加堿預(yù)處理對致病微生物去除效果及動力學(xué)研究

尹福斌，李子富，王冬泠，白曉鳳 （北京科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100083）

加堿預(yù)處理對致病微生物去除效果及動力學(xué)研究

尹福斌，李子富*，王冬泠，白曉鳳 （北京科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100083）

以不同總固體含量（TS）（8%、10%、12%）的糞便污泥為研究對象，采用加堿技術(shù)對糞便污泥進(jìn)行處理，探討不同pH值（10、12）的堿預(yù)處理對4種指示性致病微生物（糞大腸桿菌、沙門氏菌、糞鏈球菌、蛔蟲卵）的滅活效果并對致病微生物的去除過程進(jìn)行動力學(xué)分析，同時通過分析預(yù)處理過程中糞便污泥pH值、SCOD和溶解性蛋白質(zhì)的含量來表征堿預(yù)處理對糞便污泥水解的影響.結(jié)果表明，加堿預(yù)處理初始pH值分別為10、12時，預(yù)處理3d后各TS糞便污泥中4種致病微生物均被完全去除，且Weibull動力學(xué)模型對微生物去除過程的描述優(yōu)于一級動力學(xué)模型；pH值為10時，糞便污泥SCOD增加了1.84～1.89倍，溶解性蛋白質(zhì)增加了8.25～9.39倍；pH12時，糞便污泥SCOD值增加了1.90～1.97倍，溶解性蛋白質(zhì)增加了8.62～9.89倍.

堿預(yù)處理；致病微生物；動力學(xué)分析；厭氧消化；糞便污泥

厭氧消化技術(shù)由于能夠在降解有機(jī)物的同時回收生物質(zhì)能（沼氣），實現(xiàn)污泥處理的減量化、穩(wěn)定化與資源化，因此在國內(nèi)外有著廣泛的應(yīng)用［1-2］.人糞便是污染源的同時也是一種資源，人糞便中也含有豐富的有機(jī)物和氮、磷、鉀成分，可作為厭氧消化原料［3］.但是新鮮糞便含有多種腸道致病菌、寄生蟲卵和病毒，是人類某些疾病的傳播途徑，發(fā)展中國家70%的疾病與糞便的生物性傳染有關(guān)［4］，糞便只能經(jīng)過無害化處理后作為肥料使用.根據(jù)我國《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》沼氣發(fā)酵的無害化衛(wèi)生要求:高溫發(fā)酵（53±2）℃以上持續(xù)2d；寄生蟲卵沉降率95%以上；糞大腸菌值10-1～10-2MPN/g TS.美國環(huán)境保護(hù)署（USEPA）根據(jù)病原菌的含量，將土地利用的污泥產(chǎn)品分為A、B兩級［5］:A級要求污泥中的糞大腸菌濃度＜103MPN/g TS或沙門氏菌濃度＜3MPN/g TS；B級要求糞便大腸菌濃度平均值＜2×106MPN/gTS.歐洲國家對污泥土地利用的沙門氏菌作了相關(guān)規(guī)定，法國標(biāo)準(zhǔn)要求＜8MPN/ 10g TS［6］，意大利標(biāo)準(zhǔn)要求＜1000MPN/g TS［7］.

目前，針對預(yù)處理促進(jìn)污泥水解并提高厭氧消化效率開展了大量研究，主要預(yù)處理方法有加熱預(yù)處理、酸堿預(yù)處理、超聲預(yù)處理或聯(lián)合處理等，與其他預(yù)處理方式相比，酸堿預(yù)處理具有操作簡單、方便等優(yōu)點.但是，關(guān)于加堿預(yù)處理對糞便污泥厭氧消化中致病微生物去除效果的研究鮮見報道.符波等［8］探討了城市污泥中溫厭氧消化過程中揮發(fā)性脂肪酸（VFA）對腸道病原菌的殺滅機(jī)理，結(jié)果表明，pH=7時VFA濃度對腸道病菌的殺滅效果影響不大，pH=5時VFA濃度對腸道病菌的殺滅效果影響較大.Popat等［9］研究了高溫厭氧消化對蛔蟲卵和大腸桿菌的殺滅作用，結(jié)果表明，經(jīng)過兩個小時高溫厭氧后，蛔蟲卵和大腸桿菌分別減少了2個對數(shù)值和3個對數(shù)值，可以達(dá)到美國A級污泥標(biāo)準(zhǔn).Ziemba等［10］研究表明，70 ℃1h和60℃5h的預(yù)處理對污泥中糞大腸桿菌和糞鏈球菌的去除效果優(yōu)于高、中溫厭氧消化15d的去除效果.

已報道的文獻(xiàn)中，僅針對某種微生物的滅活情況進(jìn)行的研究，因此，本研究以糞便污泥為對象，探討不同加堿預(yù)處理（初始pH值分別為10、12）對糞便污泥無害化標(biāo)準(zhǔn)中所有指示性致病微生物（糞大腸桿菌、沙門氏菌、糞鏈球菌、沙門氏菌）去除效果進(jìn)行研究并對致病微生物去除過程進(jìn)行動力學(xué)分析，同時通過測試加堿預(yù)處理過程中糞便污泥pH值、SCOD和溶解性蛋白質(zhì)的變化來表征加堿預(yù)處理對糞便污泥水解的影響作用.

1 材料與方法

1.1 材料與測試方法

實驗基質(zhì)用泥來自北京科技大學(xué)某三格化糞池，總固體含量（TS）為12%，揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)含量（VS）為81.6%.污泥取回實驗室后通過添加去離子水將TS分別調(diào)節(jié)至10%、8%，該過程中未添加任何試劑，然后置于4℃冰箱中保存直至使用，以減少溫度對樣品的影響.試驗用泥的主要性質(zhì)如表1所示.

TS與VS采用重量法測定；pH值采用便攜式酸度計（HI 9125N）測定；化學(xué)需氧量（COD）采用重鉻酸鉀法測定，SCOD是糞便污泥經(jīng)過0.45μm過濾后，濾液的COD值；總有機(jī)碳（TOC）采用重鉻酸鉀容量-外加熱法；總氮（TN）采用凱氏定氮法測定；VFA采用比色測定法；總蛋白質(zhì)采用Lowry法測定，溶解性蛋白質(zhì)是糞便污泥經(jīng)過0.45μm過濾后，濾液的蛋白質(zhì)值；糞大腸桿菌、沙門氏菌、糞鏈球菌采用平板計數(shù)法測定，蛔蟲卵采用糞便生理鹽水涂片法測定.所有指標(biāo)測試均做3個平行樣進(jìn)行測試，最終結(jié)果取其平均值.

表1 糞便污泥各指標(biāo)值Table 1 Main parameters of faecal sludge

在糞便污泥中檢測到了高濃度的致病微生物，其中糞大腸桿菌2.79×107CFU/g TS、沙門氏菌1.1×107CFU/g TS、糞鏈球菌1.24×107CFU/g TS.所有樣品中均未檢測到蛔蟲卵，分析其可能的原因有:國內(nèi)存在強(qiáng)制預(yù)防蛔蟲卵的措施，因此化糞池污泥中沒有蛔蟲卵；另外，在中國北方天氣也不適合蛔蟲卵生長，糞便污泥取自學(xué)校化糞池，也有可能是蛔蟲卵在化糞池長時間存儲過程中死亡.

1.2 試驗方法

圖1 加堿預(yù)處理試驗裝置示意Fig.1 Alkaline pretreatment equipments

取200g不同TS濃度（8%、10%、12%）的糞便污泥加入到500mL錐形瓶中，每個TS濃度各準(zhǔn)備3組，其中1組不進(jìn)行加堿處理，作為空白試驗，另外兩組用4mol/L的氫氧化鈉溶液將不同TS濃度糞便污泥的pH值分別調(diào)節(jié)到10和12，然后將三組試樣放入搖床內(nèi)震蕩，每12h取1次樣，并進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測試，試驗裝置如圖1所示.

1.3 微生物去除動力學(xué)分析方法

本試驗選取一級動力學(xué)和Weibull兩種動力學(xué)模型與致病微生物去除試驗結(jié)果進(jìn)行動力學(xué)分析，從而了解加堿預(yù)處理過程中致病微生物的去除過程.

一級動力學(xué)模型［11］:

式中:S（t）是指維持一段時間t后的微生物存活率，S（t）=C（t）/C0；C（t）是指維持一段時間后的微生物數(shù)量；C0是指微生物的原始數(shù)量；D值指的是去除一個對數(shù)單位微生物所需要的時間.

現(xiàn)在有大量的試驗研究證明微生物的存活曲線不全是直線型的.一些微生物去除動力學(xué)模型都是對數(shù)形式的，比如Fermi方程［12］，修正的Gompertz方程［13］和Weibull模型［14］.Weibull模型已經(jīng)被成功的應(yīng)用到描述各種條件下不同微生物的非線性滅活過程中.

Weibull模型方程［11］:

式中:α和β是分布規(guī)律參數(shù):α是規(guī)模參數(shù)，β和n是形狀參數(shù)；n=β，b=（1/2.303）α-n.

通過對比相關(guān)系數(shù)R2的數(shù)值，進(jìn)而驗證以上兩種模型對試驗數(shù)據(jù)的匹配度.

2 結(jié)果與討論

2.1 加堿處理對致病微生物的去除效果

在TS為8%、10%、12%的糞便污泥中糞大腸桿菌的含量分別為2.59×107，2.69×107，2.79× 107cfu/g TS，糞鏈球菌的含量分別為1.04×107，1.14×107，1.24×107cfu/g TS，沙門氏菌的含量分別為1.05×107，1.09×107，1.10×107cfu/g TS.加堿預(yù)處理（pH=10、pH=12）對致病微生物的去除過程及空白試驗3.5d時致病微生物量如圖2及圖3所示.由圖2和圖3可知，空白樣中致病微生物量與初始糞便污泥中基本相同，致病微生物量沒有明顯變化；在加堿預(yù)處理過程中，糞大腸桿菌、沙門氏菌和糞鏈球菌的去除效果與糞便污泥的固體含量無關(guān)，只是前期調(diào)節(jié)不同TS糞便污泥pH值時堿的用量不同.由于調(diào)節(jié)后不同TS糞便污泥的pH值均相同，所以TS濃度對致病微生物的去除過程沒有顯著影響.

圖2 pH=10時堿度對不同致病微生物滅活的影響Fig.2 Effect of alkaline on different pathogens inactivation （pH=10）

圖3 pH=12時堿度對不同致病微生物滅活的影響Fig.3 Effect of alkaline on different pathogens inactivation （pH=12）

不同TS濃度糞便污泥中，糞大腸桿菌、沙門氏菌和糞鏈球菌在預(yù)處理后0.5d時去除速率緩慢，之后去除速率增加，致病微生物被大量去除，糞大腸桿菌和沙門氏菌在預(yù)處理后2.5d時，完全被去除，糞鏈球菌在預(yù)處理后3d時完全被去除.說明糞便污泥的初始TS濃度對致病微生物加堿去除過程基本沒有影響，只是在加堿預(yù)處理時，不同TS濃度糞便污泥調(diào)節(jié)pH所用的堿量不同.

在糞便污泥的加堿預(yù)處理中，堿度對致病微生物的去除效果較好.強(qiáng)堿一方面使微生物細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓失去平衡而導(dǎo)致細(xì)胞壁破裂，與細(xì)胞膜上的脂類物質(zhì)發(fā)生皂化反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞膜的破裂，使胞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)入水相.另一方面強(qiáng)堿能水解蛋白質(zhì)及核酸，使細(xì)胞的酶系和結(jié)構(gòu)受到損害，還可以分解菌體中的糖類，使細(xì)胞失活［15］.Katsiris等［16］在研究中發(fā)現(xiàn)，隨著污泥pH值的增加，細(xì)菌表面的負(fù)電荷性增強(qiáng)，這使細(xì)菌表面產(chǎn)生很高的靜電排斥力，從而更容易與胞外聚合物脫離進(jìn)入水相.此外，堿類物質(zhì)還可與污泥細(xì)胞壁中的脂類物質(zhì)發(fā)生皂化反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞膜的破裂，使胞內(nèi)物質(zhì)溶出［17］.

圖4 初始pH為10和12時不同總固體含量組pH值隨時間的變化Fig.4 Changes of pH values with time for different TS contents （initial pH=10， 12）

加堿處理過程中糞便污泥pH值的變化，可以間接表示堿的消耗.預(yù)處理由于強(qiáng)堿對致病微生物的殺滅作用，以及有很強(qiáng)緩沖能力的兩性物質(zhì)蛋白質(zhì)的融出，造成了pH值不同程度地降低.在加堿預(yù)處理初始pH值為10時，TS為8%、10%、12%的糞便污泥在預(yù)處理后4d各組pH值分別變?yōu)?.17、9.12、9.07；在加堿預(yù)處理初始pH為12時，TS為8%、10%、12%的糞便污泥在預(yù)處理后4d各組pH分別變?yōu)?.55、9.81、9.71.由圖4可知，糞便污泥經(jīng)加堿調(diào)節(jié)pH=10、pH=12的情況下，糞便污泥的pH值在前2d下降速度較快，2d后下降緩慢，這是由于致病微生物基本被完全殺滅，消耗了部分OH-，以及各種物質(zhì)的溶出水解趨于穩(wěn)定，在一些具有緩沖能力物質(zhì)的共同作用下，pH值下降趨于平緩，這與前面關(guān)于加堿預(yù)處理去除致病微生物的研究結(jié)果是相吻合的.這部分消耗的堿主要用于殺滅致病微生物，溶解污泥胞外聚合物和細(xì)胞壁脂類物質(zhì)，破壞絮凝體和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，促進(jìn)蛋白質(zhì)、脂類和碳水化合物等的水解.

2.2 致病微生物去除動力學(xué)分析

剩余致病微生物濃度與原始濃度比的對數(shù)值與預(yù)處理時間的關(guān)系如圖5和圖6所示，圖中沒有考慮完全去除時的數(shù)據(jù)，是由于完全去除時剩余致病微生物濃度與原始濃度比值為0，0的對數(shù)值沒有意義.

一級動力學(xué)和Weibull模型中的參數(shù)b、n、D和R2的值如表2所示.雖然本質(zhì)上來說，Weibull模型是一個經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，但是Weibull模型可以用于分析微生物的滅活過程［11］.由表2可知，糞便污泥TS濃度對3種致病微生物去除過程動力學(xué)模型擬合情況沒有影響，對于每種致病微生物的去除過程，不同TS組分?jǐn)M合得到的R2值基本相同.在加堿預(yù)處理過程中，無論初始pH值為10還是12，Weibull模型對3種致病微生物去除情況的匹配度優(yōu)于一級動力學(xué)模型，可以更好的表示致病微生物的去除過程，Buzrul［11］針對其他微生物滅活的研究也得到了相似的結(jié)論.

一級動力學(xué)模型中，參數(shù)D指的是滅活一個對數(shù)單位微生物所需要的時間.根據(jù)本試驗得到的D值可知，3種致病微生物中，糞鏈球菌的抗強(qiáng)堿性最強(qiáng)，糞大腸桿菌的抗強(qiáng)堿性最弱，也就是說去除一個對數(shù)單位的糞鏈球菌需要的時間最長，去除一個對數(shù)單位的糞大腸桿菌需要的時間是最短的；另外在初始pH值為12時的D值略低于對應(yīng)于初始pH值為10時的D值，也就說明堿度較高時對這三種致病微生物的去除效果要稍微好些，但效果不是非常明顯.

Weibull模型中，參數(shù)n是形狀系數(shù)，n＜1代表的是凹面曲線，也就是說隨著加堿預(yù)處理的進(jìn)行，剩余微生物抵抗加堿處理的能力越來越強(qiáng)；n＞1代表的是凸面曲線，也就是說隨著加堿預(yù)處理的進(jìn)行，微生物對外界的抵抗力越來越低［18］.在加堿預(yù)處理過程中，無論初始pH值為10還是12，本試驗用Weibull模型擬合3種致病微生物的去除情況得到的n值均大于1，擬合曲線為凸面曲線（圖5和圖6），從而可以證明隨著加堿預(yù)處理的進(jìn)行，堿被逐漸消耗，堿度越來越弱，堿度對致病微生物的去除作用也就越來越弱，也就是說開始階段加堿預(yù)處理可以使大部分致病微生物在相對比較高的速率下滅活.

圖5 致病微生物去除動力學(xué)擬合曲線（pH=10）Fig.5 Kinetic curves of pathogenic inactivation fitted with two kinetic models （initial pH=10）

圖6 致病微生物去除動力學(xué)擬合曲線（pH=12）Fig.6 Kinetic curves of pathogenic inactivation fitted with two kinetic models （initial pH=12）

2.3 加堿處理對糞便污泥水解效果的影響

強(qiáng)堿可將糞便污泥中的固體結(jié)構(gòu)破壞并分解成可溶性物質(zhì)，將脂類，碳水化合物和蛋白等降解成小分子物質(zhì)［19］，例如，脂肪酸、多糖和氨基酸等.隨著投堿量的增加污泥的可生物降解性也在增加.SCOD和溶解性蛋白質(zhì)融出量的多少可以表征污泥加堿水解效果的優(yōu)劣.在加堿的作用下，不僅可以破壞污泥的絮凝結(jié)構(gòu)，還可以使污泥細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、多糖、脂類及其他胞內(nèi)高分子物質(zhì)大量溶出，成為溶解性物質(zhì)，從而提高液相中COD和蛋白質(zhì)的濃度［20］.因此，用強(qiáng)堿預(yù)處理可以提高污泥后續(xù)處理過程中的水解速率及厭氧消化性能.

表2 動力學(xué)模型擬合參數(shù)Table 2 Parameters of the first-order and Weibull kinetic models

加堿預(yù)處理后，SCOD和溶解性蛋白質(zhì)的含量都有所提高，如圖7所示，在加堿預(yù)處理初始pH值為10時，糞便污泥TS為8%，10%，12%各組的SCOD值分別從初始的15150，29550，39250mg/L增加到28070，55960，72370mg/L，分別增加了1.85，1.89，1.84倍，各組溶解性蛋白質(zhì)的值分別從初始的1.233，1.340，1.563g/L增加到11.580，12.371，12.902g/L，分別增加了9.39，9.23，8.25倍；在加堿預(yù)處理初始pH值為12時，糞便污泥TS為8%，10%，12%各組的SCOD值分別從初始的15150，29550，39250mg/L增加到29120，58210，74380mg/L，分別增加了1.92，1.97，1.90倍，各組溶解性蛋白質(zhì)的值分別從初始的1.233，1.340，1.563g/L增加到12.210，12.601，13.481mg/L，分別增加了9.89，9.40，8.62倍.對于加堿預(yù)處理，在同一pH值下，TS濃度對加堿預(yù)處理后糞便污泥中SCOD和溶解性蛋白質(zhì)的增加量沒有明顯的影響；對于同一TS濃度的糞便污泥而言，加堿預(yù)處理的初始pH值越高，處理后糞便污泥中SCOD和溶解性蛋白質(zhì)的增加量越大.

圖7 加堿預(yù)處理過程中SCOD和溶解性蛋白質(zhì)的變化（pH=10、12）Fig.7 Changes of SCOD and soluble protein contents during alkaline pretreatment （pH=10， 12）

較強(qiáng)的pH值可使糞便污泥細(xì)胞壁膨脹失去平衡而破裂，進(jìn)而釋放原來溶解在胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、碳水化合物和DNA，導(dǎo)致SCOD的溶出較多；而較低pH值僅能破壞污泥的絮凝結(jié)構(gòu)，不能破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，因此，SCOD的增加較少［21］.

蛋白質(zhì)是污泥當(dāng)中易降解有機(jī)物的主要組成成分，同時也是構(gòu)成污泥胞外聚合物的主要成分，它的溶出濃度代表著污泥當(dāng)中整個有機(jī)物的溶出效果.圖7為不同pH值預(yù)處理條件對蛋白質(zhì)溶出的影響，由圖可知，加堿預(yù)處理對蛋白質(zhì)的溶出規(guī)律與SCOD的溶出規(guī)律相似，即在堿性條件下，相同TS濃度的糞便污泥隨著pH值的升高，其溶出濃度也不斷增加.

3 結(jié)論

3.1 對于TS濃度分別為8%、10%、12%的各組，加堿預(yù)處理初始pH分別為10和12時，預(yù)處理后3d后各組指示性致病微生物（糞大腸桿菌、糞鏈球菌、沙門氏菌）均被完全殺滅去除，且加堿預(yù)處理可以促使SCOD和溶解性蛋白質(zhì)分別增加1.84～1.97和8.25～9.89倍.

3.2 由微生物去除動力學(xué)分析結(jié)果可知，對于加堿預(yù)處理來說，Weibull模型與本試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性優(yōu)于一級動力學(xué)模型，可以較好的表示致病微生物的去除過程.

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Inactivation of pathogenic microorganisms by alkaline pretreatment and kinetic analysis.

YIN Fu-bin， LI Zi-fu*，WANG Dong-ling， BAI Xiao-feng （Department of Civil and Environmental Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：196～203

The alkaline pretreatment effect for different TS of faecal sludge （8%， 10%， 12%） to inactive the pathogens（fecal coliforms， Salmonella spp.， fecal streptococcus， and helminth eggs） and disintegrate the faecal sludge （SCOD and soluble protein） was studied. The resulting microbial inactivation curves were either described by the Weibull or first-order model and goodness fit of two models was investigated. The results showed that when the pH was 10or 12 at the beginning， four kinds of pathogens were completely removed after three days， and the Weibull model exhibited data of pathogen inactivation more efficiently than the first-order model. When the pH was 10， the SCOD of faecal sludge increased 1.84～1.89times， soluble protein increased 8.25～9.39times. When the pH was 12， the SCOD of faecal sludge increased 1.90～1.97times， soluble protein increased 8.62～9.89times.

alkaline pretreatment；pathogenic microorganisms；kinetic analysis；anaerobic digestion；faecal sludge

X703.5

A

1000-6923（2015）01-0196-08

尹福斌（1986-），男，河北衡水人，北京科技大學(xué)博士研究生，主要從事生物質(zhì)、沼氣利用技術(shù)及污泥無害化研究和沼氣貯氣膜透過性研究.發(fā)表論文10余篇.

2014-03-31

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（FRF-IC-11-001），科技部國際合作項目（2013DFG92620）

* 責(zé)任作者， 教授， zifulee@aliyun.com