羅國芝+孫文婧+杜軍+等

摘要：揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs）易被微生物利用，是異養(yǎng)反硝化作用最有效的碳源。水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物水解酸化可產(chǎn)生大量VFAs，但水解速率緩慢使VFAs的利用受到限制。本試驗就pH值對水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物水解酸化產(chǎn)VFAs的影響進行研究，結(jié)果證明，pH值調(diào)節(jié)為7時，水解酸化至6 d時效果最佳，此時VFAs產(chǎn)量為 5 397.03 mg/L，銨態(tài)氮濃度也最高，為0.155 mg/L，溶解性化學(xué)需氧量也最高，為103 400 mg/L；同時，pH值調(diào)為7時，水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物水解率最高，為65.74%。

關(guān)鍵詞：揮發(fā)性脂肪酸；水解酸化；pH值；養(yǎng)殖固體顆粒物

中圖分類號：X714文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1002-1302（2014）06-0307-03

收稿日期：2013-09-29

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAD25B03）；上海工程技術(shù)中心能力提升項目（編號：13DZ2280500）。

作者簡介：羅國芝（1974—），女，湖北襄樊人，博士，副教授，研究方向為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)與工程及水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理。Tel：（021）61900413；E-mail：gzhluo@shou.edu.cn。

通信作者：譚洪新，博士，教授。Tel：（021）61900402；E-mail：hxtan@shou.edu.cn。我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)近年來發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計2010年全國水產(chǎn)品總產(chǎn)量達到0.38億t[1]，每生產(chǎn)1 kg養(yǎng)殖對象生物量估計可產(chǎn)生162 g有機物糞便，包括50 g蛋白質(zhì)、31 g脂肪和81 g碳水化合物[2]。由此推算，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖2010年產(chǎn)生固體顆粒物為615.6萬t。水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物的處理形勢日益嚴(yán)峻，是水處理工程的重要技術(shù)環(huán)節(jié)[3]。現(xiàn)有的處理方法有外排處理[4]、人工濕地[5]、生物絮凝[6]和厭氧消化（別稱厭氧發(fā)酵）[7]等。但外排處理存在臭味問題、運輸費用以及焚燒等問題[8]；人工濕地[9]占地大，易受天氣、季節(jié)等因素影響；生物絮凝很難定量分析；而厭氧消化可以將固體廢棄物富含的可降解物質(zhì)轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs），已有學(xué)者采用厭氧消化法來處理水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物，并取得了良好的效果，達到減量化、穩(wěn)定化且環(huán)境友好的目的。

同時，水產(chǎn)養(yǎng)殖的高含氮廢水處理也備受關(guān)注，各種方式中生物處理被認(rèn)為是最經(jīng)濟可行的辦法[10]，異養(yǎng)反硝化脫氮是最有前景的脫氮方法。在脫氮過程中，反硝化細菌需要足夠的有機碳源作為電子供體[11]。但傳統(tǒng)的反硝化過程中，外加的碳源會引起二次污染，危害環(huán)境。同時，水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物厭氧消化可產(chǎn)生VFAs，VFAs被認(rèn)為是微生物可直接利用的有機物[12]。因此，利用固體顆粒物水解酸化產(chǎn)生的VFAs作為反硝化反應(yīng)的碳源既安全又可以減少污染。固體顆粒物厭氧消化一般分成水解、酸化、乙酸化和甲烷化4個階段[13]，其中水解被認(rèn)為是顆粒態(tài)有機物厭氧消化的主要限速步驟[14]。

固體顆粒物的水解效果受pH值影響顯著，Zhang等在研究活性污泥水解酸化試驗中發(fā)現(xiàn)pH值控制在堿性時污泥水解酸化效果好于pH值控制在酸性，pH值控制在酸性時污泥水解酸化效果又好于pH值不進行控制[15]；Babel等則認(rèn)為食品固體廢物的酸化的最適pH值為5.0～6.0[16]；VFAs本身具有酸性，高濃度會抑制微生物，降低pH值，最終導(dǎo)致微生物死亡[17]。通過控制pH值、底物濃度、對水解酸化產(chǎn)VFAs進行研究得出溫度為35 ℃、pH值6.5～7.0時VFAs的產(chǎn)量為15.2 g/L（底物負荷為50 g/L）[18]。Elefsiniotis等認(rèn)為pH值在4.3～7.0對于初沉污泥的發(fā)酵產(chǎn)酸影響不大，但是當(dāng)pH值高于7.0時酸化反應(yīng)會受到抑制[19]。

本試驗就pH值對固體顆粒物厭氧消化效果影響進行研究，尋找出厭氧消化的最佳pH值條件，為水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物的去除提供基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1材料

本試驗所用水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物為通威海水魚配合飼料8912，其組成主要包括：進口魚粉、面粉、次粉、餅粕、烏賊膏、魚油、礦物質(zhì)元素、微量元素、維生素等。飼料組成成分含粗蛋白41.6%～43.9%、粗灰分17.3%～18.2%、鈣1.0%～28%、食鹽0.5%～2.7%、磷0.9%～1.3%、水分9.5%～11.6%。

1.2試驗設(shè)計

1.2.1試驗條件下固體顆粒物最佳水解時間確定試驗?zāi)M序批式反應(yīng)器。試驗在72個250 mL的錐形瓶中進行。錐形瓶用橡膠塞和乳膠圈進行密封處理，錐形瓶置于35 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中的搖床上。每個錐形瓶內(nèi)放置質(zhì)量為23 g磨碎的飼料和150 mL的蒸餾水，試驗共進行18 d。每天定時取3個錐形瓶的發(fā)酵上清液，檢測水溫、DO（溶氧量）、pH值、ORP（氧化還原電位）、VFAs的濃度、SCOD（溶解性化學(xué)需氧量）、DOC（化學(xué)需氧量）等指標(biāo)。

1.2.2pH值影響試驗pH值影響試驗在90個250mL的錐形瓶中進行。在水解過程中，pH值分別調(diào)節(jié)為5、6、7、8、9，以水解過程中不調(diào)節(jié)pH值為對照，每個處理18個錐形瓶，放置于35 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中的搖床上，每24 h利用 5 mol/L 的NaOH調(diào)節(jié)pH值到設(shè)定值。試驗共進行6 d。每天定時取3個錐形瓶的發(fā)酵上清液，檢測水溫、DO、pH值、ORP、VFAs的濃度、SCOD、DOC等指標(biāo)。

1.3檢測方法

水溫、pH值、DO、ORP采用YSI水質(zhì)測量儀（556MPS，美國）測定；VFAs濃度采用蒸餾滴定法測定；SCOD采用 0.45 μm 濾膜液的重鉻酸鉀法測定；TCOD采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法測定；銨態(tài)氮采用次溴酸鈉比色法測定；亞硝態(tài)氮采用磺胺-鹽酸萘乙二胺比色法測定；硝態(tài)氮采用鹽酸-氨基磺酸比色法測定。endprint

2結(jié)果與分析

2.1VFAs產(chǎn)量

為各組試驗的VFAs產(chǎn)量。試驗進行1 d后，6個處理都進行了不同程度的產(chǎn)酸，pH值7處理產(chǎn)酸量為766.35 mg/L，pH值5處理為734.49 mg/L，pH值6處理為749.44 mg/L，而pH值8、pH值9處理分別為741.33、739.35 mg/L。隨著試驗的進行，不同pH值處理的產(chǎn)酸量逐漸上升，且基本呈線性增加。pH值未調(diào)節(jié)對照與其他pH值調(diào)節(jié)處理相比，VFAs的產(chǎn)量明顯低得多。6 d時，pH值未調(diào)節(jié)對照產(chǎn)酸量為 2 609.18 mg/L，這與Zhang等的研究結(jié)果[15]相符。pH值5、pH值6、pH值8、pH值9處理產(chǎn)酸量分別為3 824.23、4 157.23、4 221.26、3 994.54 mg/L，而pH值7處理產(chǎn)酸量為 5 397.03 mg/L，明顯高于其他處理的產(chǎn)酸量。表明對pH值進行調(diào)節(jié)可以提高厭氧消化中VFAs的產(chǎn)量，將pH值調(diào)節(jié)到7時效果最為理想。

2.2溶解氧

通過6 d的試驗結(jié)果得知，6個處理的DO均呈下降趨勢，由于系統(tǒng)內(nèi)進行水解發(fā)酵反應(yīng)，氧氣被兼性微生物利用，氧氣被逐漸消耗，pH值7處理的DO下降明顯低于其他5個處理。而其他4個pH值調(diào)節(jié)處理的DO雖然比pH值7處理的高，但均比pH值未調(diào)節(jié)對照低，這說明pH值7處理水解產(chǎn)酸的程度較徹底。

2.3銨態(tài)氮

銨態(tài)氮的產(chǎn)生是水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物厭氧消化的主要特

征，水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物中富含大量的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)水解會產(chǎn)生銨態(tài)氮。銨態(tài)氮濃度間接表明固體顆粒物中有機物（尤其是蛋白質(zhì)）水解程度的高低，圖3顯示試驗中各處理銨態(tài)氮濃度逐漸上升，pH值未調(diào)節(jié)對照銨態(tài)氮濃度上升比較緩慢，由1 d時的0.01 mg/L上升到6 d時的0.03 mg/L。pH值7處理6 d時銨態(tài)氮濃度為0.155 mg/L，而pH值5、pH值6、pH值8、pH值9處理的銨態(tài)氮濃度分別為0.074、0.099、0105、0081 mg/L。說明pH值7處理水解程度最高。

2.4SCOD、TCOD和水解率

隨著水解時間的增加，5個pH值調(diào)節(jié)處理的SCOD均呈現(xiàn)上升趨勢，6 d時，pH值7處理的水解酸化液中SCOD最高，為103 400 mg/L，明顯高于其他4個pH值調(diào)節(jié)處理。5個pH值調(diào)節(jié)處理的TCOD逐漸上升，6 d時pH值7處理的TCOD最高，達到157 286.5 mg/L，其他各處理的TCOD均低于pH值7處理。

各處理的水解率均呈上升趨勢。pH值7處理水解6 d時水解率最高，為65.74%，pH值未調(diào)節(jié)對照水解率最低，為36.90%。pH值5、pH值6、pH值8、pH值9處理的水解率低于pH值7處理。

2.5VFAs/SCOD

隨著水解天數(shù)的增加，5個pH值調(diào)解處理中VFAs占SCOD的比例逐漸升高，pH值7處理的VFAs占SCOD的比例明顯高于其他4個pH值調(diào)節(jié)處理。但是總體來說，各處理VFAs占SCOD的比例都很低，pH值為7時最高也僅為589%，表明固體顆粒物中被利用的部分少。

3結(jié)論

pH值對水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物水解發(fā)酵有較大的影響，與pH值5、6、8、9處理和pH值未調(diào)節(jié)對照相比，水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物水解發(fā)酵6 d，pH值7處理的產(chǎn)酸量、NH+4-N濃度、水解率均最高，分別為5 397.03 mg/L、0.155 mg/L和6574%。說明在水產(chǎn)養(yǎng)殖固體顆粒物水解發(fā)酵過程中，pH值調(diào)節(jié)為7時，水解最佳，產(chǎn)生的VFAs最多。

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