厭氧消化是一種將污泥中的有機物轉化為甲烷和二氧化碳的生物處理過程，對污泥減量化、穩定化、無害化和資源化具有重要意義。厭氧消化主要包括溶出、水解、酸化和甲烷化過程，其中由于污泥外包裹胞外聚合物（EPS）而導致水解效率較低。此外，污泥中含有的新污染物也會對污泥生物資源化利用產生重要影響。

三氯生（TCS）是一種廣譜抗菌劑，但同時也是一種典型的內分泌干擾物，被廣泛用于醫療和衛生領域。COVID-19大流行期間，TCS的生產與消耗量增加，進而導致其在環境中的釋放量增加。TCS成為了水環境中的一種新污染物，對水生生態系統中的微生物活性產生了影響。TCS及其中間產物會對活性污泥中的硝化和反硝化過程產生顯著的不利影響，抑制微生物的硝化和反硝化性能，降低脫氮功能基因的豐度，導致微生物群落結構上的差異。另外發現，TCS還會抑制活性污泥中微生物對磷酸鹽的去除效率，尤其是在長期接觸下，其會抑制聚磷菌（PAO）的生長繁殖。在污泥處理方面，Fan等報道TCS會通過提高產酸細菌的轉錄活性來促進污泥發酵產生短鏈脂肪酸（SCFA）。然而，關于TCS對污泥厭氧消化產甲烷的影響至今尚不清楚。此外，高溫厭氧消化因具有有機質水解速率高、污泥減量效果顯著、對病原微生物殺滅能力強等優勢，而得到廣泛關注。

鑒于此，筆者首先考察了TCS對污泥高溫厭氧消化產甲烷的影響，然后研究了TCS暴露對污泥內有機質生物轉化特征的影響，之后分析了TCS對污泥高溫厭氧消化過程內SCFA產量及組分占比的影響，最后通過分析微生物代謝功能及酶活性揭示了TCS影響污泥高溫厭氧消化的作用機制，以期豐富TCS的環境行為，并為含TCS污泥的資源化利用提供一定技術支撐。

1、材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用污泥來源于某污水廠初沉池和二沉池的混合污泥，兩種污泥的混合比約為1∶2。污泥取回后靜置48h，去掉上清液后用于實驗。污泥的主要理化特性如下：pH為7.1，總懸浮固體（TSS）為13.2g/L，揮發性懸浮固體（VSS）為9.2g/L，NH4+-N為26.3mg/L，PO43--P為15.6mg/L，SCFA為35.6mg/L，溶解性COD（SCOD）為124.3mg/L。

接種污泥來源于某廚余垃圾厭氧消化罐，取回后經0.45μm篩網過濾后備用。接種污泥的主要理化特性：pH為7.0，TSS為16.3g/L，VSS為13.2g/L。

實驗用TCS為分析純，購買自南京某醫藥公司，置于冰箱內保存備用。

1.2 實驗設置

實驗在5組相同的序批式反應器（SBR）內進行，每組做3個平行。SBR為PVC材質的圓柱形反應器，底部直徑為14cm，高為35cm，有效工作容積為5.0L。SBR內配有機械攪拌器，在工作時控制轉速為250r/min，以保證接種物與消化底物充分接觸以及沼氣的釋放。SBR側面距離頂部10、20和30cm處分別設有采樣口（直徑為2.0cm）。首先，在各反應器內加入3.0L接種污泥和2.0L消化底物，并干式投加不同量的TCS，控制TCS含量分別為0、0.1、0.3、0.6和1.2g/kg（以TSS干質量計）；然后，向各反應器內添加2.0mol/L的NaOH或HCl溶液以控制底物pH為7.0，并在消化過程中每隔12h調控一次pH，以排除pH對消化過程的影響；最后，向各反應器充入高純度氮氣30s以排凈氧氣，并快速用橡膠密封盤封閉以保證厭氧條件。將上述SBR反應器轉移至45℃水浴鍋內進行厭氧消化實驗。相較于之前研究中的高溫消化溫度50~60℃，適當降低消化溫度（如45℃）對消化系統影響不明顯，且能有效降低電耗。整個厭氧消化實驗持續30d，定期測定沼氣產量及有機質的變化特性。

1.3 分析項目與方法

TSS、VSS、SCOD、NH4+-N等指標采用國家標準方法測定；TCS采用高效液相色譜法測定；甲烷采用氣相色譜法測定；活性氧（ROS）和乳酸脫氫酶（LDH）的測定方法參見文獻；與厭氧相關的關鍵酶包括水解酶（蛋白酶、淀粉酶）、酸化酶（腺苷酸激酶AK）和輔酶F420，測定方法參見文獻。

2、結果與討論

2.1 TCS對污泥高溫厭氧消化產甲烷的影響

TCS對污泥高溫厭氧消化產甲烷的影響見圖1。

從圖1（a）可以看出，各組的甲烷產量隨消化時間的延長先升高后趨于穩定。TCS的存在會影響污泥高溫厭氧消化，且影響程度與TCS含量密切相關。在對照組，最終累積甲烷產量為186.5mL/g，甲烷產量偏低，這可能是因為實驗用污泥為初沉池和二沉池污泥的混合物，混合污泥內有機質占比低。當污泥中存在TCS時，甲烷產量會出現不同程度的下降，隨著TCS含量由0.1g/kg提高至1.2g/kg，最終累積甲烷產量由156.3mL/g下降至113.6mL/g。TCS作為一種抗菌劑，可能會影響污泥中的微生物活性，改變污泥的官能團及表面形態。此外，TCS可能對產甲烷菌具有直接毒害作用，導致這些微生物活性降低甚至死亡，進而影響甲烷的產生。

沼氣中甲烷和二氧化碳的比例對其熱值和后續利用價值有重要影響。如圖1（b）所示，在消化初期，消化底物充足，沼氣內甲烷的體積占比較高，各組的甲烷占比均超過50%。污泥中TCS的存在降低了沼氣內甲烷的體積占比，且TCS含量越高，甲烷體積占比下降越顯著。在30d時，對照組的甲烷體積占比為55.9%，而實驗組的甲烷體積占比下降至46.5%~53.8%，其中當TCS含量為1.2g/kg時甲烷體積占比最低。TCS可能通過改變厭氧消化過程中的微生物群落結構，尤其是減少氫營養型產甲烷菌的豐度，從而影響甲烷的產生，進而降低了甲烷在沼氣內的占比。此外，TCS在光解作用下可轉化成二口惡英類物質，這種轉化可能會對系統內的微生物活動產生負面影響，進而影響甲烷的產生。

2.2 TCS對污泥溶出和水解過程的影響

水解過程被認定為污泥厭氧消化的限速步驟，而SCOD的變化可客觀反映有機質溶出過程。TCS對污泥高溫消化過程中SCOD濃度的影響見圖2。

由圖2可知，在對照組，SCOD濃度隨消化時間的增加先升高后趨于穩定，第9天達到最大值1041mg/L，隨后保持在794~985mg/L。TCS的存在顯著提高了SCOD濃度，且TCS含量越高，SCOD濃度的升高越顯著，但是SCOD濃度達到最大值的時間出現了不同程度的延遲。當TCS含量為0.1g/kg時，SCOD濃度最大值為1644mg/L，出現在第12天，在20d后的穩定期內SCOD濃度基本維持在1021~1425mg/L之間。而當TCS含量為1.2g/kg時，SCOD濃度最大值為2249mg/L，顯著高于其他組，且在消化后期SCOD濃度穩定在1491~1648mg/L之間。高含量的TCS提高了污泥高溫厭氧消化過程中SCOD的濃度，促進了水解過程，這為后續有機質的進一步利用提供了便利條件。

圖3為TCS對污泥高溫厭氧消化過程中溶解性蛋白質（SPN）和溶解性多糖（SPS）濃度的影響。

由圖3可知，與SCOD相似，TCS的存在同樣提高了SPN和SPS濃度。在第20天，對照組的SPN和SPS濃度分別為612和262mg/L，而實驗組的SPN和SPS濃度則分別提高至651~894mg/L和325~425mg/L。TCS的存在提高了發酵液中SPN和SPS的濃度，這有利于后續微生物的利用。在處理含TCS的污泥時，可將厭氧消化的步驟控制在水解過程，這樣可以獲得大量的可溶性有機質。將獲得的水解液補充至污水處理廠進水，可以強化生物脫氮除磷過程。

厭氧消化是一種有效的污泥處理技術，通過VSS的減量化，不僅可以減少污泥處理的經濟負擔，還可以帶來環境和社會效益。TCS對污泥高溫厭氧消化過程中VSS減量率的影響如圖4所示。可以看出，各組的VSS減量率均隨消化時間的增加而逐漸升高，且TCS的存在提高了VSS減量率。至消化后期，對照組的VSS減量率為31.2%，而隨著TCS含量由0.1g/kg增至0.6g/kg，VSS減量率由32.5%升至33.8%，進一步提高TCS含量至1.2g/kg，VSS減量率增加不明顯。VSS減量率提高的原因在于，TCS的存在增加了污泥發酵液中溶解性有機質的含量，促進了有機質由固相向液相的轉化，這有利于微生物的利用，從而使得部分可利用有機質被厭氧微生物轉化為二氧化碳。

2.3 TCS對污泥酸化過程的影響

SCFA是污泥高溫厭氧消化過程的關鍵中間產物，其含量與組分對后續甲烷的產生至關重要。TCS對污泥高溫厭氧消化過程中SCFA產量的影響如圖5所示。各組的SCFA產量在消化前期急劇升高，而后緩慢上升，最后趨于穩定。在消化前期急劇升高的原因在于有機質充足，酸化微生物利用水解產物快速合成SCFA。5d后，存在TCS的實驗組中SCFA產量增長幅度低于對照組，原因在于TCS對酸化微生物產生了毒性抑制作用，且TCS含量越高，對酸化微生物的活性抑制越顯著。對照組中SCFA的最大產量為111.5mg/gVSS，而隨著TCS含量由0.1g/kg增至1.2g/kg，SCFA的最大產量由94.5mg/gVSS降至79.2mg/gVSS。TCS降低了酸化微生物的代謝活性，從而導致SCFA積累量下降。Fan等研究結果表明，高含量的TCS會降低SCFA產量，但是適量的TCS會提高SCFA產量。本研究結果與Fan等的研究結果存在差異，這是因為本研究中TCS含量較高，且所用污泥的有機質含量較低。另外，污泥中的胞外聚合物（EPS）和蛋白質等有機組分對TCS具有吸附作用，增加了TCS與微生物細胞的接觸機會，進而加劇了對酸化微生物的毒害作用，最終導致SCFA的積累量降低。

圖6進一步展示了TCS對不同時期SCFA主要組分占比的影響。可以看出，在消化前期，戊酸鹽和丁酸鹽占比較高，其次是乙酸鹽。丁酸鹽占比較高說明污泥厭氧發酵前期的類型為丁酸型發酵。與第10天相比，第20天各反應器內乙酸鹽占比顯著提升，說明高分子羧酸逐漸被降解而生成小分子乙酸。TCS的存在會影響SCFA組分的占比。在20d時，對照組中乙酸鹽占比高達31.2%，而存在TCS的實驗組中乙酸鹽占比下降至26.5%~30.3%，且基本呈現出TCS含量越高則乙酸鹽占比越低的趨勢。但是，TCS提高了實驗組中丙酸鹽的占比，對照組中丙酸鹽占比為23.6%，而當TCS含量分別為0.6、1.2g/kg時，丙酸鹽占比分別提高至26.5%和24.9%。此外，隨著消化時間的增加，各組中戊酸鹽占比逐漸下降，這與其降解相關。乙酸是產甲烷過程中首選的底物，而丙酸和丁酸的代謝需要更多的能量，因此丙酸和丁酸等在SCFA中的占比過高時可能會抑制甲烷的產生。因此，TCS提高了SCFA中丙酸鹽占比但降低了乙酸鹽占比也是導致實驗組中甲烷產量下降的原因之一。

2.4 TCS對微生物代謝活性的影響

在污泥厭氧消化過程中，ROS通常由微生物代謝過程中的氧化應激反應產生，ROS的水平升高會損傷細胞膜，增加細胞膜的通透性，導致細胞內容物包括LDH的釋放。過量ROS和LDH的釋放會抑制厭氧微生物的代謝活性。TCS對污泥高溫厭氧消化過程中ROS和LDH釋放量的影響如圖7所示。可知，TCS促進了ROS和LDH的釋放，且TCS含量越高，ROS和LDH的釋放量越大。例如，在第10天，TCS含量為1.2g/kg的實驗組中，ROS和LDH的相對釋放量分別為118.5%和131.2%，遠高于對照組。過量的ROS和LDH會損傷微生物的細胞結構，包括蛋白質、脂質和DNA等，導致細胞功能障礙甚至死亡，最終導致甲烷產量下降。因此，TCS暴露導致ROS和LDH過量釋放也是污泥厭氧消化效率下降的原因之一。

2.5 TCS對厭氧消化關鍵酶活性的影響

厭氧消化關鍵酶包括水解酶（蛋白酶和淀粉酶）、酸化酶（AK）及產甲烷酶（輔酶F420）。上述關鍵酶在污泥厭氧消化過程中的協同作用，使得復雜的有機物能夠轉化為甲烷和二氧化碳，釋放能量并減少廢物的體積。各種酶都有其特定的功能和作用，是污泥厭氧消化過程中不可或缺的組成部分。TCS對關鍵酶活性的影響見圖8。可以看出，TCS對各種酶的影響呈現顯著差異。TCS促進了水解相關酶的活性，且呈現TCS含量越高則水解酶相對活性越強的趨勢，這與圖2中TCS提高了SCOD濃度的結果相一致。但對于酸化和甲烷化過程關鍵酶，TCS的存在則降低了其相對活性，尤其是輔酶F420。在TCS含量為1.2g/kg的實驗組中，輔酶F420的相對活性下降至31.2%，遠低于其他組。TCS可直接與酶的活性位點結合，如必需氨基酸殘基或輔因子，導致酶活性下降。研究證實，TCS會破壞細胞結構，導致細胞內外環境失衡，從而影響細胞內酶的穩定性和活性。外源性TCS可能會影響微生物的基因表達，導致關鍵酶的合成減少，或者誘導產生能夠分解/轉化污染物的新型酶。TCS降低厭氧消化關鍵酶的活性也是導致甲烷產量下降的關鍵原因。

3、結論

①TCS會降低污泥高溫厭氧消化過程中的甲烷產量，當TCS含量為1.2g/kg時，甲烷產量僅為113.6mL/g。同時，TCS會降低沼氣中甲烷的體積占比，且TCS含量越高，甲烷體積占比下降越顯著。

②TCS會影響污泥高溫厭氧消化過程中有機質的生物轉化特征，TCS的存在提高了SCOD、SPN和SPS的濃度以及有機質的減量率，但降低了SCFA產量，且TCS含量越高，SCFA產量下降越明顯。另外，TCS的存在提高了SCFA中丙酸鹽的占比但降低了乙酸鹽的占比。

③TCS促進了污泥高溫厭氧消化過程中ROS和LDH的釋放，增加了其對微生物的破壞作用。TCS降低了酸化和甲烷化過程關鍵酶，進而降低了甲烷產量。（來源：黃河水利職業技術學院環境工程學院，開封市水環境污染監測工程技術研究中心，中山大學環境科學與工程學院）