金寶丹 鈕勁濤 張 淼 趙建國 尹志剛

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南恒安環(huán)?？萍加邢薰?，河南 鄭州 450001；3.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

活性污泥法是當(dāng)今污水處理領(lǐng)域常用的污水處理方式，具有運(yùn)行簡單、成本低、污染物去除效果好的特點(diǎn)，然而其副產(chǎn)物剩余污泥的處理處置問題值得關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國市政剩余污泥年產(chǎn)量可達(dá)到6 000萬～9 000萬t[1]，剩余污泥中含有豐富的蛋白質(zhì)、糖類及脂類等有機(jī)物，同時含有大量的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，若不能進(jìn)行有效處理會嚴(yán)重影響環(huán)境安全。

污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸處理是剩余污泥資源化的研究熱點(diǎn)之一，其中發(fā)酵產(chǎn)物揮發(fā)性短鏈脂肪酸(SCFAs)是污水脫氮除磷過程中的優(yōu)選碳源，也是工業(yè)生產(chǎn)的重要基質(zhì)。水解是剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的關(guān)鍵步驟，物理、化學(xué)等方法均能有效地提高剩余污泥水解速率[2-3]。堿性處理被認(rèn)為是能夠提高剩余污泥水解速率、抑制產(chǎn)甲烷菌活性、促進(jìn)發(fā)酵系統(tǒng)SCFAs積累的方法[4]592,[5]，然而目前剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中仍存在水解率有限的問題，如何在堿性處理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高剩余污泥水解率是強(qiáng)化發(fā)酵產(chǎn)酸的關(guān)鍵。溫度預(yù)處理是一種提高剩余污泥水解速率，但不產(chǎn)生二次環(huán)境污染的處理方式，中溫預(yù)處理(25～35 ℃)[6]369和高溫預(yù)處理(≥50℃)[7]1755受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，目前剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)酸量的研究較多，但是生物酶活性如蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、輔酶420、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶以及脫氫酶活性的相關(guān)研究較少。

本研究選擇傳統(tǒng)的溫度預(yù)處理方式，研究不同預(yù)處理溫度對剩余污泥堿性發(fā)酵性能的影響，同時研究不同發(fā)酵系統(tǒng)中的生物酶如蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶以及脫氫酶活性，深入研究熟化發(fā)酵污泥的水解性能。

1 材料與方法

1.1 剩余污泥來源及實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)使用的剩余污泥來自鄭州市某城市污水處理廠曝氣池，使用前將其用自來水清洗3次，進(jìn)行濃縮?？刂苹旌弦簯腋」腆w(MLSS)質(zhì)量濃度為(14 000±150) mg/L，濾液中SCFAs為(4.50±0.50) mg/L(濾液中的SCFAs質(zhì)量以COD質(zhì)量計(jì)，蛋白質(zhì)、糖類同)，蛋白質(zhì)為(5.50±0.50) mg/L，糖類為(2.50±0.50) mg/L，可溶性化學(xué)需氧量(SCOD)為(15.00±0.70) mg/L。實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器材料為有機(jī)玻璃，有效容積為2.0 L，采用磁力攪拌器進(jìn)行勻速攪拌，反應(yīng)溫度為室溫。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)由有機(jī)玻璃反應(yīng)器組成，分別取2.0 L剩余污泥投加至4個發(fā)酵系統(tǒng)中。前期研究發(fā)現(xiàn)，pH=10條件下剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)SCFAs產(chǎn)量最大[4]592，但是當(dāng)pH>10[8]279或pH<3時[9]58，SCFAs產(chǎn)量均受到影響，且以NaOH為堿劑的剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中SCFAs產(chǎn)量最大[8]279，因此本實(shí)驗(yàn)采用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH至10，污泥齡為10 d，室溫運(yùn)行。

將剩余污泥在30、50、70、90 ℃水浴鍋中攪拌預(yù)處理2 h，待4個剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行至第10天時排出200 mL發(fā)酵污泥，同時分別向4個剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)投加200 mL預(yù)處理剩余污泥(30、50、70、90 ℃預(yù)處理)，隨后取樣測定理化指標(biāo)。

1.2.2 水解實(shí)驗(yàn)

從4個剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)分別取熟化發(fā)酵污泥800 mL，用自來水清洗3次，測定蛋白質(zhì)和糖類含量，作為背景值。設(shè)置4個錐形瓶，以蛋白質(zhì)作為水解基質(zhì)開展水解實(shí)驗(yàn)，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為(170.31±30.05) mg/L，取清洗后的4個發(fā)酵系統(tǒng)中的熟化發(fā)酵污泥800 mL分別投加至4個錐形瓶，pH采用1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)至10，每12 h進(jìn)行蛋白質(zhì)含量檢測，實(shí)驗(yàn)時間為24 h。以葡萄糖作為水解基質(zhì)開展的水解實(shí)驗(yàn)步驟同上，葡萄糖質(zhì)量濃度為(200.55±50.22) mg/L，每12 h進(jìn)行糖類含量檢測，實(shí)驗(yàn)時間為24 h。

1.3 檢測方法

SCOD采用重鉻酸鉀-快速消解法測定，氨氮采用納氏分光光度法測定，磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法測定。SCFAs采用Agilent6890B氣相色譜儀測定。蛋白質(zhì)和糖類分別采用Lower-Follin、硫酸-蒽酮法測定。蛋白酶活性采用偶氮酪蛋白分光光度法、α-葡萄糖苷酶活性采用對硝基-α-D-吡喃葡萄糖苷分光光度法、堿性磷酸酶和酸性磷酸酶活性采用對硝基苯磷酸二鈉分光光度法、脫氫酶活性采用碘硝基四唑紫分光光度法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同預(yù)處理溫度對剩余污泥性質(zhì)的影響

由表1可知，隨著預(yù)處理溫度的升高，污泥溶解物如蛋白質(zhì)、糖類濃度增加，90 ℃預(yù)處理溫度下蛋白質(zhì)、糖類質(zhì)量濃度分別為740.20、80.24 mg/L。可見，高溫預(yù)處理能夠有效促進(jìn)污泥溶解，這是因?yàn)楦邷靥幚砥茐募?xì)胞膜，使細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物如蛋白質(zhì)、糖類等物質(zhì)釋放至系統(tǒng)，進(jìn)而促進(jìn)了預(yù)處理系統(tǒng)SCOD的積累。

表1 不同預(yù)處理溫度下的剩余污泥性質(zhì)

2.2 剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的水解性能

4個發(fā)酵系統(tǒng)在1～9 d時發(fā)酵條件相同，在發(fā)酵至第9天時蛋白質(zhì)和糖類質(zhì)量濃度分別為573.34、158.17 mg/L(見圖1)。第10天4個發(fā)酵系統(tǒng)排出200 mL發(fā)酵污泥，同時投加200 mL預(yù)處理剩余污泥，結(jié)果表明，不同預(yù)處理溫度的剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中蛋白質(zhì)和糖類質(zhì)量濃度大體表現(xiàn)為90 ℃>70 ℃>50 ℃>30 ℃，90、70、50、30 ℃預(yù)處理溫度下發(fā)酵末期蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度分別為652.26、632.49、578.91、480.04 mg/L，糖類質(zhì)量濃度分別為187.61、180.04、171.63、114.42mg/L。分析結(jié)果表明，預(yù)處理剩余污泥的投加對剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中蛋白質(zhì)和糖類的含量有一定影響，90 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)(即添加90 ℃預(yù)處理剩余污泥的發(fā)酵系統(tǒng)，其余類推)中含量最高，這是因?yàn)殡S著預(yù)處理溫度的提高，菌膠團(tuán)中細(xì)胞內(nèi)外壓力差變大，致使細(xì)胞被破壞，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和糖類等物質(zhì)大量釋放[10]。由表2可知，發(fā)酵系統(tǒng)中的MLSS和混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)降低，SCOD隨著預(yù)處理溫度的升高而增大。

圖1 不同預(yù)處理溫度下的蛋白質(zhì)和糖類Fig.1 Protein and polysaccharide under different pretreatment temperature

2.3 剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)氨氮和磷酸鹽的釋放

由表2可知，氨氮隨著預(yù)處理溫度的升高而增加，其中90 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)氨氮質(zhì)量濃度最高，為127.15 mg/L，30 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)氨氮質(zhì)量濃度最低，為110.88 mg/L。磷酸鹽大體隨著預(yù)處理溫度的升高而減少。發(fā)酵系統(tǒng)中氨氮的濃度遠(yuǎn)高于磷酸鹽濃度，這與其他類型發(fā)酵效果相似[7]1755。氨氮是由蛋白質(zhì)和尿素等有機(jī)氮分解而成，而磷酸鹽是由磷脂雙分子層和多磷酸顆粒分解而成，剩余污泥有機(jī)氮含量顯著高于有機(jī)磷，因此，剩余污泥厭氧發(fā)酵過程氨氮釋放量高于磷酸鹽釋放量[11]11。

2.4 剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的酸化性能

通過檢測可知，未投加預(yù)處理剩余污泥時4個發(fā)酵系統(tǒng)中SCFAs產(chǎn)量約為2 240.12 mg/L，由圖2(a)可知，投加預(yù)處理剩余污泥后發(fā)酵系統(tǒng)中SCFAs發(fā)生顯著變化，最高SCFAs為2 852.27 mg/L(50 ℃)，最低SCFAs為1 566.25 mg/L(90 ℃)，溫度預(yù)處理的剩余污泥堿性發(fā)酵系統(tǒng)SCFAs產(chǎn)量顯著高于單純堿性發(fā)酵系統(tǒng)(195.312 mg/g)[4]592,[12-13]，也高于單過硫酸氫鉀(PMS，716.72 mg/L)[11]11、CaO2(800 mg/L)[14]、HCl(114.2 mg/L)[9]58發(fā)酵系統(tǒng)，可見，溫度預(yù)處理能夠有效提升剩余污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)酸性能，但過高的預(yù)處理溫度降低了SCFAs產(chǎn)量。同時由表2可知，SCOD中的SCFAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著預(yù)處理溫度的升高先增加后減少。這可能與各發(fā)酵系統(tǒng)中的產(chǎn)酸菌不同有關(guān)，50 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中富集了大量的梭菌科(Clostridiaceae)、熱袍菌科(Thermotogaceae)等產(chǎn)酸菌群[6]370，因此本實(shí)驗(yàn)中50 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的SCFAs積累量高于其他發(fā)酵系統(tǒng)。由圖2(b)可知，預(yù)處理溫度對SCFAs成分也會產(chǎn)生影響，乙酸和丙酸是剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的主要產(chǎn)物，50 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到53.46%，高于單純堿性發(fā)酵系統(tǒng)(49.8%)[4]592，低于PMS發(fā)酵系統(tǒng)(75%)[11]11，90 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為28.98%。50 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中丙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為22.31%，90 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中丙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為35.45%?？梢姡m宜的預(yù)處理溫度能夠提高發(fā)酵系統(tǒng)的丙酸轉(zhuǎn)化率。正丁酸、異丁酸、異戊酸等差異較小，但是正戊酸隨預(yù)處理溫度升高先減少后增加。

表2 發(fā)酵性能1)

圖2 不同預(yù)處理溫度下的SCFAs質(zhì)量濃度和SCFAs成分Fig.2 SCFAs concentration and SCFAs composition under different pretreatment temperature

2.5 剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的生物酶活性

由表3可知，蛋白酶活性隨著預(yù)處理溫度的升高顯著下降，90 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中未檢測出蛋白酶，30 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的蛋白酶活性是70 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的21.71倍。α-葡萄糖苷酶活性隨著預(yù)處理溫度的升高先升高后降低，50 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的α-葡萄糖苷酶活性最大，為0.002 3 U/mg，30 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的最小，為0.001 3 U/mg。原因可能是：隨著溫度的升高，糖類的釋放量增大，由此而導(dǎo)致α-葡萄糖苷酶活性增強(qiáng)，但溫度過高會導(dǎo)致α-葡萄糖苷酶失活[15-16]。

微生物體內(nèi)含有豐富的有機(jī)磷，污泥厭氧發(fā)酵過程中含有磷酸基的有機(jī)磷與磷酸酶(如堿性磷酸酶、酸性磷酸酶)發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的降解和轉(zhuǎn)化[17]。有機(jī)磷被堿性磷酸酶和酸性磷酸酶水解成無機(jī)磷并參與細(xì)胞內(nèi)磷合成[18]。預(yù)處理溫度對堿性磷酸酶和酸性磷酸酶活性具有一定影響，其中堿性磷酸酶活性隨著預(yù)處理溫度升高而降低，而酸性磷酸酶活性隨著預(yù)處理溫度升高先升高后降低，說明高溫預(yù)處理抑制堿性磷酸酶活性，但是適宜的預(yù)處理溫度能夠增強(qiáng)酸性磷酸酶活性。

脫氫酶是一種重要的胞外酶，能夠催化乳酸和丙酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)[19]，在污泥厭氧發(fā)酵過程中具有重要的作用。由表3可知，30、50、70 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的脫氫酶活性差別不大，然而90 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的脫氫酶活性有所降低，這說明預(yù)處理溫度過高會抑制脫氫酶活性。

2.6 熟化發(fā)酵污泥的水解性能

不同預(yù)處理溫度的剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的水解酸化性能具有一定差別，可推測不同剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中的功能微生物亦具有一定差異。由表4可知，熟化發(fā)酵污泥對蛋白質(zhì)的水解性能具有較大差別，水解24 h后30、50、70、90 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度分別為31.62、32.94、36.90、129.13 mg/L，可見，90 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中熟化發(fā)酵污泥的水解性能最差，原因可能是：90 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中熟化發(fā)酵污泥水解菌活性降低，豐度減少，造成蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化能力下降。隨著預(yù)處理溫度的升高蛋白質(zhì)水解率降低，預(yù)處理溫度為30、50、70、90 ℃時，蛋白質(zhì)水解率分別為82.22%、79.51%、73.83%、10.91%。由表4可知，24 h后30、50、70、90 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中糖類質(zhì)量濃度分別為64.50、43.75、52.72、80.77 mg/L，50 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中糖類水解率最高，為84.71%，90 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中糖類水解率最低，為69.75%。

表3 生物酶活性

表4 熟化發(fā)酵污泥的蛋白質(zhì)和糖類水解性能

3 結(jié) 論

(1) 溫度預(yù)處理能夠一定程度提升剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)水解性能。氨氮隨著預(yù)處理溫度的升高而增加，但是磷酸鹽大體隨著預(yù)處理溫度的升高而減少。過高的預(yù)處理溫度會降低剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)的酸化性能。

(2) 蛋白酶和堿性磷酸酶活性隨著預(yù)處理溫度的升高而降低，但是α-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶活性先升高后降低。

(3) 30 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中熟化發(fā)酵污泥對蛋白質(zhì)的水解率最高，為82.22%，而50 ℃剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)中熟化發(fā)酵污泥對糖類的水解率最高，為84.71%。