厭氧消化可實現污泥的穩定化、無害化和資源化，符合我國綠色低碳可持續發展戰略。然而在污水處理過程中，為滿足日益嚴格的污水排放標準，常通過化學除磷進一步降低出水磷濃度。另外，剩余污泥含水率高，需進行化學調理來降低污泥比阻。而化學除磷和調理一般采用無機或有機混凝劑，其中氯化鐵因除磷效果好、脫水性能強、價格低廉而被廣泛使用。相關資料顯示，我國的市政污泥經脫水后總鐵含量約為22.1~34.0g/kg（干基含量，折算成FeCl3投加量約為1450~3200mg/L）。向剩余污泥中添加FeCl3，在添加量為200mg/L條件下，污泥厭氧消化累計產甲烷量比未添加時提高了28.9%~37.4%，且沼氣中H2S濃度降低63.3%；而當FeCl3添加量達到800mg/L時，Fe3+水解作用導致消化系統的pH降低，產甲烷過程受到抑制，甲烷產量由73.18mL/gVS降低到7.32mL/gVS。可見，過量添加鐵鹽會對污泥厭氧消化產氣效能產生嚴重抑制。
Liao等將剩余污泥分別在60、70與80℃下熱解30min后，污泥分解率分別為9.1%、13.0%和16.6%，沼氣產量分別提升7.3%、15.6%和24.4%。Zhang等在0.1mol/LNaOH、反應溫度為80℃的條件下處理剩余污泥80min，系統的甲烷產率與沼氣產量分別達到305.4mL/gVS和（695.00±16.97）mL，比未處理組分別提升22.80%和51.66%。可見，熱與堿熱預處理可有效改善污泥厭氧消化產氣效能。
基于此，筆者針對氯化鐵調理形成總鐵含量較高的污泥（高含鐵污泥）厭氧消化產甲烷效果不佳問題，分析熱和堿熱預處理對高含鐵污泥產氣效能、有機質轉化及古菌群落結構的影響，旨在為高含鐵污泥厭氧消化的工程化應用提供參考。
1、材料與方法
1.1 污泥來源與性質
實驗用污泥取自西安市第四污水處理廠生物池出口和脫水車間。該污水處理廠采用倒置A2/O工藝，總水力停留時間（HRT）與污泥齡分別為11h和14~20d。采用氯化鐵對濃縮的剩余污泥進行調理和脫水后外運。
生物池污泥（原泥）取回后靜置12h，去除上清液后控制含水率在97%左右，將原泥置于4℃冰箱中冷凍保存，作為序批式厭氧消化實驗的底物，實驗所用原泥的理化性質：pH為6.4~6.7，總固體量（TS）為29.09~35.28g/kg，揮發性固體量（VS）為13.23~14.35g/kg，VS/TS為40.67%~45.50%，總化學需氧量（TCOD）為13.49~18.60g/kg，總鐵含量為（6.63±0.13）g/kg（干基含量，下同）。脫水污泥含水率約為80%，總鐵含量為24.24g/kg，屬于含鐵量較高的污泥。實驗所用厭氧接種污泥取自青島集團西安漢斯啤酒廠污水處理中心的UASB反應池，取回后置于4℃冰箱冷凍保存，放置7d后作為接種污泥使用。
1.2 實驗方法
根據脫水污泥中總鐵的含量，配制成10%的FeCl3，取1500mg/L的氯化鐵溶液加入到原泥中，配制成高含鐵污泥。向原泥中加入去離子水，使污泥的含水率保持在97%左右。采用全自動甲烷潛力測試系統進行序批式厭氧消化實驗（見圖1），分析熱和堿熱預處理對高含鐵污泥厭氧消化產甲烷效能的影響。基于課題組前期的研究成果，熱和堿熱預處理的最佳實驗方法如下：①熱預處理，將高含鐵污泥攪拌均勻后置于水浴鍋中，設置溫度為70℃并處理60min；②堿熱預處理，將高含鐵污泥攪拌均勻后，添加一定量的NaOH（5mol/L），將pH調節至11后置于水浴鍋中，設置溫度為70℃并處理60min。
分別將原泥（OS）、高含鐵污泥（DS）、高含鐵污泥-熱預處理（DS-R）和高含鐵污泥-堿熱預處理（DS-JR）四組實驗樣品與接種污泥按照3∶1（體積比）的比例混合，再將混合污泥初始pH調至7.0~7.2。取500mL混合污泥加入序批式厭氧消化裝置（總容積為550mL）中進行實驗。設置反應溫度為（35±0.5）℃，攪拌速率為120r/min。以單日產甲烷量小于累計產甲烷量的1%作為實驗終止的判據，反應時間為20d。
1.3 分析方法
輔酶F420的測定：輔酶F420是產甲烷菌所特有的電子載體輔酶，可反映厭氧消化系統內產甲烷菌的活性，輔酶F420的數值越大，表明產甲烷菌活性越強。在消化反應的第4、8、12、16天分別取DS、DS-R和DS-JR中的污泥（10mL/次，共計40mL）進行輔酶F420的測定。
厭氧消化動力學模擬分析：選用圓錐模型對OS、DS、DS-R和DS-JR四組污泥樣品的產甲烷過程進行擬合，采用Origin2023b進行計算擬合，圓錐模型的數學表達式見式（1）。
式中：U為累計產甲烷量，mL；Um為最大產甲烷勢，mL；khyd為水解速率常數，d-1；n為形狀因子；t為消化時間，d。
分別取30mL厭氧消化反應前后的混合污泥在4000r/min下離心15min，經0.45μm濾膜過濾后分別測定上清液中的SCOD、蛋白質（SP）、多糖（SC）以及殘渣中的SP、SC、腐殖酸（HA）等含量。其中SP采用修正的福林酚法測定，SC采用蒽酮比色法測定，HA采用修正Lowry法測定，總鐵采用EDTA滴定法測定。實驗結束后將DS、DS-R和DS-JR三組實驗的消化產物送至北京百邁克生物科技有限公司進行IlluminaNovaSeq高通量測序。
2、結果與討論
2.1 預處理對高含鐵污泥產甲烷效率的影響
2.1.1 產甲烷效能的變化
累計產甲烷量與日產甲烷量的變化見圖2。由圖2（a）可知，DS組累計產甲烷量為650.82~683.42mL（平均值為667.12mL），比OS組下降了14.96%。主要是由于DS中的總鐵含量是OS的3.65倍，導致厭氧消化過程受到抑制。污泥中適量的鐵離子能促進厭氧消化過程酶的活性，但過量的鐵離子可使Fe3+水解生成羥基聚合離子，進而分解為Fe（OH）3沉淀，Fe3+也能與污泥中的硫化物或硫酸鹽等反應，在產甲烷菌細胞表面析出硫化鐵，阻止胞外物質跨膜運輸與底物接觸，進而抑制產甲烷菌的活性。DS-R組和DS-JR組累計產甲烷量分別為908.97~962.37mL（平均值為935.67mL）和1133.53~1170.73mL（平均值為1152.13mL），比DS組分別提升了40.25%和72.70%，且DS-JR組的累計產甲烷量比DS-R組提升23.13%。由于堿熱預處理對細胞壁和細胞膜的損傷程度高于熱預處理，溶解性有機物的釋放量高于熱預處理，因此DS-JR組的累計產甲烷量高于DS-R組。
從圖2（b）可以看出，OS組和DS組的日產甲烷量變化較為相似，前3d呈上升趨勢，達到峰值后逐漸下降，且在第16天下降至10mL以下。DS-R組和DS-JR組的日產甲烷量在第1天即達到峰值，分別為305.63和446.97mL，1~5d內急劇下降，第16天以后降至10mL以下，在第5~15天內的日產甲烷量低于OS組和DS組，表明熱和堿熱預處理可導致產甲烷高效段提前。
2.1.2 甲烷產率的動力學分析
按照式（1）對四組實驗樣品累計產甲烷量進行動力學模型擬合，結果如圖3所示，擬合曲線相關參數見表1。
實驗樣品累計產甲烷量的相關系數R2介于0.9966~0.9989之間，說明采用圓錐模型能較好地模擬污泥產甲烷過程。DS組的最大產甲烷勢、水解速率常數均小于OS組。而經熱和堿熱預處理后，最大產甲烷勢和水解速率常數大幅提升，且DS-JR組的Um和khyd值最大。
2.2 預處理對高含鐵污泥有機質轉化的影響
2.2.1 上清液中有機質的變化
厭氧消化前后上清液中SCOD和累計產甲烷量的變化如圖4所示。
從圖4可以看出，DS組厭氧消化反應前后SCOD平均濃度從498.74mg/L增加到902.13mg/L，而DS-R組和DS-JR組分別從2709.80、3245.20mg/L降低至1806.56、1783.72mg/L。這是由于熱和堿熱預處理導致DS-R組和DS-JR組消化前的SCOD濃度大幅增加，經厭氧消化后，系統內SCOD得到降解與轉化。而DS組在厭氧消化前細胞內的有機物未徹底釋放，在厭氧消化過程中，污泥細胞受到部分破損，部分被釋放的有機物得以降解和轉化，但轉化不徹底，所以SCOD濃度在消化反應后反而增加。與DS-R組相比，DS-JR組消化前SCOD濃度高19.76%，產氣量提高23.13%，說明堿熱預處理比熱預處理能更好地改善高含鐵量導致的污泥厭氧消化受抑制情況。
厭氧消化前后上清液中SP和SC的變化如圖5所示。可以看出，熱和堿熱預處理促進了污泥細胞中SP和SC的溶出。DS-R組和DS-JR組SP的平均濃度分別比DS組增大了2.23和2.08倍，SC平均濃度分別增大了1.63和3.25倍，其中DS-JR組消化前的SC濃度是DS-R組的1.61倍，是DS組消化前的4.25倍。經厭氧消化后SP被消耗，其中DS-R組和DS-JR組中SP的平均消耗率分別為56.63%和44.35%，比DS組分別提高了17.54%和5.26%；DS-R組和DS-JR組對SC的平均消耗率分別為37.37%和47.14%，比DS組分別提高了2.66%和18.33%。堿熱預處理比熱預處理污泥細胞溶出的SC更多，可能是由于堿熱預處理可以溶解污泥細胞壁的脂質分子，促使細胞壁破裂，強堿環境使胞外聚合物的酸性基團分離，胞外聚合物的相互排斥也增加了其可溶性。
2.2.2 殘渣中有機質的變化
厭氧消化前后殘渣中SP、SC和HA濃度的變化如圖6所示。可以看出，經厭氧消化后，DS-JR組殘渣中SP平均含量從115.07mg/gVS降低到84.17mg/gVS，其平均消耗率最高（26.85%），比DS-R組和DS組殘渣中SP平均消耗率分別高8.31%和11.28%。DS-JR組殘渣中SC的平均含量從43.96mg/gVS降低至31.78mg/gVS，平均消耗率最高（27.71%），比DS-R組與DS組平均消耗率分別高2.45%與8.71%。
腐殖質由富里酸、腐殖酸與胡敏酸組成，其中腐殖酸約占腐殖質含量的42%。三個實驗組消化反應后殘渣中腐殖酸含量均呈上升趨勢。其中DS-JR組殘渣中腐殖酸平均含量從116.58mg/gVS增加至144.14mg/gVS，提高幅度最大（23.64%），DS-R組與DS-JR組殘渣中腐殖酸增長率較DS組分別高3.69%和9.55%，DS-JR組殘渣中腐殖酸增長率比DS-R組高5.86%。可見，高鐵污泥經熱與堿熱預處理后，通過厭氧消化反應生成了更多的腐殖質類物質，增強了消化產物的穩定性。
2.3 預處理對高含鐵污泥微生物群落的影響
2.3.1 輔酶F420活性的變化
厭氧消化過程中輔酶F420活性的變化見圖7。
由圖7可知，第4天時三組污泥樣品的輔酶F420活性為0.50~0.56μmmol/L（平均值為0.53μmmol/L），在第12天時輔酶F420活性均達到峰值。輔酶F420活性的排序為：DS-JR（0.69~0.73μmmol/L，平均值為0.71μmmol/L）>DS-R（0.65~0.71μmmol/L，平均值為0.68μmmol/L）>DS（0.55~0.63μmmol/L，平均值為0.59μmmol/L）。DS-JR組中厭氧消化過程中輔酶F420活性比DS-R高4.23%，說明高含鐵污泥經堿熱和熱預處理后，系統內輔酶活性得到增強，且堿熱預處理對輔酶活性的增強程度更大。第12天后隨著系統內有機質濃度的降低，輔酶F420活性均呈現下降趨勢。
2.3.2 古菌群落的相對豐度
微生物的Alpha多樣性指數如表2所示。可知，DS-JR組的ACE、Chao和Shannon指數均低于DS組和DS-R組，而Simpson指數與DS組和DS-R組接近，說明DS-JR組微生物的多樣性低于DS組和DS-R組。
古菌群落在屬水平上的相對豐度如圖8所示。
從圖8可知，DS組、DS-R組和DS-JR組污泥樣品在厭氧消化系統中的古菌群落結構類似，但與產甲烷相關的古菌群落相對豐度存在明顯差別。其中DS-JR組中與產甲烷相關的Methanobacterium、Methanosaeta、Methanomicrobiales、Methanosarcina和Methanofastidiosum古菌屬的相對豐度高達75.16%，比DS組和DS-R組的相對豐度分別高18.18%和5.29%。另外，在DS-JR系統中Methanosarcina的相對豐度較DS組和DS-R組分別提高4.41%和2.03%。由此可見，高含鐵污泥經堿熱和熱預處理后，產甲烷菌屬的相對豐度得以提高，這也與系統中SCOD、SC、SP等濃度的變化密切相關。
3、結論
①受鐵鹽調理的污泥中若總鐵含量過高，厭氧消化產甲烷效能會被抑制。經熱和堿熱預處理后，高含鐵污泥累計產甲烷量分別提高40.25%和72.70%。圓錐模型擬合結果表明，堿熱預處理的Um和khyd值最大，對產甲烷效能改善效果最佳。
②高含鐵污泥經堿熱預處理后，上清液中可溶性多糖（SC）濃度是熱預處理和未處理污泥的1.61和4.25倍；其殘渣中多糖和蛋白質消耗率比單獨熱預處理分別高2.45%和8.31%，腐殖酸的提高幅度較大，殘渣的穩定性得以改善。
③預處理會導致古菌群落多樣性降低，但增強了系統中輔酶F420的活性，提高了古菌群落相對豐度。而經堿熱處理后，系統中與產甲烷相關的古菌相對豐度和輔酶F420活性較熱預處理分別提高了5.29%和4.23%。（來源：西安理工大學西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安理工大學水利水電學院，西安西熱水務環保有限公司）
