脂肽強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)短鏈揮發(fā)性脂肪酸的研究*

王慧琴 李鳳麗

(鄭州澍青醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)部，河南 鄭州 450000)

活性污泥工藝是目前廣受認(rèn)可的一種污水處理工藝，然而其在運(yùn)行過(guò)程中得到的副產(chǎn)物——污泥中含有一定的有毒有害物質(zhì)，若處置不當(dāng)將污染環(huán)境。與此同時(shí)，污水處理廠進(jìn)水碳源的不足往往限制了生物脫氮除磷的效率，需要額外補(bǔ)充大量外在碳源。近年來(lái)，應(yīng)用污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)短鏈揮發(fā)性脂肪酸(SCFA)的研究得到學(xué)者的普遍關(guān)注，該工藝不僅能夠有效減少污水處理廠的運(yùn)行成本，也能很好地實(shí)現(xiàn)污泥的資源化與減量化。

污泥厭氧發(fā)酵一般可以分為4個(gè)連續(xù)的反應(yīng)過(guò)程，即溶解、水解、酸化和甲烷化過(guò)程。初始的溶解與水解反應(yīng)是污泥厭氧發(fā)酵的限速步驟[1]。因此，若要提高污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程中SCFA的產(chǎn)量，需要強(qiáng)化溶解與水解過(guò)程，促進(jìn)有機(jī)物轉(zhuǎn)化為SCFA，同時(shí)抑制甲烷化過(guò)程，盡量減少SCFA進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲烷。為提高溶解和水解速率，機(jī)械、微生物、投加化學(xué)試劑等預(yù)處理方式不斷應(yīng)用到污泥厭氧發(fā)酵工藝中[2]，其中利用表面活性劑強(qiáng)化污泥水解過(guò)程得到廣泛關(guān)注。表面活性劑能夠破壞污泥的胞外聚合物(EPS)，進(jìn)而釋放胞內(nèi)污泥，加速厭氧發(fā)酵的水解反應(yīng)。JIANG等[3]研究發(fā)現(xiàn)，十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)能夠促進(jìn)污泥的水解過(guò)程，同時(shí)提高SCFA的產(chǎn)量，且SDBS的最佳投放量為0.02 g/g。LIWARSKA BIZUKOJC等[4]通過(guò)添加表面活性劑顯著提高了污泥的水解速率。然而上述研究中采用的表面活性劑多為化學(xué)類(lèi)表面活性劑，在環(huán)境中不易降解，毒性大，易造成環(huán)境的二次污染。

生物類(lèi)表面活性劑是由生物產(chǎn)生的一種具有表面活性的物質(zhì)。生物表面活性劑易降解，毒性低，且對(duì)極端溫度及pH均有較高的耐受能力。易欣等[5]研究了鼠李糖脂對(duì)污泥水解的影響，發(fā)現(xiàn)鼠李糖脂能夠顯著降低污泥水解發(fā)酵液的表面張力，促進(jìn)胞內(nèi)物質(zhì)的釋放。陳燦等[6]發(fā)現(xiàn)，烷基多苷能夠提高蛋白質(zhì)和可溶性糖的含量，進(jìn)而提高SCFA的積累量，但上述生物類(lèi)表面活性劑價(jià)格較高，不易大范圍內(nèi)推廣使用。

脂肽是一種微生物生產(chǎn)的生物類(lèi)表面活性劑，具有易提取、價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)。然而，脂肽對(duì)污泥厭氧發(fā)酵的影響至今尚未報(bào)道。因此，本研究考察了脂肽投加量對(duì)污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的影響，探究了脂肽對(duì)SCFA生產(chǎn)的影響機(jī)制，以期對(duì)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的實(shí)際應(yīng)用和SCFA的回用起到一定的借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 污 泥

本實(shí)驗(yàn)采用的污泥取自長(zhǎng)沙第二污水處理廠二沉池的剩余污泥，污泥取回后置于4 ℃的冰箱內(nèi)存放22 h后去掉上清液，污泥的主要特征如下：pH=6.8±0.1，總懸浮固體(TSS)為(12 500±290) mg/L，揮發(fā)性固體(VSS)為(8 950±180) mg/L，總化學(xué)需氧量(TCOD)為(11 890±350) mg/L，總蛋白質(zhì)為(6 850±180) mg/L，總糖為(1 120±180) mg/L，SCFA為25 mg/L。

1.1.2 脂 肽

實(shí)驗(yàn)用脂肽為市售產(chǎn)品，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%。

1.2 脂肽投加量對(duì)污泥厭氧發(fā)酵的影響

分別取500 mL污泥置于4個(gè)有效容積為600 mL的血清瓶中，向4個(gè)血清瓶中投加不同劑量的脂肽，調(diào)節(jié)脂肽投加量為0.02、0.04、0.08、0.10 g/g(以污泥中單位質(zhì)量TSS的脂肽投加量計(jì)，下同)。血清瓶經(jīng)過(guò)10 min吹氮后密封置于35 ℃恒溫振蕩器上，初始pH控制在7.0，厭氧發(fā)酵反應(yīng)時(shí)間持續(xù)15 d。以相同條件下不投加脂肽的污泥厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)為空白組。

1.3 脂肽降解量對(duì)SCFA的貢獻(xiàn)

由于脂肽在污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程中會(huì)發(fā)生降解，可能對(duì)SCFA的積累量造成干擾。為了解脂肽降解對(duì)SCFA的貢獻(xiàn)，取550 mL蒸餾水和0.15 g脂肽置于有效容積為600 mL的血清瓶中，投加50 mL污泥作為接種微生物，由于本實(shí)驗(yàn)中投加的污泥量較少，因此可以認(rèn)為反應(yīng)體系中的SCFA完全來(lái)自脂肽降解。血清瓶經(jīng)過(guò)10 min吹氮后密封置于35 ℃恒溫振蕩器上，初始pH控制在7.0，厭氧發(fā)酵反應(yīng)時(shí)間持續(xù)15 d，定時(shí)取樣分析脂肽與SCFA含量的變化，考察脂肽降解對(duì)SCFA的貢獻(xiàn)。以上實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行3次，測(cè)定結(jié)果取平均值。

1.4 分析方法

pH、TSS、VSS、溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定。溶解性蛋白質(zhì)采用Folin-酚法測(cè)定，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)底物。多糖采用蒽酮比色法測(cè)定，以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)底物。SCFA中各組分及甲烷采用氣相色譜測(cè)定，具體分析方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程中與SCFA生成有關(guān)的生物酶活性測(cè)定詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 脂肽對(duì)污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的影響

SCFA是污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程中重要的中間產(chǎn)物，圖1反映了脂肽對(duì)SCFA積累量的影響。由圖1可見(jiàn)，脂肽對(duì)污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA具有極大的促進(jìn)作用，空白組中SCFA的最大積累量?jī)H為1 025 mg/L，而脂肽投加量為0.04 g/g時(shí)，SCFA的最大積累量達(dá)2 697 mg/L。進(jìn)一步增加脂肽投加量到0.08、0.10 g/g時(shí)，SCFA的最大積累量分別提高到2 751、2 846 mg/L，增幅不明顯，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素與SCFA積累量，脂肽的最佳投加量為0.04 g/g。

圖1 脂肽對(duì)SCFA積累量的影響Fig.1 Effect of surfactin on SCFA production

由圖1還可見(jiàn)，當(dāng)有脂肽存在的情況下，污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的最大積累量出現(xiàn)在第4天，此后由于部分SCFA被產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用生成甲烷，SCFA的積累量開(kāi)始逐漸減少，而空白組SCFA的最大積累量出現(xiàn)在第15天?？梢?jiàn)，脂肽能顯著縮短污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的時(shí)間，在實(shí)際工程應(yīng)用中，縮短發(fā)酵時(shí)間能夠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)利益，如減少反應(yīng)器的體積，提升轉(zhuǎn)化效率等。

2.2 脂肽對(duì)SCFA組分的影響

SCFA的組分直接影響其后續(xù)應(yīng)用，不同脂肽投加量下污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的組分構(gòu)成如圖2所示。

圖2 脂肽對(duì)SCFA組分的影響Fig.2 Effect of surfactin on SCFA composition

由圖2可見(jiàn)，各實(shí)驗(yàn)組污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)的SCFA組分差別不大，均表現(xiàn)為乙酸所占比例最大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在35%以上，其次是丙酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體在20%～30%，正戊酸所占比例最小，質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%，說(shuō)明脂肽對(duì)污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的組分影響不大。

2.3 脂肽強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的機(jī)制

2.3.1 脂肽對(duì)污泥厭氧發(fā)酵溶解過(guò)程的影響

污泥中的物質(zhì)一般以固體顆粒態(tài)存在，這些固體顆粒在厭氧發(fā)酵的最初階段(前60 h)轉(zhuǎn)化為溶解性大分子物質(zhì)，SCOD含量不斷升高，不同脂肽投加量下，污泥厭氧發(fā)酵溶解過(guò)程的SCOD變化見(jiàn)圖3。

圖3 脂肽對(duì)SCOD變化的影響Fig.3 Effect of surfactin on variations of SCOD

由圖3可見(jiàn)，隨著污泥厭氧發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，各實(shí)驗(yàn)組SCOD含量均呈上升趨勢(shì)，表明污泥中固體顆粒被不斷溶解。與空白組相比，投加脂肽可以顯著提高SCOD的生成量，當(dāng)脂肽投加量為0.04 g/g，發(fā)酵時(shí)間為60 h時(shí)，污泥中SCOD的質(zhì)量濃度為5 123 mg/L，而空白組發(fā)酵60 h后的SCOD質(zhì)量濃度僅為1 524 mg/L，說(shuō)明脂肽能夠促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵的溶解過(guò)程。

2.3.2 脂肽對(duì)污泥厭氧發(fā)酵水解過(guò)程的影響

水解反應(yīng)發(fā)生在污泥厭氧發(fā)酵的初始階段，在厭氧微生物的作用下將顆粒狀或者大分子有機(jī)物水解為溶解性小分子有機(jī)物，這些小分子有機(jī)物在酸化反應(yīng)中被厭氧產(chǎn)酸菌所利用生成SCFA。污泥的水解過(guò)程比較緩慢，一般持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾天。由于污泥中的主要成分為蛋白質(zhì)和多糖，因此本研究通過(guò)分析溶解性蛋白質(zhì)和多糖的含量考察污泥的水解程度，脂肽對(duì)溶解性蛋白質(zhì)和多糖的影響見(jiàn)圖4。

圖4 脂肽對(duì)溶解性蛋白質(zhì)及多糖的影響Fig.4 Effect of surfactin on soluble protein and carbohydrate

由圖4可見(jiàn)，隨著污泥厭氧發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，溶解性蛋白質(zhì)和多糖均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且脂肽作用下溶解性蛋白質(zhì)和多糖含量均明顯高于空白組。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在厭氧發(fā)酵初期，污泥水解速度大于酸化速度，因此溶解性蛋白質(zhì)和多糖含量逐漸升高，有脂肽存在時(shí)，各實(shí)驗(yàn)組的溶解性蛋白質(zhì)和多糖均在48 h達(dá)到最大值，繼續(xù)延長(zhǎng)厭氧發(fā)酵時(shí)間，酸化作用增強(qiáng)，大量水解形成的溶解性蛋白質(zhì)和多糖被用作底物生成SCFA，使溶解性蛋白質(zhì)和多糖含量逐漸降低，SCFA含量逐漸增加。SCFA在厭氧發(fā)酵第4天達(dá)到最大值后降低(見(jiàn)圖1)，這可能與SCFA逐步轉(zhuǎn)化為甲烷導(dǎo)致。

VSS減量情況也能反映污泥水解效果，VSS的減量率越高，說(shuō)明污泥中有機(jī)物的利用效果越好，水解程度越大。圖5為不同脂肽投加量下污泥厭氧發(fā)酵第4天VSS的減量率。由圖5可見(jiàn)，空白組中VSS的減量率僅為18.5%，而當(dāng)脂肽投加量為0.04 g/g時(shí)，VSS的減量率為29.1%，是空白組的1.57倍，進(jìn)一步證明了脂肽的存在可以強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵的水解過(guò)程。

圖5 脂肽對(duì)VSS減量率的影響Fig.5 Effect of surfactin on VSS reduction rate

2.3.3 脂肽對(duì)甲烷化過(guò)程的影響

在甲烷化反應(yīng)中，水解、酸化過(guò)程累積的SCFA會(huì)被產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用生成甲烷。本研究用SCFA的轉(zhuǎn)化率來(lái)體現(xiàn)脂肽對(duì)甲烷化過(guò)程的影響。各實(shí)驗(yàn)組厭氧發(fā)酵15 d后的SCFA轉(zhuǎn)化率見(jiàn)圖6。

由圖6可見(jiàn)，空白組厭氧發(fā)酵15 d后SCFA的轉(zhuǎn)化率為68%，而0.04 g/g 脂肽作用下SCFA的轉(zhuǎn)化率僅為21%，提高脂肽投加量至0.08、0.10 g/g，SCFA轉(zhuǎn)化率進(jìn)一步降低至18%、16%。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了脂肽的存在能夠明顯抑制甲烷的產(chǎn)生。

圖6 脂肽對(duì)SCFA轉(zhuǎn)化率的影響Fig.6 Effect of surfactin on the conversion ratio of SCFA

2.3.4 脂肽對(duì)污泥厭氧發(fā)酵pH的影響

pH是影響SCFA產(chǎn)生的一個(gè)重要因素，有研究報(bào)道，pH能夠顯著影響污泥胞外聚合物的溶解及產(chǎn)甲烷細(xì)菌的活性[9]，本實(shí)驗(yàn)未嚴(yán)格控制反應(yīng)過(guò)程的pH，因此有必要探究脂肽對(duì)污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程pH的影響。各實(shí)驗(yàn)組污泥厭氧發(fā)酵前5天的pH變化見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，各實(shí)驗(yàn)組pH均呈下降趨勢(shì)，脂肽作用下pH下降更加劇烈。總體而言，各實(shí)驗(yàn)組pH的變化范圍均在5～7，此范圍pH對(duì)污泥胞外聚合物的溶解作用影響不大[10]，而酸性或偏酸性環(huán)境能夠嚴(yán)重抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，進(jìn)而導(dǎo)致SCFA轉(zhuǎn)化率降低，促進(jìn)SCFA積累。在污泥厭氧發(fā)酵第4天，空白組pH降至6.7±0.2，然而脂肽投加量為0.04 g/g時(shí)，污泥厭氧發(fā)酵體系的pH僅為5.9±0.1。產(chǎn)甲烷細(xì)菌對(duì)pH較為敏感，其最佳生存環(huán)境為中性環(huán)境，脂肽作用下污泥體系中的pH明顯低于空白組，不適合產(chǎn)甲烷菌的生存，這是脂肽能夠抑制甲烷生成的一個(gè)主要原因。

表1 脂肽投加量對(duì)污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程中pH的影響

表2 脂肽及SCFA隨發(fā)酵時(shí)間的變化

表3 脂肽投加量對(duì)生物酶活性的影響

2.4 脂肽降解對(duì)SCFA的貢獻(xiàn)

生物表面活性劑能夠在厭氧環(huán)境中分解，為此利用批式實(shí)驗(yàn)考察脂肽降解對(duì)SCFA的貢獻(xiàn)。在15 d的厭氧發(fā)酵過(guò)程中，脂肽與SCFA的變化如表2所示。

由表2可見(jiàn)，隨著厭氧發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，脂肽被逐漸降解，SCFA含量呈上升趨勢(shì)。厭氧發(fā)酵15 d后，脂肽完全分解，但SCFA的積累量?jī)H為(156.0±8.9) mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.04 g/g脂肽作用下SCFA的積累量，說(shuō)明雖然脂肽能夠在厭氧發(fā)酵體系中分解，但是其對(duì)SCFA的貢獻(xiàn)十分有限。

2.5 脂肽對(duì)污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程中生物酶活性的影響

污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程中有多種生物酶的參與，如蛋白酶和α-葡萄糖苷酶與溶解性蛋白質(zhì)和多糖的水解有關(guān)；污泥中SCFA主要成分為乙酸和丙酸，其中乙酸激酶及磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶與乙酸的生成有關(guān)，草酰乙酸轉(zhuǎn)羧化酶和琥珀酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶與丙酸的生成有關(guān)[11-15]。在SCFA積累量最大時(shí)(厭氧發(fā)酵第4天)測(cè)定上述各種生物酶活性，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，脂肽作用下6種生物酶的酶活明顯高于空白組，該結(jié)果與上述脂肽能夠強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵中的水解和酸化過(guò)程相吻合。此外，當(dāng)脂肽投加量超過(guò)0.04 g/g時(shí)，酶活增量不明顯，進(jìn)一步驗(yàn)證了脂肽最佳投加量為0.04 g/g。

3 結(jié) 論

生物表面活性劑——脂肽能夠強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA，并縮短污泥厭氧發(fā)酵時(shí)間。綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素與污泥厭氧發(fā)酵效果，脂肽的最佳投加量為0.04 g/g，此時(shí)SCFA積累量在第4天達(dá)到最大值2 697 mg/L，脂肽對(duì)污泥厭氧發(fā)酵生產(chǎn)SCFA的組分影響不大。機(jī)制分析表明，脂肽通過(guò)促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵的溶解、水解過(guò)程，使更多溶解性蛋白質(zhì)和多糖溶出并作為底物生成SCFA，同時(shí)通過(guò)降低發(fā)酵體系的pH抑制產(chǎn)甲烷菌生存及甲烷的產(chǎn)生，進(jìn)而提高SCFA積累量，研究證實(shí)脂肽自身厭氧分解對(duì)SCFA的貢獻(xiàn)量極少。

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