王慧琴 李鳳麗

(鄭州澍青醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部，河南 鄭州 450000)

活性污泥工藝是目前廣受認(rèn)可的一種污水處理工藝，然而其在運行過程中得到的副產(chǎn)物——污泥中含有一定的有毒有害物質(zhì)，若處置不當(dāng)將污染環(huán)境。與此同時，污水處理廠進水碳源的不足往往限制了生物脫氮除磷的效率，需要額外補充大量外在碳源。近年來，應(yīng)用污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)短鏈揮發(fā)性脂肪酸(SCFA)的研究得到學(xué)者的普遍關(guān)注，該工藝不僅能夠有效減少污水處理廠的運行成本，也能很好地實現(xiàn)污泥的資源化與減量化。

污泥厭氧發(fā)酵一般可以分為4個連續(xù)的反應(yīng)過程，即溶解、水解、酸化和甲烷化過程。初始的溶解與水解反應(yīng)是污泥厭氧發(fā)酵的限速步驟[1]。因此，若要提高污泥厭氧發(fā)酵過程中SCFA的產(chǎn)量，需要強化溶解與水解過程，促進有機物轉(zhuǎn)化為SCFA，同時抑制甲烷化過程，盡量減少SCFA進一步轉(zhuǎn)化為甲烷。為提高溶解和水解速率，機械、微生物、投加化學(xué)試劑等預(yù)處理方式不斷應(yīng)用到污泥厭氧發(fā)酵工藝中[2]，其中利用表面活性劑強化污泥水解過程得到廣泛關(guān)注。表面活性劑能夠破壞污泥的胞外聚合物(EPS)，進而釋放胞內(nèi)污泥，加速厭氧發(fā)酵的水解反應(yīng)。JIANG等[3]研究發(fā)現(xiàn)，十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)能夠促進污泥的水解過程，同時提高SCFA的產(chǎn)量，且SDBS的最佳投放量為0.02 g/g。LIWARSKA BIZUKOJC等[4]通過添加表面活性劑顯著提高了污泥的水解速率。然而上述研究中采用的表面活性劑多為化學(xué)類表面活性劑，在環(huán)境中不易降解，毒性大，易造成環(huán)境的二次污染。

生物類表面活性劑是由生物產(chǎn)生的一種具有表面活性的物質(zhì)。生物表面活性劑易降解，毒性低，且對極端溫度及pH均有較高的耐受能力。易欣等[5]研究了鼠李糖脂對污泥水解的影響，發(fā)現(xiàn)鼠李糖脂能夠顯著降低污泥水解發(fā)酵液的表面張力，促進胞內(nèi)物質(zhì)的釋放。陳燦等[6]發(fā)現(xiàn)，烷基多苷能夠提高蛋白質(zhì)和可溶性糖的含量，進而提高SCFA的積累量，但上述生物類表面活性劑價格較高，不易大范圍內(nèi)推廣使用。

脂肽是一種微生物生產(chǎn)的生物類表面活性劑，具有易提取、價格相對低廉等優(yōu)點。然而，脂肽對污泥厭氧發(fā)酵的影響至今尚未報道。因此，本研究考察了脂肽投加量對污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的影響，探究了脂肽對SCFA生產(chǎn)的影響機制，以期對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的實際應(yīng)用和SCFA的回用起到一定的借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 污 泥

本實驗采用的污泥取自長沙第二污水處理廠二沉池的剩余污泥，污泥取回后置于4 ℃的冰箱內(nèi)存放22 h后去掉上清液，污泥的主要特征如下：pH=6.8±0.1，總懸浮固體(TSS)為(12 500±290) mg/L，揮發(fā)性固體(VSS)為(8 950±180) mg/L，總化學(xué)需氧量(TCOD)為(11 890±350) mg/L，總蛋白質(zhì)為(6 850±180) mg/L，總糖為(1 120±180) mg/L，SCFA為25 mg/L。

1.1.2 脂 肽

實驗用脂肽為市售產(chǎn)品，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%。

1.2 脂肽投加量對污泥厭氧發(fā)酵的影響

分別取500 mL污泥置于4個有效容積為600 mL的血清瓶中，向4個血清瓶中投加不同劑量的脂肽，調(diào)節(jié)脂肽投加量為0.02、0.04、0.08、0.10 g/g(以污泥中單位質(zhì)量TSS的脂肽投加量計，下同)。血清瓶經(jīng)過10 min吹氮后密封置于35 ℃恒溫振蕩器上，初始pH控制在7.0，厭氧發(fā)酵反應(yīng)時間持續(xù)15 d。以相同條件下不投加脂肽的污泥厭氧發(fā)酵實驗為空白組。

1.3 脂肽降解量對SCFA的貢獻

由于脂肽在污泥厭氧發(fā)酵過程中會發(fā)生降解，可能對SCFA的積累量造成干擾。為了解脂肽降解對SCFA的貢獻，取550 mL蒸餾水和0.15 g脂肽置于有效容積為600 mL的血清瓶中，投加50 mL污泥作為接種微生物，由于本實驗中投加的污泥量較少，因此可以認(rèn)為反應(yīng)體系中的SCFA完全來自脂肽降解。血清瓶經(jīng)過10 min吹氮后密封置于35 ℃恒溫振蕩器上，初始pH控制在7.0，厭氧發(fā)酵反應(yīng)時間持續(xù)15 d，定時取樣分析脂肽與SCFA含量的變化，考察脂肽降解對SCFA的貢獻。以上實驗均進行3次，測定結(jié)果取平均值。

1.4 分析方法

pH、TSS、VSS、溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)采用國際標(biāo)準(zhǔn)方法進行測定。溶解性蛋白質(zhì)采用Folin-酚法測定，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)底物。多糖采用蒽酮比色法測定，以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)底物。SCFA中各組分及甲烷采用氣相色譜測定，具體分析方法詳見文獻[7]。污泥厭氧發(fā)酵過程中與SCFA生成有關(guān)的生物酶活性測定詳見文獻[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 脂肽對污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的影響

SCFA是污泥厭氧發(fā)酵過程中重要的中間產(chǎn)物，圖1反映了脂肽對SCFA積累量的影響。由圖1可見，脂肽對污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA具有極大的促進作用，空白組中SCFA的最大積累量僅為1 025 mg/L，而脂肽投加量為0.04 g/g時，SCFA的最大積累量達2 697 mg/L。進一步增加脂肽投加量到0.08、0.10 g/g時，SCFA的最大積累量分別提高到2 751、2 846 mg/L，增幅不明顯，綜合考慮經(jīng)濟因素與SCFA積累量，脂肽的最佳投加量為0.04 g/g。

圖1 脂肽對SCFA積累量的影響Fig.1 Effect of surfactin on SCFA production

由圖1還可見，當(dāng)有脂肽存在的情況下，污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的最大積累量出現(xiàn)在第4天，此后由于部分SCFA被產(chǎn)甲烷細菌利用生成甲烷，SCFA的積累量開始逐漸減少，而空白組SCFA的最大積累量出現(xiàn)在第15天。可見，脂肽能顯著縮短污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的時間，在實際工程應(yīng)用中，縮短發(fā)酵時間能夠帶來巨大的經(jīng)濟利益，如減少反應(yīng)器的體積，提升轉(zhuǎn)化效率等。

2.2 脂肽對SCFA組分的影響

SCFA的組分直接影響其后續(xù)應(yīng)用，不同脂肽投加量下污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的組分構(gòu)成如圖2所示。

圖2 脂肽對SCFA組分的影響Fig.2 Effect of surfactin on SCFA composition

由圖2可見，各實驗組污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)的SCFA組分差別不大，均表現(xiàn)為乙酸所占比例最大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在35%以上，其次是丙酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體在20%～30%，正戊酸所占比例最小，質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%，說明脂肽對污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的組分影響不大。

2.3 脂肽強化污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的機制

2.3.1 脂肽對污泥厭氧發(fā)酵溶解過程的影響

污泥中的物質(zhì)一般以固體顆粒態(tài)存在，這些固體顆粒在厭氧發(fā)酵的最初階段(前60 h)轉(zhuǎn)化為溶解性大分子物質(zhì)，SCOD含量不斷升高，不同脂肽投加量下，污泥厭氧發(fā)酵溶解過程的SCOD變化見圖3。

圖3 脂肽對SCOD變化的影響Fig.3 Effect of surfactin on variations of SCOD

由圖3可見，隨著污泥厭氧發(fā)酵時間的延長，各實驗組SCOD含量均呈上升趨勢，表明污泥中固體顆粒被不斷溶解。與空白組相比，投加脂肽可以顯著提高SCOD的生成量，當(dāng)脂肽投加量為0.04 g/g，發(fā)酵時間為60 h時，污泥中SCOD的質(zhì)量濃度為5 123 mg/L，而空白組發(fā)酵60 h后的SCOD質(zhì)量濃度僅為1 524 mg/L，說明脂肽能夠促進污泥厭氧發(fā)酵的溶解過程。

2.3.2 脂肽對污泥厭氧發(fā)酵水解過程的影響

水解反應(yīng)發(fā)生在污泥厭氧發(fā)酵的初始階段，在厭氧微生物的作用下將顆粒狀或者大分子有機物水解為溶解性小分子有機物，這些小分子有機物在酸化反應(yīng)中被厭氧產(chǎn)酸菌所利用生成SCFA。污泥的水解過程比較緩慢，一般持續(xù)時間長達幾天。由于污泥中的主要成分為蛋白質(zhì)和多糖，因此本研究通過分析溶解性蛋白質(zhì)和多糖的含量考察污泥的水解程度，脂肽對溶解性蛋白質(zhì)和多糖的影響見圖4。

圖4 脂肽對溶解性蛋白質(zhì)及多糖的影響Fig.4 Effect of surfactin on soluble protein and carbohydrate

由圖4可見，隨著污泥厭氧發(fā)酵時間的延長，溶解性蛋白質(zhì)和多糖均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且脂肽作用下溶解性蛋白質(zhì)和多糖含量均明顯高于空白組。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在厭氧發(fā)酵初期，污泥水解速度大于酸化速度，因此溶解性蛋白質(zhì)和多糖含量逐漸升高，有脂肽存在時，各實驗組的溶解性蛋白質(zhì)和多糖均在48 h達到最大值，繼續(xù)延長厭氧發(fā)酵時間，酸化作用增強，大量水解形成的溶解性蛋白質(zhì)和多糖被用作底物生成SCFA，使溶解性蛋白質(zhì)和多糖含量逐漸降低，SCFA含量逐漸增加。SCFA在厭氧發(fā)酵第4天達到最大值后降低(見圖1)，這可能與SCFA逐步轉(zhuǎn)化為甲烷導(dǎo)致。

VSS減量情況也能反映污泥水解效果，VSS的減量率越高，說明污泥中有機物的利用效果越好，水解程度越大。圖5為不同脂肽投加量下污泥厭氧發(fā)酵第4天VSS的減量率。由圖5可見，空白組中VSS的減量率僅為18.5%，而當(dāng)脂肽投加量為0.04 g/g時，VSS的減量率為29.1%，是空白組的1.57倍，進一步證明了脂肽的存在可以強化污泥厭氧發(fā)酵的水解過程。

圖5 脂肽對VSS減量率的影響Fig.5 Effect of surfactin on VSS reduction rate

2.3.3 脂肽對甲烷化過程的影響

在甲烷化反應(yīng)中，水解、酸化過程累積的SCFA會被產(chǎn)甲烷細菌利用生成甲烷。本研究用SCFA的轉(zhuǎn)化率來體現(xiàn)脂肽對甲烷化過程的影響。各實驗組厭氧發(fā)酵15 d后的SCFA轉(zhuǎn)化率見圖6。

由圖6可見，空白組厭氧發(fā)酵15 d后SCFA的轉(zhuǎn)化率為68%，而0.04 g/g 脂肽作用下SCFA的轉(zhuǎn)化率僅為21%，提高脂肽投加量至0.08、0.10 g/g，SCFA轉(zhuǎn)化率進一步降低至18%、16%。上述實驗結(jié)果反映了脂肽的存在能夠明顯抑制甲烷的產(chǎn)生。

圖6 脂肽對SCFA轉(zhuǎn)化率的影響Fig.6 Effect of surfactin on the conversion ratio of SCFA

2.3.4 脂肽對污泥厭氧發(fā)酵pH的影響

pH是影響SCFA產(chǎn)生的一個重要因素，有研究報道，pH能夠顯著影響污泥胞外聚合物的溶解及產(chǎn)甲烷細菌的活性[9]，本實驗未嚴(yán)格控制反應(yīng)過程的pH，因此有必要探究脂肽對污泥厭氧發(fā)酵過程pH的影響。各實驗組污泥厭氧發(fā)酵前5天的pH變化見表1。由表1可見，在厭氧發(fā)酵過程中，各實驗組pH均呈下降趨勢，脂肽作用下pH下降更加劇烈。總體而言，各實驗組pH的變化范圍均在5～7，此范圍pH對污泥胞外聚合物的溶解作用影響不大[10]，而酸性或偏酸性環(huán)境能夠嚴(yán)重抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，進而導(dǎo)致SCFA轉(zhuǎn)化率降低，促進SCFA積累。在污泥厭氧發(fā)酵第4天，空白組pH降至6.7±0.2，然而脂肽投加量為0.04 g/g時，污泥厭氧發(fā)酵體系的pH僅為5.9±0.1。產(chǎn)甲烷細菌對pH較為敏感，其最佳生存環(huán)境為中性環(huán)境，脂肽作用下污泥體系中的pH明顯低于空白組，不適合產(chǎn)甲烷菌的生存，這是脂肽能夠抑制甲烷生成的一個主要原因。

表1 脂肽投加量對污泥厭氧發(fā)酵過程中pH的影響

表2 脂肽及SCFA隨發(fā)酵時間的變化

表3 脂肽投加量對生物酶活性的影響

2.4 脂肽降解對SCFA的貢獻

生物表面活性劑能夠在厭氧環(huán)境中分解，為此利用批式實驗考察脂肽降解對SCFA的貢獻。在15 d的厭氧發(fā)酵過程中，脂肽與SCFA的變化如表2所示。

由表2可見，隨著厭氧發(fā)酵時間的延長，脂肽被逐漸降解，SCFA含量呈上升趨勢。厭氧發(fā)酵15 d后，脂肽完全分解，但SCFA的積累量僅為(156.0±8.9) mg/L，遠遠小于0.04 g/g脂肽作用下SCFA的積累量，說明雖然脂肽能夠在厭氧發(fā)酵體系中分解，但是其對SCFA的貢獻十分有限。

2.5 脂肽對污泥厭氧發(fā)酵過程中生物酶活性的影響

污泥厭氧發(fā)酵過程中有多種生物酶的參與，如蛋白酶和α-葡萄糖苷酶與溶解性蛋白質(zhì)和多糖的水解有關(guān)；污泥中SCFA主要成分為乙酸和丙酸，其中乙酸激酶及磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶與乙酸的生成有關(guān)，草酰乙酸轉(zhuǎn)羧化酶和琥珀酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶與丙酸的生成有關(guān)[11-15]。在SCFA積累量最大時(厭氧發(fā)酵第4天)測定上述各種生物酶活性，結(jié)果見表3。

由表3可見，脂肽作用下6種生物酶的酶活明顯高于空白組，該結(jié)果與上述脂肽能夠強化污泥厭氧發(fā)酵中的水解和酸化過程相吻合。此外，當(dāng)脂肽投加量超過0.04 g/g時，酶活增量不明顯，進一步驗證了脂肽最佳投加量為0.04 g/g。

3 結(jié) 論

生物表面活性劑——脂肽能夠強化污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA，并縮短污泥厭氧發(fā)酵時間。綜合考慮經(jīng)濟因素與污泥厭氧發(fā)酵效果，脂肽的最佳投加量為0.04 g/g，此時SCFA積累量在第4天達到最大值2 697 mg/L，脂肽對污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的組分影響不大。機制分析表明，脂肽通過促進污泥厭氧發(fā)酵的溶解、水解過程，使更多溶解性蛋白質(zhì)和多糖溶出并作為底物生成SCFA，同時通過降低發(fā)酵體系的pH抑制產(chǎn)甲烷菌生存及甲烷的產(chǎn)生，進而提高SCFA積累量，研究證實脂肽自身厭氧分解對SCFA的貢獻量極少。

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