超聲預(yù)處理對(duì)促瘤胃微生物厭氧消化造紙剩余污泥產(chǎn)酸的影響

張 路， 楊 悅， 呂 靜 思， 魯 鵬， 平 清 偉， 李 娜,

(1.大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034； 2.廣西大學(xué) 廣西清潔化制漿造紙與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530004 )

0 引 言

利用造紙剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸是一種有前景的污泥處理手段[5]。但是造紙剩余污泥菌體中具有保護(hù)微生物細(xì)胞免受外界破壞的胞外聚合物(ESP)及菌體細(xì)胞壁，阻礙了細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物的釋放和降解。此外，造紙剩余污泥主要成分木質(zhì)纖維素含量高，其是由半纖維素、纖維素和木質(zhì)素組成[6]，其中，木質(zhì)素的穩(wěn)定包裹作用和本身降解的復(fù)雜性、頑固性，使得木質(zhì)素在生物處理過(guò)程中嚴(yán)重阻礙了水解酶與纖維素、半纖維素發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致木質(zhì)纖維素整體生物降解性能低下[7]。造紙剩余污泥厭氧發(fā)酵生物可利用性不高，不易達(dá)到預(yù)期的效果。

瘤胃是反芻動(dòng)物4個(gè)胃室之一，其瘤胃液中存在著復(fù)雜的厭氧微生物，包括細(xì)菌、原生動(dòng)物和真菌[8]。瘤胃微生物能有效破解木質(zhì)素對(duì)纖維素和半纖維素的包裹，使纖維素、半纖維素暴露在環(huán)境中，從而被微生物分泌的纖維素酶及半纖維素酶水解[9]。已有研究證實(shí)了可利用瘤胃微生物降解造紙剩余污泥生產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)和單體脂肪酸，能有效實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素的降解[10]，但采用預(yù)處理手段促進(jìn)瘤胃微生物厭氧消化造紙剩余污泥產(chǎn)酸的研究目前仍鮮有報(bào)道。常用預(yù)處理手段中超聲預(yù)處理被認(rèn)為是一種環(huán)境友好的處理木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)(包括農(nóng)業(yè)殘留物)方法[11]。本實(shí)驗(yàn)利用超聲波預(yù)處理與瘤胃微生物厭氧消化造紙剩余污泥進(jìn)行產(chǎn)酸，研究超聲波預(yù)處理對(duì)瘤胃微生物厭氧消化造紙剩余污泥產(chǎn)酸的作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

1.1.1 材 料

造紙剩余污泥：取自遼寧省盤錦市某造紙廠，該廠使用硫酸鹽法制漿，原料為蘆葦。該造紙剩余污泥為水處理工段一沉池化學(xué)污泥和二沉池生物污泥的混合污泥。污泥取回后放置于4 ℃冰箱內(nèi)冷藏。分析造紙污泥的成分及性質(zhì)，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 造紙剩余污泥的理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical characteristics of paper mill excess sludge

瘤胃液：取自大連某屠宰廠。由于瘤胃液中含有大量厭氧菌，因此裝瘤胃液容器在使用之前要進(jìn)行高壓蒸汽滅菌處理，并通入氮?dú)庖猿ト萜髦械难鯕?。取得的瘤胃液?jīng)過(guò)4層紗布過(guò)濾，得到的濾液即為實(shí)驗(yàn)所用瘤胃微生物。為了除去瘤胃液中雜質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行離心，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，時(shí)間5 min。將所得上清液裝在包裹有遮光處理的容器中，置于4 ℃的冰箱保存。

1.1.2 儀 器

超聲波設(shè)備是JY-92-Ⅱ型超聲細(xì)胞破碎儀，可處理樣品量0.2～500 mL，超聲頻率20 kHz，變幅桿20 mm，可調(diào)節(jié)超聲功率和超聲時(shí)間等超聲條件，功率可調(diào)范圍0～1 000 W。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超聲預(yù)處理造紙剩余污泥

準(zhǔn)確稱取50 mg的造紙剩余污泥(含水率75.7%)于250 mL的燒杯中，加蒸餾水100 mL，將污泥含水率調(diào)為92%，然后充分?jǐn)嚢杈鶆?，將燒杯置于超聲?xì)胞破碎儀中，保證超聲波變幅桿浸入燒杯液面下1 cm處。超聲處理工藝條件：功率分別為90、180、270、360、450、540、630 W，每個(gè)功率對(duì)應(yīng)的超聲時(shí)間分別為10、20、30、40、50、60 min。在超聲條件下處理后共收集到42份樣品，進(jìn)行離心處理，得到超聲后污泥上清液。上清液將用于測(cè)定其中的氨氮、還原糖、蛋白質(zhì)和SCOD的含量。根據(jù)各指標(biāo)含量，分析超聲波對(duì)造紙剩余污泥的破壁效果，從而確定超聲預(yù)處理最佳實(shí)驗(yàn)條件。

1.2.2 超聲預(yù)處理瘤胃微生物厭氧消化造紙剩余污泥

實(shí)驗(yàn)用厭氧反應(yīng)瓶有效容積為500 mL，使用前已做高溫滅菌處理。向反應(yīng)瓶中加入最佳超聲條件下的造紙剩余污泥50 mL，然后分別加入瘤胃液200 mL，在此期間不斷通入氮?dú)?，以此除去氧氣。之后將厭氧反?yīng)瓶放入恒溫?fù)u床中進(jìn)行厭氧發(fā)酵，將其轉(zhuǎn)速設(shè)置為120 r/min，溫度設(shè)為37.5 ℃。厭氧發(fā)酵過(guò)程中，每隔4 h分別取定量上清液，測(cè)量氨氮、還原糖、蛋白質(zhì)、SCOD和VFAs含量。在相同條件下做空白實(shí)驗(yàn)，使用污泥為原污泥，通過(guò)對(duì)比上清液產(chǎn)物含量研究超聲預(yù)處理對(duì)促進(jìn)瘤胃菌厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響。

1.3 分析方法

pH采用玻璃電極法測(cè)定[12]，含水率采用重量法測(cè)定[12]，SVI、MLSS采用減重法測(cè)定[13]，氨氮含量采用納氏試劑分光光度法進(jìn)行測(cè)定[14]，蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)法進(jìn)行測(cè)定[15]，還原糖含量采用3，5-二硝基水楊酸法進(jìn)行測(cè)定[16]，SCOD采用微波消解法進(jìn)行測(cè)定[17]。污泥粒徑使用馬爾文顆粒電荷檢測(cè)儀(型號(hào)Zetasizer Nano ZSP，產(chǎn)地英國(guó))進(jìn)行測(cè)定。VFAs采用液相色譜分析[18]，測(cè)量?jī)x器為Water公司生產(chǎn)的ACQUTTYH 型液相色譜，自動(dòng)進(jìn)樣，進(jìn)樣量為20 μL，配Shodex RSpak KC-811有機(jī)酸專用分析柱(6 μm，8 mm×300 mm)和KC-G保護(hù)柱(10 μm，6 mm×50 mm)；流動(dòng)相0.05%稀硫酸，體積流量0.7 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲條件對(duì)造紙剩余污泥水解的影響

圖1為不同超聲條件下造紙剩余污泥上清液中氨氮、還原糖、蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度和SCOD的變化。從圖中可以看出，和空白樣造紙剩余污泥相比，經(jīng)過(guò)超聲預(yù)處理后，液相中的有機(jī)物質(zhì)量濃度明顯增加。比較不同處理時(shí)間下的有機(jī)物增長(zhǎng)曲線可以發(fā)現(xiàn)，在前40 min內(nèi)，所有處理功率下，污泥中還原糖、蛋白質(zhì)、SCOD和氨氮質(zhì)量濃度都顯著增長(zhǎng)，40～50 min期間增長(zhǎng)放緩，而50～60 min 期間增長(zhǎng)不十分明顯，這是由于前50 min對(duì)污泥細(xì)胞的破壞已經(jīng)達(dá)到一定程度，大部分胞內(nèi)有機(jī)物已被釋放。比較不同處理功率下污泥中還原糖、蛋白質(zhì)、SCOD和氨氮質(zhì)量濃度的變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著處理功率的增加，污泥中還原糖、蛋白質(zhì)、SCOD和氨氮質(zhì)量濃度均增加，說(shuō)明超聲波功率越大，污泥的裂解效果越好。這是因?yàn)樵谖⑴萃蝗幻土冶浪a(chǎn)生的強(qiáng)大剪切力的作用下，嵌入污泥細(xì)胞基質(zhì)的胞外聚合物(ESP)發(fā)生降解，組成胞外聚合物的多糖、蛋白質(zhì)和核酸等物質(zhì)解聚后進(jìn)入溶液中，而微生物細(xì)胞在剪切力作用下細(xì)胞壁破裂，細(xì)胞中所含的有機(jī)物也會(huì)被釋放到溶液當(dāng)中。超聲波功率越大，剪切力就越強(qiáng)，EPS與細(xì)胞的降解量越大，造成污泥中還原糖、蛋白質(zhì)、SCOD和氨氮質(zhì)量濃度不斷上升。但在較高功率630 W時(shí)，氨氮的質(zhì)量濃度反而發(fā)生了下降，這可能是因?yàn)樗杏坞x的氨分子在空化泡中高溫?zé)峤夂笊捎蠳2，從液體當(dāng)中逸出，造成氨氮含量的減少[19]。

(a) 氨氮

(b) 還原糖

(c) 蛋白質(zhì)

(d) SCOD

2.2 超聲預(yù)處理對(duì)造紙剩余污泥粒徑變化的影響

圖2為超聲處理前后污泥的粒徑分布圖，可以觀察到，超聲處理后的污泥粒徑明顯低于原始污泥。這種現(xiàn)象是由超聲波產(chǎn)生的空化能量引起的，空化能產(chǎn)生激波，使局部壓力在液體中發(fā)生變化和移動(dòng)，產(chǎn)生的擾動(dòng)促使污泥中聚集的顆粒分散開(kāi)來(lái)，另外空化能量導(dǎo)致了纖維素顆粒受損，因此，出現(xiàn)了纖維素碎片和表面侵蝕現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致污泥顆粒直徑減小。

(a) 原始污泥

(b) 超聲污泥

2.3 超聲預(yù)處理對(duì)厭氧發(fā)酵有機(jī)物溶出的影響

圖3為造紙剩余污泥厭氧發(fā)酵有機(jī)物(氨氮、還原糖、蛋白質(zhì)和SCOD)質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，和空白樣造紙剩余污泥相比，經(jīng)過(guò)超聲預(yù)處理后，造紙剩余污泥厭氧發(fā)酵液相中的有機(jī)物質(zhì)量濃度明顯增加?？瞻讟游勰喟l(fā)酵4 h 后氨氮、還原糖、蛋白質(zhì)和SCOD分別為65.28、64.29、283.56和622.00 mg/L，超聲污泥發(fā)酵4 h后氨氮、還原糖、蛋白質(zhì)和SCOD分別為253.76、833.58、2 784.47和3 846.00 mg/L，各有機(jī)物質(zhì)量濃度在整個(gè)消化過(guò)程中呈線性增長(zhǎng)，其氨氮、還原糖、蛋白質(zhì)、SCOD最高分別為583.92、7 759.06、4 382.06和8 643.00 mg/L，之后隨著發(fā)酵時(shí)間的增加而減少。超聲預(yù)處理后污泥的有機(jī)物質(zhì)量濃度大大提高，表明污泥絮凝體中大量的不溶性有機(jī)物向可溶性有機(jī)物轉(zhuǎn)移。超聲預(yù)處理對(duì)絮凝體結(jié)構(gòu)的破壞可能導(dǎo)致有機(jī)物的增加，促進(jìn)了膠體和可溶性有機(jī)物的釋放到溶液中。這是因?yàn)槲勰嘟?jīng)過(guò)超聲預(yù)處理破壞了其微生物的細(xì)胞壁，粒徑減小(圖2)，比表面積增大，給瘤胃微生物提供了更加有利的附著條件，從而使有機(jī)物溶出量增加。

(a) 氨氮

(b) 還原糖

(c) 蛋白質(zhì)

(d) SCOD

2.4 造紙污泥厭氧發(fā)酵掃描電鏡圖

圖4為造紙剩余污泥發(fā)酵掃描電鏡圖。圖4(a)為原始污泥的掃描電鏡圖，可以觀察到，污泥表面比較完整，相對(duì)光滑，沒(méi)有明顯的孔洞，纖維材料排列緊密，微生物的細(xì)胞壁沒(méi)有破壞，這些表面特征可阻礙瘤胃微生物在污泥上的附著，不利于污泥厭氧發(fā)酵。圖4(b)為經(jīng)過(guò)超聲處理后的污泥，可以觀察到，污泥的結(jié)構(gòu)破壞明顯，表面變得粗糙和無(wú)序，出現(xiàn)了大量的孔洞，在降解不完全的造紙污泥上面分布著很多瘤胃微生物，說(shuō)明超聲預(yù)處理破壞了污泥的表面結(jié)構(gòu)，使其暴露了內(nèi)部物質(zhì)，促進(jìn)了瘤胃微生物的定植，提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率，進(jìn)而促進(jìn)污泥的厭氧消化，提高污泥的體外發(fā)酵效率。

(a) 原始污泥

(b) 超聲污泥圖4 厭氧發(fā)酵造紙剩余污泥掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of paper mill excess sludge after continuous anaerobic fermentation

2.5 超聲預(yù)處理對(duì)瘤胃微生物造紙污泥厭氧消化產(chǎn)酸的影響

圖5為超聲預(yù)處理對(duì)造紙剩余污泥體外發(fā)酵76 h產(chǎn)酸量的影響。可以觀察到，與未處理的造紙污泥相比，超聲污泥具有相似的漸近產(chǎn)酸量，但經(jīng)過(guò)超聲預(yù)處理后的污泥產(chǎn)酸量明顯高于原污泥。經(jīng)超聲波預(yù)處理后的造紙剩余污泥初始VFAs質(zhì)量濃度為1.26 g/L，厭氧發(fā)酵4 h后，產(chǎn)酸量增加明顯，之后隨著厭氧發(fā)酵時(shí)間的增加而增大，直到厭氧發(fā)酵60 h時(shí)，產(chǎn)酸量達(dá)到最大值9.43 g/L。對(duì)照組污泥在發(fā)酵52 h之前，產(chǎn)酸量隨時(shí)間的變化增加趨勢(shì)較平緩，在52 h時(shí)，產(chǎn)酸量達(dá)到最大值4.92 g/L，之后略微降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲預(yù)處理加快了瘤胃微生物消化造紙剩余污泥厭氧消化效率。這是由于超聲預(yù)處理破壞了污泥穩(wěn)定的纖維結(jié)構(gòu)，使纖維素發(fā)生解聚，進(jìn)而暴露了纖維素束之間的間隙，增大了比表面積，瘤胃微生物可以更好地黏附在污泥上面，而且超聲還可以使污泥中的纖維素和半纖維素分解成小分子物質(zhì)，更容易被瘤胃微生物消化，所以加快了造紙污泥體外發(fā)酵產(chǎn)酸。VFAs積累量減少的原因是由于污泥的大部分微生物細(xì)胞被破壞，污泥活性急劇下降。

圖5 造紙剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸變化Fig.5 VFAs production profiles from paper mill excess sludge

3 結(jié) 論

超聲可破壞剩余污泥中EPS結(jié)構(gòu)，促進(jìn)微生物細(xì)胞破裂和有機(jī)物的釋放。增加超聲處理時(shí)間和增大超聲處理功率均可以促進(jìn)造紙剩余污泥中還原糖、蛋白質(zhì)、SCOD和氨氮等有機(jī)質(zhì)的溶出，最佳工藝條件為功率540 W、處理時(shí)間40 min，可使最終產(chǎn)酸量提高91.67%。超聲波處理后的造紙污泥更加利于瘤胃微生物的附著，使得造紙剩余污泥在厭氧發(fā)酵過(guò)程中更加容易被水解和酸化，可顯著提升厭氧發(fā)酵液相中的有機(jī)質(zhì)含量，提高VFAs產(chǎn)量。因此，超聲波可以作為一種高效促進(jìn)瘤胃微生物厭氧消化造紙剩余污泥產(chǎn)酸的預(yù)處理手段。