金寶丹，王淑瑩，邢立群，彭永臻 （北京工業(yè)大學(xué)北京市污水脫氮除磷處理與過(guò)程控制工程技術(shù)研究中心，北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

基質(zhì)投加方式對(duì)污泥堿性發(fā)酵性能的影響

金寶丹，王淑瑩*，邢立群，彭永臻 （北京工業(yè)大學(xué)北京市污水脫氮除磷處理與過(guò)程控制工程技術(shù)研究中心，北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

為了研究低溫條件（15±2）℃下投加方式對(duì)剩余污泥堿性發(fā)酵的影響，將剩余污泥分別在NaOH、KOH、Ca（OH）2和混合堿（Ca（OH）2和KOH） 4種堿性（pH=10±0.2）系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)酵，并在系統(tǒng)穩(wěn)定后依次改變污泥投加方式（1次投加污泥、平均2次投加和平均3次投加），分別對(duì)發(fā)酵體系的剩余污泥溶液化、溶解性蛋白質(zhì)、溶解性多糖、揮發(fā)性脂肪酸（SCFAs）和關(guān)鍵酶（水解酶和輔酶420（F420））進(jìn)行研究.研究發(fā)現(xiàn)，4種堿性發(fā)酵體系中，不同投加方式對(duì)剩余污泥的水解和酸化性能具有顯著的影響，其中SCOD隨著污泥投加次數(shù)的增加略有減小，但是發(fā)酵液中可溶性的蛋白質(zhì)和多糖有增加趨勢(shì).水解酶活性隨著污泥投加次數(shù)的增加而降低，但是在NaOH和KOH發(fā)酵體系中，輔酶420隨著投加次數(shù)的增加而增大，混合堿發(fā)酵體系中其活性基本不變，而在Ca（OH）2發(fā)酵體系中其活性則降低.NaOH、KOH和混合堿發(fā)酵體系產(chǎn)酸能力隨投加次數(shù)的增加而下降，但是Ca（OH）2發(fā)酵體系酸化能力則先增大后少量降低，由此發(fā)現(xiàn)，Ca（OH）2發(fā)酵體系水解及產(chǎn)酸能力較為穩(wěn)定，同時(shí)該體系中乙酸/SCFAs最大，高于其他發(fā)酵體系的10%左右.

堿性發(fā)酵；投加方式；水解酶；輔酶420；堿類型

碳源短缺是當(dāng)前城市污水處理廠亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，低C/N污水導(dǎo)致以活性污泥工藝為主的城市污水處理廠脫氮除磷效果較差，而且同時(shí)產(chǎn)生大量較難處理處置的剩余污泥，兩者長(zhǎng)期困擾著城市污水處理廠的運(yùn)行.據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本的工業(yè)材料中剩余污泥約占47%［1］，而在城市污水處理廠中，剩余污泥處理費(fèi)用占污水處理廠的25%～60%［2］，剩余污泥中含有大量的有機(jī)物質(zhì)（蛋白質(zhì)和多糖等），厭氧發(fā)酵能將剩余污泥中的大量的有機(jī)物質(zhì)釋放到發(fā)酵液中，進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)性短鏈脂肪酸（SCFAs）［3］.SCFAs是生物處理過(guò)程的優(yōu)質(zhì)碳源，特別是乙酸和丙酸［4］.通過(guò)污泥厭氧發(fā)酵不僅可解決污水處理廠碳源短缺問(wèn)題，同時(shí)能夠解決污泥處理處置問(wèn)題.污泥發(fā)酵分為水解、酸化和產(chǎn)甲烷3個(gè)階段，其中水解是污泥發(fā)酵的限制性步驟［5-6］，同時(shí)產(chǎn)甲烷菌能夠利用酸化產(chǎn)物進(jìn)行產(chǎn)甲烷反應(yīng)［7］，因此，如何促進(jìn)污泥水解及抑制產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)是污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的關(guān)鍵.研究發(fā)現(xiàn)，堿性條件下污泥厭氧發(fā)酵能夠大幅度的增大污泥水解速率和抑制產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)［8］，適當(dāng)提高溫度能夠促進(jìn)剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)酸［9］，其中NaOH、KOH、Ca（OH）2等堿類型的污泥發(fā)酵研究較多［9-10］，但均以中溫及一次性投加基質(zhì)方式為主，而實(shí)際污水處理工藝中運(yùn)行溫度和剩余污泥產(chǎn)量是不同的，因此僅以一次投加基質(zhì)為污泥發(fā)酵方式是不全面的.

本文研究低溫條件下（15℃）污泥投加方式對(duì)剩余污泥堿性發(fā)酵的影響，采用NaOH、KOH、Ca（OH）2及混合堿（KOH；Ca（OH）2=0.3：0.7）調(diào)節(jié)pH值，同時(shí)在發(fā)酵系統(tǒng)啟動(dòng)成功后改變污泥投加方式，探討不同投加方式對(duì)污泥厭氧發(fā)酵水解酸化性能及關(guān)鍵酶（水解酶和F420）活性的影響.

1 材料與方法

1.1 污泥來(lái)源及試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)使用的發(fā)酵污泥來(lái)自SBR工藝中試剩余污泥（總體積： 8.8m3，有效體積： 6.2m3），該污泥在使用前用自來(lái)水清洗3次，并濃縮控制污泥濃度，試驗(yàn)污泥性質(zhì)如表1所示.

試驗(yàn)反應(yīng)器材料為有機(jī)玻璃，總體積為3.5L，有效容積為3.0L，內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)子及pH值探頭，采用磁力攪拌器進(jìn)行勻速攪拌，控制轉(zhuǎn)速為750r/min，反應(yīng)溫度為（15±2）℃.該裝置采用密封圈密封，以保證厭氧環(huán)境，同時(shí)在裝置頂部設(shè)置取樣口、加藥口及加泥口，中部設(shè)置排泥口，底部設(shè)置放空口.

1.2 試驗(yàn)方法

污泥及水溶液性質(zhì)如表1，分別取3L濃縮后剩余污泥投加至1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)反應(yīng)器中，同時(shí)分別向1～4號(hào)反應(yīng)投加NaOH（4mol/L）、KOH（4mol/L）、Ca（OH）2（2mol/L）及混合堿（KOH：Ca（OH）2=3：7， 2mol/L）調(diào)節(jié)pH值，控制調(diào)節(jié)pH=10±0.2，每2～3d取樣一次.

表1 試驗(yàn)污泥性質(zhì)Table 1 sludge properties of test

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行方式

表2 發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行方式Table 2 The operation mode of fermentation system

該反應(yīng)器采用半連續(xù)流運(yùn)行方式.啟動(dòng)初期根據(jù)反應(yīng)器中SCFAs含量變化來(lái)確定污泥齡，當(dāng)SCFAs產(chǎn)量達(dá)到最大后，確定發(fā)酵系統(tǒng)中發(fā)酵污泥的污泥齡.為了保證4個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)同步運(yùn)行，以最大污泥齡為準(zhǔn)，即SRT為10d，此時(shí)視為啟動(dòng)成功.因此在發(fā)酵至第10d時(shí)開始每天排出適當(dāng)成熟發(fā)酵污泥，同時(shí)投加等量的新鮮剩余污泥，并且維持pH值10±0.2（投加污泥及調(diào)節(jié)pH均在取樣測(cè)量后進(jìn)行）.前一次投加污泥方式運(yùn)行穩(wěn)定后，則改變污泥投加方式，即前一次運(yùn)行方式結(jié)束時(shí)間為下一次運(yùn)行方式開始時(shí)間，該實(shí)驗(yàn)共計(jì)41d，具體運(yùn)行方式及條件如表2所示.

1.4 分析方法

SCOD、污泥濃度及可揮發(fā)性污泥濃度根據(jù)國(guó)標(biāo)方法測(cè)定［11］.SCFAs采用Agilent 6890（色譜柱：DB-MAXETR）氣相色譜儀測(cè)定［12］.多糖采用硫酸-蒽酮分光光光度法測(cè)定［13］，蛋白質(zhì)采用Lowry-folin試劑分光光度法測(cè)定［14］.蛋白酶采用偶氮酪蛋白分光光度計(jì)方法測(cè)定，α-葡萄糖苷酶采用對(duì)硝基-a-d-吡喃葡萄糖苷分光光度計(jì)法測(cè)定［15-16］，輔酶420采用異丙醇提取法測(cè)定［17］.

2 結(jié)果與討論

2.1 投加方式對(duì)污泥厭氧發(fā)酵水解的影響

2.1．1 投加方式對(duì)污泥厭氧發(fā)酵污泥溶液化的影響 污泥溶液化是污泥溶解、破碎并且釋放可溶性物質(zhì)的過(guò)程，通常以SCOD含量作為衡量指標(biāo)［18］.

由圖1可知，4個(gè)反應(yīng)體系中污泥發(fā)酵產(chǎn)生的SCOD在反應(yīng)初期迅速增長(zhǎng)，以NaOH和KOH為堿劑（為強(qiáng)堿體系）的污泥發(fā)酵系統(tǒng)中SCOD產(chǎn)生量均在發(fā)酵5～7d達(dá)到最大值，而以Ca（OH）2和混合堿為堿劑（為中強(qiáng)堿體系）的污泥發(fā)酵系統(tǒng)中SCOD最大值則出現(xiàn)在9～10d，由此可見，低溫條件下中強(qiáng)堿體系污泥厭氧發(fā)酵的污泥齡大于中強(qiáng)堿發(fā)酵體系污泥齡，而且SCOD產(chǎn)生量遠(yuǎn)小于強(qiáng)堿發(fā)酵體系.

同時(shí)由圖1發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定后，3種污泥投加方式下4種堿性（NaOH， KOH， Ca（OH）2，混合堿）發(fā)酵系統(tǒng)中平均SCOD濃度分別為Run1：473.20，496.96，353.82，392.85mg/gVSS；Run2：439. 14，417.96，287.69，360.07mg/gVSS；Run3：450.11，4 60.21，300.12，400.31mg/gVSS，由此可知，隨著投加次數(shù)的增加，發(fā)酵系統(tǒng)中SCOD略有減少.這是因?yàn)?，隨著污泥投加次數(shù)的增加，剩余污泥在反應(yīng)器內(nèi)的堿作用時(shí)間及水解酸化時(shí)間變短，系統(tǒng)酸化性能降低或耗酸性增強(qiáng)，所以SCOD隨著投加次數(shù)的增加出現(xiàn)降低現(xiàn)象.3種投加方式中，NaOH、KOH、Ca（OH）2和混合堿發(fā)酵系統(tǒng)SCOD產(chǎn)量大小關(guān)系依次為NaOH＞KOH＞混合堿＞Ca（OH）2，這是因?yàn)槎r(jià)堿條件作用下剩余污泥的水解能力小于一價(jià)堿條件［19］，而且在混合堿中由于Ca2+與蛋白質(zhì)發(fā)生再絮凝反應(yīng)，使細(xì)胞外的EPS結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定［20］，不利于細(xì)胞質(zhì)的溶出，所以NaOH和KOH發(fā)酵系統(tǒng)中SCOD的產(chǎn)量顯著高于Ca（OH）2和混合堿發(fā)酵系統(tǒng)，由于混合堿中KOH的存在，使其發(fā)酵體系中SCOD的產(chǎn)量高于Ca（OH）2發(fā)酵體系.

圖1 投加方式對(duì)厭氧發(fā)酵污泥溶液化的影響Fig.1 The effect of adding method on the fermented sludge solubilization

2.1．2 投加方式對(duì)污泥厭氧發(fā)酵溶解性蛋白質(zhì)和多糖釋放的影響 剩余污泥中含有大量的胞外聚合物（EPS），而蛋白質(zhì)和多糖是EPS的主要組成部分［21-22］，總量約占EPS的80%左右［8］.同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，堿性條件能夠解離EPS中酸基基團(tuán)，使其帶負(fù)電荷基團(tuán)同電荷相斥，從而增強(qiáng)EPS中蛋白質(zhì)和多糖的釋放率［23］.水解菌通過(guò)水解酶將蛋白質(zhì)和多糖分解成氨基酸和單糖等物質(zhì)，酸化菌則利用水解產(chǎn)物生成SCFAs，因此溶解性蛋白質(zhì)和多糖是污泥厭氧酸化的關(guān)鍵物質(zhì)［24-25］，由此也可知，水解是污泥厭氧發(fā)酵的限制步驟［7］.

圖2 投加方式對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)中溶解性蛋白質(zhì)和多糖的影響Fig.2 The effect of adding method on soluble protein and polysaccharide

由圖2a和圖2b可知，可溶性蛋白質(zhì)和多糖變化與SCOD相似，發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定后，3種投加方式下4種堿性系統(tǒng)中的蛋白質(zhì)平均含量分別為：112.80， 124.26， 118.77mgCOD/gVSS（NaOH）；103.82， 114.61， 135.85mgCOD/gVSS（KOH）； 64.47，75.59， 58.97mgCOD/gVSS（Ca（OH）2）； 80.93，86.85， 106.45mgCOD/gVSS（混合堿）.多糖平均含量分別為：13.04， 13.28， 18.24mgCOD/gVSS（NaOH）； 10.69， 14.59， 23.07mgCOD/gVSS（KOH）；2.77， 4.33， 6.27mgCOD/gVSS（Ca（OH）2）； 6.49，10.34， 15.59mgCOD/gVSS（混合堿）.2次投加方式和3次投加方式較一次投加相比，蛋白質(zhì)含量分別提高10.16%、5.28%（NaOH），10.38%、30.84%（KOH）， 17.25%、-8.53%%（Ca（OH）2），7.32%、31.53%（混合堿），多糖含量分別增加1.81%、39.80% （NaOH）， 36.42%、115.73% （KOH），56.48%、126.41% （Ca（OH）2）， 59.28%、140.22%（混合堿）.分析發(fā)現(xiàn)， NaOH、KOH和混合堿3種堿性發(fā)酵系統(tǒng)的可溶性蛋白質(zhì)和多糖隨著投加次數(shù)的增加明顯增加，而Ca（OH）2發(fā)酵系統(tǒng)中的可溶性蛋白質(zhì)和多糖均增加不明顯，這是因?yàn)殡S著污泥投加次數(shù)的增加，發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)的污泥齡縮短，長(zhǎng)期短污泥齡淘洗使酸化菌數(shù)量較少和活性降低，從而利用可溶性蛋白質(zhì)和多糖的能力降低，所以NaOH、KOH、Ca（OH）2及混合堿發(fā)酵系統(tǒng)中可溶性蛋白質(zhì)和多糖含量隨著投加次數(shù)的增加而提高.NaOH和KOH污泥發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生的可溶性蛋白質(zhì)和多糖含量均高于Ca（OH）2和混合堿條件，這是由于Na+和K+能夠與EPS的高價(jià)離子進(jìn)行交換，從而使EPS結(jié)構(gòu)變得疏松，有利于EPS的溶出［19］，但是Ca2+與EPS中的蛋白質(zhì)再絮凝，使EPS結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，不利于蛋白質(zhì)和多糖的溶出［10］，所以在3種投加方式下可溶性蛋白質(zhì)和多糖含量均為： NaOH＞KOH＞混合堿＞Ca（OH）2.

2.1．3 投加方式對(duì)水解酶活性的影響 蛋白質(zhì)和多糖是剩余污泥中的主要成分，α-葡萄糖苷酶破壞麥芽糖內(nèi)的α-1，4糖苷鍵并釋放葡萄糖，蛋白酶則可通過(guò)破壞大分子蛋白質(zhì)的肽鏈，進(jìn)而達(dá)到水解蛋白質(zhì)的目的［15］，因此，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶可分別將蛋白質(zhì)和多糖水解成可被酸化菌利用的氨基酸和單糖等小分子物質(zhì)，所以蛋白酶和α-葡萄糖苷酶在污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程中起著重要作用.

由表3可知，隨著投加次數(shù)的增加，蛋白酶與α-葡萄糖苷酶活性降低，2次投加和3次投加與1次投加相比分別降低10%～20%，1%～2%.同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在3種投加方式下，蛋白酶活性高于α-葡萄糖苷酶活性，這是因?yàn)槊概c其反應(yīng)底物同時(shí)位于微生物細(xì)胞體內(nèi)，當(dāng)反應(yīng)底物從細(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外轉(zhuǎn)移時(shí)，相關(guān)酶也隨著向外轉(zhuǎn)移［26］，即向外轉(zhuǎn)移底物越多，相關(guān)酶活性就越高.由圖2可知，發(fā)酵液中的蛋白質(zhì)含量顯著高于多糖含量，因此導(dǎo)致蛋白酶活性高于α-葡萄糖苷酶活性.與Cadoret等［27］研究相同，Cadoret發(fā)現(xiàn)在污泥絮體EPS部分含有23%的蛋白酶和5%的α-葡萄糖苷酶，而剩余水解酶則位于球體層內(nèi).其他研究發(fā)現(xiàn)，干式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)嗜中溫和嗜熱條件下的α-葡萄糖苷酶活性與蛋白酶活性有著顯著的差別［28］，由此發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)于水解酶活性具有顯著影響，特別是低溫條件下α-葡萄糖苷酶與蛋白酶活性差別更為明顯.4種發(fā)酵系統(tǒng)中，α-葡萄糖苷酶和蛋白酶含量有顯著地差別，NaOH、KOH和混合堿發(fā)酵系統(tǒng)中的α-葡萄糖苷酶和蛋白酶活性均高于Ca（OH）2發(fā)酵系統(tǒng)，由此可知強(qiáng)堿發(fā)酵系統(tǒng)中的水解酶活性高于中強(qiáng)堿發(fā)酵系統(tǒng).強(qiáng)堿型發(fā)酵系統(tǒng)中較高的酶活性可能與底物相關(guān)，因?yàn)閺?qiáng)堿條件下底物從污泥絮體內(nèi)部向外轉(zhuǎn)移活動(dòng)增強(qiáng)，從而促進(jìn)酶的轉(zhuǎn)移，但是在中強(qiáng)堿系統(tǒng)中底物轉(zhuǎn)移活動(dòng)相對(duì)較弱，所以NaOH和KOH條件下水解酶的活性均大于Ca（OH）2和混合堿條件.

表3 投加方式對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)中水解酶活性的影響Table 3 The effect of adding method on hydrolase in the fermentation system

2.2 投加方式對(duì)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

2.2．1 投加方式對(duì)SCFAs的影響 SCFAs是污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程中酸化的終端產(chǎn)物，同時(shí)SCFAs作為生物處理工藝中的優(yōu)質(zhì)碳源受到廣泛關(guān)注.

圖3 投加方式對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)中SCFAs的影響Fig.3 The effect of adding method on SCFAs

由圖3可知，不同投加方式條件下產(chǎn)生的SCFAs含量有明顯區(qū)別，而且SCFAs含量與堿類型也有密切的關(guān)系.NaOH， KOH， Ca（OH）2，混合堿4個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)中SCFAs分別為Run1：350.50，273.85，174.70，191.94mgCOD/gVSS；Run2：293.16，261.79，223.21，171.45mgCOD/gVSS；Run3：210.44，215.59，183.87，175.04mgCOD/gVSS，由此發(fā)現(xiàn)，SCFAs產(chǎn)量隨著投加次數(shù)增加而降低，而且1次投加方式中SCFAs產(chǎn)量NaOH＞KOH＞混合堿＞Ca（OH）2，但是2次投加方式中SCFAs產(chǎn)量NaOH＞KOH＞Ca（OH）2＞混合堿，而且在3次投加方式下4個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)中的SCFAs含量相近.2次投加和3次投加較1次投加相比，產(chǎn)酸變化分別為：-11.03%、-36.14%（NaOH），-4.39%、-21.28%（KOH），28.05%、5.48%（Ca（OH）2），-10.67%、-8.80%（混合堿）， NaOH、KOH和混合堿條件下SCFAs降低幅度較大，但是Ca（OH）2條件下均有增加，其中2次投加方式增加幅度最大為28.05%.在NaOH和KOH發(fā)酵系統(tǒng)中，分次投加產(chǎn)酸量降低的原因可能是：一方面，投加次數(shù)增加使系統(tǒng)內(nèi)酸化菌的數(shù)量及活性降低，不利于SCFAs的生成；另一方面，發(fā)酵系統(tǒng)存在部分適堿環(huán)境的產(chǎn)甲烷菌［29］，由于頻繁的污泥投加使發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)厭氧環(huán)境改變，，堿作用時(shí)間縮短，從而使產(chǎn)甲烷菌活性有所提高，如表3所示，進(jìn)而加大SCFAs的消耗；第3方面，發(fā)酵系統(tǒng)中水解酶活性的降低，使酸化菌可用的酸化底物減少，從而導(dǎo)致SCFAs含量降低.相對(duì)于中強(qiáng)發(fā)酵系統(tǒng)，投加次數(shù)對(duì)于強(qiáng)堿發(fā)酵系統(tǒng)影響更為明顯，這可能是因?yàn)镃a2+具有一定緩沖作用，弱化了反應(yīng)時(shí)間縮短對(duì)酸化菌數(shù)量和水解酶活性的影響.

2.2．2 投加方式對(duì)F420的影響 在污泥發(fā)酵系統(tǒng)中，產(chǎn)甲烷菌消耗酸化產(chǎn)物SCFAs生成CH4，導(dǎo)致產(chǎn)酸量下降，而堿性條件能夠明顯抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)［8］，但是仍有部分產(chǎn)甲烷菌能夠適應(yīng)酸性或堿性［29-30］環(huán)境，所以雖然堿性發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌較少且活性較低，但是對(duì)于發(fā)酵系統(tǒng)中SCFAs產(chǎn)量的變化仍具有一定的研究意義.因此本研究以F420表征產(chǎn)甲烷菌活性，對(duì)于不同投加方式下4種發(fā)酵系統(tǒng)中F420進(jìn)行研究.

表4 投加方式對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)中F420活性的影響（×10-5μg/gVSS）Table 4 The effect of adding method on coenzyme 420 in the fermentation system （×10-5μg/gVSS）

圖4 投加方式對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)中乙酸及乙酸/SCFAs比例的影響Fig.4 The effect of adding method on acetic acid and the proportion of acetic acid in SCFAs

由表4可知，在3種投加方式中，NaOH、KOH及混合堿發(fā)酵系統(tǒng)中F420的活性隨著投加方式的增加而增大，這可能與微生物的厭氧環(huán)境及堿作用時(shí)間有關(guān).但是Ca（OH）2發(fā)酵系統(tǒng)中F420的活性隨著投加次數(shù)的增大而減小，這是因?yàn)椋篊a2+是產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)的必要因素［31］，同時(shí)對(duì)于微生物之間的聚集也有顯著作用［32-33］，過(guò)量的Ca2+導(dǎo)致厭氧微生物降解有機(jī)物質(zhì)時(shí)必要營(yíng)養(yǎng)元素和緩沖能力的損失，增大其他生物量但減少產(chǎn)甲烷菌等特定物種的數(shù)量和活性［34-36］.研究發(fā)現(xiàn)，4種金屬離子中產(chǎn)甲烷菌最優(yōu)生長(zhǎng)濃度分別為：Ca2+約為200mg/L［37］，K+約為400mg/L［38］，Na+約為100～350mg/L［39-40］，產(chǎn)甲烷菌對(duì)Ca2+更加敏感，當(dāng)Ca2+濃度在2500～4000mg/L時(shí)將對(duì)污泥厭氧消化產(chǎn)生影響［37］.而在此項(xiàng)研究中pH為10的情況下，Ca2+濃度約為400～600mg/L［41］明顯高于產(chǎn)甲烷菌最適生長(zhǎng)濃度，因此Ca（OH）2發(fā)酵系統(tǒng)能夠更加有效的抑制產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)，但同時(shí)增大了發(fā)酵系統(tǒng)中其他微生物的數(shù)量，其中包括水解酸化菌.

2.2．3 投加方式對(duì)乙酸的影響 研究發(fā)現(xiàn)，反硝化過(guò)程中優(yōu)先利用乙酸，其次是丁酸、丙酸和戊酸［42］.Chen［4］也發(fā)現(xiàn)乙酸和丙酸適宜作為脫氮除磷的有機(jī)碳源，因?yàn)榘l(fā)酵系統(tǒng)中丙酸和丁酸含量相對(duì)較低，所以本試驗(yàn)著重研究投加方式對(duì)乙酸的影響.

由圖4可知，隨著投加次數(shù)的增加，乙酸的含量降低，可能有以下2方面原因；一方面，隨著投加次數(shù)的增加，系統(tǒng)的水解能力下降，酸化基質(zhì)短缺，乙酸生成量減少；另一方面，乙酸是產(chǎn)甲烷菌最易利用碳源，而發(fā)酵系統(tǒng)中存在部分適應(yīng)堿環(huán)境的產(chǎn)甲烷菌，使乙酸的消耗量增加.同時(shí)分析圖5可知， 3種投加方式條件下隨著投加次數(shù)增加乙酸占SCFAs比例略有提高，而且Ca（OH）2條件下發(fā)酵系統(tǒng)中乙酸在SCFAs中百分比大于其他條件下約為10%左右，可見Ca2+是有利于污泥堿性發(fā)酵系統(tǒng)中乙酸的積累.

3 結(jié)論

3.1 SCOD隨著投加次數(shù)的增加而略有減少；發(fā)酵液中的可溶性蛋白質(zhì)和多糖隨著投加次數(shù)的增加而增大；SCFAs隨著投加次數(shù)增加而顯著降低，但是Ca（OH）2條件下卻有少量的增加.

3.2 NaOH， KOH，混合堿條件下水解酶活性均隨著投加次數(shù)的增加而減小，而且蛋白酶含量顯著大于α-葡萄糖苷酶含量.F420則隨著投加次數(shù)的增加而增大，而Ca（OH）2發(fā)酵系統(tǒng)中的水解酶變化不明顯，但是F420隨著投加次數(shù)的增加而減小.

3.3 SCFAs中乙酸含量隨著投加次數(shù)的增加而降低，但是SCFAs中乙酸的百分比增加，而且Ca（OH）2體系中乙酸百分比明顯高于其他發(fā)酵體系，說(shuō)明Ca（OH）2發(fā)酵體系有利于乙酸的積累.

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The effect of substrate adding method on performance of sludge alkaline fermentation.

JIN Bao-dan， WANG Shu-ying*， XING Li-qun， PENG Yong-zhen （Engineering Research Center of Beijing， Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124，China）. China Environmental Science， 2015，35（10）：3010～3017

In order to study the effect of adding method on the waste activated sludge（WAS） alkaline fermentation in the low temperature （15±2）℃. The WAS were fermented in the NaOH， KOH， Ca（OH）2and mixed alkalis fermentation systems （pH=10±0.2）， and changed the dosing method of WAS after the fermentation system stability（a dosing， average two dosing， average three dosing）. Dissolution of organic matters， short volatile fatty acids （SCFAs）， soluble protein，soluble polysaccharide and key enzyme （hydrolase and coenzyme 420） were analyzed during sludge anaerobic fermentation process. The acetic acid in the SCFAs was also observed. The batch-mode results showed that the dosing method had a significant impact on performance of the hydrolysis and acidification. The soluble chemical oxygen demand（SCOD） decreased with WAS dosing times， where soluble protein and polysaccharide increased. The hydrolytic enzyme decreased with WAS dosing times. However， the coenzyme420 increased in the NaOH and KOH conditions， remained about the same in the mixed alkali condition， declined in the Ca（OH）2condition. The activity of acidification declined with WAS dosing times in NaOH and KOH conditions， but the SCFAs increased in average two dosing and decreased in the average three dosing in the Ca（OH）2condition. Acidification performance was stable relatively in the Ca（OH）2condition and the proportion of acetic acid in SCFAs was the optimal which was higher 10% comparing with other conditions.

alkaline fermentation；dosing method；hydrolytic enzyme；coenzyme 420；alkali type

X703

A

1000-6923（2015）10-3010-08

金寶丹（1985-），女，吉林長(zhǎng)春人，博士，主要從事污水處理及水污染控制研究.

2015-03-16

國(guó)家自然科學(xué)基金（51178007）；北京市教委資助項(xiàng)目；第十三屆研究生科技基金資助項(xiàng)目（ykj-2014-10608）

* 責(zé)任作者， 教授， wsy@bjut.edu.cn