试验剩余污泥取自合肥市朱砖井污水处理厂的脱水剩余污泥； 种子污泥取自本实验室在55℃驯养1个月的成熟厌氧污泥. 试验材料主要特征如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 剩余污泥和种子污泥的主要特征 Table 1 Characteristics of surplus sludge and inoculums sludge 项目 剩余污泥 种子污泥 pH 6.9 8.0 TS/% 19.8 12.8 VS/% 48.7 40.2 总氮/g·kg-1 18.3 12.9 总磷/g·kg-1 24.5 38.0 Cu/g·kg-1 0.1 — Zn/g·kg-1 2.2 — 总大肠杆菌数/CPU·g-1 1.3×107 1.6×105 粪大肠杆菌数/MPN·g-1 1.4×106 1.8×103 1)“—”表示文献中没有相关数据

表 1 剩余污泥和种子污泥的主要特征 Table 1 Characteristics of surplus sludge and inoculums sludge

试验采用250 mL的盐水瓶，在厌氧环境下，将剩余污泥和种子污泥作为底物放入瓶中，加入蒸馏水至150 mL，并用碳酸氢钠调节pH到7.5左右. 然后向各瓶内持续通入氮气约3 min驱赶瓶中的氧气以保持厌氧状态，并用橡皮塞塞紧，置于恒温气浴振荡器中进行培养，培养温度为55℃，转速为120 r ·min^-1，每组设置3个平行样，取平均值进行分析. 开始培养之前，测定各盐水瓶实际进泥中病原指示微生物数量和总固体(TS)； 每1 d收集气体并测定甲烷含量； 每4 d取盐水瓶中的上清液，静置后，取上层液体测定挥发性脂肪酸(VFAs)、 总大肠杆菌、 粪大肠杆菌和沙门氏菌. 污泥中总大肠杆菌、 粪大肠杆菌和沙门氏菌分别在厌氧消化之前和消化结束后测定.

试验设5组，一个对照组(CK)，4个不同的底物添加试验组(R1~R4). 为保证反应较快启动，接种的种子污泥中的挥发性有机物(VS)占接种剩余污泥VS 15%，底物浓度和接种量如表 2所示.

表 2(Table 2)

表 2 不同的底物添加水平 Table 2 Addition levels of different quantity substrates 试验组 底物浓度 /g·L-1 剩余污泥湿重/ 干重/g 种子污泥湿重/ 干重/g R1 28 18.0/3.6 5.0/0.6 R2 45 29.0/5.7 8.0/1.0 R3 67 43.0/8.5 12.0/1.5 R4 84 54.0/10.7 15.0/1.9 CK 17 0/0 15.0/1.9

表 2 不同的底物添加水平 Table 2 Addition levels of different quantity substrates

产气量以50 mL或100 mL带有刻度的玻璃注射器测定； 气体中的甲烷浓度以带热导检测器SP-6890型气相色谱仪测定； VFAs采用带氢火焰检测器的SP-6890型气相色谱仪测定，样品为取1 mL离心上清液，并用1 mL 3%甲酸溶液酸化，经过0.45 μm醋酸酯微孔滤膜过滤后待测； 上清液中总大肠杆菌的测定方法与文献^[14]类似，采用10倍稀释法，稀释为3个细菌浓度适宜的梯度，各取0.5 mL分别涂布在品红亚硫酸钠培养基(APC)上，在37℃下培养24 h，通过平板计数确定100 mL上清液中总大肠杆菌数(CFU)； 上清液中粪大肠杆菌的测定方法和沙门氏菌的定性检测方法均采用美国APHA标准方法^[15]，其中粪大肠杆菌采用了最大计数法(MPN)，最终结果以100 mL上清液中粪大肠杆菌数(MPN)表示； 污泥中的总大肠杆菌、 粪大肠杆菌和沙门氏菌采用修正法测定，即称取1 g的湿污泥加无菌水稀释到50 mL，混匀，取均匀混合液测定方法如上清液； TS用烘干法(105℃至恒重)测定.

VFAs是厌氧消化中间产物之一，也是甲烷菌的底物^[16]，在产甲烷菌的作用下，VFAs被分解生成甲烷^{[17, 18]}. 如图 1所示，前4 d，VFAs产生积累现象，原因可能是底物给微生物提供足够多的易降解基质，但是反应初期产甲烷菌活性低^[19]，不利于甲烷的生成，所以VFAs积累，甲烷量缓慢增加. 4~12 d，甲烷菌活性增加，导致消化体系中VFAs浓度降低，产甲烷量升高. 在12 d之后，污泥中难降解的有机物在体系中微生物作用下，逐渐被降解产生VFAs，VFAs的生成速率和产甲烷菌消耗底物速率达到平衡，使VFAs几乎不变，产甲烷量缓慢增加. 和中温间歇厌氧消化需要持续40~50 d相比，高温厌氧消化产甲烷持续时间明显缩短.

图 1

Fig. 1

图 1 厌氧消化过程中VFAs的生成和累积产甲烷量 Fig. 1 VFAs and cumulative methane production during anaerobic digestion

从累积产甲烷量的变化可以看出，R3和R4在试验前期累积甲烷量增长迅速，R1、 R2和CK前期由于底物浓度低的影响，累积产甲烷量增加缓慢. 在高温厌氧消化结束时，R1、 R2、 R3、 R4和CK组累积产甲烷量分别为85.4、 257.6、 474.5、 589.5、 1.1 mL. 在研究的底物浓度范围内，较高的底物浓度下的甲烷产率较高，这是因为低底物浓度时微生物维持生长需要消耗底物的比例较高.

上清液中总大肠杆菌数量的变化如图 2所示. 经过高温厌氧消化上清液中总大肠杆菌的量都有一定的降低，R1、 R2、 R3、 R4和CK组的总大肠杆菌量分别从开始每100 mL含有10^7.07、 10^6.81、 10^7.08、 10^7.01和10^5.20 CFU降低到10^4.24、 10^3.85、 10^4.50、 10^5.03和10^3.36 CFU，普遍降低1.8~3.0个数量级，它们的杀灭率分别为99.85%、 99.89%、 99.74%、 98.95%和98.55%. 可以看出，不同底物浓度中总大肠杆菌的杀灭效果差异很大，当底物浓度为45 g ·L^-1时，总大肠杆菌的杀灭效果最佳，说明在高温厌氧消化中，底物浓度是一个影响微生物杀灭效果的重要因素. 此外，从图 2可以看出，在前4 d，总大肠杆菌的数量有明显的下降趋势，而VFAs在前4d产量很高，表明VFAs的增加促使总大肠杆菌的灭活. 4~8 d，VFAs的产量下降，导致总大肠杆菌的数量没有明显变化. 第8 d以后总大肠杆菌的数量下降明显，可能是因为初始VS浓度低，到后期厌氧消化系统中的营养物质不足以及产甲烷菌等其它微生物的竞争，导致总大肠杆菌的灭活^[20].

粪大肠杆菌是在44.5℃下培养能生长并发酵乳糖产酸产气的大肠杆菌，高温厌氧消化试验是在55℃下进行的，这与粪大肠杆菌的适宜培养温度差别很大，故高温厌氧消化对粪大肠杆菌的影响较大. 如图 3所示，R1、 R2、 R3、 R4和CK组每100 mL上清液中粪大肠杆菌下降1.7~3.3个数量级，杀灭率分别为99.95%、 99.80%、 99.83%、 98.26%和98.05%，呈现和总大肠杆菌相似的趋势. Barrios等^[21]研究证明了VFAs的存在和病原微生物的杀灭有密切关系，符波等^[13]研究证明当VFAs浓度大于6 000 mg ·L^-1时，能够迅速杀灭污泥中的病原微生物，达到污泥A级标准，本研究中病原微生物去除效果缓慢，可能是因为厌氧消化中产生的VFAs浓度较低. 此外可以得到，在研究的底物浓度范围内，当底物浓度小于45 g ·L^-1时，粪大肠杆菌的杀灭效果较好，达到99%以上.

图 3

Fig. 3

图 3 厌氧消化过程中粪大肠杆菌数量的变化 Fig. 3 Variation of fecal coliforms during anaerobic digestion

厌氧消化前后污泥中总大肠杆菌和粪大肠杆菌数量变化如图 4所示. 从图 4(a)可见，初始生污泥中总大肠杆菌数量(以污泥的干重计，下同)大约为10^5.19~10^7.16 CFU ·g^-1，经过28 d的高温厌氧消化，R1、 R2、 R3、 R4和CK污泥中总大肠杆菌数量明显降低，其含量分别为10^3.72、 10^3.70、 10^4.66、 10^4.58、 10^2.87 CFU ·g^-1，它们的杀灭率分别为99.95%、 99.96%、 99.68%、 99.68%、 99.52%. 如图 4(b)所示，消化初始污泥中粪大肠杆菌的数量大约为10^3.41~10^6.29 MPN ·g^-1，消化后各组含量分别为10^2.49、 10^2.02、 10^3.17、 10^2.64、 10^1.34 MPN ·g^-1，它们的杀灭率分别为99.97%、 99.99%、 99.59%、 99.97%、 99.12%. 消化后污泥中总大肠杆菌降低2.3~3.5个数量级，粪大肠杆菌降低2.1~4.3个数量级，经过28 d厌氧消化后，每g污泥中(干重)粪大肠杆菌数量下降到1 000个菌落左右.

图 4

Fig. 4

图 4 厌氧消化前后污泥中总大肠杆菌和粪大肠杆菌的变化 Fig. 4 Variation of total and fecal coliforms in sludge before and after anaerobic digestion

以上结果表明，高温厌氧消化对污泥中的总大肠杆菌和粪大肠杆菌的杀灭效果比较明显，杀灭率均能达到99%以上，这与Song等^[22]和Ziemba等^[23]研究结论一致. 按照美国EPA达到A级标准的要求，污泥在55℃条件下处理2.6 d即可以达到每g干污泥中粪大肠杆菌低于1 000个菌落的要求^[10]，本试验处理时间达到28 d，其中的原因则需要进一步深入研究. 而当底物浓度高于45 g ·L^-1时，底物对于病原微生物的杀灭效率降低，表明底物浓度对病原微生物杀灭具有非常重要的影响，小于45 g ·L^-1较有利于病原指示微生物的杀灭. 这和美国EPA规定的7%的底物浓度分界线有明显的不同^[10]，这可能和污泥成分的组成有关，中国污水处理厂污泥的有机物含量明显低于发达国家.

沙门氏菌属是引起食物中毒的病原菌之一，它主要通过口径感染，具有易传染、 种群复杂、 致病力强等特点^[24]. 通常，感染沙门氏菌的人或动物排放的粪便，又将成为污染源. 同时，沙门氏菌还有季节性特点，夏秋季节人体携带沙门氏菌几率高^[25]，因此夏秋季节污水中沙门氏菌含量也较高.

在整个厌氧消化过程中，通过沙门氏菌定性试验发现，厌氧消化开始时上清液和污泥中均有沙门氏菌属存在，随着厌氧发酵的进行，上清液中检测到沙门氏菌属细菌的样品越来越少. 消化28d结束时，上清液中已检测不到沙门氏菌的存在，在污泥中也未检测到沙门氏菌. 这与Iranpour等^[26]的研究结论一致. 但根据符波等^[27]的研究，检测不到沙门氏菌并不能表示沙门氏菌已被全部灭活，部分沙门氏菌可能处于有活性但不可培养(VBNC)的状态，有关灭活和VBNC状态细菌的比例还需要进一步研究.