預(yù)處理溫度及pH值對廢棄菌絲體發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

陸穎佳， 李秀芬， 王新華， 任月萍， 堵國成

（江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫214122）

中國已成為多種發(fā)酵產(chǎn)品的“世界工廠”，每年產(chǎn)生發(fā)酵生物質(zhì)殘渣5 000萬t以上[1]。在目前國際經(jīng)濟增幅放緩的大背景下，嘗試“節(jié)能減排”清潔生產(chǎn)理念并實施從污染治理到資源再生的轉(zhuǎn)變將為相關(guān)企業(yè)帶來新的機遇。20世紀(jì)90年代起，國內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)了發(fā)酵過程殘渣綜合利用技術(shù)的研究和應(yīng)用報道，如發(fā)酵有機殘渣生產(chǎn)飼料蛋白，或好氧發(fā)酵生產(chǎn)有機肥，或厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣或氫氣，或厭氧生產(chǎn)有價值的化學(xué)品等，但都存在生產(chǎn)成本高、轉(zhuǎn)化效率低、回收產(chǎn)物難利用、回收過程帶來二次污染等共性問題[2-4]。

短鏈揮發(fā)性脂肪酸 （Short Chain Volatile Fatty Acids，SCFAs）是厭氧發(fā)酵過程的中間代謝產(chǎn)物，包括乙酸、丙酸、丁酸等，其附加值遠(yuǎn)大于甲烷[5]。據(jù)Michael估測，1 t生物質(zhì)可以生產(chǎn)價值150美元的乙酸，但只能生產(chǎn)出31美元的甲烷[6]。同時，SCFAs的用途較為廣泛，可用于廢水脫氮除磷[7]、生產(chǎn)生物可降解塑料[8]以及作為微生物燃料電池的底物[9]等。此外，厭氧體系中的有機物轉(zhuǎn)化為有機酸而非CH4等溫室氣體，具有減少碳排的意義。因此，利用廢棄菌絲體厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFAs是實現(xiàn)其資源化的重要途徑。

提高廢棄菌絲體的厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效率，對廢棄菌絲體進行適當(dāng)預(yù)處理，使其破胞并將有機物充分轉(zhuǎn)移至液相是必備前提[10]。目前，固體廢棄物如剩余污泥的預(yù)處理主要手段包括熱解、加堿法、超聲波等[11-13]。熱處理是通過加熱使微生物細(xì)胞受熱膨脹而破裂，釋放出糖類、蛋白質(zhì)及細(xì)胞膜碎片等有機物的過程。堿處理是通過加堿的方法，在常溫下以較低的用量達到促進細(xì)胞分解的目的，OH-水解、皂化細(xì)胞壁和細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)和脂多糖，破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使胞內(nèi)物質(zhì)向濃度較低的胞外環(huán)境釋放。酸處理的主要作用是使可降解的大分子有機質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦捉到獾男》肿游镔|(zhì)，對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞作用較弱[11]。然而，結(jié)合后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的效果，研究上述方法對廢棄菌絲體的破胞及有機物融出率的報道鮮見。作者針對影響有機物（Volatile Solid，VS）融出率的關(guān)鍵參數(shù)溫度和pH值，研究其對廢棄菌絲體預(yù)處理液中可溶蛋白質(zhì)和碳水化合物、氨氮濃度的影響，以及當(dāng)預(yù)處理溫度一定時，不同預(yù)處理pH值對預(yù)處理物料進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效果的影響，可為利用廢棄菌絲體生產(chǎn)SCFAs的資源化方法提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 廢棄菌絲體來源及種泥馴化

廢棄菌絲體由某生物科技有限公司提供，褐色粉末狀，其總固體（Total Solid，TS）含量為 89.0%，VS含量為83.4%。

接種污泥為無錫市某污水處理廠的消化污泥，其VS/TS為62.90%。將此污泥放入有效容積為2 L的UASB反應(yīng)器中馴化，所用模擬廢水組成如下[10]:葡萄糖 14.40 g/L；酵母膏 3.20 g/L；KH2PO40.56 g/L；MgSO4·7H2O 0.96 g/L；NH4Cl 2.40 g/L；CaCl20.72 g/L；NaHCO30.96 g/L；MnCl20.11 g/L；FeSO4·7H2O 0.12 g/L。馴化溫度為35℃，定期監(jiān)測出水pH值，當(dāng)出水pH穩(wěn)定在4.0左右時，馴化完成并得到酸化污泥。發(fā)酵產(chǎn)酸前，將馴化好的酸化污泥取出在105℃下加熱2 h，以殺滅產(chǎn)甲烷菌，后再放入原UASB反應(yīng)器內(nèi)活化2 d，其VS/TS為78.10%。

1.2 廢棄菌絲體預(yù)處理溫度及pH值的影響研究

取27個250 mL錐形瓶，分別裝入200 mL廢棄菌絲體溶液 （質(zhì)量濃度為100 g/L），9個一組，分為3組，每組分別用4 mol/L的HCl和NaOH調(diào)節(jié)廢棄菌絲體溶液的 pH 值，依次為 4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0 和 12.0，之后將這 3 組分別在 30℃、60℃及90℃的溫度下加熱2 h，研究預(yù)處理溫度和pH值對預(yù)處理效果的影響。

1.3 廢棄菌絲體預(yù)處理pH值對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響研究

將上述預(yù)處理后的菌絲體溶液4 800 r/m離心30 min，分別取其上清液150 mL，按10∶1加入15 mL酸化污泥（TS為52.03 g/L），充 3 min氮氣后橡膠塞密封，放入120 r/m的搖床中厭氧發(fā)酵10 d[14-15]，發(fā)酵溫度為35℃。發(fā)酵結(jié)束取樣測定SCFAs。

1.4 分析測試項目及方法

SCFAs的測定:取5 mL厭氧發(fā)酵液，8 000 r/min離心5 min，用0.45 μm的微濾膜過濾，取濾液0.5 mL于離心管中，加入同體積0.835 g/L的4-甲基戊酸溶液和同體積3 mol/L的磷酸溶液，再次8 000 r/min離心5 min，取1 mL上清液裝入氣相色譜進樣瓶，島津2010 plus氣相色譜儀測定SCFAs的含量[10]。

廢棄菌絲體預(yù)處理后TS和VS的融出率根據(jù)下面公式計算:

式中，STS、SVS為 TS、VS 的融出率，%；MTS0、MVS0為廢棄菌絲體預(yù)處理前的 TS、VS質(zhì)量濃度，g/L；MTSS、MVSS為廢棄菌絲體預(yù)處理后的 TS、VS質(zhì)量濃度，g/L。

溶解性化學(xué)需氧量 （Soluble Chemical Oxygen Demand，SCOD）的測定方法為4 800 r/m離心30 min，上清液經(jīng)0.45 μm微濾膜過濾后，用COD速測儀（5B-1型，蘭州連華科技）進行測定；蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)G250染色法測定[16]；碳水化合物含量采用苯酚-硫酸法測定[17]；氨氮含量采用Berthelot法測定[18]。TS、VS含量及其他指標(biāo)的分析測定均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法[19]。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理溫度和pH值對廢棄菌絲體TS融出率的影響

廢棄菌絲體減量化程度可由TS融出率表征，預(yù)處理pH值和溫度對廢棄菌絲體TS融出率的影響如圖1所示。可見，堿性pH值（9.0～12.0）時的TS融出率高于中性pH值（6.0～8.0）及酸性pH值，同時隨著預(yù)處理溫度的升高，融出率也相應(yīng)增加。當(dāng)預(yù)處理溫度為90℃時，pH值11.0的TS融出率為45.28%，上升至12.0時TS融出率有所下降。劉曉玲[10]在采用熱-酸、熱-堿、超聲波-酸和超聲波-堿方法預(yù)處理市政泥時發(fā)現(xiàn)，熱-堿和超聲波-堿預(yù)處理后，TS融出率高于37.0%，而熱-酸和超聲波-酸處理后，TS融出率僅在12.2%左右。相對而言，本研究中預(yù)處理溫度為90℃、pH值為11.0時，廢棄菌絲體的TS融出率較理想。

圖1 預(yù)處理條件對TS融出率的影響Fig.1 Effects ofpretreatment conditions on TS dissolution rate

2.2 預(yù)處理溫度和pH值對廢棄菌絲體VS融出率的影響

VS常用于表征廢水或廢棄物中有機物的量，VS融出率越高，說明有機物融出越多，越有利于后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸，廢棄菌絲體的資源化效率也越高。從圖2可知，廢棄菌絲體中VS的融出率與TS融出趨勢基本一致。在溫度為90℃、pH值為11.0時，VS融出率為43.28%。

圖2 預(yù)處理條件對VS融出率的影響Fig.2 Effects of pretreatment conditions on VS dissolution rate

2.3 廢棄菌絲體預(yù)處理溫度和pH值對上清液中SCOD質(zhì)量濃度的影響

圖3給出了預(yù)處理溫度及pH值對廢棄菌絲體融出液中SCOD質(zhì)量濃度的影響?？梢钥闯?，廢棄菌絲體預(yù)處理上清液中SCOD的質(zhì)量濃度隨溫度升高而升高，升高溫度有利于固體物質(zhì)向液相的轉(zhuǎn)移。pH值對SCOD質(zhì)量濃度的影響也較大，堿性pH值 （9.0～12.0）的SCOD質(zhì)量濃度高于中性pH值（6.0～8.0）及酸性pH值。當(dāng)預(yù)處理溫度為90℃、pH值為11.0時，上清液中SCOD質(zhì)量濃度為31 730.77 mg/L。此外，TS融出率和SCOD質(zhì)量濃度呈正相關(guān)。

圖3 預(yù)處理條件對SCOD質(zhì)量濃度的影響Fig.3 Effects of pretreatment conditions on SCOD concentration

2.4 廢棄菌絲體預(yù)處理溫度和pH值對上清液中蛋白質(zhì)及碳水化合物濃度的影響

研究表明[20]，用葡萄糖模擬碳水化合物，用牛血清蛋白（BSA）模擬蛋白質(zhì)，厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程中，葡萄糖和BSA含量隨時間增加不斷減少，同時有短鏈脂肪酸產(chǎn)生。廢棄菌絲體主要成分為蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)。蛋白質(zhì)含量最多，碳水化合物次之，脂質(zhì)可以忽略不計。在利用廢棄菌絲體發(fā)酵產(chǎn)酸時，SCFAs的形成與蛋白質(zhì)及碳水化合物的濃度密切相關(guān)。研究表明，固體廢棄物的預(yù)處理可有效提高上清液中蛋白質(zhì)和碳水化合物的質(zhì)量濃度，李玉祥[21]研究熱堿預(yù)處理對藍(lán)藻蛋白質(zhì)、碳水化合物融出效果的影響時發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理后可溶性蛋白質(zhì)濃度較未處理提高了11.9倍，可溶性碳水化合物質(zhì)量濃度提高了3.9倍。同時，預(yù)處理條件不同，蛋白質(zhì)和碳水化合物的融出效果也不同，Liu等[22]研究發(fā)現(xiàn)，熱-酸和超聲波-酸預(yù)處理后，液相中可溶蛋白質(zhì)增加量分別為0.2 g/L和0.1 g/L，可溶性碳水化合物增加量分別為0.6 g/L和0.4 g/L；在熱-堿和超聲波-堿處理下，液相中可溶性蛋白質(zhì)增加量都為7.9 g/L，可溶性碳水化合物增加量分別為1.8 g/L和2.2 g/L；Yuan等[20]研究發(fā)現(xiàn)，堿性條件下可溶性蛋白質(zhì)和可溶性碳水化合物質(zhì)量濃度高于酸性條件，而且可溶性蛋白質(zhì)含量明顯高于可溶性碳水化合物含量。

圖4和圖5顯示，預(yù)處理溫度和pH值均與蛋白質(zhì)和碳水化合物的融出率呈現(xiàn)正相關(guān)，其變化趨勢與SCOD一致，在堿性pH值時可溶性蛋白質(zhì)和碳水化合物質(zhì)量濃度明顯高于中性及酸性pH值，預(yù)處理溫度越高，上清液中可溶性蛋白質(zhì)和碳水化合物質(zhì)量濃度也越高。當(dāng)預(yù)處理溫度為90℃、pH值為11.0時，可溶性蛋白質(zhì)和碳水化合物的質(zhì)量濃度分別為4.79 g/L和3.97 g/L。

圖4 預(yù)處理條件對可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的影響Fig.4 Effects of pretreatment conditions on soluble protein concentration

圖5 預(yù)處理條件對可溶性碳水化合物質(zhì)量濃度的影響Fig.5 Effects of pretreatment conditions on soluble carbohydrate concentration

2.5 廢棄菌絲體預(yù)處理溫度和pH值對上清液中氨氮濃度的影響

從圖6可知，隨著廢棄菌絲體預(yù)處理pH值的增加，上清液中氨氮質(zhì)量濃度呈先增加后降低的趨勢。隨著廢棄菌絲體的破胞，NH3-N釋放，但體系中存在如下反應(yīng):NH4+-N+OH-?NH3-N+H2O，溶液pH值越高，反應(yīng)越易向右進行，而NH3-N易揮發(fā)，導(dǎo)致體系中氨氮濃度隨pH值升高逐漸減小。此外，預(yù)處理溫度為90℃時，氨氮質(zhì)量濃度明顯高于30℃和60℃時的氨氮質(zhì)量濃度。當(dāng)預(yù)處理溫度為90℃、pH值為11.0時，上清液中氨氮質(zhì)量濃度為1.46 g/L，據(jù)已有研究結(jié)果[23]，該質(zhì)量濃度對后續(xù)厭氧產(chǎn)酸微生物不足以產(chǎn)生抑制。

2.6 預(yù)處理pH值對預(yù)處理液厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效果的影響

Horiuchi等[24]研究消化污泥發(fā)酵產(chǎn)酸表明，較低pH值條件下，厭氧發(fā)酵以丁酸型為主，而較高pH值時以乙酸型發(fā)酵為主，劉振玲[25]及張波[26]等人研究含蛋白質(zhì)較多的廚余廢棄物發(fā)酵產(chǎn)酸時，發(fā)現(xiàn)在pH值中性或偏酸性條件下，乙酸均為主要產(chǎn)物，pH值為6.5時SCFAs產(chǎn)量最高。但對不同來源的有機固體廢棄物，厭氧發(fā)酵的最佳條件及產(chǎn)酸效果又存在差別，李玉祥等[27]研究藍(lán)藻厭氧產(chǎn)酸時發(fā)現(xiàn)，pH值為9.0時SCFAs產(chǎn)量最高，李楊等[28]研究pH值對剩余污泥厭氧產(chǎn)酸的影響時則發(fā)現(xiàn)，pH值為10.0是最優(yōu)條件。

圖6 預(yù)處理條件對氨氮質(zhì)量濃度的影響Fig.6 Effects of pretreatment conditions on ammonia nitrogen concentration

當(dāng)預(yù)處理溫度一定（90℃）時，不同預(yù)處理pH值條件下廢棄菌絲體厭氧發(fā)酵有機酸產(chǎn)量如圖7所示，無論預(yù)處理pH值如何，乙酸在總SCFAs中所占比例均較高。此外，中性pH值（pH值為7.0）時，厭氧產(chǎn)酸效果較差，這可能是此時溶液中氨氮質(zhì)量濃度較高（圖6顯示為1.96 g/L）的緣故，對厭氧微生物活性產(chǎn)生了抑制。酸性條件的產(chǎn)酸效果略優(yōu)于堿性條件的原因可能與接種酸化污泥的馴化方法有關(guān)，即采用10 000 mg/L左右葡萄糖（相當(dāng)于COD質(zhì)量濃度在10 000 mg/L左右）為底物在酸性條件下馴化而得。在預(yù)處理pH值為5.0時，上清液中SCOD質(zhì)量濃度為 8 754.14 mg/L（圖3），并以碳水化合物為主（圖5），蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度較低（圖4），且該pH值和污泥馴化時的pH值接近，因此，接種酸化污泥較易適應(yīng)，產(chǎn)酸效果也較好，厭氧產(chǎn)酸發(fā)酵液中乙酸和總SCFAs中的質(zhì)量濃度分別為4.36 g/L和8.01 g/L。

圖7 預(yù)處理條件對有機酸產(chǎn)量的影響Fig.7 Effects of pretreatment conditions on SCFAs concentration

3 結(jié)語

1）較高的廢棄菌絲體預(yù)處理溫度和pH值有利于TS和VS的融出，所得上清液中SCOD、可溶蛋白質(zhì)、碳水化合物及氨氮質(zhì)量濃度均較高，當(dāng)預(yù)處理溫度為90℃、pH值為11.0時，廢棄菌絲體中TS和VS的融出率分別為45.28%和43.28%，上清液中SCOD、可溶蛋白質(zhì)、碳水化合物及氨氮質(zhì)量濃度分別為 31.73，4.79，3.97，1.46 g/L。

2）在溫度一定時，廢棄菌絲體預(yù)處理pH值對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的效果影響較大，pH值為5.0時，SCFAs的質(zhì)量濃度最高，為8.01 g/L，但各預(yù)處理pH值條件下有機酸的主要成分均為乙酸。中性pH值（pH值為7.0）時，可能由于溶液中氨氮質(zhì)量濃度高達1.96 g/L，抑制了厭氧產(chǎn)酸微生物的活性，產(chǎn)酸效果較差。

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