污水生物处理过程中会产生大量的剩余污泥，其中含有泥砂、纤维等固体颗粒，凝结的絮状体以及各种胶体、有机质、重金属、病原菌、寄生虫卵以及病毒等，通常占污水处理量的0.3%~0.5%（含水率按97%计算）^〔1〕。如果不对剩余污泥进行妥善处理，将会导致重金属等污染物再次释放到环境中，引起二次污染。目前，常采用厌氧消化技术对剩余污泥进行稳定化、减量化、资源化处理^〔2〕，同时还可以获得沼气回收能源。但传统的厌氧消化技术存在有机质厌氧转化率低、停留时间长、产气率较低等缺点。对此，通过添加外源物质来促进剩余污泥厌氧消化成为研究热点。通过添加外源物质可以提高剩余污泥中的COD向甲烷方向转化的能力，这种能力一方面来自外源物质带来的化学作用，另一方面来自于它对微生物的刺激作用^〔3-4〕。

近年来很多研究表明，单独添加的铁、碳在促进剩余污泥厌氧消化中起到积极作用，然而很少有研究涉及铁碳的联合投加对于剩余污泥厌氧消化是否具有更好的促进效果。因此，本研究对单独加铁、单独加碳和铁碳联合投加对剩余污泥厌氧消化的影响进行了对比研究，并且通过改变铁、碳的投加量，考察了其对剩余污泥厌氧消化过程的强化效果。该项研究对于提高污泥厌氧消化的效果，节约和回收资源具有非常重要的意义。

实验所用污泥取自南京某生活污水处理厂，该厂采用改良的A²/O工艺，污泥取自二沉池回流污泥。取回的污泥存放于4 ℃的冰箱中。接种污泥取自实验室稳定运行的UASB反应器，该反应器长期运行，进水COD为2 000 mg/L。剩余污泥经过热碱预处理后作为厌氧消化的底物。预处理过程：采用4 mol/L的氢氧化钠调节pH为12，同时加热到70 ℃，然后用搅拌器搅拌反应6 h，再用盐酸将pH调节到7。污泥的相关特性见表1。

厌氧消化实验分为2部分：水解酸化实验和完整的厌氧消化实验。

（1）水解酸化实验。将预处理后的剩余污泥在102 ℃下处理30 min，冷却至常温后，向其中加入一定量的溴乙基磺酸钠（BESA）至浓度为50 mmol/L，目的是为了抑制产甲烷过程^〔5〕。将处理过的底泥与接种污泥按照体积比9:1加入到反应器中。按编号向反应器中投加外源物Fe和粒状活性炭（GAC），编号和投加量见表2。铁、碳以及铁碳联合的添加量通过阅读其他文献确定。进行水解酸化实验前，通过氮气曝气去除氧气。置于恒温震荡培养箱中，在35 ℃下实验3 d。

（2）完整的厌氧消化实验。步骤除了不进行加热表2实验设计和外源物投加量（102 ℃处理30 min）和添加BESA处理之外，消化时间增加至20 d，其余步骤相同。厌氧消化产气使用气袋收集。

（1）VFAs测定。VFAs采用气相色谱法（Agilent 7890A气相色谱仪）测定^〔6〕。气相色谱使用氢火焰检测器（FID），色谱柱使用CD-ACIDWAX毛细管柱，30 m×0.25 mm×0.25 μm。载气为N₂、空气和H₂，流速分别为30、300、30 mL/min。气相色谱进样口温度250 ℃，压力186.01 kPa，分流比10:1。检测器和柱箱温度分别为300、250 ℃，进样量1 μL。测定前将水样过0.45 μm中空纤维膜，取过膜后的水样于气相色谱进样小瓶中，之后加入50 μL甲酸酸化。

（2）DNA测序。取部分接种污泥和每个反应器实验后的底泥，向其中加入同体积无水乙醇进行固定，随后置于-20 ℃的冰箱中保存。将样品送至上海美吉公司微生物事业部进行DNA提取和测序。使用引物524F-10-ext（5’-TGYCAGCCGCCGCGGTAA-3’）和Arch958R-mod（5’YCCGGCGTTGAVTCCAATT-3’）^〔7〕进行16S rRNA的扩增。

（3）其他相关测定指标及方法。pH：玻璃电极法；SS：重量法；VSS：灼烧减量法；COD：重铬酸钾法；蛋白质：蛋白试剂盒法；多糖：蒽酮硫酸法；气体成分：气相色谱法；二价铁离子：邻菲啰啉分光光度法。

各实验组剩余污泥水解酸化前后上清液组分的变化如图1所示。

由图1可以看出，经过3 d的水解酸化，所有实验组污泥上清液中的SCOD都有所降低，其中P2和P4组的SCOD降低的最多，分别为8 103.2、8 017.3 mg/L，降解率也最高，分别为23.3%和24.1%，相较于对照组P0分别高出了8.8%和9.6%。虽然其铁的添加量有所区别，但从水解酸化过程中SCOD的降解来看，并没有什么区别。P0和P5组的SCOD最高，说明其降解率最低。蛋白质和多糖的数据变化趋势与SCOD相似。实验组上清液中蛋白含量最低的也是P2和P4组，分别为1 751.4、1 844.7 mg/L，其降解率分别为63.5%和61.5%，相较于对照组P0分别高出了17.7%和15.7%。P1和P3组的蛋白含量相近，去除率均低于P2和P4组，但高于P5组。P5组的蛋白去除率则与对照组P0相近。从多糖的数据来看，铁加入量的增大有助于多糖的降解；当铁加入量减少时，碳的同时加入也可以达到较好的效果。从对上清液组分的总体分析来看，铁碳联合添加对于水解酸化的促进作用要好于单独添加铁；在相同碳添加量下，铁的添加可以提高水解酸化的效率^〔8〕，但是铁添加量的增加并不能进一步促进水解酸化过程；碳的单独加入对于水解酸化的促进作用不大。

表3列出了各组剩余污泥在水解酸化3 d后的VFAs的成分及含量。

由表3可知，各组的乙酸占比都在35%以上。从乙酸的浓度可以看出，铁碳联合添加比单独添加铁可以更有效地促进乙酸的产生。值得注意的是，虽然P2和P4组的铁加入量有区别，但是乙酸含量相差并不大。说明碳添加量一定后，增加铁的添加量不能获得更多的乙酸产量。当没有碳加入时，铁的加入虽然能够促进产乙酸，但并不是铁添加量越高效果越好。

研究表明，丙酸对于产甲烷不利^〔9〕。从表3可以看到，丙酸含量最低的是P2组，其质量浓度为741.4 mg/L，而乙酸含量比较高的P4组的丙酸质量浓度为807.9 mg/L，这个值甚至高于P3组的753.9 mg/L。产生这一现象的原因是P4组的水解酸化效果比较好，降解的有机物多，产生的VFAs的总量多，因此相应的丙酸含量较高。结合丙酸和乙酸数据可知，铁能够有效促进水解酸化向着产乙酸的方向发展，铁碳的联合添加更加促进了这一效果。

图2为各组剩余污泥厌氧消化过程累积甲烷产量和日产甲烷量的变化。

从图2（a）可以看到，经过20 d的厌氧消化后，实验组累积甲烷产量相比于对照组来说都有一定的增长，P0、P1、P2、P3、P4、P5组的累积甲烷产量分别为191.6、221.1、249.5、235.6、258.7、214.0 mL/gVSS。说明铁和碳不管是一起加入还是分别加入都会对污泥的厌氧消化起到促进作用。不同的是，铁碳的联合加入相较于单独加入铁、碳对累积产甲烷带来的增量是不同的。P2和P4组的累积产甲烷增量明显大于P1和P3组，分别比对照组高出30.2%和35.0%。因此，碳的加入进一步强化了铁所起到的促进作用。P5组的累积甲烷产量比对照组高了22.4 mL/gVSS。综上可知，铁碳联合加入对产甲烷的促进作用要大于等量铁、碳单独加入时的促进作用。

从累积产甲烷的完成时间上来看，P2和P4组累积产甲烷完成时间为10~12 d，完成时间相对于其他组来说更早，说明铁碳联合加入能够促进厌氧消化的提前完成。

从图2（b）可以看到，P2和P4组的日产甲烷量增加的最快，并在第5天达到最大值，分别为67.8、72.2 mL/gVSS。而其他组的日产甲烷量相对增长的较慢，对照组由于没有添加任何可以起到促进作用的物质，因此产甲烷速率也最低。P2和P4组的日产甲烷量在第6天之后迅速下降，在第12~13天基本下降到最低值，而P1和P3组在第14天左右才下降到最低值，对照组P0和实验组P5在第15天以后才基本下降到最低值。可以看出，铁碳联合加入的实验组日产甲烷量升高的快，下降的时间也来的更早，说明铁碳的联合添加加强了剩余污泥厌氧消化的整个过程，而铁和碳的单独加入对于产甲烷的促进作用稍逊色于铁碳的联合添加。

各组剩余污泥厌氧消化前后VSS的变化如图3所示。

由图3可知，VSS减量效果最好的是P2和P4组，VSS去除率分别达到了54.7%和56.3%，比对照组P0分别高出了10.1%和11.7%，且高于单独添加铁、碳的P1、P3、P5组的VSS去除率。可见，铁碳的联合添加对于VSS去除的促进效果明显。另外，对比P2和P3组的VSS去除率可知，即使P3组的铁添加量高于P2组，但是由于碳的添加，P2组的VSS去除率还是优于P3组，说明在添加铁的情况下，适当地添加碳的强化作用要优于更多的铁的添加。从这一点来说，铁碳联合添加的实际意义显得格外重要。

厌氧消化20 d后，考察了各组污泥中微生物属水平的群落丰度。结果表明，各实验组和对照组的产甲烷菌种丰度最大的都是甲烷鬃毛菌（Methanosaeta），这种产甲烷菌是严格的乙酸型产甲烷菌，是利用乙酸进行产甲烷活动的微生物。其中，P2和P4组的Methanosaeta丰度最高，分别为51.7%和52.2%。这是由于P2和P4组水解酸化所产生的乙酸含量相较于其他实验组要高，提供给Methanosaeta的底物更加丰富，有利于Methanosaeta的生长，因此产甲烷效果也应该最好，这与前面的产气实验结果相吻合。P1和P3组的Methanosaeta丰度相较P2和P4组有所降低，但比对照组高。另外，P5组的Methanosaeta的丰度比P1组高，是因为碳的存在为微生物提供了附着点^〔10〕。

除了乙酸型产甲烷途径以外，另一种比较重要的产甲烷途径是耗氢产甲烷。研究表明，大约30%左右的甲烷生产来自于这一途径^〔11〕。占比最大也最重要的2种耗氢产甲烷菌为甲烷杆菌（Methanobacterium）和甲烷绳菌（Methanolinea）。结果表明，这2种耗氢产甲烷菌的丰度在各实验组中都超过了30%，其中Methanobacterium的丰度更大一些。对照组P0的Methanobacterium丰度最低，而其他实验组Methanobacterium的丰度都超过了25%，但丰度最高的是P3，而产甲烷效果最好的P2和P4组却相对较低。这是因为铁的加入促进了析氢作用，析氢作用的加强对于产甲烷过程有一定的促进作用，而且铁添加量的增加会进一步增强这样一个过程^〔12〕。

总体来说，铁碳联合添加促进了水解酸化过程，使Methanosaeta的丰度显著增加；同时，强化的析氢腐蚀作用使得Methanobacterium等耗氢型产甲烷菌丰度加大，活性提高。

（1）水解酸化实验表明，铁碳联合添加比单独添加铁、碳能更有效地促进剩余污泥的水解酸化过程，而且尽管铁的加入量减少，但碳的添加可使促进效果进一步增强。同时，铁碳联合添加时，进一步增加铁的添加量并不会取得更好的促进效果。另外，碳的单独加入不会对水解酸化有明显的促进作用。

（2）厌氧消化产气实验结果表明，P4组累积甲烷产量最高，达到258.7 mL/gVSS，比对照组提高了35.0%；同时，P2和P4组累积产甲烷完成时间相较于其他实验组显著缩短。说明铁碳的联合添加对于厌氧消化产甲烷具有明显的促进作用。

（3）铁碳联合添加可强化铁的作用，增加铁的溶出，从而进一步强化厌氧消化过程。铁碳联合添加有助于VSS的减量化，铁碳联合添加的P2和P4组的VSS去除率分别比对照组提高了10.1%和11.7%。

（4）铁碳联合添加可促进微生物中Methanosaeta的生长，同时铁碳联合添加通过进一步发挥铁的作用，富集了耗氢产甲烷菌的丰度。