厭氧消化是一種將污泥中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳的生物處理過(guò)程，對(duì)污泥減量化、穩(wěn)定化、無(wú)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(guò)程，其中由于污泥外包裹胞外聚合物（EPS）而導(dǎo)致水解效率較低。此外，污泥中含有的新污染物也會(huì)對(duì)污泥生物資源化利用產(chǎn)生重要影響。

三氯生（TCS）是一種廣譜抗菌劑，但同時(shí)也是一種典型的內(nèi)分泌干擾物，被廣泛用于醫(yī)療和衛(wèi)生領(lǐng)域。COVID-19大流行期間，TCS的生產(chǎn)與消耗量增加，進(jìn)而導(dǎo)致其在環(huán)境中的釋放量增加。TCS成為了水環(huán)境中的一種新污染物，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)中的微生物活性產(chǎn)生了影響。TCS及其中間產(chǎn)物會(huì)對(duì)活性污泥中的硝化和反硝化過(guò)程產(chǎn)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(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)上的差異。另外發(fā)現(xiàn)，TCS還會(huì)抑制活性污泥中微生物對(duì)磷酸鹽的去除效率，尤其是在長(zhǎng)期接觸下，其會(huì)抑制聚磷菌（PAO）的生長(zhǎng)繁殖。在污泥處理方面，F(xiàn)an等報(bào)道TCS會(huì)通過(guò)提高產(chǎn)酸細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄活性來(lái)促進(jìn)污泥發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SCFA）。然而，關(guān)于TCS對(duì)污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響至今尚不清楚。此外，高溫厭氧消化因具有有機(jī)質(zhì)水解速率高、污泥減量效果顯著、對(duì)病原微生物殺滅能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，而得到廣泛關(guān)注。

鑒于此，筆者首先考察了TCS對(duì)污泥高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響，然后研究了TCS暴露對(duì)污泥內(nèi)有機(jī)質(zhì)生物轉(zhuǎn)化特征的影響，之后分析了TCS對(duì)污泥高溫厭氧消化過(guò)程內(nèi)SCFA產(chǎn)量及組分占比的影響，最后通過(guò)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(jī)制，以期豐富TCS的環(huán)境行為，并為含TCS污泥的資源化利用提供一定技術(shù)支撐。

1、材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用污泥來(lái)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(shí)驗(yàn)。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(fā)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(lái)源于某廚余垃圾厭氧消化罐，取回后經(jīng)0.45μm篩網(wǎng)過(guò)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(shí)驗(yàn)用TCS為分析純，購(gòu)買(mǎi)自南京某醫(yī)藥公司，置于冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)在5組相同的序批式反應(yīng)器（SBR）內(nèi)進(jìn)行，每組做3個(gè)平行。SBR為PVC材質(zhì)的圓柱形反應(yīng)器，底部直徑為14cm，高為35cm，有效工作容積為5.0L。SBR內(nèi)配有機(jī)械攪拌器，在工作時(shí)控制轉(zhuǎn)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(cè)面距離頂部10、20和30cm處分別設(shè)有采樣口（直徑為2.0cm）。首先，在各反應(yīng)器內(nèi)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(zhì)量計(jì)）；然后，向各反應(yīng)器內(nèi)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(guò)程中每隔12h調(diào)控一次pH，以排除pH對(duì)消化過(guò)程的影響；最后，向各反應(yīng)器充入高純度氮?dú)?0s以排凈氧氣，并快速用橡膠密封盤(pán)封閉以保證厭氧條件。將上述SBR反應(yīng)器轉(zhuǎn)移至45℃水浴鍋內(nèi)進(jìn)行厭氧消化實(shí)驗(yàn)。相較于之前研究中的高溫消化溫度50~60℃，適當(dāng)降低消化溫度（如45℃）對(duì)消化系統(tǒng)影響不明顯，且能有效降低電耗。整個(gè)厭氧消化實(shí)驗(yàn)持續(xù)30d，定期測(cè)定沼氣產(chǎn)量及有機(jī)質(zhì)的變化特性。

1.3 分析項(xiàng)目與方法

TSS、VSS、SCOD、NH4+-N等指標(biāo)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定；TCS采用高效液相色譜法測(cè)定；甲烷采用氣相色譜法測(cè)定；活性氧（ROS）和乳酸脫氫酶（LDH）的測(cè)定方法參見(jiàn)文獻(xiàn)；與厭氧相關(guān)的關(guān)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(cè)定方法參見(jiàn)文獻(xiàn)。

2、結(jié)果與討論

2.1 TCS對(duì)污泥高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響

TCS對(duì)污泥高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響見(jiàn)圖1。

從圖1（a）可以看出，各組的甲烷產(chǎn)量隨消化時(shí)間的延長(zhǎng)先升高后趨于穩(wěn)定。TCS的存在會(huì)影響污泥高溫厭氧消化，且影響程度與TCS含量密切相關(guān)。在對(duì)照組，最終累積甲烷產(chǎn)量為186.5mL/g，甲烷產(chǎn)量偏低，這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)用污泥為初沉池和二沉池污泥的混合物，混合污泥內(nèi)有機(jī)質(zhì)占比低。當(dāng)污泥中存在TCS時(shí)，甲烷產(chǎn)量會(huì)出現(xiàn)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(chǎn)量由156.3mL/g下降至113.6mL/g。TCS作為一種抗菌劑，可能會(huì)影響污泥中的微生物活性，改變污泥的官能團(tuán)及表面形態(tài)。此外，TCS可能對(duì)產(chǎn)甲烷菌具有直接毒害作用，導(dǎo)致這些微生物活性降低甚至死亡，進(jìn)而影響甲烷的產(chǎn)生。

沼氣中甲烷和二氧化碳的比例對(duì)其熱值和后續(xù)利用價(jià)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(nèi)甲烷的體積占比較高，各組的甲烷占比均超過(guò)50%。污泥中TCS的存在降低了沼氣內(nèi)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(shí)，對(duì)照組的甲烷體積占比為55.9%，而實(shí)驗(yàn)組的甲烷體積占比下降至46.5%~53.8%，其中當(dāng)TCS含量為1.2g/kg時(shí)甲烷體積占比最低。TCS可能通過(guò)改變厭氧消化過(guò)程中的微生物群落結(jié)構(gòu)，尤其是減少氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的豐度，從而影響甲烷的產(chǎn)生，進(jìn)而降低了甲烷在沼氣內(nèi)的占比。此外，TCS在光解作用下可轉(zhuǎn)化成二口惡英類(lèi)物質(zhì)，這種轉(zhuǎn)化可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的微生物活動(dòng)產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而影響甲烷的產(chǎn)生。

2.2 TCS對(duì)污泥溶出和水解過(guò)程的影響

水解過(guò)程被認(rèn)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(jī)質(zhì)溶出過(guò)程。TCS對(duì)污泥高溫消化過(guò)程中SCOD濃度的影響見(jiàn)圖2。

由圖2可知，在對(duì)照組，SCOD濃度隨消化時(shí)間的增加先升高后趨于穩(wěn)定，第9天達(dá)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(dá)到最大值的時(shí)間出現(xiàn)了不同程度的延遲。當(dāng)TCS含量為0.1g/kg時(shí)，SCOD濃度最大值為1644mg/L，出現(xiàn)在第12天，在20d后的穩(wěn)定期內(nèi)SCOD濃度基本維持在1021~1425mg/L之間。而當(dāng)TCS含量為1.2g/kg時(shí)，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(wěn)定在1491~1648mg/L之間。高含量的TCS提高了污泥高溫厭氧消化過(guò)程中SCOD的濃度，促進(jìn)了水解過(guò)程，這為后續(xù)有機(jī)質(zhì)的進(jìn)一步利用提供了便利條件。

圖3為T(mén)CS對(duì)污泥高溫厭氧消化過(guò)程中溶解性蛋白質(zhì)（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(duì)照組的SPN和SPS濃度分別為612和262mg/L，而實(shí)驗(yàn)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(fā)酵液中SPN和SPS的濃度，這有利于后續(xù)微生物的利用。在處理含TCS的污泥時(shí)，可將厭氧消化的步驟控制在水解過(guò)程，這樣可以獲得大量的可溶性有機(jī)質(zhì)。將獲得的水解液補(bǔ)充至污水處理廠進(jìn)水，可以強(qiáng)化生物脫氮除磷過(guò)程。

厭氧消化是一種有效的污泥處理技術(shù)，通過(guò)VSS的減量化，不僅可以減少污泥處理的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還可以帶來(lái)環(huán)境和社會(huì)效益。TCS對(duì)污泥高溫厭氧消化過(guò)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(shí)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(duì)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(jìn)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(fā)酵液中溶解性有機(jī)質(zhì)的含量，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)由固相向液相的轉(zhuǎn)化，這有利于微生物的利用，從而使得部分可利用有機(jī)質(zhì)被厭氧微生物轉(zhuǎn)化為二氧化碳。

2.3 TCS對(duì)污泥酸化過(guò)程的影響

SCFA是污泥高溫厭氧消化過(guò)程的關(guān)鍵中間產(chǎn)物，其含量與組分對(duì)后續(xù)甲烷的產(chǎn)生至關(guān)重要。TCS對(duì)污泥高溫厭氧消化過(guò)程中SCFA產(chǎn)量的影響如圖5所示。各組的SCFA產(chǎn)量在消化前期急劇升高，而后緩慢上升，最后趨于穩(wěn)定。在消化前期急劇升高的原因在于有機(jī)質(zhì)充足，酸化微生物利用水解產(chǎn)物快速合成SCFA。5d后，存在TCS的實(shí)驗(yàn)組中SCFA產(chǎn)量增長(zhǎng)幅度低于對(duì)照組，原因在于TCS對(duì)酸化微生物產(chǎn)生了毒性抑制作用，且TCS含量越高，對(duì)酸化微生物的活性抑制越顯著。對(duì)照組中SCFA的最大產(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)致SCFA積累量下降。Fan等研究結(jié)果表明，高含量的TCS會(huì)降低SCFA產(chǎn)量，但是適量的TCS會(huì)提高SCFA產(chǎn)量。本研究結(jié)果與Fan等的研究結(jié)果存在差異，這是因?yàn)楸狙芯恐蠺CS含量較高，且所用污泥的有機(jī)質(zhì)含量較低。另外，污泥中的胞外聚合物（EPS）和蛋白質(zhì)等有機(jī)組分對(duì)TCS具有吸附作用，增加了TCS與微生物細(xì)胞的接觸機(jī)會(huì)，進(jìn)而加劇了對(duì)酸化微生物的毒害作用，最終導(dǎo)致SCFA的積累量降低。

圖6進(jìn)一步展示了TCS對(duì)不同時(shí)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(shuō)明污泥厭氧發(fā)酵前期的類(lèi)型為丁酸型發(fā)酵。與第10天相比，第20天各反應(yīng)器內(nèi)乙酸鹽占比顯著提升，說(shuō)明高分子羧酸逐漸被降解而生成小分子乙酸。TCS的存在會(huì)影響SCFA組分的占比。在20d時(shí)，對(duì)照組中乙酸鹽占比高達(dá)31.2%，而存在TCS的實(shí)驗(yàn)組中乙酸鹽占比下降至26.5%~30.3%，且基本呈現(xiàn)出TCS含量越高則乙酸鹽占比越低的趨勢(shì)。但是，TCS提高了實(shí)驗(yàn)組中丙酸鹽的占比，對(duì)照組中丙酸鹽占比為23.6%，而當(dāng)TCS含量分別為0.6、1.2g/kg時(shí)，丙酸鹽占比分別提高至26.5%和24.9%。此外，隨著消化時(shí)間的增加，各組中戊酸鹽占比逐漸下降，這與其降解相關(guān)。乙酸是產(chǎn)甲烷過(guò)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(guò)高時(shí)可能會(huì)抑制甲烷的產(chǎn)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(dǎo)致實(shí)驗(yàn)組中甲烷產(chǎn)量下降的原因之一。

2.4 TCS對(duì)微生物代謝活性的影響

在污泥厭氧消化過(guò)程中，ROS通常由微生物代謝過(guò)程中的氧化應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生，ROS的水平升高會(huì)損傷細(xì)胞膜，增加細(xì)胞膜的通透性，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物包括LDH的釋放。過(guò)量ROS和LDH的釋放會(huì)抑制厭氧微生物的代謝活性。TCS對(duì)污泥高溫厭氧消化過(guò)程中ROS和LDH釋放量的影響如圖7所示。可知，TCS促進(jìn)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(shí)驗(yàn)組中，ROS和LDH的相對(duì)釋放量分別為118.5%和131.2%，遠(yuǎn)高于對(duì)照組。過(guò)量的ROS和LDH會(huì)損傷微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，包括蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA等，導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙甚至死亡，最終導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降。因此，TCS暴露導(dǎo)致ROS和LDH過(guò)量釋放也是污泥厭氧消化效率下降的原因之一。

2.5 TCS對(duì)厭氧消化關(guān)鍵酶活性的影響

厭氧消化關(guān)鍵酶包括水解酶（蛋白酶和淀粉酶）、酸化酶（AK）及產(chǎn)甲烷酶（輔酶F420）。上述關(guān)鍵酶在污泥厭氧消化過(guò)程中的協(xié)同作用，使得復(fù)雜的有機(jī)物能夠轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，釋放能量并減少?gòu)U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(guò)程中不可或缺的組成部分。TCS對(duì)關(guān)鍵酶活性的影響見(jiàn)圖8。可以看出，TCS對(duì)各種酶的影響呈現(xiàn)顯著差異。TCS促進(jìn)了水解相關(guān)酶的活性，且呈現(xiàn)TCS含量越高則水解酶相對(duì)活性越強(qiáng)的趨勢(shì)，這與圖2中TCS提高了SCOD濃度的結(jié)果相一致。但對(duì)于酸化和甲烷化過(guò)程關(guān)鍵酶，TCS的存在則降低了其相對(duì)活性，尤其是輔酶F420。在TCS含量為1.2g/kg的實(shí)驗(yàn)組中，輔酶F420的相對(duì)活性下降至31.2%，遠(yuǎn)低于其他組。TCS可直接與酶的活性位點(diǎn)結(jié)合，如必需氨基酸殘基或輔因子，導(dǎo)致酶活性下降。研究證實(shí)，TCS會(huì)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境失衡，從而影響細(xì)胞內(nèi)酶的穩(wěn)定性和活性。外源性TCS可能會(huì)影響微生物的基因表達(dá)，導(dǎo)致關(guān)鍵酶的合成減少，或者誘導(dǎo)產(chǎn)生能夠分解/轉(zhuǎn)化污染物的新型酶。TCS降低厭氧消化關(guān)鍵酶的活性也是導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降的關(guān)鍵原因。

3、結(jié)論

①TCS會(huì)降低污泥高溫厭氧消化過(guò)程中的甲烷產(chǎn)量，當(dāng)TCS含量為1.2g/kg時(shí)，甲烷產(chǎn)量?jī)H為113.6mL/g。同時(shí)，TCS會(huì)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(huì)影響污泥高溫厭氧消化過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化特征，TCS的存在提高了SCOD、SPN和SPS的濃度以及有機(jī)質(zhì)的減量率，但降低了SCFA產(chǎn)量，且TCS含量越高，SCFA產(chǎn)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(jìn)了污泥高溫厭氧消化過(guò)程中ROS和LDH的釋放，增加了其對(duì)微生物的破壞作用。TCS降低了酸化和甲烷化過(guò)程關(guān)鍵酶，進(jìn)而降低了甲烷產(chǎn)量。