余甜甜, 王率率, 張 杰, 鄭志永,3, 劉 和,3, 劉宏波,3*

1.江南大學環(huán)境與土木工程學院, 江蘇省厭氧生物技術(shù)重點實驗室, 江蘇 無錫 214122

2.無錫市濱湖區(qū)水利局, 江蘇 無錫 214071

3.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 蘇州 215009

我國淡水湖泊普遍存在不同程度的富營養(yǎng)化狀態(tài)，《2017中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》[1]數(shù)據(jù)顯示，109個監(jiān)測營養(yǎng)狀態(tài)的湖泊(水庫)中，輕度富營養(yǎng)化與中度富營養(yǎng)化的湖泊共有33個，占比為31%. 我國富營養(yǎng)化的水質(zhì)狀態(tài)導致藍藻廣泛爆發(fā)[2]，嚴重影響了周邊區(qū)域環(huán)境與生態(tài)平衡. 目前最為有效抑制水華藍藻泛濫的措施是通過打撈降低沿岸水域的藻類有機物質(zhì)含量[3]，減緩水質(zhì)惡化，改善水體環(huán)境. 但是，在藍藻爆發(fā)時期，僅太湖流域每天藍藻的打撈量可達2.6×104t[4]，打撈出來的藍藻由于含水率極高，給運輸、儲存及處理帶來了很大的困難. 如果不能提高藍藻的處置消納能力以平衡藍藻的打撈量，則是將污染物從湖泊轉(zhuǎn)移到陸地上，給陸地環(huán)境造成極大威脅. 因此，開發(fā)出高價值藍藻生物質(zhì)資源化技術(shù)，是解決藍藻水華治理的重要途徑之一.

藍藻厭氧發(fā)酵是藍藻資源化利用的方法之一[5]，通過厭氧發(fā)酵使藍藻中的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸，產(chǎn)物可作為碳源回收利用，以達到資源化處理的效果. 但藍藻發(fā)酵過程中微生物可利用的溶解態(tài)有機質(zhì)含量較低，導致產(chǎn)酸效率不高[6]. 由于大部分營養(yǎng)物質(zhì)在細胞內(nèi)部，而藍藻由肽聚糖及纖維素構(gòu)成的雙層細胞壁包裹，外圍通常存在由粘性多糖組成的膠鞘[7]，其獨特的細胞結(jié)構(gòu)導致一些破壁技術(shù)難以將藍藻細胞破碎完全，結(jié)構(gòu)蛋白與多糖很難溶出. 為了充分利用藍藻細胞內(nèi)豐富的有機質(zhì)，選擇適合的藍藻細胞破壁效率顯得尤為重要. 目前已公開多種藻類破壁技術(shù)，如超聲波破壁[8]、熱堿水解[9]、反復(fù)凍融技術(shù)[10]等. 其中，熱堿水解技術(shù)具有破碎效果好、有機質(zhì)釋放率高、操作簡單等優(yōu)點，但處理時間長，且加熱導致的氣體蒸發(fā)具有惡臭，產(chǎn)生了大氣二次污染；超聲破碎技術(shù)利用空穴效應(yīng)使藍藻內(nèi)容物釋放，處理時間短、無需額外投加藥劑，但不足之處是處理量較小，無法規(guī)模化應(yīng)用；而反復(fù)凍融技術(shù)，將藍藻反復(fù)凍融，利用冰晶生長使藍藻細胞破壁，該方法效率低、能耗高，多用于實驗室研究.

高壓均質(zhì)是近年來發(fā)展起來的一種預(yù)處理方法[11]，通過對物料細胞進行撞擊、剪切，物料會同時受到高頻振蕩、高速剪切、空穴現(xiàn)象和對流撞擊等機械力作用和熱效應(yīng)，使物料的組織結(jié)構(gòu)被破壞，達到均質(zhì)的效果，具有破碎效果完全、連續(xù)式運行，處理時間短、不產(chǎn)生二次污染且可擴大生產(chǎn)等優(yōu)勢. 國內(nèi)外將該技術(shù)主要用于食品行業(yè)的生產(chǎn)，對乳品、乳劑進行處理[12].

目前，對藍藻進行預(yù)處理以提高厭氧發(fā)酵碳源回收率的研究[13-16]已經(jīng)開展，但關(guān)于藍藻進行高壓均質(zhì)破壁影響發(fā)酵產(chǎn)酸的效果尚不清楚. 因此，筆者將從藍藻有機物、氮、磷、細胞微觀形態(tài)、脫水性能和可生化性等方面，分析高壓均質(zhì)處理對藍藻理化性質(zhì)的影響及其作用機理，通過比較均質(zhì)預(yù)處理藍藻、未處理藍藻及熱堿處理藍藻的產(chǎn)酸情況，評估該預(yù)處理技術(shù)對藍藻厭氧發(fā)酵的促進效果，以期為藍藻碳源回收的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 原料

藍藻采自太湖水體，含水率約為97%. 藍藻采集后濾去浮萍、水草等雜物，分裝在若干樣品瓶中，放入冷藏柜儲存?zhèn)溆?

厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸種泥取自用于處理檸檬酸廢水的UASB(升流式厭氧污泥床)反應(yīng)器的厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸污泥，經(jīng)兩次清水沖洗后使用，藍藻和種泥的性質(zhì)如表1所示.

1.2 試驗方案

表1 藍藻和種泥的基本性質(zhì)

注： TS為總固體；VS為揮發(fā)性固體；TCOD為總化學需氧量；SP為溶解性蛋白質(zhì)；WSC為溶解性碳水化合物. 1)表示以TS計.

1.2.1不同壓力條件的高壓均質(zhì)試驗

試驗中藍藻高壓均質(zhì)預(yù)處理采用GEA-NIRO-SOAVI型高壓均質(zhì)機(意大利凱派克斯科技有限公司). 準確稱取一定量藍藻，過100目(孔徑0.15 mm)篩后加入去離子水，調(diào)節(jié)w(TS)至3%，進入高壓均質(zhì)機，將均質(zhì)壓力分別設(shè)置為60、80、100和120 MPa，在增壓設(shè)備的作用下，高壓溶液快速通過均質(zhì)腔，受到均質(zhì)閥撞擊、高速剪切等機械力，均質(zhì)完成后收集出料口藍藻溶液待測. 對照組為未經(jīng)預(yù)處理的藍藻溶液，試驗藍藻均未調(diào)節(jié)pH(約為6.58).

1.2.2不同pH條件的高壓均質(zhì)試驗

準確稱取一定量藍藻，過100目(孔徑0.15 mm)篩后加入5 molL NaOH溶液分別將pH調(diào)至8、9、10、11、12，并調(diào)節(jié)w(TS)至3%，進入高壓均質(zhì)機，根據(jù)均質(zhì)壓力試驗結(jié)果設(shè)置優(yōu)化后的均質(zhì)壓力. 均質(zhì)處理后收集出料口藍藻溶液待測. 對照組為未經(jīng)預(yù)處理的藍藻溶液.

1.2.3熱堿試驗

熱堿處理普遍被視為細胞破壁的常規(guī)方法，如在污泥中常采用熱堿法進行預(yù)處理促進發(fā)酵產(chǎn)酸[17]，故該研究將熱堿處理作為參照，對比評價高壓均質(zhì)的水解效果. 試驗步驟：①稱取一定量藍藻，加入5 molL NaOH將pH調(diào)至11，并調(diào)節(jié)w(TS)至3%；②90 ℃ 下水浴加熱2 h；③熱堿處理后將溶液冷卻稱量，加入去離子水將溶液補充至熱堿處理前的質(zhì)量，攪拌均勻后待測.

1.2.4厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸試驗

藍藻發(fā)酵產(chǎn)酸采取序批式搖瓶試驗. 向高壓均質(zhì)后的藍藻中加入種泥和溴乙烷磺酸鈉(BES，產(chǎn)甲烷抑制劑)，種泥接種率為10%；c(BES)為50 mmolL. 將混合液移入500 mL厭氧瓶中，頂空預(yù)留150 mL體積，持續(xù)沖入99.9%的高純氮氣20 min，以去除頂空及混合液中的氧氣，厭氧瓶完全密閉，放入轉(zhuǎn)速為120 rmin、35 ℃的恒溫培養(yǎng)搖床中. 對照組底物為未經(jīng)預(yù)處理的藍藻溶液，熱堿組底物為熱堿預(yù)處理后的藍藻溶液.

1.3 分析方法

藍藻中ρ(TS)、ρ(VS)、ρ(TP)均采用國家標準方法測定[22]；使用pH酸度計測定pH；使用激光粒度分布儀測定藍藻粒徑；使用毛細吸水時間測定儀測定藍藻CST(毛細吸水時間)；使用BOD測定儀測定BOD5(五日生化需氧量). 采用氣相色譜法測定ρ(VFAs)[23]，測量儀器為日本島津公司生產(chǎn)的2010型氣相色譜，主要配置：AOC-20i自動進樣器，F(xiàn)ID檢測器，PEG-20M色譜柱(30 m×0.32 mm×0.5 μm，大連中北分析儀器)；采用一階程序升溫，初溫80 ℃，保持3 min，然后以15 ℃min的速率升至200 ℃，保持2 min. 載氣為氮氣，尾吹流量30 mLmin. 進樣室(SPL)和檢測器(FID)的溫度都設(shè)為250 ℃.

藍藻溶出率計算公式：

R=(Ci-C0)Ct×100%

(1)

式中：R為溶出率，%；Ci為預(yù)處理后藍藻的SCOD質(zhì)量濃度，gL；C0為預(yù)處理前藍藻的SCOD質(zhì)量濃度，gL；Ct為預(yù)處理前藍藻TCOD的質(zhì)量濃度，gL.

2 結(jié)果與討論

2.1 高壓均質(zhì)對藍藻營養(yǎng)物質(zhì)釋放的影響

2.1.1高壓均質(zhì)對藍藻碳源釋放的影響

高壓均質(zhì)處理可以極大地促進藍藻營養(yǎng)物的釋放. 由圖1可見，對照組ρ(SCOD)為0.43 gL，經(jīng)過高壓均質(zhì)后，藍藻溶液中ρ(SCOD)隨均質(zhì)壓力的增加而升高，在120 MPa壓力下達到最高值(11.05 gL)，溶出率為42.57%；100 MPa時ρ(SCOD)為10.35 gL，溶出率為39.87%；同時，高壓均質(zhì)處理后的藍藻ρ(SP)及ρ(WSC)也呈相同趨勢，120 MPa時ρ(WSC)由對照組的0.19 gL升至4.05 gL，ρ(WSC)由0.13 gL增至4.45 gL. 對不同壓力下的SCOD、SP、WSC進行顯著性分析，雖然藍藻各項溶解性有機質(zhì)指標在120 MPa時達到最高，但100 MPa下有機質(zhì)釋放效果與120 MPa下沒有統(tǒng)計學差異，考慮到能耗因素，故在后續(xù)試驗均采用100 MPa的均質(zhì)壓力.

圖1 不同條件下高壓均質(zhì)藍藻的ρ(SCOD)、ρ(SP)、ρ(WSC)和溶出率Fig.1 SCOD concentration, SP concentration, WSC concentration and solution rateunder different high-pressure homogeneous conditions

由圖1可見，在100 MPa、不同pH下高壓均質(zhì)藍藻釋放到液相中的有機質(zhì)含量隨pH的升高而增加，pH=8時，ρ(SCOD)為14.20 gL，溶出率為54.70%，比對照組藍藻(pH約為6.58)的溶出率高37.20%；pH=12時，ρ(SCOD)最高，達22.74 gL，溶出率為87.59%，比對照組提高了52.34倍.ρ(SP)與ρ(WSC)也達到最高值，分別為8.59和6.81 gL. pH的升高促進有機質(zhì)溶出率的增加，其原因可能是細胞破碎后，部分蛋白質(zhì)與多糖仍黏附在細胞碎片上，沒有完全溶出；堿的投加可以提高有機質(zhì)的溶解效率[24]，并促進細胞壁上的結(jié)構(gòu)蛋白與多糖溶解，使溶解性有機質(zhì)含量顯著提高.

圖2 不同條件下高壓均質(zhì)藍藻的ρ(NH4+-N)與ρ(TP)Fig.2 Concentration of NH4+-N and TP under different high-pressure homogeneous conditions

2.1.2高壓均質(zhì)對藍藻氮磷釋放的影響

隨著均質(zhì)壓力和pH的提高，藍藻NH4+-N與TP的釋放量快速增加. 由圖2可見，60 MPa時，ρ(NH4+-N)由對照組的13.08 mgL增至39.40 mgL；ρ(TP)由0.40 mgL升至4.47 mgL；且120 MPa時ρ(NH4+-N)與ρ(TP)均達到最高值，分別為50.04和8.80 mgL. 隨著pH的升高，ρ(TP)呈升高趨勢，因藍藻細胞對磷的吸收能力強，在磷充足的情況下，新鮮藍藻通過生成多聚磷酸將水體中大量磷元素儲存于細胞中[25]，高壓均質(zhì)處理后，藍藻細胞破裂，細胞內(nèi)的磷釋放到水體中，導致ρ(TP)上升，pH=12時ρ(TP)達到最大值，為24.80 mgL，是對照組的62.00倍. 同時，ρ(NH4+-N)同樣隨著堿的加入而顯著升高，在pH=12時達到最大值(115.70 mgL)，是對照組的8.90倍，NH4+-N是影響后續(xù)發(fā)酵產(chǎn)酸試驗的重要指標，ρ(NH4+-N)過高時，會抑制藍藻后續(xù)的厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程[26].

由圖1、2可見，在100 MPa和pH=12下，藍藻營養(yǎng)物的釋放量可以達到最高值. 但pH過高，所需要的堿量大，且均質(zhì)機在長期連續(xù)運行下會造成一定程度的腐蝕，不適用于工業(yè)化使用. pH=11時，藍藻溶解性有機質(zhì)釋放效率與pH=12時的效果相似(P>0.05)，且NH4+-N釋放量較少(P<0.05)，因此選擇100 MPa和pH=11作為藍藻均質(zhì)優(yōu)選工況.

2.2 高壓均質(zhì)對藍藻微觀結(jié)構(gòu)及細胞破解效果的影響

2.2.1高壓均質(zhì)對藍藻微觀形態(tài)的影響

不同預(yù)處理下藍藻顆粒的粒徑分布如圖3所示. 由圖3可見，經(jīng)過預(yù)處理后，溶液中的顆粒粒徑顯著減小，表現(xiàn)為對照組藍藻>熱堿組藍藻>高壓均質(zhì)組藍藻，其中對照組藍藻體積平均粒徑為39.92 μm，熱堿組為19.33 μm，高壓均質(zhì)Ⅰ組(100 MPa，pH=9)、Ⅱ組(100 MPa，pH=11)的體積平均粒徑分別為8.91和7.89 μm. 如圖3所示，藍藻溶液的粒徑分布比例(相同粒徑顆粒的體積之和占總顆粒體積之比)呈現(xiàn)兩個峰(用a、b表示)，原藍藻溶液的峰值主要出現(xiàn)在3～8 μm(a1峰)和50～80 μm(b1峰)范圍之間. 而藍藻單個細胞粒徑大多在3～10 μm之間[27]，與a1峰所在粒徑范圍重合，可知a1峰代表著溶液中游離的單個藍藻細胞，而b1峰則是溶液中聚集的粒徑較大的藻團[28]. 而a2峰(熱堿組)值比a1峰(對照組)值高出1倍以上，說明熱堿處理使溶液中的藻團和胞外聚合物分解為小顆粒物質(zhì). 均質(zhì)處理后，高壓均質(zhì)Ⅰ、Ⅱ組曲線的b峰左移，與代表藍藻單個細胞粒徑的波峰重合，說明高壓均質(zhì)將聚集在一起的藻團打碎，變成單個細胞或較小的藻團，小顆粒的占比增加；同時，在0.1～1 μm范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值(a3、a4)，說明高壓均質(zhì)對藍藻細胞壁破碎較為徹底，產(chǎn)生大量細胞碎片. 其中，高壓均質(zhì)Ⅰ組a4峰值為1.82%，比高壓均質(zhì)Ⅱ組a3峰值(0.76%)高，原因可能是溶液中的堿促進了藍藻細胞碎片的溶解[29]，使代表細胞碎片與其他小顆粒物質(zhì)的左側(cè)峰值增加.

圖3 不同預(yù)處理下藍藻的粒徑分布Fig.3 Average particle diameter of different pretreated cyanobacteria

2.2.2高壓均質(zhì)對藍藻破壁效果的影響

除去藍藻溶液中本身存在的部分衰老、凋亡的細胞釋放出DNA外，其余核酸類物質(zhì)均儲存在藍藻細胞內(nèi)，因此液相中ρ(DNA)的變化可作為衡量細胞破壁效果的重要指標[30]. 高壓均質(zhì)Ⅰ組、高壓均質(zhì)Ⅱ組、熱堿組及對照組藍藻離心分離獲得的上清液中ρ(DNA)如圖4所示. 由圖4可見，對照組為未經(jīng)過處理的藍藻，ρ(DNA)僅為1.04 ngμL，絕大多數(shù)藍藻細胞并未破裂；經(jīng)過預(yù)處理后，熱堿組ρ(DNA)升至22.60 ngμL，大部分細胞壁在高溫和堿的作用下破裂，ρ(DNA)顯著升高；高壓均質(zhì)Ⅰ、Ⅱ組的ρ(DNA)也分別升至24.17、29.24 ngμL，分別比對照組提高了22.24、27.12倍，故兩種預(yù)處理均有較好的破壁效果，而高壓均質(zhì)處理通過撞擊、剪切等機械力作用于藍藻細胞，使細胞破碎程度更徹底，胞內(nèi)物質(zhì)釋放更完全.

圖4 不同預(yù)處理下藍藻上清液中ρ(DNA)Fig.4 DNA concentration in supernatant of different pretreated cyanobacteria

2.3 高壓均質(zhì)對藍藻有機物可生化性的影響

高壓均質(zhì)藍藻及熱堿預(yù)處理藍藻有機物的可生化性指標數(shù)值結(jié)果如圖5所示. 由圖5可見，高壓均質(zhì)預(yù)處理及熱堿預(yù)處理均能促進SCOD釋放. 對照組ρ(SCOD)僅為0.43 gL，而熱堿處理后ρ(SCOD)升至15.64 gL，高壓均質(zhì)處理后ρ(SCOD)也分別升至16.85 gL(高壓均質(zhì)Ⅰ組)和22.30 gL(高壓均質(zhì)Ⅱ組). 值得注意的是，熱堿組與高壓均質(zhì)Ⅰ組SCOD釋放量相近，但ρ(BOD5)卻相差顯著(P<0.01)，熱堿組ρ(BOD5)僅8.13 gL，而高壓均質(zhì)Ⅰ組ρ(BOD5)可達11.08 gL，比熱堿組高出36.29%. 其原因可能是，熱堿預(yù)處理破碎藍藻細胞時，有機質(zhì)中的酰胺類物質(zhì)(蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸)與還原糖在高溫與高pH下易發(fā)生美拉德反應(yīng)，形成難以被微生物降解的褐色的多聚氮化合物[31]，導致可生化性降低.

圖5 不同預(yù)處理下高壓均質(zhì)對藍藻可生化性的影響Fig.5 Effect of high-pressure homogenization on biodegradability of cyanobacteria

圖6 高壓均質(zhì)藍藻厭氧發(fā)酵時VFAs的質(zhì)量濃度及各酸分布比例Fig.6 Variation of VFAs concentration and organic acid composition in anaerobic fermentation of high-pressure homogeneous cyanobacteria

2.4 高壓均質(zhì)對藍藻厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

分別使用高壓均質(zhì)Ⅰ組、高壓均質(zhì)Ⅱ組、熱堿組及對照組藍藻進行厭氧發(fā)酵. 厭氧發(fā)酵產(chǎn)生VFAs的情況如圖6(a)所示. 對照組產(chǎn)酸15 d后ρ(VFAs)達3.80 gL；熱堿組藍藻ρ(VFAs)為6.15 gL；高壓均質(zhì)Ⅰ組ρ(VFAs)在10 d后趨于穩(wěn)定，最高值達7.84 gL，高于熱堿組27.48%；高壓均質(zhì)Ⅱ組ρ(VFAs)最高為8.22 gL，比熱堿組提高33.66%，是對照組的2.16倍.

藍藻多數(shù)有機質(zhì)存在于細胞內(nèi)部，被細胞壁包裹，胞外含有部分粘性多糖與蛋白質(zhì)，未經(jīng)預(yù)處理的藍藻在厭氧發(fā)酵過程中仍存在形態(tài)完整的細胞，大部分胞內(nèi)有機物無法被微生物利用[32]，故對照組藍藻的ρ(VFAs)最低. 控制厭氧發(fā)酵反應(yīng)的因素有很多，產(chǎn)酸菌、碳源、培養(yǎng)環(huán)境等都可以影響其產(chǎn)酸效率. 采用預(yù)處理技術(shù)后，藍藻細胞內(nèi)有機質(zhì)釋放到液相中，增加了微生物的碳源含量，因而高壓均質(zhì)及熱堿處理后藍藻ρ(VFAs)均有提升；且相比于熱堿組，高壓均質(zhì)組ρ(VFAs)更高，這是由于高壓均質(zhì)藍藻提供給產(chǎn)酸菌的碳源品質(zhì)更高，即可生化性優(yōu)于熱堿藍藻. 從每單位(以質(zhì)量計)SCOD產(chǎn)生VFAs來比較，高壓均質(zhì)Ⅰ組比高壓均質(zhì)Ⅱ組高，可能是因為產(chǎn)酸菌在強堿環(huán)境下其活性受到了一定影響[33]，這與HUANG等[34]的研究結(jié)果相符，他們比較了不同pH下厭氧發(fā)酵時微生物的多樣性，認為pH為10～11下的微生物多樣性明顯小于pH為7～9下的微生物多樣性. 但從產(chǎn)酸總量來看，高壓均質(zhì)Ⅱ組高于高壓均質(zhì)Ⅰ組，這是由于pH升高提高了有機物溶出率；因發(fā)酵產(chǎn)酸的限速步驟是水解反應(yīng)，強堿條件下大量的有機物被釋放和水解，為產(chǎn)酸菌提供了充足的底物，此時底物濃度升高對發(fā)酵的促進作用大于高pH下所產(chǎn)生的抑制作用[35].

藍藻厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸中各單酸含量占比情況如圖6(b)所示. 各組發(fā)酵液中均存在乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸，其中，異丁酸、異戊酸和戊酸占比較低且在各試驗組中差異不大；而剩下3種酸中乙酸占比始終最高，對照組、熱堿組、高壓均質(zhì)Ⅰ組、高壓均質(zhì)Ⅱ組的乙酸占比分別為3.58%、57.71%、45.15%和56.04%，說明堿性條件下更適合藍藻厭氧發(fā)酵中乙酸的積累[36]. 除乙酸外，對照組與高壓均質(zhì)Ⅰ組丁酸含量最高，而熱堿組與高壓均質(zhì)組Ⅱ的丙酸含量卻超過丁酸，主要是由于丙酸型厭氧發(fā)酵微生物比丁酸型微生物更適宜于在堿性的環(huán)境中生長[37].

2.5 高壓均質(zhì)對藍藻脫水性能的影響

藍藻的脫水性能是影響VFAs回收率的關(guān)鍵因素之一. 藍藻CST變化情況如圖7所示，由圖7可見，對照組的CST為684 s，而熱堿處理藍藻的CST飆升至 2 940 s，這是由于熱堿處理使藍藻細胞破碎，大量有機質(zhì)被釋放，而溶出的蛋白質(zhì)與多糖等物質(zhì)會與水分子結(jié)合，導致自由水含量下降、藍藻黏度升高，CST升高. 而高壓均質(zhì)Ⅰ、Ⅱ組的CST分別為 1 368、1 940 s，同樣是因胞內(nèi)蛋白質(zhì)與多糖的大量釋放致使高壓均質(zhì)處理的藍藻比處理前藍藻的脫水性差；但與熱堿組相比，高壓均質(zhì)Ⅰ、Ⅱ組的CST卻顯著降低，這是由于高壓均質(zhì)處理通過撞擊與剪切等機械作用力破壞了細胞與絮體的結(jié)構(gòu)，釋放出間隙水與結(jié)合水，藍藻的流態(tài)性明顯增強，減緩了因細胞破壁導致的脫水性能惡化[38]，從而降低了從藍藻中回收碳源的難度.

2.6 高壓均質(zhì)對藍藻預(yù)處理效果的綜合評價

高壓均質(zhì)處理、熱堿處理、未處理藍藻的有機質(zhì)釋放和發(fā)酵產(chǎn)酸效果如表2所示. 由表2可見，高壓均質(zhì)的有機質(zhì)溶出率高于熱堿處理的48.67%，說明高壓均質(zhì)處理能增加液相中的有機物濃度，給微生物提供更多碳源；另外，高壓均質(zhì)處理的BC比未處理藍藻提高34.04%，具有增強有機物可生化性的作用，提高了厭氧發(fā)酵中底物的碳源品質(zhì)；高壓均質(zhì)藍藻產(chǎn)酸率為0.32 gg〔以w(VFAs)w(VS)計〕，比熱堿處理高出33.33%. 高壓均質(zhì)對藍藻破壁與厭氧發(fā)酵除了具有良好的促進效果外，還具有處理時間短、連續(xù)運行的優(yōu)點，單位時間處理量大，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景.

表2 不同預(yù)處理效果對比

注：1) 表示以w(VFAs)w(VS)計.

3 結(jié)論

a) 高壓均質(zhì)對藍藻細胞具有良好的破壁效果，能夠促進胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)釋放.

b) 高壓均質(zhì)能提高藍藻可生化性，促進厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸. 高壓均質(zhì)后BC提高至0.63，ρ(VFAs)最高達8.22 gL，是一種能夠有效促進藍藻厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的處理方法.

c) 高壓均質(zhì)能降低從藍藻中回收碳源的難度. 在有機物釋放量更大的情況下，高壓均質(zhì)藍藻的CST比熱堿藍藻的更低，減緩了有機物釋放造成的藍藻脫水性能惡化的趨勢.