高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻有機(jī)質(zhì)釋放與厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的促進(jìn)效果

余甜甜, 王率率, 張 杰, 鄭志永,3, 劉 和,3, 劉宏波,3*

1.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院, 江蘇省厭氧生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無(wú)錫 214122

2.無(wú)錫市濱湖區(qū)水利局, 江蘇 無(wú)錫 214071

3.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 蘇州 215009

我國(guó)淡水湖泊普遍存在不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，《2017中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》[1]數(shù)據(jù)顯示，109個(gè)監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的湖泊(水庫(kù))中，輕度富營(yíng)養(yǎng)化與中度富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊共有33個(gè)，占比為31%. 我國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化的水質(zhì)狀態(tài)導(dǎo)致藍(lán)藻廣泛爆發(fā)[2]，嚴(yán)重影響了周邊區(qū)域環(huán)境與生態(tài)平衡. 目前最為有效抑制水華藍(lán)藻泛濫的措施是通過(guò)打撈降低沿岸水域的藻類(lèi)有機(jī)物質(zhì)含量[3]，減緩水質(zhì)惡化，改善水體環(huán)境. 但是，在藍(lán)藻爆發(fā)時(shí)期，僅太湖流域每天藍(lán)藻的打撈量可達(dá)2.6×104t[4]，打撈出來(lái)的藍(lán)藻由于含水率極高，給運(yùn)輸、儲(chǔ)存及處理帶來(lái)了很大的困難. 如果不能提高藍(lán)藻的處置消納能力以平衡藍(lán)藻的打撈量，則是將污染物從湖泊轉(zhuǎn)移到陸地上，給陸地環(huán)境造成極大威脅. 因此，開(kāi)發(fā)出高價(jià)值藍(lán)藻生物質(zhì)資源化技術(shù)，是解決藍(lán)藻水華治理的重要途徑之一.

藍(lán)藻厭氧發(fā)酵是藍(lán)藻資源化利用的方法之一[5]，通過(guò)厭氧發(fā)酵使藍(lán)藻中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸，產(chǎn)物可作為碳源回收利用，以達(dá)到資源化處理的效果. 但藍(lán)藻發(fā)酵過(guò)程中微生物可利用的溶解態(tài)有機(jī)質(zhì)含量較低，導(dǎo)致產(chǎn)酸效率不高[6]. 由于大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)部，而藍(lán)藻由肽聚糖及纖維素構(gòu)成的雙層細(xì)胞壁包裹，外圍通常存在由粘性多糖組成的膠鞘[7]，其獨(dú)特的細(xì)胞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致一些破壁技術(shù)難以將藍(lán)藻細(xì)胞破碎完全，結(jié)構(gòu)蛋白與多糖很難溶出. 為了充分利用藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)豐富的有機(jī)質(zhì)，選擇適合的藍(lán)藻細(xì)胞破壁效率顯得尤為重要. 目前已公開(kāi)多種藻類(lèi)破壁技術(shù)，如超聲波破壁[8]、熱堿水解[9]、反復(fù)凍融技術(shù)[10]等. 其中，熱堿水解技術(shù)具有破碎效果好、有機(jī)質(zhì)釋放率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但處理時(shí)間長(zhǎng)，且加熱導(dǎo)致的氣體蒸發(fā)具有惡臭，產(chǎn)生了大氣二次污染；超聲破碎技術(shù)利用空穴效應(yīng)使藍(lán)藻內(nèi)容物釋放，處理時(shí)間短、無(wú)需額外投加藥劑，但不足之處是處理量較小，無(wú)法規(guī)模化應(yīng)用；而反復(fù)凍融技術(shù)，將藍(lán)藻反復(fù)凍融，利用冰晶生長(zhǎng)使藍(lán)藻細(xì)胞破壁，該方法效率低、能耗高，多用于實(shí)驗(yàn)室研究.

高壓均質(zhì)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種預(yù)處理方法[11]，通過(guò)對(duì)物料細(xì)胞進(jìn)行撞擊、剪切，物料會(huì)同時(shí)受到高頻振蕩、高速剪切、空穴現(xiàn)象和對(duì)流撞擊等機(jī)械力作用和熱效應(yīng)，使物料的組織結(jié)構(gòu)被破壞，達(dá)到均質(zhì)的效果，具有破碎效果完全、連續(xù)式運(yùn)行，處理時(shí)間短、不產(chǎn)生二次污染且可擴(kuò)大生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì). 國(guó)內(nèi)外將該技術(shù)主要用于食品行業(yè)的生產(chǎn)，對(duì)乳品、乳劑進(jìn)行處理[12].

目前，對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行預(yù)處理以提高厭氧發(fā)酵碳源回收率的研究[13-16]已經(jīng)開(kāi)展，但關(guān)于藍(lán)藻進(jìn)行高壓均質(zhì)破壁影響發(fā)酵產(chǎn)酸的效果尚不清楚. 因此，筆者將從藍(lán)藻有機(jī)物、氮、磷、細(xì)胞微觀形態(tài)、脫水性能和可生化性等方面，分析高壓均質(zhì)處理對(duì)藍(lán)藻理化性質(zhì)的影響及其作用機(jī)理，通過(guò)比較均質(zhì)預(yù)處理藍(lán)藻、未處理藍(lán)藻及熱堿處理藍(lán)藻的產(chǎn)酸情況，評(píng)估該預(yù)處理技術(shù)對(duì)藍(lán)藻厭氧發(fā)酵的促進(jìn)效果，以期為藍(lán)藻碳源回收的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 原料

藍(lán)藻采自太湖水體，含水率約為97%. 藍(lán)藻采集后濾去浮萍、水草等雜物，分裝在若干樣品瓶中，放入冷藏柜儲(chǔ)存?zhèn)溆?

厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸種泥取自用于處理檸檬酸廢水的UASB(升流式厭氧污泥床)反應(yīng)器的厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸污泥，經(jīng)兩次清水沖洗后使用，藍(lán)藻和種泥的性質(zhì)如表1所示.

1.2 試驗(yàn)方案

表1 藍(lán)藻和種泥的基本性質(zhì)

注： TS為總固體；VS為揮發(fā)性固體；TCOD為總化學(xué)需氧量；SP為溶解性蛋白質(zhì)；WSC為溶解性碳水化合物. 1)表示以TS計(jì).

1.2.1不同壓力條件的高壓均質(zhì)試驗(yàn)

試驗(yàn)中藍(lán)藻高壓均質(zhì)預(yù)處理采用GEA-NIRO-SOAVI型高壓均質(zhì)機(jī)(意大利凱派克斯科技有限公司). 準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量藍(lán)藻，過(guò)100目(孔徑0.15 mm)篩后加入去離子水，調(diào)節(jié)w(TS)至3%，進(jìn)入高壓均質(zhì)機(jī)，將均質(zhì)壓力分別設(shè)置為60、80、100和120 MPa，在增壓設(shè)備的作用下，高壓溶液快速通過(guò)均質(zhì)腔，受到均質(zhì)閥撞擊、高速剪切等機(jī)械力，均質(zhì)完成后收集出料口藍(lán)藻溶液待測(cè). 對(duì)照組為未經(jīng)預(yù)處理的藍(lán)藻溶液，試驗(yàn)藍(lán)藻均未調(diào)節(jié)pH(約為6.58).

1.2.2不同pH條件的高壓均質(zhì)試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量藍(lán)藻，過(guò)100目(孔徑0.15 mm)篩后加入5 molL NaOH溶液分別將pH調(diào)至8、9、10、11、12，并調(diào)節(jié)w(TS)至3%，進(jìn)入高壓均質(zhì)機(jī)，根據(jù)均質(zhì)壓力試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置優(yōu)化后的均質(zhì)壓力. 均質(zhì)處理后收集出料口藍(lán)藻溶液待測(cè). 對(duì)照組為未經(jīng)預(yù)處理的藍(lán)藻溶液.

1.2.3熱堿試驗(yàn)

熱堿處理普遍被視為細(xì)胞破壁的常規(guī)方法，如在污泥中常采用熱堿法進(jìn)行預(yù)處理促進(jìn)發(fā)酵產(chǎn)酸[17]，故該研究將熱堿處理作為參照，對(duì)比評(píng)價(jià)高壓均質(zhì)的水解效果. 試驗(yàn)步驟：①稱(chēng)取一定量藍(lán)藻，加入5 molL NaOH將pH調(diào)至11，并調(diào)節(jié)w(TS)至3%；②90 ℃ 下水浴加熱2 h；③熱堿處理后將溶液冷卻稱(chēng)量，加入去離子水將溶液補(bǔ)充至熱堿處理前的質(zhì)量，攪拌均勻后待測(cè).

1.2.4厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸試驗(yàn)

藍(lán)藻發(fā)酵產(chǎn)酸采取序批式搖瓶試驗(yàn). 向高壓均質(zhì)后的藍(lán)藻中加入種泥和溴乙烷磺酸鈉(BES，產(chǎn)甲烷抑制劑)，種泥接種率為10%；c(BES)為50 mmolL. 將混合液移入500 mL厭氧瓶中，頂空預(yù)留150 mL體積，持續(xù)沖入99.9%的高純氮?dú)?0 min，以去除頂空及混合液中的氧氣，厭氧瓶完全密閉，放入轉(zhuǎn)速為120 rmin、35 ℃的恒溫培養(yǎng)搖床中. 對(duì)照組底物為未經(jīng)預(yù)處理的藍(lán)藻溶液，熱堿組底物為熱堿預(yù)處理后的藍(lán)藻溶液.

1.3 分析方法

藍(lán)藻中ρ(TS)、ρ(VS)、ρ(TP)均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[22]；使用pH酸度計(jì)測(cè)定pH；使用激光粒度分布儀測(cè)定藍(lán)藻粒徑；使用毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定儀測(cè)定藍(lán)藻CST(毛細(xì)吸水時(shí)間)；使用BOD測(cè)定儀測(cè)定BOD5(五日生化需氧量). 采用氣相色譜法測(cè)定ρ(VFAs)[23]，測(cè)量?jī)x器為日本島津公司生產(chǎn)的2010型氣相色譜，主要配置：AOC-20i自動(dòng)進(jìn)樣器，F(xiàn)ID檢測(cè)器，PEG-20M色譜柱(30 m×0.32 mm×0.5 μm，大連中北分析儀器)；采用一階程序升溫，初溫80 ℃，保持3 min，然后以15 ℃min的速率升至200 ℃，保持2 min. 載氣為氮?dú)猓泊盗髁?0 mLmin. 進(jìn)樣室(SPL)和檢測(cè)器(FID)的溫度都設(shè)為250 ℃.

藍(lán)藻溶出率計(jì)算公式：

R=(Ci-C0)Ct×100%

(1)

式中：R為溶出率，%；Ci為預(yù)處理后藍(lán)藻的SCOD質(zhì)量濃度，gL；C0為預(yù)處理前藍(lán)藻的SCOD質(zhì)量濃度，gL；Ct為預(yù)處理前藍(lán)藻TCOD的質(zhì)量濃度，gL.

2 結(jié)果與討論

2.1 高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放的影響

2.1.1高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻碳源釋放的影響

高壓均質(zhì)處理可以極大地促進(jìn)藍(lán)藻營(yíng)養(yǎng)物的釋放. 由圖1可見(jiàn)，對(duì)照組ρ(SCOD)為0.43 gL，經(jīng)過(guò)高壓均質(zhì)后，藍(lán)藻溶液中ρ(SCOD)隨均質(zhì)壓力的增加而升高，在120 MPa壓力下達(dá)到最高值(11.05 gL)，溶出率為42.57%；100 MPa時(shí)ρ(SCOD)為10.35 gL，溶出率為39.87%；同時(shí)，高壓均質(zhì)處理后的藍(lán)藻ρ(SP)及ρ(WSC)也呈相同趨勢(shì)，120 MPa時(shí)ρ(WSC)由對(duì)照組的0.19 gL升至4.05 gL，ρ(WSC)由0.13 gL增至4.45 gL. 對(duì)不同壓力下的SCOD、SP、WSC進(jìn)行顯著性分析，雖然藍(lán)藻各項(xiàng)溶解性有機(jī)質(zhì)指標(biāo)在120 MPa時(shí)達(dá)到最高，但100 MPa下有機(jī)質(zhì)釋放效果與120 MPa下沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，考慮到能耗因素，故在后續(xù)試驗(yàn)均采用100 MPa的均質(zhì)壓力.

圖1 不同條件下高壓均質(zhì)藍(lán)藻的ρ(SCOD)、ρ(SP)、ρ(WSC)和溶出率Fig.1 SCOD concentration, SP concentration, WSC concentration and solution rateunder different high-pressure homogeneous conditions

由圖1可見(jiàn)，在100 MPa、不同pH下高壓均質(zhì)藍(lán)藻釋放到液相中的有機(jī)質(zhì)含量隨pH的升高而增加，pH=8時(shí)，ρ(SCOD)為14.20 gL，溶出率為54.70%，比對(duì)照組藍(lán)藻(pH約為6.58)的溶出率高37.20%；pH=12時(shí)，ρ(SCOD)最高，達(dá)22.74 gL，溶出率為87.59%，比對(duì)照組提高了52.34倍.ρ(SP)與ρ(WSC)也達(dá)到最高值，分別為8.59和6.81 gL. pH的升高促進(jìn)有機(jī)質(zhì)溶出率的增加，其原因可能是細(xì)胞破碎后，部分蛋白質(zhì)與多糖仍黏附在細(xì)胞碎片上，沒(méi)有完全溶出；堿的投加可以提高有機(jī)質(zhì)的溶解效率[24]，并促進(jìn)細(xì)胞壁上的結(jié)構(gòu)蛋白與多糖溶解，使溶解性有機(jī)質(zhì)含量顯著提高.

圖2 不同條件下高壓均質(zhì)藍(lán)藻的ρ(NH4+-N)與ρ(TP)Fig.2 Concentration of NH4+-N and TP under different high-pressure homogeneous conditions

2.1.2高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻氮磷釋放的影響

隨著均質(zhì)壓力和pH的提高，藍(lán)藻NH4+-N與TP的釋放量快速增加. 由圖2可見(jiàn)，60 MPa時(shí)，ρ(NH4+-N)由對(duì)照組的13.08 mgL增至39.40 mgL；ρ(TP)由0.40 mgL升至4.47 mgL；且120 MPa時(shí)ρ(NH4+-N)與ρ(TP)均達(dá)到最高值，分別為50.04和8.80 mgL. 隨著pH的升高，ρ(TP)呈升高趨勢(shì)，因藍(lán)藻細(xì)胞對(duì)磷的吸收能力強(qiáng)，在磷充足的情況下，新鮮藍(lán)藻通過(guò)生成多聚磷酸將水體中大量磷元素儲(chǔ)存于細(xì)胞中[25]，高壓均質(zhì)處理后，藍(lán)藻細(xì)胞破裂，細(xì)胞內(nèi)的磷釋放到水體中，導(dǎo)致ρ(TP)上升，pH=12時(shí)ρ(TP)達(dá)到最大值，為24.80 mgL，是對(duì)照組的62.00倍. 同時(shí)，ρ(NH4+-N)同樣隨著堿的加入而顯著升高，在pH=12時(shí)達(dá)到最大值(115.70 mgL)，是對(duì)照組的8.90倍，NH4+-N是影響后續(xù)發(fā)酵產(chǎn)酸試驗(yàn)的重要指標(biāo)，ρ(NH4+-N)過(guò)高時(shí)，會(huì)抑制藍(lán)藻后續(xù)的厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過(guò)程[26].

由圖1、2可見(jiàn)，在100 MPa和pH=12下，藍(lán)藻營(yíng)養(yǎng)物的釋放量可以達(dá)到最高值. 但pH過(guò)高，所需要的堿量大，且均質(zhì)機(jī)在長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行下會(huì)造成一定程度的腐蝕，不適用于工業(yè)化使用. pH=11時(shí)，藍(lán)藻溶解性有機(jī)質(zhì)釋放效率與pH=12時(shí)的效果相似(P>0.05)，且NH4+-N釋放量較少(P<0.05)，因此選擇100 MPa和pH=11作為藍(lán)藻均質(zhì)優(yōu)選工況.

2.2 高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻微觀結(jié)構(gòu)及細(xì)胞破解效果的影響

2.2.1高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻微觀形態(tài)的影響

不同預(yù)處理下藍(lán)藻顆粒的粒徑分布如圖3所示. 由圖3可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，溶液中的顆粒粒徑顯著減小，表現(xiàn)為對(duì)照組藍(lán)藻>熱堿組藍(lán)藻>高壓均質(zhì)組藍(lán)藻，其中對(duì)照組藍(lán)藻體積平均粒徑為39.92 μm，熱堿組為19.33 μm，高壓均質(zhì)Ⅰ組(100 MPa，pH=9)、Ⅱ組(100 MPa，pH=11)的體積平均粒徑分別為8.91和7.89 μm. 如圖3所示，藍(lán)藻溶液的粒徑分布比例(相同粒徑顆粒的體積之和占總顆粒體積之比)呈現(xiàn)兩個(gè)峰(用a、b表示)，原藍(lán)藻溶液的峰值主要出現(xiàn)在3～8 μm(a1峰)和50～80 μm(b1峰)范圍之間. 而藍(lán)藻單個(gè)細(xì)胞粒徑大多在3～10 μm之間[27]，與a1峰所在粒徑范圍重合，可知a1峰代表著溶液中游離的單個(gè)藍(lán)藻細(xì)胞，而b1峰則是溶液中聚集的粒徑較大的藻團(tuán)[28]. 而a2峰(熱堿組)值比a1峰(對(duì)照組)值高出1倍以上，說(shuō)明熱堿處理使溶液中的藻團(tuán)和胞外聚合物分解為小顆粒物質(zhì). 均質(zhì)處理后，高壓均質(zhì)Ⅰ、Ⅱ組曲線的b峰左移，與代表藍(lán)藻單個(gè)細(xì)胞粒徑的波峰重合，說(shuō)明高壓均質(zhì)將聚集在一起的藻團(tuán)打碎，變成單個(gè)細(xì)胞或較小的藻團(tuán)，小顆粒的占比增加；同時(shí)，在0.1～1 μm范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值(a3、a4)，說(shuō)明高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞壁破碎較為徹底，產(chǎn)生大量細(xì)胞碎片. 其中，高壓均質(zhì)Ⅰ組a4峰值為1.82%，比高壓均質(zhì)Ⅱ組a3峰值(0.76%)高，原因可能是溶液中的堿促進(jìn)了藍(lán)藻細(xì)胞碎片的溶解[29]，使代表細(xì)胞碎片與其他小顆粒物質(zhì)的左側(cè)峰值增加.

圖3 不同預(yù)處理下藍(lán)藻的粒徑分布Fig.3 Average particle diameter of different pretreated cyanobacteria

2.2.2高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻破壁效果的影響

除去藍(lán)藻溶液中本身存在的部分衰老、凋亡的細(xì)胞釋放出DNA外，其余核酸類(lèi)物質(zhì)均儲(chǔ)存在藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)，因此液相中ρ(DNA)的變化可作為衡量細(xì)胞破壁效果的重要指標(biāo)[30]. 高壓均質(zhì)Ⅰ組、高壓均質(zhì)Ⅱ組、熱堿組及對(duì)照組藍(lán)藻離心分離獲得的上清液中ρ(DNA)如圖4所示. 由圖4可見(jiàn)，對(duì)照組為未經(jīng)過(guò)處理的藍(lán)藻，ρ(DNA)僅為1.04 ngμL，絕大多數(shù)藍(lán)藻細(xì)胞并未破裂；經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，熱堿組ρ(DNA)升至22.60 ngμL，大部分細(xì)胞壁在高溫和堿的作用下破裂，ρ(DNA)顯著升高；高壓均質(zhì)Ⅰ、Ⅱ組的ρ(DNA)也分別升至24.17、29.24 ngμL，分別比對(duì)照組提高了22.24、27.12倍，故兩種預(yù)處理均有較好的破壁效果，而高壓均質(zhì)處理通過(guò)撞擊、剪切等機(jī)械力作用于藍(lán)藻細(xì)胞，使細(xì)胞破碎程度更徹底，胞內(nèi)物質(zhì)釋放更完全.

圖4 不同預(yù)處理下藍(lán)藻上清液中ρ(DNA)Fig.4 DNA concentration in supernatant of different pretreated cyanobacteria

2.3 高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻有機(jī)物可生化性的影響

高壓均質(zhì)藍(lán)藻及熱堿預(yù)處理藍(lán)藻有機(jī)物的可生化性指標(biāo)數(shù)值結(jié)果如圖5所示. 由圖5可見(jiàn)，高壓均質(zhì)預(yù)處理及熱堿預(yù)處理均能促進(jìn)SCOD釋放. 對(duì)照組ρ(SCOD)僅為0.43 gL，而熱堿處理后ρ(SCOD)升至15.64 gL，高壓均質(zhì)處理后ρ(SCOD)也分別升至16.85 gL(高壓均質(zhì)Ⅰ組)和22.30 gL(高壓均質(zhì)Ⅱ組). 值得注意的是，熱堿組與高壓均質(zhì)Ⅰ組SCOD釋放量相近，但ρ(BOD5)卻相差顯著(P<0.01)，熱堿組ρ(BOD5)僅8.13 gL，而高壓均質(zhì)Ⅰ組ρ(BOD5)可達(dá)11.08 gL，比熱堿組高出36.29%. 其原因可能是，熱堿預(yù)處理破碎藍(lán)藻細(xì)胞時(shí)，有機(jī)質(zhì)中的酰胺類(lèi)物質(zhì)(蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸)與還原糖在高溫與高pH下易發(fā)生美拉德反應(yīng)，形成難以被微生物降解的褐色的多聚氮化合物[31]，導(dǎo)致可生化性降低.

圖5 不同預(yù)處理下高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻可生化性的影響Fig.5 Effect of high-pressure homogenization on biodegradability of cyanobacteria

圖6 高壓均質(zhì)藍(lán)藻厭氧發(fā)酵時(shí)VFAs的質(zhì)量濃度及各酸分布比例Fig.6 Variation of VFAs concentration and organic acid composition in anaerobic fermentation of high-pressure homogeneous cyanobacteria

2.4 高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

分別使用高壓均質(zhì)Ⅰ組、高壓均質(zhì)Ⅱ組、熱堿組及對(duì)照組藍(lán)藻進(jìn)行厭氧發(fā)酵. 厭氧發(fā)酵產(chǎn)生VFAs的情況如圖6(a)所示. 對(duì)照組產(chǎn)酸15 d后ρ(VFAs)達(dá)3.80 gL；熱堿組藍(lán)藻ρ(VFAs)為6.15 gL；高壓均質(zhì)Ⅰ組ρ(VFAs)在10 d后趨于穩(wěn)定，最高值達(dá)7.84 gL，高于熱堿組27.48%；高壓均質(zhì)Ⅱ組ρ(VFAs)最高為8.22 gL，比熱堿組提高33.66%，是對(duì)照組的2.16倍.

藍(lán)藻多數(shù)有機(jī)質(zhì)存在于細(xì)胞內(nèi)部，被細(xì)胞壁包裹，胞外含有部分粘性多糖與蛋白質(zhì)，未經(jīng)預(yù)處理的藍(lán)藻在厭氧發(fā)酵過(guò)程中仍存在形態(tài)完整的細(xì)胞，大部分胞內(nèi)有機(jī)物無(wú)法被微生物利用[32]，故對(duì)照組藍(lán)藻的ρ(VFAs)最低. 控制厭氧發(fā)酵反應(yīng)的因素有很多，產(chǎn)酸菌、碳源、培養(yǎng)環(huán)境等都可以影響其產(chǎn)酸效率. 采用預(yù)處理技術(shù)后，藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)有機(jī)質(zhì)釋放到液相中，增加了微生物的碳源含量，因而高壓均質(zhì)及熱堿處理后藍(lán)藻ρ(VFAs)均有提升；且相比于熱堿組，高壓均質(zhì)組ρ(VFAs)更高，這是由于高壓均質(zhì)藍(lán)藻提供給產(chǎn)酸菌的碳源品質(zhì)更高，即可生化性優(yōu)于熱堿藍(lán)藻. 從每單位(以質(zhì)量計(jì))SCOD產(chǎn)生VFAs來(lái)比較，高壓均質(zhì)Ⅰ組比高壓均質(zhì)Ⅱ組高，可能是因?yàn)楫a(chǎn)酸菌在強(qiáng)堿環(huán)境下其活性受到了一定影響[33]，這與HUANG等[34]的研究結(jié)果相符，他們比較了不同pH下厭氧發(fā)酵時(shí)微生物的多樣性，認(rèn)為pH為10～11下的微生物多樣性明顯小于pH為7～9下的微生物多樣性. 但從產(chǎn)酸總量來(lái)看，高壓均質(zhì)Ⅱ組高于高壓均質(zhì)Ⅰ組，這是由于pH升高提高了有機(jī)物溶出率；因發(fā)酵產(chǎn)酸的限速步驟是水解反應(yīng)，強(qiáng)堿條件下大量的有機(jī)物被釋放和水解，為產(chǎn)酸菌提供了充足的底物，此時(shí)底物濃度升高對(duì)發(fā)酵的促進(jìn)作用大于高pH下所產(chǎn)生的抑制作用[35].

藍(lán)藻厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸中各單酸含量占比情況如圖6(b)所示. 各組發(fā)酵液中均存在乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸，其中，異丁酸、異戊酸和戊酸占比較低且在各試驗(yàn)組中差異不大；而剩下3種酸中乙酸占比始終最高，對(duì)照組、熱堿組、高壓均質(zhì)Ⅰ組、高壓均質(zhì)Ⅱ組的乙酸占比分別為3.58%、57.71%、45.15%和56.04%，說(shuō)明堿性條件下更適合藍(lán)藻厭氧發(fā)酵中乙酸的積累[36]. 除乙酸外，對(duì)照組與高壓均質(zhì)Ⅰ組丁酸含量最高，而熱堿組與高壓均質(zhì)組Ⅱ的丙酸含量卻超過(guò)丁酸，主要是由于丙酸型厭氧發(fā)酵微生物比丁酸型微生物更適宜于在堿性的環(huán)境中生長(zhǎng)[37].

2.5 高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻脫水性能的影響

藍(lán)藻的脫水性能是影響VFAs回收率的關(guān)鍵因素之一. 藍(lán)藻CST變化情況如圖7所示，由圖7可見(jiàn)，對(duì)照組的CST為684 s，而熱堿處理藍(lán)藻的CST飆升至 2 940 s，這是由于熱堿處理使藍(lán)藻細(xì)胞破碎，大量有機(jī)質(zhì)被釋放，而溶出的蛋白質(zhì)與多糖等物質(zhì)會(huì)與水分子結(jié)合，導(dǎo)致自由水含量下降、藍(lán)藻黏度升高，CST升高. 而高壓均質(zhì)Ⅰ、Ⅱ組的CST分別為 1 368、1 940 s，同樣是因胞內(nèi)蛋白質(zhì)與多糖的大量釋放致使高壓均質(zhì)處理的藍(lán)藻比處理前藍(lán)藻的脫水性差；但與熱堿組相比，高壓均質(zhì)Ⅰ、Ⅱ組的CST卻顯著降低，這是由于高壓均質(zhì)處理通過(guò)撞擊與剪切等機(jī)械作用力破壞了細(xì)胞與絮體的結(jié)構(gòu)，釋放出間隙水與結(jié)合水，藍(lán)藻的流態(tài)性明顯增強(qiáng)，減緩了因細(xì)胞破壁導(dǎo)致的脫水性能惡化[38]，從而降低了從藍(lán)藻中回收碳源的難度.

2.6 高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻預(yù)處理效果的綜合評(píng)價(jià)

高壓均質(zhì)處理、熱堿處理、未處理藍(lán)藻的有機(jī)質(zhì)釋放和發(fā)酵產(chǎn)酸效果如表2所示. 由表2可見(jiàn)，高壓均質(zhì)的有機(jī)質(zhì)溶出率高于熱堿處理的48.67%，說(shuō)明高壓均質(zhì)處理能增加液相中的有機(jī)物濃度，給微生物提供更多碳源；另外，高壓均質(zhì)處理的BC比未處理藍(lán)藻提高34.04%，具有增強(qiáng)有機(jī)物可生化性的作用，提高了厭氧發(fā)酵中底物的碳源品質(zhì)；高壓均質(zhì)藍(lán)藻產(chǎn)酸率為0.32 gg〔以w(VFAs)w(VS)計(jì)〕，比熱堿處理高出33.33%. 高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻破壁與厭氧發(fā)酵除了具有良好的促進(jìn)效果外，還具有處理時(shí)間短、連續(xù)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，單位時(shí)間處理量大，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景.

表2 不同預(yù)處理效果對(duì)比

注：1) 表示以w(VFAs)w(VS)計(jì).

3 結(jié)論

a) 高壓均質(zhì)對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞具有良好的破壁效果，能夠促進(jìn)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放.

b) 高壓均質(zhì)能提高藍(lán)藻可生化性，促進(jìn)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸. 高壓均質(zhì)后BC提高至0.63，ρ(VFAs)最高達(dá)8.22 gL，是一種能夠有效促進(jìn)藍(lán)藻厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的處理方法.

c) 高壓均質(zhì)能降低從藍(lán)藻中回收碳源的難度. 在有機(jī)物釋放量更大的情況下，高壓均質(zhì)藍(lán)藻的CST比熱堿藍(lán)藻的更低，減緩了有機(jī)物釋放造成的藍(lán)藻脫水性能惡化的趨勢(shì).