, 胡勇有1,2
, 廖子聪1,2, 程建华1,2, 陈元彩1,21. 华南理工大学环境与能源学院, 广州 510006;
2. 华南理工大学环境与能源学院, 工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室, 广州 510006
收稿日期: 2018-12-29; 修回日期: 2019-03-25; 录用日期: 2019-03-25
基金项目: 广东省应用型科技研发专项资金项目(No.2016B020240005)
作者简介: 吴学深(1994-), 男, E-mail:18038180229@163.com
通讯作者（责任作者）: 胡勇有, E-mail:ppyyhu@scut.edu.cn
摘要: 为实现剩余污泥稳定化，并评估剩余污泥的生态环境风险，本研究采用热碱解-中温两相厌氧消化（Thermal-Alkaline Pretreatment-Mesophilic Two Phase Anaerobic Digestion，taMTPAD）工艺处理剩余污泥.考察了热碱解条件及在20、16和10 d 3个不同的总水力停留时间（Total Hydraulic Retention Time，tHRT）下，taMTPAD工艺的运行效果及消化前后抗生素抗性基因（ARGs）的变化.结果表明，对于taMTPAD工艺，当tHRT=10 d时，产酸相的挥发性脂肪酸（VFA）积累量和产甲烷相的日产气量达到最大值，但对ARGs的控制效果最差；tHRT=16 d时反应器的运行效果与tHRT=20 d时接近，但对磺胺类ARGs的控制效果不如tHRT=20 d时；当tHRT=20 d时，挥发性固体（VS）去除率和ARGs的削减效果最好.对比tHRT=10 d时的taMTPAD工艺和MTPAD（两相厌氧消化）工艺，发现对剩余污泥进行热碱预处理能提升产酸相150.32%的VFA产量和产甲烷相89.3%的甲烷产率，但同时热碱解却使得厌氧消化后污泥部分ARGs（sul1、tetO、tetW、tetX）相对丰度回升.研究表明，延长tHRT有利于taMTPAD工艺削减ARGs和VS，而缩短tHRT则有利于产气.
关键词:剩余污泥热碱解两相厌氧总水力停留时间抗性基因
Efficiency and the change of antibiotic resistance genes during thermal-alkaline hydrolysis and mesophilic two-phase anaerobic digestion of excess sludge
WU Xueshen1,2
, HU Yongyou1,2 , LIAO Zicong1,2, CHENG Jianhua1,2, CHEN Yuancai1,2 1. School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006;
2. The Key Lab of Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industry Cluster, Ministry of Education, South China University of Technology, Guangzhou 510006
Received 29 December 2018; received in revised from 25 March 2019; accepted 25 March 2019
Abstract: In order to stabilize the excess sludge and assess its ecological environment risks, the thermal-alkaline hydrolysis integrated mesophilic two-phase anaerobic digestion(taMTPAD) system was constructed. The effects of the thermal-alkaline hydrolysis conditions and the total hydraulic retention time (tHRT) of 20, 16 and 10 d on the performance of taMTPAD and the removal of antibiotic resistance genes (ARGs) was investigated. Results show that volatile fatty acid(VFA) accumulation in acidogenic phase and the daily biogas production in methanogenic phase reached the maximum at the HRT of 10 d, but the worst removal efficiency of ARGs was found. With regarding to HRT of 16 and 20 d, the reactor performance was similar, but the removal of sulfonamide ARGs was lower than that with the HRT of 20 d. Hence, the maximal removal rate of volatile solid(VS) and ARGs was achieved at tHRT=20 d. Compared with MTPAD (two-phase anaerobic digestion) under tHRT=10 d, thermal-alkaline hydrolysis could increase the VFA production in AP by 150.32% and the methane yield in MP of 89.3% in taMTPAD. However, the ARGs(sul1, tetO, tetW, tetX) were partially recovered after thermal-alkaline hydrolysis. Overall, prolonging tHRT was beneficial to taMTPAD process to reduce ARGs and VS, while shortening tHRT was beneficial to biogas production.
Keywords: excess sludgethermal-alkaline hydrolysistwo-phase anaerobic digestiontotal hydraulic retention timeantibiotic resistance genes
1 引言(Introduction)污泥厌氧消化(Poland et al., 1971; Ponsa et al., 2008)是一种较为常见的污泥稳定处理工艺, 由于其能同时实现污泥减量和生物质能的回收(CH4), 目前在世界范围内被视为处理剩余活性污泥最有效、最经济的方法.污泥两相厌氧工艺是较单相厌氧更高级的厌氧生物处理工艺, 其启动速度和稳定性要优于单相厌氧.然而, 两相厌氧消化的处理效果较单相厌氧消化提高的幅度并不大, 原因是污泥细胞难以水解破壁.污泥水解是污泥厌氧消化的控制步骤(Li et al., 1992), 而污泥预处理(碱水解(Li et al., 2012)、热水解(Gianico et al., 2013)、超声破解(Shao et al., 2010))能加速污泥水解, 大大提升厌氧消化系统的产气效率.Wu等(2008)用超声破解法促进污泥两相厌氧消化, 发现产气量提升了67.5%~107.8%.Zhang等(2008)用超声-石灰联合破解法强化污泥两相厌氧, 总VS去除率可达40.8%.相对于单相厌氧而言, 两相厌氧有着更短的固体停留时间(SRT)和更高的稳定性, 其应用前景较好.因此, 对于剩余污泥的两相厌氧消化或预处理+两相厌氧消化技术, 有必要进行深入研究.
近年来人们对滥用抗生素的担忧与日俱增.抗生素的大量使用导致细菌耐药性增加, 微观表现为抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes, ARGs)的种类和丰度大量增加.ARGs稳定性强、不易分解, 可以在不同区域之间迁移及在不同物种之间交换、传播, 因而成为新型环境污染物, 并引起全球范围内的广泛关注.而城市污水处理厂就是ARGs的一个重大储存库(Auerbach et al., 2007; Zhang et al., 2009; Lapara et al., 2011; Bouki et al., 2013).而经检测, 污水处理厂排放的剩余污泥中含有高浓度的ARGs(Munir et al., 2011a), 如四环素类抗性基因(TRGs), 出水中浓度约为102~106 copies·mL-1, 而污泥中的含量可达108~109 copies·g-1.剩余污泥在后续处理处置中有可能释放大量ARGs, 从而带来比水厂出水更大的环境风险.
Munir等(2011b)研究表明, 高级污泥处理法(厌氧消化和石灰稳定)相比于传统处理法(脱水和重力浓缩)能更好地降低ARGs丰度.Ma等(2011)研究发现, 延长固体停留时间(SRT)有利于大部分ARGs(sul1、sul2、tetX、tetG、tetC)的削减, 而小部分抗性基因(tetW、ermF、ermB)的丰度有所回升.Diehl和Lapara研究了不同温度(22、37、46、55 ℃)对四环素类ARGs(tetO、tetA、tetW、tetX、tetL)及Ⅰ类整合子整合酶基因(intI1)的影响, 发现随着温度升高, ARGs的削减效果增加(Diehl et al., 2010).Ghosh等(2010)也得到了相似的结论.
目前有关污泥两相厌氧技术的研究多集中在污泥的产气量、挥发性固体(VS)、挥发性脂肪酸(VFA)等常规指标的变化上, 而对于其中ARGs的丰度变化鲜有报道, 有关预处理的加入对污泥两相厌氧处理效果和ARGs的影响也少有研究.热碱解是碱水解和热水解的联用技术(Li et al., 2010), 具有操作简便、破胞效率高等特点; 且预处理后的污泥呈碱性, 增加了上清液中溶解性蛋白质的含量, 并能为厌氧系统提供一定的碱度.鉴于此, 本文选取热碱解作为污泥中温两相厌氧消化的预处理手段, 研究不同操作条件(pH、温度)及在两相厌氧的不同总水力停留时间(tHRT)下, 各常规指标(VS、COD、pH等)的变化情况, 并采用定量PCR技术, 检测热碱预处理及两相厌氧处理前后四环素类ARGs(tet)、磺胺类ARGs(sul)和Ⅰ类整合子整合酶基因(intI1)相对丰度的变化.旨在对“热碱解+两相厌氧”工艺的生态风险进行评价, 并为ARGs的污染防治提供理论依据.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 污泥的来源剩余污泥取自日处理量为50万t的广州市沥滘A2/O工艺污水处理厂污泥浓缩池, 每周取1次, 污泥性质如表 1所示.
表 1(Table 1)
| 表 1 污泥样品性质 Table 1 Characteristics of waste activated sludge | ||||||||||
表 1 污泥样品性质 Table 1 Characteristics of waste activated sludge
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2.2 剩余污泥热碱解方法本试验考察3个温度(常温、中温(70 ℃)、高温(120 ℃))和两个pH(10、11)条件下污泥的破解情况及抗性基因变化情况.常温、中温和高温的反应装置如图 1所示.常温碱解是将污泥调至指定pH后, 置于烧杯中, 用机械搅拌机搅拌反应1 h; 中温碱解是将污泥置于3 L三口烧瓶中, 调至指定pH后, 将三口烧瓶置于恒温水浴锅中, 温度调至70 ℃, 用机械搅拌机搅拌反应1 h; 高温碱解是将调至指定pH的污泥放入水热反应釜中, 再将反应釜置于烘箱中, 调温至120 ℃, 定时反应1 h.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 两相厌氧试验装置示意图(1.产酸相, 2.产甲烷相, 3.搅拌机, 4.水封瓶, 5.进出泥口, 6.集气袋, 7.恒温水浴锅) Fig. 1Schematic diagram of two phase anaerobic digestion experiment |
2.3 污泥中温两相厌氧实验方法中温两相厌氧反应装置如图 1所示, 反应装置由分置于两个恒温水浴锅中的两个三口烧瓶组成.其中, 1 L的三口烧瓶作为产酸相, 有效容积为0.8 L, 30 ℃水浴保温; 2 L的棕色三口烧瓶作为产甲烷相, 有效容积为1.5 L, 37 ℃水浴保温.
本试验以热碱预处理后的污泥作为基质, 以总水力停留时间(tHRT)作为变量, 考察不同tHRT下中温两相厌氧反应器运行效能及厌氧前后污泥中ARGs变化情况.产酸相和产甲烷相都采用半连续运行的方式, 每日进出一定体积的污泥, 以每日进出一定体积的污泥控制HRT.基质泥进入产酸相, 产酸相出泥为产甲烷相进泥, 两相换料方式都是先出后进.选取的3个tHRT分别为20、16、10 d, 对应的有机负荷(OLR)分别为0.82、1.04和1.68 kg·m-3·d-1.产酸相和产甲烷相之比为1:3, 其中, 产酸相工作体积为800 mL, 对应的HRT(Acidogenic Hydraulic Retention Time, aHRT)和每日进出泥量分别为5、4、2.5 d和160、200、320 mL·d-1; 产甲烷相工作体积1500 mL, 对应的HRT(Methanogenic Hydraulic Retention Time, mHRT)和每日进出泥量分别为15、12、7.5 d和100、125、200 mL·d-1.最后以未处理的污泥作为基质泥, 在tHRT=10 d的条件下运行一组空白样, 即“中温两相厌氧消化”工艺(Mesophilic Two Phase Anaerobic Digestion, MTPAD), 其OLR为1.97 kg·m-3·d-1.4个运行工况所对应的操作参数条件如表 2所示.4个工况分别运行30、20、15和15 d, 使得系统充分稳定.各工况运行时间结束后再运行7 d, 取原泥、热碱解后的污泥及产酸相、产甲烷相出泥进行ARGs的相关分析.其中, 产酸相和产甲烷相连取3 d出泥, 混合后作为ARGs的样品.运行期间对两相出泥的常规指标(TS、VS、VFA、NH3-N等)及产气量进行监测.
表 2(Table 2)
| 表 2 中温两相厌氧试验操作条件参数 Table 2 The operating conditions parameters of two phase anaerobic digestion experiment | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2 中温两相厌氧试验操作条件参数 Table 2 The operating conditions parameters of two phase anaerobic digestion experiment
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2.4 常规指标分析方法SCOD、TCOD、VS、TS、NH3-N、VFA、ORP和pH采用标准方法测定(APHA, 2005).SCOD、VFA和NH3-N为高速离心机(转速为8000 r·min-1)离心10 min后取上清液测定.产酸相水封密闭, 只收集产甲烷相生物气.生物气用500 mL集气袋收集, 气体体积用100 mL针筒进行测量, 甲烷百分比用排NaOH法进行测定, 具体操作为：用针筒抽取10 mL生物气, 缓缓注入充有8 mol·L-1 NaOH的座式发酵管中, 待生物气全注入管中后, 管中溶液液面刻度除以10 mL即是甲烷百分比.
预处理实验部分测试指标为SCOD、TCOD、蛋白质和多糖, 产酸相和甲烷相定期监测SCOD、TCOD、VS、TS、NH3-N、VFA、ORP和pH.污泥破胞率(DDCOD)计算公式如下：
 | (1) |
2.6 ARGs定量分析本研究主要检测4个四环素抗性基因(tetG、tetO、tetW、tetX)、2个磺胺类抗性基因(sulⅠ、sulⅡ)、Ⅰ类整合子整合酶基因(intI1)及16S rRNA.反应体系为：5 μL Roche FastStart Universal SYBR Green Master溶液, 3 μL ddH2O, 正向引物和反向引物各0.75 μL, 0.5 μLDNA模板.反应采用两步法PCR扩增程序, 温度程序为：95 ℃预变性10 min; 之后进行40个循环, 温度控制为95 ℃变性30 s, 60 ℃退火30 s.QPCR结束后, 利用溶解曲线方法判断是否有非特异性扩增干扰.以一系列已知浓度的10倍梯度稀释的质粒DNA制定标准曲线, 对结果进行分析, 每个基因片段测3个重复.
2.7 数据处理方法数据处理采用SPSS 20.0、Excel及Origin 8.0软件.
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 剩余污泥热碱解效果3.1.1 SCOD、破胞率、蛋白质和多糖变化规律剩余污泥经热碱解后, 细胞大量破碎, 胞内物质释放, 表现为SCOD大幅度提升.如图 2a所示, 无论是pH=10还是pH=11, 中温和高温的破胞效果都明显高于常温, 但中温碱解和高温碱解破胞效果相差不大, 原因可能是高温碱解缺少搅拌, 传质传热效果不如中温碱解, 故而限制了高温碱解的破胞效果.高温高pH下, 污泥细胞破裂的同时释放出大量溶解性糖类和蛋白质, 二者是后续产酸的主要底物(Cai et al., 2011).如图 2c所示, 由于碱的加入使得蛋白质分子带上大量负电荷, 溶解性增加(Yu et al., 2008).所以热碱解后, 污泥上清液蛋白质含量明显高于原泥, 且初始pH=11时蛋白质含量也显著高于pH=10时.但由于高温时部分蛋白质发生了变性和分解, 120 ℃时蛋白质含量要低于70 ℃时.如图 2d所示, 多糖变化规律与SCOD类似(p < 0.01), 都是随着温度的升高而增加, 同样, 高温时上清液多糖含量仅略高于中温时.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 不同热碱解条件对污泥常规指标的影响(a.SCOD, b.DDCOD, c.蛋白质, d.多糖) Fig. 2Effect of thermal-alkali pretreatment on the regular indexes of sludge at different condition |
3.1.2 剩余污泥热碱解前后ARGs的变化许多机制参与了抗生素耐药性的产生, 目前主要有4种机制(Kumar et al., 2005; Lambert et al., 2005)：抗生素外排泵(tetG)、核糖体保护蛋白(tetW、tetO)、产生水解酶或钝化酶(tetX)、改变细胞膜通透性(sul1、sul2).本试验选取的6种基因片段皆为高频检出基因, 且覆盖了以上4种作用机制.热碱解试验的抗性基因测定结果如图 3所示.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 不同热碱解条件对污泥ARGs和intI1的影响(a.intI1, b.sul1, c.sul2, d.tetG, e.tetO, f.tetW, g.tetX) Fig. 3Effect of thermal-alkali pretreatment on the ARGs and intI1 of sludge at different condition |
对于intI1、sul1和sul2, 在3个温度下, pH=10时对3种基因片段的削减效果都优于pH=11时, 且相对丰度的最小值都在中温、pH=10时取得.intI1与sulⅠ显著相关(p < 0.05).对于tetG、tetO、tetW、tetX 4种四环素ARGs, 除高温、pH=11这个条件使四者相对丰度回升外, 其余操作条件都对4种四环素ARGs有一定的削减作用.如图 3d~g所示, 中温、pH=11对4种四环素ARGs的控制效果最佳.
综合SCOD、多糖和蛋白质的溶出情况, 且考虑到对ARGs的控制作用, 本试验选取pH=11、T=70 ℃, t=1 h对剩余污泥进行预处理, 进行后续两相厌氧消化试验.
3.2 热碱解-中温两相厌氧消化(taMTPAD)处理效果3.2.1 pH、ORP随时间的变化对于产酸相, 反应前6 d, 由于有机物水解酸化大量消耗碱度, 导致pH呈明显下降趋势; 第7 d起产酸相pH回升, 原因是随着厌氧反应的进行, NH4+、HCO3-等缓冲物质逐渐积累, 导致pH小幅回升.当tHRT由20 d缩短为16 d时, 即OLR由0.82 kg·m-3·d-1提升至1.04 kg·m-3·d-1时, 产酸相由于负荷增加, pH略有下降但幅度不大, 最终在7.28附近波动, 此时产酸相pH已低于产甲烷相.当tHRT缩减为10 d时, 即OLR达到16.79 kg·m-3·d-1时, 基质总量的增加导致VFA进一步积累, pH进一步下降, 但由于有来自热碱解的碱度补充, 尽管产酸相HRT(aHRT)仅有2.5 d, pH仍然保持在7以上.取消热碱解后, 由于缺少了碱度补充, pH急剧下降, 最终稳定在6.35左右.
对于产甲烷相, 其pH波动幅度远小于产酸相.由于产酸相对进泥负荷的缓冲作用(Raynal et al., 2005), tHRT的缩短并没有造成产甲烷相pH大幅度改变, 两相系统表现出较强的稳定性.taMTPAD工艺在3个tHRT下, 产甲烷相pH都在7.3~7.5内波动, 该pH范围非常适合产甲烷菌生长繁殖.而对于MTPAD工艺, 产甲烷相pH受产酸相影响略有下降, 最后稳定于6.91附近.
如图 4b所示, 与pH相同, 整体而言, 产酸相ORP波动较产甲烷相大.尽管产酸相ORP有着较大幅度波动, 但由于产酸菌对环境适应能力强, 产酸相能正常运行.当OLR提升至16.79 kg·m-3·d-1时, 产甲烷相ORP更低, 达到了-340 mV以下, 更加适合产甲烷菌生长.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 两相厌氧反应器运行期间pH(a)、ORP(b)的变化趋势 Fig. 4Trend of pH (a) and ORP (b) during the operation period of two phase anaerobic digestion reactor |
3.2.2 VS、TS随时间的变化对于taMTPAD工艺, 在3个tHRT下, 两相系统总VS去除率稳定值分别为37.38%、34.14%、33.15%;而MTPAD工艺(tHRT=10 d, OLR=1.97 kg·m-3·d-1)的总VS去除率仅为24.47%.表明热碱预处理能显著提升两相系统总VS去除率, 而延长HRT亦能增加总VS去除率, 但增幅不大.对于taMTPAD工艺, 当tHRT=20和16 d时, 即OLR分别为0.82和1.04 kg·m-3·d-1时, 产酸相对VS的去除贡献要明显高于产甲烷相, 但当tHRT缩短为10 d时, 即OLR达到16.79 kg·m-3·d-1时, 两相对VS去除贡献相当.推测原因可能是前两个tHRT下aHRT也较长, 且产酸相有着较适合产甲烷菌生长代谢的VFA浓度、pH、ORP、温度等条件, 产酸相已有一定程度的甲烷化, 从而使得VS被大量削减.而当aHRT缩短至2.5 d时, 由于停留时间不足, 产甲烷菌丰度下降, 产酸相对VS的去除贡献也随之降低.而MTPAD工艺中产酸相对VS几乎无去除作用, 产甲烷相几乎承担了所有的VS去除任务.原因是由于缺少预处理, 产酸相中微生物无法获取更多的有机质进行代谢, 表现为VS去除率下降.
反应器运行过程中TS和VS变化如图 5a所示, 产酸相的TS、VS变化规律与产甲烷相基本相同.对于taMTPAD工艺, 随着负荷提升, 两相的TS、VS都呈上升态势.取消热碱预处理后, 产酸相和产甲烷相的出泥TS、VS都明显上升, 表明热碱预处理能显著强化两相厌氧的VS削减能力.
图 5(Fig. 5)
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| 图 5 两相厌氧反应器运行期间中VS、TS变化趋势(a.TS、VS, b.VS去除率) Fig. 5Trend of TS and VS during the operation period of two phase anaerobic digestion reactor |
3.2.3 NH3-N、SCOD、VFA随时间的变化NH3-N是胺类有机物分解代谢的产物(Astals et al., 2018).如图 6a所示, 在前两个tHRT阶段, 产酸相和产甲烷相的NH3-N波动都较为剧烈, 在336~745 mg·L-1之间.taMTPAD工艺中两反应器中的NH3-N变化趋势高度一致(p < 0.01), 但总体而言, 产甲烷相中的NH3-N要略高于产酸相, 原因是有机质在产甲烷相中进一步分解脱氨.当tHRT=10 d时, 即OLR达到16.79 kg·m-3·d-1时, 由于每日输入系统中的有机物总量变大, 有机质分解产生的NH3-N也增多, 故而两相NH3-N浓度都升高至730 mg·L-1以上.而对于MTPAD工艺, 由于取消了预处理, 进泥NH3-N下降, 加之SCOD的缺失, 水解产酸活动减弱, 导致产酸相NH3-N急剧下降.因为有产酸相的缓冲, 产甲烷相NH3-N变化稍滞后, 但其浓度明显高于产酸相, 表明产甲烷相也有着较强的有机质分解代谢作用.
图 6(Fig. 6)
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| 图 6 两相厌氧反应器运行期间中NH3-N、SCOD和VFA变化趋势 Fig. 6Trend of NH3-N、SCOD and VFA during the operation period of two phase anaerobic digestion reactor |
如图 6b所示, 4个运行阶段, 无论是产酸相还是产甲烷相, SCOD和VFA的变化规律都较为相似(p < 0.01).对于taMTPAD工艺, 产酸相出泥VFA和SCOD都呈现出先升后降的趋势.如3.2.2节所言, 当tHRT=20和16 d时, 即OLR为0.82和1.04 kg·m-3·d-1时, 产酸相一定程度上已经甲烷化, 其中大量的产甲烷菌对VFA和SCOD进行消耗, 因此, 上清液VFA和SCOD呈下降趋势.当aHRT缩至4 d时, 由于停留时间缩短, 甲烷菌无法继续富集, 产酸相VFA和SCOD逐渐停止下降, 并开始小幅度回升, VFA的生成速率略高于消耗速率.当aHRT继续缩短至2.5 d时, 产酸相中产甲烷菌被大量淘汰, 产酸菌逐渐占优势, VFA生成速率迅速超越消耗速率, 产酸相VFA大量积累, SCOD也急剧上升.取消热碱解后, 由于产酸相温度较低, 水解破胞作用较弱, 产酸菌无法获得充足的底物进行产酸, 故而VFA和SCOD都迅速下降至较低水平.表明热碱预处理能较好地促进产酸相积累VFA, 提升了产酸相150.32%的VFA产量.
反观产甲烷相, 由于产甲烷相中大量的产甲烷菌对VFA进行代谢, VFA由始至终都处于较低水平, 并不因tHRT的缩短而波动或急剧上升, 甚至酸败, 表明两相系统有着极强的稳定性.
3.2.4 日产气量和甲烷产率本试验仅收集了产甲烷相的生物气.如图 7所示, 由于产甲烷相的进泥为产酸相的出泥, 且产甲烷相中富集有大量产甲烷菌, 因此, 日产气量和甲烷产率与产酸相出泥VFA有着极其相似的变化趋势(p < 0.01).前期由于产酸相甲烷化, 产甲烷相无法获取足够的VFA进行甲烷代谢, 因此, 日产气量和甲烷产率皆呈下降趋势.而随着负荷的提升, 产甲烷相得到了充足的VFA, 产气量也逐渐提升.当taMTPAD工艺的mHRT缩减为7.5 d时, 日产气量和甲烷产率达到最大值, 平均分别为574 mL·d-1和143.81 mL·g-1 (以每g VS产甲烷量(mL)计, 下同).而MTPAD工艺日产气量和甲烷产率平均值仅为398 mL·d-1和75.97 mL·g-1, 可见热碱预处理能提升体系44.22%的日产气量和89.3%的甲烷产率.当mHRT为15 d和12 d时, 甲烷含量基本维持在80%左右; 而当mHRT=7.5 d时, 无论污泥是否经预处理, 甲烷百分含量都在75%左右.可见产甲烷相能进行稳定高效的产甲烷功能.
图 7(Fig. 7)
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| 图 7 两相厌氧反应器运行期间中日产气量、甲烷百分比(a)和甲烷产率(b)变化趋势 Fig. 7Trend of daily gas production, methane ratio (a) and methane yield (b) during the operation period of two phase anaerobic digestion reactor |
3.3 热碱解-中温两相厌氧消化(taMTPAD)工艺对ARGs的影响3.3.1 intI1和ARGs的变化两相厌氧试验中, 除tetX外, 热碱解使得其余6种基因片段都略有上升.对于taMTPAD工艺, 可以明显可以看出tHRT=20 d时, 即OLR为0.82 kg·m-3·d-1时, 产甲烷相出泥中6种ARGs和intI1的相对丰度较原泥都有所下降.对于sul2和tetO, tHRT=20 d时, 产酸相使得二者的相对丰度大幅下降, 但经过产甲烷相后会回升, 但仍低于原泥.当tHRT=16 d时, 即OLR为1.04 kg·m-3·d-1时, 两相系统对intI1、sul1和sul2作用不明显, 但能较为有效地控制tetG、tetO、tetW、tetX 4个四环素类ARGs的相对丰度.当tHRT=10 d时, 即OLR达到16.79 kg·m-3·d-1时, taMTPAD工艺对intI1、tetG和sul2有着较显著的控制作用, 但会引起sul1、tetO、tetW和tetX 4种ARGs的富集.其中, 产酸相能大幅削减tetO、tetW和tetX 3种四环素ARGs的丰度, 而产甲烷相却使得三者大量富集, 这点发现不同于Wu等(2016)的研究.总体而言, 长tHRT更有利于ARGs削减, 而短tHRT由于负荷更高, 更有利于耐药菌增殖, 从而可能引起ARGs回升.
而MTPAD工艺, 对除tetG以外的其余片段皆无显著作用效果.污泥经过MTPAD工艺处理后, tetG的相对丰度从3.395×10-4降至3.993×10-5.而加了热碱预处理后, 其相对丰度能从2.62×10-4降至1.31×10-5, 削减效果更加显著.综合6种ARGs片段, MTPAD工艺对ARGs丰度的控制要优于taMTPAD工艺, 表明热碱预处理有可能会促进后续厌氧消化中耐药菌增殖.该结论与Tong等(2016)研究结果类似, Tong等研究表明, 经过微波处理和微波酸解处理后, 再进行单相厌氧处理, 部分抗性基因相对丰度会回升.
图 8(Fig. 8)
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| 图 8 两相厌氧中intI1和ARGs丰度变化(a.intI1, b.sul1, c.sul2, d.tetG, e.tetO, f.tetW, g.tetX) Fig. 8Abundance changes of intI1 and ARGs in two phase anaerobic digestion |
3.3.2 中温两相厌氧过程各基因片段相关性分析两相厌氧过程中各基因片段间的相关分析结果如表 2所示.Ⅰ类整合子整合酶基因(intI1)是一种允许细菌结合外生基因盒并调节其表达的基因片段, 对绝大多数ARGs的交流和整合起重要作用(Mazel et al., 2006).本研究中, intI1仅与sul2呈显著性正相关(p < 0.01), 表明该体系中ARGs的变化与基因水平转移(HGT)途径关系并不大.且如图9a所示, 当tHRT=20和10 d时, taMTPAD工艺对intI1都有着较好的削减作用, 表明taMTPAD工艺可能有效地堵塞了HGT途径.且由表 2可得, tetO与tetW、sul2显著正相关(p < 0.01), tetX、tetO、tetW三者之间同样显著相关.表明该研究体系中, 四环素类ARGs的行为有着明显的平行关系.
表 3(Table 3)
| 表 3 各基因片段间的相关性分析 Table 3 Correlation analysis of gene fragment | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 3 各基因片段间的相关性分析 Table 3 Correlation analysis of gene fragment
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4 结论(Conclusions)初始pH=11、T=70 ℃、t=1 h为热碱预处理最佳实验条件, 在此条件下, 污泥中的内容物能得到较大程度的释放, 同时也能在一定程度上削减部分ARGs.在20、16和10 d 3个不同的tHRT下, taMTPAD工艺都表现出了较强的稳定性, 未出现停止产气、酸化等不良现象.3个tHRT下, 当tHRT=20 d时, VS去除率最高, 但在tHRT=10 d时, 日产气量和甲烷产率达到最大值.tHRT=16 d时, 反应器运行效果与tHRT=20 d时相差不多.对比MTPAD工艺和taMTPAD工艺, 实验结果表明, 热碱预处理能显著提升产酸相的产酸能力和产甲烷相的产气能力.当tHRT=20 d时, taMTPAD工艺对6种ARGs和intI1都有着较好的削减效果; tHRT=16 d时, 该工艺对磺胺类ARGs无削减作用; 当tHRT=10 d时, 部分ARGs相对丰度明显回升.对比MTPAD工艺发现, 对污泥进行热碱预处理后, 两相厌氧系统对部分ARGs有着较好的控制作用, 但会造成另一部分ARGs丰度回升.总体而言, MTPAD工艺对ARGs的控制效果要优于taMTPAD工艺, 但taMTPAD工艺的污泥处理效果显著优于MTPAD.通过研究ARGs与intI1的相关性表明, 该体系中ARGs的变化与基因水平转移(HGT)途径关系不大, ARGs的行为以垂直转移为主.
虽然目前对于污泥的处理没有ARGs的要求, 但考虑到ARGs传播将给人类健康带来巨大风险, 建议在实际污泥处理中综合考虑污泥常规指标和ARGs控制选择工艺操作参数, 或增设焚烧、制砖等无害化技术, 以便更好地控制ARGs污染.
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