劉國(guó)華,王 健,齊 魯,王洪臣

生物酶對(duì)初沉污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的調(diào)控研究

劉國(guó)華,王 健,齊 魯*,王洪臣

(中國(guó)人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院低碳水環(huán)境技術(shù)中心,北京 100872)

旨在通過(guò)生物酶調(diào)節(jié)(堿性蛋白酶、中性蛋白酶和α-淀粉酶)提高初沉污泥的厭氧發(fā)酵效率,并通過(guò)微生物群落結(jié)構(gòu)解析,SCFAs (short-chain fatty acids,SCFAs)組分分析等揭示其調(diào)控機(jī)理.結(jié)果表明,3種生物酶均可增強(qiáng)初沉污泥水解和產(chǎn)酸作用,堿性蛋白酶調(diào)控系統(tǒng)對(duì)初沉污泥厭氧發(fā)酵的促進(jìn)效果最為明顯,發(fā)酵第4d SCFAs的產(chǎn)量和產(chǎn)率分別達(dá)到1508mg COD/L和0.174g COD/g VSS.對(duì)比控制組,SCFAs的產(chǎn)量和產(chǎn)率分別增加了1129mg COD/L和0.13g COD/g VSS.微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明,在堿性蛋白酶調(diào)控發(fā)酵系統(tǒng)中,、和等發(fā)酵相關(guān)菌群的相對(duì)豐度得到了改善,、等產(chǎn)甲烷古菌的活性受到了抑制.同時(shí),生物酶調(diào)控對(duì)促進(jìn)發(fā)酵過(guò)程乙酸占比也有促進(jìn)作用.

生物酶；短鏈脂肪酸；初沉污泥；厭氧發(fā)酵；調(diào)控

當(dāng)前,我國(guó)污水處理廠普遍存在進(jìn)水碳源不足的問(wèn)題,導(dǎo)致生物脫氮除磷效率低下,因此往往需投加乙酸鈉或甲醇等外部碳源以提高脫氮除磷效果.然而,投加外部碳源會(huì)大大增加污水處理成本,所以內(nèi)部碳源的開(kāi)發(fā)顯得尤為重要.厭氧環(huán)境下污泥發(fā)酵可產(chǎn)出大量可溶性有機(jī)質(zhì),其中短鏈脂肪酸(SCFAs)是極易被微生物利用的高效碳源.污水處理廠初次沉淀池污泥(后稱“初沉污泥”)有機(jī)物含量為55%～70%,蛋白質(zhì)和碳水化合物占40%以上[1].因此,初沉污泥厭氧發(fā)酵是污水處理廠生產(chǎn)SCFAs的一種經(jīng)濟(jì)有效的方式[2-3].

厭氧發(fā)酵過(guò)程主要包括水解,產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷等階段.其中,水解是發(fā)酵過(guò)程中主要的限速步驟,菌之間的競(jìng)爭(zhēng)決定了主要發(fā)酵產(chǎn)物的形成[4].研究表明,生物酶預(yù)處理可以提高污泥的水解效果[5],但是其對(duì)于整個(gè)初沉污泥發(fā)酵過(guò)程的影響規(guī)律和機(jī)理研究較少,并且在污泥發(fā)酵過(guò)程中采用的生物酶調(diào)控手段尚不全面[6-7].因此,本文探究不同種類生物酶(堿性蛋白酶,中性蛋白酶,α-淀粉酶)對(duì)初沉污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)SCFAs的影響,并通過(guò)分析發(fā)酵系統(tǒng)中參與生物水解,產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷生成的關(guān)鍵微生物,揭示了其影響機(jī)理.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用初沉污泥取自北京市某再生水廠的初沉池,該污水處理廠采用傳統(tǒng)活性污泥工藝.將所取污泥在4℃下保存.厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的接種用污泥從該廠的厭氧污泥消化池取得.實(shí)驗(yàn)所用初沉池污泥及消化污泥的主要參數(shù)如表1所示,所用生物酶購(gòu)自北京博奧拓達(dá)科技有限公司.

表1 實(shí)驗(yàn)所用污泥性質(zhì)

注:碳水化合物,蛋白質(zhì)為污泥離心上清液過(guò)0.45 μm膜后含量,NH4+- N,PO43--P為污泥離心上清液中的含量.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將初沉污泥和消化污泥(接種)混合(質(zhì)量比=4:1),然后轉(zhuǎn)移到至4個(gè)相同的發(fā)酵反應(yīng)器中,混合污泥的TSS和VSS濃度分別為(22000±598)和(8684±325)mg/L.機(jī)械攪拌速度控制在(120±10) r/min,溫度保持在(36±1)℃.為了保持較高的酶活性,實(shí)驗(yàn)前將粉末狀生物酶配置成酶溶液,具體的配置方法與耿娜瑤[8]報(bào)道的方法相同.在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,分別按照10%酶投量(w/w)添加酶溶液至3個(gè)發(fā)酵反應(yīng)器(R1～R3)中.之后連續(xù)14d觀察并采樣分析.

在發(fā)酵第1d酶每隔4h采集一次污泥樣品,之后每24h從反應(yīng)器中收集一次污泥樣品,并進(jìn)行分析.此外,分別在發(fā)酵第0,3,5,9和14d收集污泥樣品于20mL離心管中并保存在-20℃的冰箱中,用于分析與水解,酸化及甲烷生成有關(guān)的微生物群落結(jié)構(gòu).

1.3 分析方法

氨氮、磷酸鹽、SCOD、TSS和VSS等根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[9].使用Lowry-Folin方法以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢測(cè)可溶性蛋白含量[10].通過(guò)硫酸-蒽酮法以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定可溶性碳水化合物含量.粒徑分布采用百特激光粒度分布儀進(jìn)行測(cè)定.

SCFAs利用氣相色譜法(GC,Agilent,7890A)進(jìn)行分析測(cè)定.待測(cè)樣品首先經(jīng)過(guò)0.45μm濾膜過(guò)濾,取0.9mL待測(cè)樣品于安捷倫測(cè)樣棕色小瓶?jī)?nèi),加入0.1mL磷酸進(jìn)行酸化,隨后進(jìn)樣至氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定.氣相色譜的檢測(cè)器和色譜柱分別為氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)和DB-WAXETR色譜柱 (30m′1.0μm′0.53mm).色譜條件:進(jìn)樣口溫度為220℃,進(jìn)樣體積為2μL;FID溫度為250℃.最后,按照乙酸1.07、丙酸1.51、正丁酸和異丁酸1.82、正戊酸和異戊酸2.04的換算系數(shù)將SCFAs濃度轉(zhuǎn)換為COD濃度[11].

使用FastDNA? Spin Kit for Soil(MP Biomedicals, USA)從厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中的污泥樣品中提取DNA,并使用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)提取的DNA.然后使用5'熒光標(biāo)記的正向引物(27F labeled with 6- carboxyfluorescein, 5'-AGAGTTTGATCCTGGCTC- AG-3')和通用反向引物(1492R,5'-GGTTACCTTG- TTACGACTT-3')對(duì)細(xì)菌16S rDNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增[12].回收PCR產(chǎn)物,并使用回收試劑盒(E.Z.N.A.瓊脂糖凝膠)純化.最后,使用IonS5?XL MiSeq高通量測(cè)序(IonS5?XL Ion 530芯片,Thermo Fisher,美國(guó))對(duì)純化的PCR產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)序.進(jìn)行操作分類單位(OTU)聚類和分類分析,然后獲得微生物分布信息.通過(guò)Alpha多樣性和Beta多樣性分析,揭示樣品之間物種組成和群落結(jié)構(gòu)的差異.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同發(fā)酵系統(tǒng)中初沉污泥水解效果分析

在初沉污泥的水解過(guò)程中,通過(guò)化學(xué)和生物作用可將顆粒狀有機(jī)物水解或分解成可溶性有機(jī)物[13].因此,可以通過(guò)SCOD濃度隨時(shí)間的變化來(lái)反映初沉污泥的水解過(guò)程[8].

圖1結(jié)果顯示,相比之下,堿性蛋白酶對(duì)初沉污泥有機(jī)質(zhì)有最好的溶出效果,在反應(yīng)24h后,污泥上清液中SCOD濃度可達(dá)2915.5mg/L,中性蛋白酶次之,SCOD濃度為2210.5mg/L,α-淀粉酶對(duì)初沉污泥溶出效果相對(duì)較弱,SCOD濃度約為1459.5mg/L.結(jié)果表明,不同的生物酶可以一定程度提高污泥發(fā)酵液中的SCOD濃度(空白組為865mg/L),這主要是因?yàn)樯锩笇?duì)于污泥顆粒中部分有機(jī)質(zhì)的專一性水解作用.因?yàn)槌醭廖勰啾旧砀鹘M分組成存在差異,因此不同生物酶調(diào)控發(fā)酵系統(tǒng)出現(xiàn)不同的SCOD溶出效果.另外,由于生物酶發(fā)揮催化作用往往較為快速,一般在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)即可完成,因此在發(fā)酵的第1d顯示為快速水解過(guò)程, 1d后SCOD濃度在各組中均出現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),推測(cè)為微生物代謝消耗了部分污泥中溶解性有機(jī)物.而且,隨著酶促反應(yīng)的進(jìn)行,也存在酶活性中心被污泥有機(jī)質(zhì)分子占據(jù)的情況,或者吸附作用導(dǎo)致酶反應(yīng)活性的降低[14].總之,生物酶調(diào)控手段對(duì)于初沉污泥發(fā)酵而言,能在較短時(shí)間內(nèi)促進(jìn)污泥水解產(chǎn)生SCOD.

圖1 不同生物酶調(diào)控下SCOD濃度隨時(shí)間變化

表2 不同生物酶調(diào)控下第4d發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi) SCOD凈產(chǎn)量及產(chǎn)率對(duì)照

Novak等[15]曾報(bào)道厭氧消化過(guò)程中蛋白質(zhì)和多糖的降解均隨著酶活性的降低而降低.如圖2所示,在不同的生物酶調(diào)控條件下蛋白質(zhì)和碳水化合物濃度的變化趨勢(shì)與SCOD的濃度變化相似.因此,可以認(rèn)為SCOD的溶出與碳水化合物和蛋白質(zhì)的溶出是同步的[16].在24h反應(yīng)時(shí)間內(nèi),在堿性蛋白酶調(diào)控系統(tǒng)中,溶解態(tài)蛋白濃度和溶解態(tài)碳水化合物濃度分別上升至708和65mg/L水平;在中性蛋白酶實(shí)驗(yàn)中,溶解態(tài)蛋白濃度和溶解態(tài)碳水化合物濃度分別上升至586和53mg/L水平;在α-淀粉酶實(shí)驗(yàn)中,溶解態(tài)蛋白濃度和溶解態(tài)碳水化合物濃度分別上升至428和67mg/L水平.堿性蛋白酶促進(jìn)效果最佳,主要因?yàn)閴A性蛋白酶能很好的促進(jìn)微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)組分,同時(shí)對(duì)污泥中顆粒態(tài)蛋白水解有一定促進(jìn)作用[17].因此,對(duì)于污泥固相中蛋白質(zhì)的溶出效果如下:堿性蛋白酶>中性蛋白酶>α-淀粉酶;對(duì)于污泥固相中碳水化合物類物質(zhì)的溶出效果呈現(xiàn):α-淀粉酶>堿性蛋白酶>中性蛋白酶.另外,蛋白質(zhì)溶出效果明顯優(yōu)于碳水化合物的主要原因?yàn)槌醭廖勰嘀械鞍踪|(zhì)顆粒組分遠(yuǎn)高于碳水化合物,而且酶活性易受發(fā)酵底物的影響,當(dāng)污泥中酶作用的底物較多時(shí),其活性也會(huì)較高[18].

2.2 不同發(fā)酵系統(tǒng)中有機(jī)物的酸化

由圖3(a)可以看出,在3種生物酶調(diào)控下SCFAs得到快速積累,在發(fā)酵第4d,各組的積累基本達(dá)到最高值,并且SCFAs溶出效果為:堿性蛋白酶>中性蛋白酶>a-淀粉酶.在堿性蛋白酶,中性蛋白酶,α-淀粉酶調(diào)控組中SCFAs的總量分別快速積累到1508, 1307和1144mg COD/L(空白組為379mg COD/L).表3顯示出了堿性蛋白酶,中性蛋白酶,a-淀粉酶調(diào)控組中SCFAs在發(fā)酵4d時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)率,分別為: 0.174,0.150和0.131g COD/g VSS(空白組為0.044g COD/g VSS).這種現(xiàn)象的主要原因是生物酶促進(jìn)水解產(chǎn)生的溶解態(tài)有機(jī)物為產(chǎn)酸微生物發(fā)酵提供了有利底物.在發(fā)酵4d后,各系統(tǒng)中SCFAs均出現(xiàn)下降趨勢(shì),推測(cè)為產(chǎn)甲烷菌利用了生成的SCFAs用于產(chǎn)甲烷,進(jìn)而導(dǎo)致SCFAs的消耗.

圖3(b)顯示了各系統(tǒng)發(fā)酵第4d SCFAs組分的百分比.經(jīng)生物酶調(diào)控后,乙酸是發(fā)酵系統(tǒng)中主要的SCFAs.相較于空白組,基于堿性蛋白酶,中性蛋白酶和α-淀粉酶3種堿調(diào)控系統(tǒng)中產(chǎn)出的SCFAs組分中乙酸占比從30%左右分別升至約49%、47%和49%.可以得出,生物酶調(diào)控通過(guò)促進(jìn)蛋白質(zhì)和碳水化合物類物質(zhì)的溶出釋放,從而推動(dòng)了發(fā)酵反應(yīng)向產(chǎn)生SCFAs方向移動(dòng),生物酶調(diào)控發(fā)酵系統(tǒng)中乙酸占比升高是因?yàn)榘l(fā)酵過(guò)程更為徹底,進(jìn)入了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段.同時(shí),丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸和戊酸很容易被厭氧微生物通過(guò)不同的代謝途徑降解為乙酸[19].

表3 發(fā)酵第4d SCFAs的產(chǎn)量和產(chǎn)率

如圖4,在空白系統(tǒng)中隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),各種SCFAs積累量均在發(fā)酵約9d后趨于0,而生物酶調(diào)控組在14d依然保持較高水平.在調(diào)控發(fā)酵系統(tǒng)中,乙酸含量在第4d分別達(dá)到511mg/L(堿性蛋白酶)、429mg/L(中性蛋白酶)、395mg/L(α-淀粉酶).另外,在生物酶調(diào)控組中,異戊酸溶出量>丙酸溶出量,這主要是因?yàn)橐宜?丙酸和丁酸的生成主要由液相中蛋白和碳水化合物發(fā)酵而獲得,但是碳鏈較長(zhǎng)的脂肪酸(如戊酸)主要來(lái)自于蛋白質(zhì)發(fā)酵[20],實(shí)驗(yàn)中由于蛋白質(zhì)和碳水化合物溶出量存在差異,導(dǎo)致兩者的發(fā)酵速率也存在差異,進(jìn)而引起了揮發(fā)性脂肪酸的組成比例差異.而且分析各生物酶調(diào)控系統(tǒng),乙酸下降時(shí)間節(jié)點(diǎn)最早出現(xiàn),因?yàn)橄到y(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌更易消耗乙酸,而相對(duì)較難利用丙酸,丁酸和戊酸.

圖4 發(fā)酵過(guò)程中不同生物酶調(diào)控對(duì)SCFAs組分變化的影響

2.3 SCOD組分變化規(guī)律

圖5顯示了不同發(fā)酵系統(tǒng)在第4dSCOD各組分關(guān)系.可以看出,蛋白質(zhì)和SCFAs在SCOD中占比較大,而碳水化合物的占比很小.同時(shí),在不同的生物酶調(diào)控系統(tǒng)中,蛋白質(zhì)和SCFAs的含量均顯著增加,這與辛?xí)詵|[14]的結(jié)果相似.而且,污泥發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的SCFAs與發(fā)酵系統(tǒng)中溶解態(tài)蛋白質(zhì)與碳水化合物的濃度相關(guān)[21].因此,在生物酶調(diào)控組中,使用堿性蛋白酶進(jìn)行調(diào)控是提高可溶性蛋白和SCFAs產(chǎn)量的最有效方法.

圖5 第4d在不同發(fā)酵系統(tǒng)中的SCOD組成

2.4 氮磷溶出規(guī)律分析

在厭氧發(fā)酵過(guò)程中,氨主要由含氮有機(jī)物的水解和氨基酸,蛋白質(zhì)等的發(fā)酵產(chǎn)生[8].磷則是微生物細(xì)胞的重要組成元素,因此磷主要由污泥發(fā)酵過(guò)程中細(xì)胞的破碎以及有機(jī)物的降解產(chǎn)生[22].由圖6可以看出,隨著發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行,系統(tǒng)中NH4+-N濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì),而PO43--P濃度基本無(wú)變化,說(shuō)明生物酶調(diào)控促進(jìn)了初沉污泥中顆粒有機(jī)物的水解,同時(shí)也為蛋白質(zhì)發(fā)酵提供了充足底物.對(duì)比各組NH4+-N溶出效果:堿性蛋白酶組>中性蛋白酶組>α-淀粉酶組.因此,相較于中性蛋白酶和α-淀粉酶,堿性蛋白酶對(duì)于促進(jìn)初沉污泥發(fā)酵作用更為明顯.

2.5 VSS去除率和粒徑分布分析

VSS去除率可用于表征顆粒有機(jī)物等的水解效果[8].從7(a)可以看出,與空白系統(tǒng)相比,各生物酶調(diào)控手段對(duì)VSS去除均有一定促進(jìn)作用,其促進(jìn)效果呈現(xiàn)堿性蛋白酶>中性蛋白酶>α-淀粉酶,這與SCOD溶出和SCFAs產(chǎn)生的趨勢(shì)基本相同(圖2,圖3(a)).通過(guò)VSS去除率隨時(shí)間變化可以看出:各組在前2d VSS削減變化較明顯,2d后變化趨勢(shì)驅(qū)緩,這與SCOD溶出趨勢(shì)相似.而且,堿性蛋白酶調(diào)控系統(tǒng)VSS去除率最高,約為30%.這與Rashed等[23]的研究結(jié)果相似,不同的生物酶,不同污泥對(duì)污泥發(fā)酵過(guò)程VSS去除率效果均不同,但是與Noyola等[24]的研究結(jié)果不同,其原因可能因?yàn)樗褂梦勰嘈再|(zhì)存在一定差異.

圖7 不同酶調(diào)控系統(tǒng)的VSS去除率和14d后各系統(tǒng)粒徑分布

粒徑分布可用于分析污泥發(fā)酵過(guò)程中顆粒有機(jī)物的水解程度[7,14].在基于不同酶調(diào)控的發(fā)酵系統(tǒng)中,發(fā)酵14d后的粒徑分布如圖7(b)所示.與空白組相比,生物酶調(diào)控后系統(tǒng)中污泥的粒徑有微弱減小趨勢(shì),表明生物酶調(diào)控對(duì)促進(jìn)顆粒態(tài)有機(jī)物的水解有一定促進(jìn)作用.

2.6 不同生物酶調(diào)控對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

通過(guò)分析不同發(fā)酵系統(tǒng)之間的生物群落差異,可以分析生物酶對(duì)促進(jìn)污泥發(fā)酵生產(chǎn)SCFAs的相關(guān)機(jī)理.由圖8可以看出,不同生物酶調(diào)控對(duì)污泥厭氧發(fā)酵體系中微生物群落影響明顯,各發(fā)酵體系中微生物群落具有相似性,但組與組之間也存在一定差異性.辛?xí)詵|[14]的研究表明微生物群落構(gòu)成與變化同時(shí)受到底物有機(jī)負(fù)荷水平以及發(fā)酵體系中限制因子的影響.

為了表征空白系統(tǒng)和各生物酶調(diào)控系統(tǒng)之間功能性微生物菌屬組成的差異,在屬水平上利用豐度熱圖分析了各發(fā)酵反應(yīng)器中的相關(guān)菌屬(圖8).空白組中的相對(duì)豐度均高于生物酶調(diào)控組,但是在各調(diào)控系統(tǒng)中仍舊存在一定量的產(chǎn)甲烷菌,這有效解釋了在發(fā)酵過(guò)程后期SCFAs的濃度在各組中均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)[25].同時(shí),可直觀看出,與空白系統(tǒng)相比,在堿性蛋白酶調(diào)控系統(tǒng)中,、和等水解產(chǎn)酸菌屬的相對(duì)豐度明顯增加[26].在中性蛋白酶調(diào)控系統(tǒng)中,水解和產(chǎn)酸相關(guān)細(xì)菌屬,如和相對(duì)豐度也有增加[27-28].可以淀粉為生長(zhǎng)底物,同時(shí)在蛋白質(zhì)和肽的代謝中發(fā)揮重要作用.是一種專性厭氧菌屬,可發(fā)酵產(chǎn)生乳酸鹽、乙酸鹽和丁酸鹽.

如圖11所示,使用空白系統(tǒng)和不同生物酶調(diào)控系統(tǒng)之間的物種差異T檢驗(yàn)分析圖來(lái)表征系統(tǒng)之間的物種差異.圖中列出了各生物酶調(diào)控系統(tǒng)與空白系統(tǒng)之間有明顯差異的菌屬(<0.05).

生物酶調(diào)控發(fā)酵系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)與空白系統(tǒng)存在一定差異性,堿性蛋白酶組相較于空白組和等水解酸化菌屬差異性較大.是重要的蛋白質(zhì)水解菌屬,同時(shí)也是重要的產(chǎn)乙酸菌屬[29].可用于處理含淀粉的高濃度有機(jī)廢水,可發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生乙酸鹽和丙酸鹽等[26].中性蛋白酶組相較于空白組和等菌屬相對(duì)豐度差異性較大.最早從厭氧乳清消化器中分離得到,其作用主要是還原硫酸鹽和單質(zhì)硫生成硫化物,并非主要水解酸化作用功能菌屬[30].不可發(fā)酵碳水化合物,發(fā)酵蛋白質(zhì)和脂質(zhì)能力也較差[31].因此,中性蛋白酶組相較于空白組水解酸化功能菌產(chǎn)異性很小.α-淀粉酶組相較于空白組菌屬基本無(wú)差異性.因此,生物酶調(diào)控對(duì)于初沉污泥發(fā)酵而言主要能促進(jìn)其水解過(guò)程,進(jìn)而改善發(fā)酵底物環(huán)境,促進(jìn)SCFAs的產(chǎn)出.

圖8 在不同生物酶調(diào)控系統(tǒng)中前35位微生物菌屬的豐度熱圖

JM:堿性蛋白酶,ZM:中性蛋白酶,DM:α-淀粉酶,B:空白

JM:堿性蛋白酶,ZM:中性蛋白酶,DM:α-淀粉酶,B:空白

3 結(jié)論

3.1 堿性蛋白酶、中性蛋白酶和α-淀粉酶3種生物酶均促進(jìn)了SCFAs的產(chǎn)出.在發(fā)酵第4d,在3種生物酶調(diào)控系統(tǒng)中SCFAs的產(chǎn)量和產(chǎn)率均達(dá)到最大值,產(chǎn)量分別為1508、1307和1143mg COD/L;產(chǎn)率分別為0.174、0.150和0.131g COD/g VSS.

3.2 在堿性蛋白酶,中性蛋白酶和α-淀粉酶3種調(diào)控系統(tǒng)中,SCFAs組分中均以乙酸為主,分別可達(dá)49%、47%和49%.VSS削減和污泥粒徑分布的變化顯示,生物酶調(diào)控均能促進(jìn)顆粒態(tài)污泥的水解.

3.3 生物酶調(diào)控抑制了發(fā)酵系統(tǒng)中、等產(chǎn)甲烷古菌的生長(zhǎng),而對(duì)水解酸化等發(fā)酵功能菌屬產(chǎn)生一定的富集優(yōu)勢(shì).其中,堿性蛋白酶的調(diào)控富集優(yōu)勢(shì)最為明顯,、等水解、產(chǎn)酸功能相關(guān)菌屬與空白組之間存在明顯差異性.

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Study on regulating anaerobic fermentation for producing short-chain fatty acids from primary sludge in WWTPs by different bio-enzymes.

LIU Guo-hua, WANG Jian, QI Lu*, WANG Hong-chen

(Low-Carbon Water Environmental Technology Center, School of Environment, Renmin University of China, Beijing 100872, China)., 2022,42(5)：2195～2203

The objective of this study was to estimate the efficiency of SCFA production from primary sludge using bio- enzyme regulation including alkaline protease, neutral protease and α-amylase. The regulation mechanism was revealed by microbial community and SCFAs component analyses. The three kinds of bio-enzymes could enhance the hydrolysis and acid production during the fermentation of primary sludge. Compared with the blank group, the production and yield of SCFAs achieved 1508 mg COD/L and 0.174 g COD/g VSS on the fourth day of fermentation, respectively, increasing by 1129 mg COD/L and 0.13 g COD/g VSS. Microbial community structure analysis showed that the relative abundance of fermentation-relating bacteria such as,andwere improved, and the growth of methanogenic archaea such asandwas inhibited when bio-enzymes were added into the fermentation system. At the same time, the production of acetic acid in the regulated fermentation process was also found to promote.

bio-enzyme；Short-chain fatty acids (SCFAs)；primary sludge；anaerobic fermentation；regulation

X705

A

1000-6923(2022)05-2195-09

劉國(guó)華(1976-),內(nèi)蒙古呼和浩特人,副教授,博士,主要研究方向?yàn)榈吞嘉鬯幚砑夹g(shù),應(yīng)用微生物技術(shù).發(fā)表論文50余篇.

2021-09-14

中國(guó)人民大學(xué)科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(2020030257)

* 責(zé)任作者, 副教授, qilu@ruc.edu.cn