絲狀真菌Talaromyces flavus S1 改善污泥脫水性能及機(jī)理研究

史佳晟，余 雷，朱 葛，宋 聯(lián)，劉 和*，2，何艷華

（1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江南大學(xué) 江蘇省厭氧生物技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122；3.無錫國聯(lián)環(huán)保科技股份有限公司，江蘇 無錫 214100）

近年來，隨著城市污泥產(chǎn)量逐年增大以及其對環(huán)境的危害性，污泥的問題引起了廣泛關(guān)注[1-2]，但是污泥含水率較高會給后續(xù)的處理處置帶來技術(shù)上的困難，所以污泥脫水成為污泥處理過程中的重要環(huán)節(jié)[3]。

目前污水處理廠主要通過投加大量的化學(xué)藥劑來改善污泥的脫水性能，包括聚丙烯酰胺（PAM）、石灰、聚合氯化鋁鐵（PAFC）等。但這些化學(xué)藥劑價格昂貴，大大增加了污水處理廠的運行成本；更重要的是，它們具有毒性和腐蝕性，會對環(huán)境造成二次污染[4-5]。為了替代昂貴的化學(xué)調(diào)理劑并減少環(huán)境危害，生物法調(diào)理逐漸受到重視[6]，最近一些關(guān)于絲狀真菌的研究表明其對改善污泥的沉降性能和脫水性能具有積極作用，絲狀真菌具有無毒性，不會產(chǎn)生二次污染，利用絲狀真菌處理污泥具有較大的研究和應(yīng)用價值[7]。文獻(xiàn)[8]從污泥中分離出一株菌Penicillium sp.ACS3，發(fā)現(xiàn)能將污泥絮凝成球，使污泥脫水性能得到顯著提高；文獻(xiàn)[9]研究表明在污泥不滅菌的情況下，Penicillium corylophilum 比Aspergillus niger 有更好的適應(yīng)性，將Penicillium corylophilum 接種到滅菌污泥中處理后，污泥比阻降低了93.20%；而文獻(xiàn)[10]從污泥中分離的絲狀真菌Penicillium expansum BS30，可使污泥的脫水性能提高60%[10]。

以上報道大多是用孢子直接接種到污泥中，雖然有較好的脫水效果，但是，只有在無菌或少菌的污泥中接種真菌孢子才能保證真菌的存活并進(jìn)一步改善污泥脫水性能；同時，為了保證少量孢子在污泥中生長，對培養(yǎng)條件的控制要求很高，操作難度較大，所以該方法很難用于實際的污泥脫水。而到目前為止，針對絲狀真菌處理污泥的研究主要利用的是青霉菌屬，關(guān)于其他種屬的研究還不多。因此，本研究從污泥中分離出一株刺籃狀真菌Talaromyces flavus S1，將真菌孢子預(yù)培養(yǎng)成菌絲體，由于菌絲體是一種更大更成熟的真菌形態(tài)，因此將預(yù)培養(yǎng)的菌絲體接種到污泥中，分析其對污泥脫水性能的影響及機(jī)理，研究結(jié)果對于未來以該菌為基礎(chǔ)開發(fā)生物脫水工藝具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 污泥來源及性質(zhì)

城市污泥取自無錫市某污水處理廠的污泥濃縮池，并于4 ℃下存儲備用。污泥的pH 值為7.43，含固率（TS）為3.71%，揮發(fā)性固體（VS）為污泥干重的46.58%，原始污泥的比阻值（SRF）為4.02×1012m/kg，毛細(xì)吸水時間（CST）為49.5 s。

1.2 真菌的分離與鑒定

絲狀真菌從城市污泥中分離得到，分離和篩選方法如下：在常溫下，用滅菌去離子水將污泥樣品進(jìn)行1 000 倍稀釋并在搖床中震蕩60 min[11]，將1 mL 稀釋好的污泥樣品加入滅菌后的培養(yǎng)皿，隨后加入約15 mL 的孟加拉紅培養(yǎng)基（RBM）[12]，待其固化后將平板放在28 ℃恒溫培養(yǎng)箱里培養(yǎng)2 周并定期進(jìn)行觀察。挑取培養(yǎng)皿中的菌落至馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基（PDA）中進(jìn)行培養(yǎng)，用于純化分離的菌株。純化后的菌株在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)該菌子囊孢子呈球形、近球形或橢圓形，透明、黃色，呈單細(xì)胞，壁平滑或有不同的紋飾，且在顯微鏡下形態(tài)一致，純度較高。

分子生物學(xué)鑒定：本研究用真菌通用引物Its1和Its4 進(jìn)行PCR 擴(kuò)增，結(jié)合DNA 測序技術(shù)對該其進(jìn)行鑒定。具體步驟：用酵母基因組DNA 提取試劑盒快速提取絲狀真菌基因組DNA，并進(jìn)行PCR 擴(kuò)增，引物為針對真菌核糖體RNA 基因序列的通用引物Its1 和 Its4。Its1的堿基序列為5' -TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3'，Its4堿基序列為5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3'（TaKaRa 公司合成）。PCR 反應(yīng)體積為50 μL，包括5 μL 模板DNA、引物Its1 1 μL、引物Its4 1 μL、dNTP Mixture（各2.5 mmol/L）4 μL、10×PCR Buffer 5 μL、5 U/μL Taq 酶0.5 μL，滅菌蒸餾水33.5 μL；反應(yīng)條件：94 ℃預(yù)變性5 min；94 ℃30 s、55 ℃30 s、72 ℃1 min，共30個循環(huán)；72 ℃延伸7 min。PCR 產(chǎn)物委托上海生工生物工程有限公司進(jìn)行雙向測序，所得核苷酸序列結(jié)果通過NCBI 的GenBank 找到類似的序列，通過同源性比較后，發(fā)現(xiàn)該株菌與Talaromyces flavus 相似性為99%，用Mega 6.0 構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。

1.3 孢子懸浮液與培養(yǎng)液的制備

孢子懸浮液的制備：用無菌的去離子水沖洗長有絲狀真菌的PDA 培養(yǎng)基，用三角瓶收集含有真菌孢子的懸浮液。將孢子懸浮液稀釋100 倍后置于搖床中以150 r/min 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)24 h，得到孢子懸浮液作為接種物。用血球計數(shù)法測定孢子濃度為1.2×107個/mL[13]。

馬鈴薯葡萄糖培養(yǎng)液（PDB）的制備：將200 g馬鈴薯去皮，切成小塊，放入去離子水中煮沸20 min，用2 層紗布過濾，濾液中加入15～20 g 葡萄糖并定容到1 000 mL，分裝到250 mL 的三角瓶中蓋塞，每瓶體積為100 mL，放入121 ℃滅菌鍋中滅菌20 min。取出放至室溫。

1.4 實驗步驟與方法

將1 mL 制備好的孢子懸浮液接種至經(jīng)過高溫滅菌的含有100 mL 的PDB 培養(yǎng)液的三角瓶中，在溫度為30 ℃、150 r/min、初始pH 條件下培養(yǎng)7 d，獲得菌絲體混合物（包含培養(yǎng)液），將菌絲體混合物在4 000 r/min 下離心10 min 并分離，將獲得的菌絲體分別按體積比為10%、20%、30%、40%、50%添加到不同濃度的污泥（含固率分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%）中，攪拌均勻后分析其脫水性能，具體步驟見圖1。

圖1 菌絲體處理污泥的實驗步驟Fig.1 Process of sludge treatment by myceliu m

分別添加50%（v/v）菌絲體、1.5‰（w/w）PAM（聚丙烯酰胺）、5%（v/v）PAFC（聚合氯化鋁鐵）、1.5‰PAM+50%菌絲體、5%PAFC+50%菌絲體到100 mL 原泥中攪拌均勻，分析其對脫水性能的影響。

1.5 測定方法

污泥的pH 值、TS、VS 均采用國標(biāo)法測定[14]；污泥毛細(xì)吸水時間采用CST 測定儀（TYPE 304M）測定[15]；污泥比阻采用標(biāo)準(zhǔn)布氏漏斗裝置測定法[16]；污泥粒徑分布采用BT-2003 型激光粒度分布儀測定[17]；電鏡掃描（SEM）：調(diào)理后的污泥樣品經(jīng)過冷凍-干燥處理后，吸去表面灰塵，用銀導(dǎo)電膠將樣品固定在制樣臺上，樣品表層經(jīng)過噴金處理后，采用Hitachi Su1510 型掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行污泥外觀形貌分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌絲體培養(yǎng)液的不同組分對污泥脫水性能的影響

添加真菌菌絲體后能夠顯著改善污泥的脫水性能。而一些真菌生長分泌的物質(zhì)也能促進(jìn)污泥脫水性能提高，起到生物絮凝的作用[18]，為了分析真菌培養(yǎng)液中不同物質(zhì)對脫水性能的影響，圖2 分別將菌絲體混合物（包含培養(yǎng)液）、離心后的上清液以及菌絲體添加到污泥中，分析其對污泥脫水性能的不同影響。

圖2 菌絲體培養(yǎng)液不同組分以添加量對脫水性能的影響Fig.2 Effects of sludge dewaterability by different component and volumes of mycelium solution

如圖2 所示，將菌絲體混合物加入到污泥后，污泥的CST 出現(xiàn)不同程度的下降：當(dāng)混合物的添加量為10%時，污泥的CST 值從初始的49.5 s 下降到41.3 s，隨著添加量越多，CST 下降得越多，當(dāng)添加量為20%時，CST 為39.2 s，CST 降低了23.6%，當(dāng)添加量為50%時，污泥的CST 為27.6 s，CST 降低了44.8%，此時污泥脫水性能大幅的改善；而將分離后的菌絲體加入到污泥中混勻后，其效果是三者中最好的，添加量為30%時污泥CST 值降低到30 s 以內(nèi)，脫水性能提高了45%，而CST 最多下降了60.2%。將分離后的上清液添加到污泥中，發(fā)現(xiàn)上清液并不能提高污泥的脫水性能，甚至使污泥的CST有所上升。

可以看出，預(yù)培養(yǎng)的菌絲體混合物直接投加到污泥中能夠使污泥的脫水性能得到改善；而為了排除真菌分泌物的干擾，把菌絲體混合物離心分離后再將上清液和沉淀的菌絲體分別按比例投加到污泥中，結(jié)果顯示：主要是菌絲體改善了污泥的脫水性能，而非真菌分泌物的作用；不同的添加量對脫水性能也有不同影響，添加量越多污泥脫水性能提高越明顯。

2.2 菌絲體對不同濃度污泥脫水性能的影響

添加菌絲體可以改善污泥脫水性能，但是其對不同濃度的污泥有不同的影響。圖3 是添加30%的菌絲體到不同濃度的污泥后，污泥CST 和SRF 的變化情況。

圖3 菌絲體對不同濃度污泥脫水性能的影響Fig.3 Changes of dewaterability of different sludge concentration by addition of mycelium

如圖3（a）所示，當(dāng)把菌絲體添加到1%濃度的污泥中時，污泥的CST 值從初始的13.5 s 上升至19.6 s，脫水性能惡化；而當(dāng)污泥濃度大于2%時，菌絲體對污泥脫水的效果比較明顯，污泥濃度為7%時，初始的CST 值為58.9 s，經(jīng)過菌絲體調(diào)理后，CST 降為35 s。由此可見，菌絲體改善污泥脫水性能的效果是隨著污泥濃度的升高而提高的，最多提高了40.58%。如圖3（b），污泥比阻的變化與CST 相似，當(dāng)污泥濃度大于3%時，調(diào)理后的污泥比阻開始比初始值好，當(dāng)污泥濃度為7%時，污泥比阻從3.41×1012m/kg 下降到2.32×1012m/kg，降低了32%。

因此，菌絲體對不同濃度的污泥影響不同，當(dāng)污泥濃度越高時，污泥的CST 和SRF 下降得越多，而當(dāng)污泥濃度較小的時候，污泥的脫水性能不但沒有改善反而變差了，這可能是因為當(dāng)污泥濃度比較小時，污泥的CST 值小于20 s，脫水性能已經(jīng)很好，但是粘稠的菌絲體添加到污泥中后，不但沒有較好的包裹污泥顆粒，反而阻礙了污泥中自由水的流動，使得污泥脫水性能惡化，而當(dāng)污泥濃度較高時，污泥的中固體小顆粒多，污泥固體顆粒被絲狀真菌菌絲體捕獲而改變了污泥原有的孔隙結(jié)構(gòu)，自由水得到了釋放，因此污泥的脫水性能得到提高[19]。

2.3 生物法、化學(xué)法調(diào)理及協(xié)同調(diào)理改善污泥脫水性能

絲狀真菌Talaromyces flavus S1 的菌絲體能夠較好的改善污泥污泥脫水性能，與傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑相比，其調(diào)理效果仍然是可觀的。圖4 是利用真菌菌絲體調(diào)理與污水處理廠常用的化學(xué)絮凝劑PAM、PAFC 調(diào)理效果的比較。

圖4 菌絲體與化學(xué)絮凝劑的比較Fig.4 Comparisons of mycelium compared with the chemical flocculant

如圖4（a），污泥初始CST 值為46.1 s，用PAM、PAFC 和菌絲體調(diào)理后，污泥的CST 分別變?yōu)?6.3 s、34.7 s 和21.7 s，利用菌絲體調(diào)理后的污泥CST下降最明顯，下降率達(dá)到52.93%，其調(diào)理效果最好；而如果將菌絲體與PAM、PAFC 聯(lián)用，在其協(xié)同作用下，污泥的脫水性能進(jìn)一步提高，CST 下降率達(dá)到59.13%。SRF 的變化與CST 有所不同：如圖4（b）所示，3 種調(diào)理劑中，用PAM 處理的污泥，其比阻下降最明顯，從4.02×1012m/kg 下降至2.11×1012m/kg，而用PAFC 和菌絲體的污泥分別為3.44×1012m/kg 和2.5×1012m/kg，而將菌絲體和PAM、PAFC 聯(lián)用時，PAM 協(xié)同菌絲體的效果仍然是最佳的，可使SRF下降49.4%。

由此可知，對于毛細(xì)吸水時間來說，單獨添加菌絲體的效果比較好，但是對于SRF 來說，單獨添加PAM 效果更佳，它們都要比添加PAFC 的效果好，而將PAM 與菌絲體聯(lián)合使用加入到污泥中，在其協(xié)同作用下，污泥的脫水性能提高了60%左右。

2.4 添加菌絲體后污泥絮體結(jié)構(gòu)的變化

圖5 是在污泥濃度為3.71%的濃縮池污泥中加入真菌菌絲體后的宏觀照片（白色為背景），圖5（a）是濃縮池原污泥，可以看出其污泥顆粒細(xì)小而稠密，當(dāng)添加菌絲體后，污泥的形貌如圖5（b），此時，一些小顆粒污泥被包裹絮凝在一起，形成絮狀體，而污泥的流動性相對更好，有利于后續(xù)的污泥脫水。

圖5 菌絲體添加后污泥的宏觀形態(tài)變化Fig.5 Macroscopical change of the sludge morphology by addition of mycelium

圖6 是污泥進(jìn)行SEM 電鏡掃描的電鏡照片，其中圖6（a）、（b）分別是在300 倍下原污泥的照片和添加菌絲體后污泥形貌的照片，圖6（c）、（d）是分別在500 倍下原污泥的照片和添加菌絲體后污泥的形貌照片。從電鏡照片中可以看出，圖6（a）和圖6（c）中含有很多細(xì)小的污泥顆粒，雖然小顆粒污泥之間有一定的空隙能夠讓自由水自由流動，但是在抽濾或者壓濾的過程中這些小顆粒物質(zhì)會很快堵住濾紙或濾布等過濾介質(zhì)，造成大塊的污泥絮體或過濾介質(zhì)阻塞，影響污泥脫水過程；而在圖6（b）和圖6（d）中，在長纖維的真菌菌絲作用下，小顆粒的污泥被包裹進(jìn)菌絲體和污泥纏繞成的較大絮體中，一方面，小顆粒不會阻塞過濾介質(zhì)，從而使污泥中的自由水能夠持續(xù)得流出污泥絮體，進(jìn)而提高污泥脫水效率，另一方面，真菌菌絲體的長纖維結(jié)構(gòu)能夠改變污泥絮體的剛性結(jié)構(gòu)或污泥的可壓縮性，有助于改善污泥脫水性能[20]。

圖6 污泥的微觀形貌特性Fig.6 Sludge microscopic morphology

2.5 添加菌絲體后污泥粒徑的變化

真菌菌絲體能包裹細(xì)小污泥顆粒來改善污泥的脫水性能，其纏繞包裹小顆粒污泥促進(jìn)污泥絮體變大，通過污泥粒徑分布情況可以看出污泥絮體的變化趨勢。圖7 分別將添加菌絲體后、添加PAM 后以及添加PAFC 后的污泥與原污泥的粒徑分布情況的比較，結(jié)果顯示，添加3 種調(diào)理劑都能在一定程度上使污泥的粒徑變大。

如圖7（a），添加菌絲體后污泥的粒徑大于原污泥，添加菌絲體后，粒徑在25～75 μm 區(qū)域內(nèi)的污泥顆粒要小于原污泥，而粒徑大于75 μm 的污泥顆粒要明顯高于原污泥，表明其污泥平均粒徑比原污泥大，其變化趨勢與圖7（c）添加聚合氯化鋁鐵的粒徑分布趨勢相似；而添加PAM 的污泥其粒徑分布在50～150 μm 區(qū)域的顆粒要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于原污泥，其總體的顆粒粒徑也要大于原污泥。

圖7 添加菌絲體后污泥粒徑的變化Fig.7 Change of sludge particle size after addition of mycelium

由此可見，添加菌絲體的污泥顆粒粒徑要顯著大于原污泥，其粒徑的分布趨勢與聚合氯化鋁鐵相似，進(jìn)一步說明了真菌菌絲體添加到污泥后能夠包裹污泥顆粒，改變了污泥絮體結(jié)結(jié)構(gòu)，使污泥絮體變大，從而改善了污泥的脫水性能。

3 結(jié)語

本研究采用菌絲體接種的方式，將絲狀真菌Talaromyces flavus S1 預(yù)培養(yǎng)形成的菌絲體添加到污泥中進(jìn)行調(diào)理后提高了污泥脫水性能，這不是真菌分泌物的作用，而是菌絲體本身改善了污泥脫水性能，添加量越多脫水性能改善越明顯；菌絲體對高濃度污泥的脫水性能影響更顯著，污泥濃度較小時，脫水性能不但沒有改善反而變差；與傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑相比，大量添加菌絲體對CST 的降低最明顯，而添加PAM 對SRF 影響更大，兩者調(diào)理效果都好于單獨添加PAFC，在PAM 與菌絲體協(xié)同調(diào)理下，污泥的脫水性能最多可提高60%左右。通過污泥粒徑分布與SEM 電鏡掃描的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：小顆粒的污泥被菌絲體捕獲，改變了污泥絮體結(jié)結(jié)構(gòu)，使污泥絮體增大改善了污泥脫水性能，菌絲體的長纖維結(jié)構(gòu)還能改變污泥絮體的剛性結(jié)構(gòu)和可壓縮性，有助于提高脫水性能。菌絲體接種的接種方式比孢子直接接種更加有效且可操作性更強(qiáng)，研究結(jié)果對生物法改善污泥脫水性能有重要的潛在應(yīng)用價值。