污泥是污水、造纸等行业可持续化发展的老大难问题，也是一个亟待解决的社会民生问题。污泥厌氧消化是利用兼性菌和厌氧菌的生化反应，分解污泥有机物质的一种方法。其工艺能够将污泥有机物稳定化、资源化，在世界各地得到普遍推崇。通过厌氧消化，污泥中大部分的病原菌和蛔虫卵被杀灭，部分有机氮转化成氨氮，有机物质被消化分解，产生能量(甲烷);消化完全时，还可以消除恶臭。厌氧消化工艺操作比较方便稳定、处理过程中排污泥量少，污泥生物稳定性和脱水性也大为改善。本文在介绍污泥厌氧消化三段论的基础上(水解阶段、产酸阶段、产甲烷阶段)，对其生产过程的酸碱性、温度、碳氮比等影响因素的研究进展进行综述。
1、污泥厌氧消化运行阶段
1.1 预处理及水解阶段
微生物破壁和水解是污泥厌氧消化的限制因素之一。通过预处理，污泥中的碳水化合物、类脂化合物和蛋白质等固态或胶态有机质大分子，水解成细菌可吸收的溶解性物质，水解过程还伴随着少量的二氧化碳和氨气，水解反应式如下：
微生物细胞壁的破壁技术主要包括生化技术、物化破壁技术。生化技术包括利用高效厌氧水解菌水解和利用好氧或微氧嗜热溶胞菌在较高温对污泥强化水解两类。物化破壁技术包括热水解处理、超声波处理、碱解处理、臭氧处理等。其中热水解处理是将污泥在密闭容器加热，使污泥絮体发生一系列的物理化学变化的预处理过程，在实际生产中最为常见。研究结果表明，热水解能改变污泥生物降解性能，特别是对溶解性碳水化合物、挥发性悬浮固体(VSS)的水解率有较大的影响，而对氨氮影响较小。超声波预处理的研究主要集中在不同频率、不同强度对污泥作用效果。王晓燕认为，超声处理能促进生物酶强化污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸;曹秀芹等认为作用时间对污泥破解效果的影响远大于声能密度。徐慧敏等基于超声联合热碱有效破解污泥有机质研究表明，二者同步可以大幅度提高有机质的破解，提高其生物可利用性。此外，石璞玉等臭氧预处理研究表明，臭氧投加量与污泥破壁效果呈现正相关，而超声处理比臭氧处理对厌氧微生物起到更强的消减作用。
1.2 产酸阶段
进行水解的兼性菌完成水解后，将水解产物吸入，继续进行分解代谢，即为产酸阶段。产酸阶段主要依靠产酸菌发挥作用。产酸菌一般为兼性菌，也有少量绝对厌氧菌。产酸菌在污泥中大量存在且生长速率快，适应的温度范围广，能够在高温环境下存活。在厌氧消化过程中，产酸菌能够将非溶解性的有机物质分解并转化为简单的溶解性物质，代谢产物主要为挥发性脂肪酸、挥发醇及一些醛酮物质。消化产物脂肪酸主要包括乙酸、丙酸和丁酸，占挥发性脂肪酸95%，其三种酸中以乙酸为主，占65%~75%;挥发醇主要为甲醇和乙醇。这些溶解性物质能够为产甲烷菌生长繁殖提供营养物质。产酸菌能够通过自身活动消除厌氧消化初期带入的溶解氧，并且能够裂解苯环、重金属等对产甲烷菌有害的物质(H2O2浓度较低时，兼性菌会分泌出一种分解H2O2的酶，将H2O2分解掉，而专性厌氧菌无此功能，这也是兼性菌和专性厌氧菌之间区别本质所在)。
也有学者认为，污泥消化可以考虑将有机质尽可能转化为短链有机酸类(如乙酸)，再通过耦合系统转化为高附加值生物化学品，即将反应控制在产酸阶段，这样不仅可使污泥获得稳定化、无害化处理，还可以寻求污泥资源化再利用的新途径。
1.3 产甲烷阶段
产甲烷率是污泥厌氧消化最大的瓶颈问题。一是产甲烷菌是专性厌氧菌，氧的存在能使其迅速失去活性。其机理是当环境有氧存在时，氧气能与产酸阶段产生的氢气迅速合成双氧水，双氧水是一种强氧化剂，其浓度较高时，对所有类型的细菌均具有杀伤作用。二是产甲烷菌繁殖速度慢，代谢活力不强，只能利用挥发性脂肪酸代谢成甲烷。因此产酸阶段是产甲烷阶段的前提，大部分甲烷菌将产酸阶段产生的乙酸吸入胞内进行代谢。
为了提高产甲烷速率，国内外科技工作者做了大量基础性的研究与探讨。孙龙研究表明，10%的含固率和5%的含固率产甲烷气率和有机质去除率类似，实际生产可以考虑设计较高含固率厌氧反应器。此外，应用新材料是研究热点之一。Bigg等利用纳米材料导电性，将其作为电子供体将二氧化碳还原成甲烷，提升产甲烷菌的产甲烷性;研究还发现0.1%的纳米零价铁的添加量，可以提高甲烷产量30.4%~40.4%。夏兆辉等认为炭材料如生物炭、活性炭等具有比表面积大、导电性优良等，可以促进厌氧消化系统中电子传递，促进二氧化碳还原成甲烷。
2、污泥厌氧消化的影响因素
2.1 酸碱度
酸碱度是污泥厌氧消化限速因子之一。厌氧消化整个过程，通常水解、产酸和产甲烷三个阶段同时存在，各种酸碱综合作用，体现为消化液pH值。改变pH可以引起水解酸化过程中微生物种群和代谢途径的剧烈变化。产酸菌和产甲烷菌均在特定pH值范围才能发挥代谢作用，见表1。当水解和产酸速率超过产甲烷阶段，会造成有机酸的累积而抑制反应;产甲烷与产酸速率接近，则无大量有机酸累积，消化液的pH值升高。发酵产酸中间产物难以控制，产量不稳定，但pH值可以作为综合各个阶段消化状态的一个指标。研究认为，碳水化合物和蛋白质的水解挥发性脂肪酸(VFA)的产生量和产生速率在pH等于7条件时达到最大，以TOC和COD表示的水解效率高达80%以上。
2.2 温度
厌氧消化根据消化温度差异，可以分为高温消化(50℃以上)、中温消化(30~36℃)、常温消化三种方式。当温度在55~60℃左右时，消化效率最高，厌氧消化也比较稳定，消化时间仅需要10d左右。从微生物活性来说，产甲烷菌正常生存的温度范围10~60℃，其活性随着温度升高而增大。当温度低于10℃，虽能存活，但代谢将基本停止;当温度超过70℃活性降低。
国内污泥厌氧消化早期多集中于中温条件，高温消化被认为需要消耗更大能量。张辰研究认为，高温厌氧消化对VS和COD具有更高的去除率，提供更多的产甲烷基质和沼气量。无论高温或中温消化均会导致污泥脱水性能变差，且高温消化污泥的毛细吸水时间(CST)高于中温消化污泥。对病原菌的杀灭方面研究发现，中温厌氧消化粪大肠菌群数较少，小于2×106MPN/g，高温厌氧消化满足小于1000MPN/g，说明高温厌氧消化残渣制作肥料更安全可靠。为保持消化池内的温度适中，必须进行加热升温。厌氧消化池的常用加热方式包括：在消化池外热交换器预热、用蒸汽直接在消化池内加热、在消化池内部安装热水加热盘管三种。
2.3 营养与碳氮比
合成细胞所需要的碳源具有双重任务。一是作为反应过程的能源，二是合成新细胞。合成细胞的C/N比约为5∶1，要求C/N比约为(10~20)∶1。如果氮量不足，则消化液缓冲能力低，pH容易降低。反之，pH可能上升，铵盐容易累积，会抑制消化过程。孙洪伟等认为，碳氮比C/N对胞外聚合物(EPS)及其组分具有显著影响。当C/N由0升高至15，EPS和紧密结合型胞外聚合物(TB-EPS)含量逐渐升高，而松散型胞外聚合物(LB-EPS)含量逐渐降低。此外，C/N增大导致毛细吸水时间(CST)和污泥比阻(SRF)值显著增大，污泥的脱水性能变差。实际生产中，污泥碳氮比较低，易产生氨抑制，污泥单独厌氧消化存在产气量低、系统不稳定等问题。利用果蔬、厨房垃圾等易腐有机废物与污泥共消化可以提高甲烷产率与单位处理效率。
2.4 其他
搅拌，厌氧消化池存在分层现象，透过搅拌可以消除分层，增加污泥与微生物的接触，使进泥与原有原料充分接触，加快消化速度。实际生产多采用间歇搅拌方式或多级搅拌方式。由于产甲烷菌的增殖较慢，对环境变化敏感，生物固体停留时间(污泥龄)也是厌氧消化的影响因素之一。污泥池中的硝酸盐将被还原成氮气，由于细胞增殖很少，很少氮转化为细胞，大部分转化为消化液中的氨，氮平衡也是重要的影响因素。另外，重金属及胺类等有毒物质也是影响因素。
3、结论与展望
污泥处置需考虑的因素包括产业结构、土地资源、城市化程度等。我国污泥处置仍然以土地填埋和土地利用为主。污泥厌氧消化是国际上应用最广泛的污泥中有机物稳定化和资源化方法，能够将污泥有机质转化为能量(能源)，生产过程的排泥量少，消化副产物是一种很好的土壤调理剂或有机基质。也必然是我国未来污泥处置的主流之一。(来源：广东华扬环保科技股份有限公司)