.87g/（L·d）時，添加組的污泥VS降解率逐漸超過對照組，對照組和添加組的平均VS降解率分別為33.55%和35.23%，日產氣量也有類似的趨勢，添加組的平均產甲烷速率達到96.89mL/（gVS·d），比對照組提高了11.96%，這是產氣量和甲烷含量均提高共同帶來的結果。更重要的是，添加組日產氣量的均值偏差比對照組低5.54%，表明生物炭的添加既能提高污泥有機質的轉化率和甲烷產量，也能提高產氣穩定性，這與Wei等人的研究結果一致，尤其是在第100天之后，添加組的產氣速率和VS降解率明顯高于對照組。

2.2 生物炭對TVFAs及其組分的影響

圖3為TVFAs濃度及其組分的歷時變化。可以看出，兩個反應器的TVFAs濃度在初始階段均較高，且以丙酸為主，但生物炭的添加降低了其濃度。當OLR提高至1.79g/（L·d）、運行至第15天時，對照組和添加組的TVFAs濃度均出現回升，分別為708.44和781.33mg/L，此時丙酸占比分別為59.28%和62.38%。隨著TAD反應的進行，兩個反應器中的TVFAs均大幅下降且以乙酸為主，在添加生物炭組其濃度更低且幾乎無丙酸積累，說明生物炭促進了丙酸向乙酸及乙酸向甲烷的轉化，與前述甲烷含量提高的結果一致。Lü等人的研究表明，添加的生物炭可通過提高氫營養型產甲烷菌的相對豐度和促進種間直接電子轉移（DIET），來加速丙酸的轉化。

運行60d后，隨著OLR的進一步提高，生物炭的促進作用更加明顯。當OLR為2.87g/（L·d）時，對照組的平均TVFAs濃度是添加組的2.23倍，乙酸和丙酸的占比分別為66.98%和13.71%，還檢測到少量的丁酸和戊酸，而添加組中TVFAs幾乎全為乙酸，且維持在較低水平。因此，添加生物炭促進了丙酸、丁酸和戊酸的降解，加速了乙酸向甲烷的轉化，從而確保了TAD即使在較高的OLR下也能穩定產甲烷。

2.3 微生物群落分析

試驗結束時兩反應器中細菌門水平和屬水平以及古菌屬水平的微生物相對豐度如圖4所示。由圖4（a）可知，兩個TAD系統的優勢菌門均與水解酸化有關（Firmicutes、Proteobacteria和Bacteroidetes），差異在于生物炭促進了Thermotogae菌門的生長，其在對照組中的占比為1.39%，而在添加組中的占比為4.91%，Thermotogae是TAD中常見的菌門，能夠利用復雜的碳水化合物，其富集表明添加生物炭有助于有機物的降解。為進一步研究添加生物炭對細菌群落的影響，分析了屬水平上的細菌組成，如圖4（b）所示，添加生物炭后，Proteobacteria菌門中的Pseudomonas菌屬有所增加，Pseudomonas被認為是一種產電細菌，能將乙醇轉化為乙酸，同時產生電子。此外，生物炭的添加還促進了Thermotogae菌門中Defluviitoga菌屬的生長，使其相對豐度從對照組的0.10%提高到4.91%。Defluviitoga屬于互營菌，能夠將復雜化合物降解為乙酸、H2和CO2。因此，添加組中Defluviitoga的富集可能是該系統中VFAs濃度較低的原因。

由圖4（c）可以看出，兼性營養型產甲烷菌Methanosarcina是對照組和添加組的主導菌屬，相對豐度分別為56.44%和49.16%。然而，生物炭的添加顯著提高了氫營養型產甲烷菌Methanoculleus和Methanobacterium的相對豐度，使其從對照組中的0.62%和14.39%分別提高為6.43%和27.99%。Methanoculleus的富集可能與互營菌Defluviitoga的富集有關，Maus等人研究認為Defluviitoga可與Methanoculleus形成互營代謝以促進VFAs降解。而Methanobacterium相對豐度的增加可能與產電細菌Pseudomonas有關，有研究表明，Pseudomonas可與Methanobacterium之間建立DIET。

總之，添加生物炭促進了TAD系統中產甲烷菌與細菌的DIET及互營代謝，在保持乙酸型產甲烷菌為主導菌屬的基礎上，顯著提高了氫營養型產甲烷菌的相對豐度，增強了多種營養途徑的物質消耗，從而提高了TAD系統的穩定性和甲烷產率。

2.4 沼渣沼液性質分析

2.4.1 沼液性質

對照組和添加組的沼液性質如表4所示。可知，添加組的沼液BOD5和COD濃度均低于對照組，表明添加生物炭促進了有機物的降解和向甲烷的轉化；沼液氮濃度均高于對照組，但TP和PO43--P濃度分別比對照組降低了24.42%和34.46%，表明生物炭對沼液中的磷有一定的吸附作用，但對氮沒有吸附作用。

2.4.2 沼渣性質

添加生物炭對沼渣性質的影響如表5所示。總養分（氮、磷、鉀）含量是評價沼渣作為有機肥的重要參數，從表5可以看出，添加生物炭并沒有導致沼渣中TN和TP含量的顯著增加，但使得TK含量提高了20.98%，此外，添加組的沼渣中還富含植物次生常量營養元素（Ca、Mg）和微量營養元素（Fe、Mn等），這可能是由于生物炭中K、Ca、Mg等元素含量較高。另外，對照組和添加組的沼渣中重金屬含量均滿足《農用污泥污染物控制標準》（GB4284—2018）中的B級標準，但添加組的沼渣中重金屬含量更低，可能是由于添加生物炭導致的稀釋作用。綜上，添加組的沼渣在重金屬含量未增加的前提下，TK和植物營養元素含量均得到了提高。

3、結論

①向污泥TAD連續運行系統中添加生物炭可以促進污泥VS的降解以及VFA的降解（主要是丙酸和乙酸），提高沼氣中甲烷的含量、產氣量及產氣穩定性，在OLR為2.87g/（L·d）條件下，添加組的平均產甲烷速率為96.89mL/（gVS·d），比對照組提高了11.96%，同時其日產氣量的均值偏差降低了5.54%。

②生物炭的添加促進了TAD系統中產電細菌Pseudomonas、互營細菌Defluviitoga和氫營養型產甲烷菌（Methanobacterium和Methanoculleus）的生長，進而促進了Pseudomonas與Methanobacterium的DIET以及Defluviitoga和Methanoculleus的互營代謝，增強了多種營養途徑的物質消耗，從而提高了甲烷產率。

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、鉀以及植物營養元素含量也得到了提高，表明生物炭的添加可以改善消化殘余物的性質。（來源：中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安建筑科技大學環境與市政工程學院）