城鎮(zhèn)污水剩余污泥生物法水解研究進展

鐘為章，丁雅婷，秦 學，李再興

（1.河北科技大學環(huán)境科學與工程學院，河北 石家莊 050018；2.河北省污染防治生物技術(shù)實驗室，河北 石家莊 050018）

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出。我國城鎮(zhèn)居民用水量增加導(dǎo)致污水處理廠剩余污泥（ES）產(chǎn)量增長，2019年我國ES產(chǎn)量為6 000萬t，預(yù)計2025年ES產(chǎn)量將達到9 000萬t〔1〕。ES的傳統(tǒng)處理方法有填埋、焚燒以及農(nóng)業(yè)土地利用等〔2〕，但傳統(tǒng)處理方法可持續(xù)性較差，已經(jīng)不能滿足日益增長的ES處理需求〔3〕。與此同時，ES干重的30%～60%都是未被利用的蛋白質(zhì)，這部分蛋白質(zhì)經(jīng)資源化處理后可作為發(fā)泡劑和動物飼料的原料〔4〕，而傳統(tǒng)處置方法無法對ES中的有機資源進行充分利用。在對ES進行無害化處理的前提下，實現(xiàn)ES中有機物的資源化利用，并對ES進行減量化是當前研究的熱點。

厭氧消化可減少ES在最終處置前的體積和重量。因為胞外聚合物（EPS）和包裹在污泥外的細胞壁/膜限制了細胞內(nèi)有機物的擴散和釋放，因此加快污泥水解是促進厭氧消化的重要步驟。目前通過污泥水解的方式實現(xiàn)污泥資源化和減量化的方法眾多，主要有物理法、化學法、生物法及聯(lián)合處理法〔5〕。

物理法〔6-7〕具有對環(huán)境友好、反應(yīng)進程易于控制、水解效率高等優(yōu)點〔8〕，但存在能耗大、對設(shè)施要求高、綜合成本高的缺點?；瘜W法包含酸法〔9〕和氧化劑法〔10〕，酸法水解效率較高、處理成本低且操作簡便，但耗時較長、對設(shè)備要求較高，且后期處理需投加大量堿；氧化劑法操作簡便且無二次污染，但成本和耗能較高。利用酸熱法〔11〕、堿熱法〔12〕、超聲-酸法〔13〕等物化聯(lián)合法水解ES的工藝已較為成熟，但成本高、副產(chǎn)物多等缺點限制了其在工業(yè)應(yīng)用中的推廣。

生物法水解ES具有反應(yīng)溫和、副產(chǎn)物少、成本低等優(yōu)點，且可將污泥中剩余的部分蛋白質(zhì)提取出來用以制備飼料及有機肥等衍生產(chǎn)品，真正實現(xiàn)污泥的資源化利用及無害化處理。更重要的是，生物法還可通過提高C/N改善污泥的厭氧消化性能，且水解后的污泥含水率更低，有利于后續(xù)處理。生物法主要分為生物酶法和生物菌法，生物酶高效簡便、專一性強，但商業(yè)用酶價格昂貴，不適用于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用；不少學者考慮從環(huán)境中分離可分泌水解酶的生物菌，進而解決生物酶成本高的問題。

筆者主要綜述了近年來生物法對ES催化水解的研究現(xiàn)狀，并介紹了物化法與生物法聯(lián)合的機理與優(yōu)勢，為實現(xiàn)ES減量化、無害化以及資源化利用提供思路。

1 生物酶法

生物酶水解ES的機理見圖1。當利用生物酶或可分泌胞外酶的細菌〔14〕對ES細胞進行水解時，酶可與細胞壁上的蛋白質(zhì)、脂類反應(yīng)，破壞細胞結(jié)構(gòu)，污泥底物被水解成可穿過細胞膜的小分子物質(zhì)，進而從污泥細胞溶出。目前，生物酶法已廣泛應(yīng)用于厭氧消化預(yù)處理、促進污泥水解以及提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量等。

圖1 生物酶對ES的溶解作用Fig.1 Dissolution of excess sludge by enzymes

ES中含有50%～95%的EPS，EPS主要有3層：溶解態(tài)胞外聚合物（S-EPS）、松散結(jié)合的胞外聚合物（LB-EPS）、緊密結(jié)合的胞外聚合物（TBEPS）〔15〕。EPS是由細菌組成的高分子聚合物，可抵御外來危害、保護微生物并維持胞外酶活性。EPS的存在會導(dǎo)致污泥脫水困難，且當投加生物酶破解污泥細胞時，EPS還會影響酶在細胞上的流動，導(dǎo)致污泥水解效率較低。EPS的主要成分為蛋白質(zhì)和多糖，利用纖維素酶或蛋白酶可破壞污泥的EPS，促使污泥顆粒變得細小分散，污泥顆粒比表面積增大，酶與細胞接觸面積增加；EPS的分解還降低了其對污泥細胞的保護作用，進而提高了酶對污泥的水解效率。

1.1 單酶法

1.1.1 蛋白酶

ES中的細菌大多數(shù)是革蘭氏陰性菌，其細胞壁約含60%的蛋白質(zhì)。微生物蛋白酶可以破解細胞壁，使胞內(nèi)有機物流出，進而減少洗滌物的固體含量并加速病原體的去除〔16〕。眾多學者探究了蛋白酶的水解效果以及利用蛋白酶預(yù)處理后的ES的厭氧消化性能，結(jié)果見表1。

表1 不同蛋白酶和處理條件對污泥的處理效果Table 1 Effects of different proteases and treatment conditions on sludge treatment

不同酶的活性、作用位點以及與底物相互作用的不同導(dǎo)致同一底物的蛋白提取效果有明顯不同。堿性蛋白酶是一種內(nèi)切蛋白酶，具有較寬泛的作用位點特異性，其催化部位是絲氨酸〔16〕，并且污泥細胞壁中的脂肪可在堿性條件下水解，加快細胞壁溶解，因此堿性蛋白酶水解效果較好；中性蛋白酶只水解由亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等疏水大分子氨基酸提供氨基的肽鍵〔22〕，提取率較低；酸性條件下污泥有可能發(fā)生等電點沉淀，導(dǎo)致蛋白質(zhì)過早沉淀，所以蛋白酶水解污泥常在堿性條件下進行。利用蛋白酶水解污泥的方法各有特點，可根據(jù)實際情況選擇最佳的蛋白酶。

生物酶具有無污染、專一性以及高效性等優(yōu)點，但生物酶也極不穩(wěn)定且水解成本高。針對此缺點，固定酶技術(shù)得以發(fā)展。蘇瑞景〔23〕利用戊二醛交聯(lián)劑將堿性蛋白酶固定在氧化石墨烯上，并研究了其對ES的水解效果。結(jié)果表明，固定酶和游離酶對ES粗蛋白的水解效果幾乎一致，但固定酶的重復(fù)使用性以及存儲使用性得以增強。

1.1.2 淀粉酶

除了常用的蛋白酶外，有學者還探究了其他酶溶解ES的性能。耿娜瑤等〔24〕通過添加外加酶促進厭氧污泥水解，當添加0.3 g/L淀粉酶時，SCOD/TCOD升高至0.816；而添加蛋白酶時，SCOD/TCOD僅有0.6左右。淀粉酶可作用于α-1，4糖苷鍵，水解污泥中的碳水化合物以及各種糖類。蛋白酶對水解蛋白質(zhì)有很大優(yōu)勢，氨氮有較大變化，而淀粉酶對氨氮貢獻較少。

1.1.3 溶菌酶

溶菌酶主要通過破壞細胞壁中的N-乙酰氨基葡萄糖和N-乙酰壁酸之間的β-1，4-甘氨酸鍵，將不溶性黏多糖降解為可溶性黏多糖，致使微生物分解。Jiahao CHEN等〔25〕以溶解厭氧污泥為目的，探究了蛋白酶、α-淀粉酶和溶菌酶的水解效果。結(jié)果表明，由于蛋白酶和α-淀粉酶的快速失活，蛋白質(zhì)和碳水化合物不可持續(xù)釋放；而溶菌酶在反應(yīng)5 h以上時仍然可以保持50%的活性，蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度增加了700.0 mg/L。

單一酶對底物具有降解專一性，但ES成分的復(fù)雜性限制了單一酶的作用，單一酶易被誘捕、吸附或束縛到污泥固體分子中〔26〕，造成酶活性下降。此外，單酶法相較物化法效率低。運用復(fù)合酶針對性地處理ES中的有機物，可提高其水解效率。

1.2 復(fù)合酶法

研究者們在單酶基礎(chǔ)上研究了復(fù)合酶對污泥的溶胞效果。復(fù)合酶是指將2種或2種以上的水解酶按比例混合，根據(jù)不同酶的水解活性、作用位點、和底物的相互作用都不同的特點，通過多步反應(yīng)分解多聚物，在短時間內(nèi)將多聚物從難降解狀態(tài)轉(zhuǎn)化為易降解的中間狀態(tài)，從而使整個水解過程效率更高。復(fù)合酶可以從ES中提取較多的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)溶出率遠高于單一酶。很多學者利用復(fù)合酶的協(xié)同效應(yīng)提高蛋白質(zhì)的提取率，并探究了預(yù)處理后ES在厭氧消化中的產(chǎn)氣效果，結(jié)果見表2。

表2 不同復(fù)合酶和工藝條件對污泥的水解效果Table 2 Effects of different complex enzymes and process conditions on sludge treatment

利用生物酶法水解ES具有操作簡便、不造成二次污染的優(yōu)點〔31〕，且其水解液的pH接近中性，不會對儀器產(chǎn)生高強度的腐蝕。復(fù)合酶水解效果優(yōu)于單一酶，投加單一酶只能針對特定的物質(zhì)產(chǎn)生水解效果，而同時加入蛋白酶和淀粉酶可高效水解污泥的主要成分（蛋白質(zhì)和碳水化合物），隨即酶繼續(xù)作用于裸露的細胞壁，進行破壁溶胞釋放有機物，達到溶解污泥的效果。但復(fù)合酶投加量也相對增加，成本變高。

2 嗜熱菌法

高溫生物預(yù)處理可有效提高病原體去除率，并且可有效提高污泥水解率。可在中高溫厭氧條件下存活的微生物主要為污泥中的產(chǎn)蛋白酶菌。采用可在中高溫下存活并可產(chǎn)生多種酶（蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶）的嗜熱菌水解有機物可以提高污泥降解率和水解性能。

嗜熱菌法促進ES增溶被認為是生物法中最有效的方法之一。嗜熱菌是一類存活和生長在高溫環(huán)境中的微生物，通常生長溫度在45℃以上，主要分布于溫泉、火山、堆肥等高溫環(huán)境中。嗜熱菌具有獨特的耐熱性和分子結(jié)構(gòu)〔32〕，可以分泌外切酶分解微生物細胞，分解聚合物質(zhì)，將復(fù)雜大分子水解為小分子，提高可接近性。定向篩選可分泌胞外酶和微生物溶解能力較強的優(yōu)勢嗜熱菌，可為嗜熱菌水解ES奠定基礎(chǔ)。

嗜熱菌是目前水解ES的常用菌，水解效果較好。Ying TANG等〔33〕利用從65℃土壤中分離出的可分泌蛋白酶和淀粉酶的嗜熱芽孢桿菌AT07-1對ES進行水解，在65℃下VSS和TSS降解率分別達到48.52%、41.98%，相較未接種系統(tǒng)分別增加了10.94%、8.09%，且接種嗜熱菌系統(tǒng)中的蛋白酶活性相較未接種系統(tǒng)增加了0.18 U/mL，表明嗜熱菌AT07-1可促進污泥水解。楊春雪〔34〕從ES中分離出具有高效水解性能的嗜熱菌Geobacillussp.G1，該菌株可分泌蛋白酶和淀粉酶，將嗜熱菌接種于污泥并在60℃處理4 h后，SCOD為（4 130±170）mg/L，是未接種組的1.5倍；溶解性蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度為（1 063±15）mg/L（以COD計），是未接種組的1.7倍。

利用嗜熱菌對污泥進行預(yù)處理可以加快污泥厭氧消化。Chunxue YANG等〔35〕利用嗜熱菌聯(lián)合堿對ES進行預(yù)處理水解，并對短鏈脂肪酸（SCFAs）的積累進行了研究。結(jié)果表明，在60℃下處理6 h時，碳水化合物、蛋白質(zhì)相較空白對照組分別增加了546、875 mg/L（以COD計），SCFAs最大產(chǎn)量為（3 550±120）mg/L（以COD計），比空白對照組高74倍。嗜熱菌利用ES釋放的底物生產(chǎn)SCFAs，最終影響SCFAs的組成和積累。

嗜熱菌的培育過程操作簡便，培養(yǎng)周期不超過24 h。相較生物酶法，嗜熱菌法解決了因購置生物酶成本變高的問題，并且有一部分特定的嗜熱菌可以在代謝過程中產(chǎn)生孢子，經(jīng)嗜熱酶溶解反應(yīng)器處理后的液態(tài)污泥進入活性污泥系統(tǒng)或者在常溫下暫留在反應(yīng)器中時，孢子將被激活，為系統(tǒng)重新運轉(zhuǎn)提供菌種，可再次利用回流的污泥基質(zhì)進行增殖，進而繼續(xù)溶解新的污泥，系統(tǒng)的可持續(xù)性增強。目前，嗜熱菌已被應(yīng)用于污水廠處理污泥。但相較物化法，嗜熱菌法水解效率依舊很低，因此培育可以專項高效水解ES的嗜熱菌是一個研究重點。

3 聯(lián)合處理法

聯(lián)合處理法可對物理法、化學法或生物法進行技術(shù)耦合，發(fā)揮多種技術(shù)的協(xié)同作用，克服單一技術(shù)的不足，從而提高對ES的水解效率和降低成本。

3.1 物化法和生物酶聯(lián)合法

酶解法雖然安全環(huán)保，但是溶解污泥的效果有限，且酶的投加成本較高。因此，眾多研究者開始采取物化預(yù)處理技術(shù)輔助生物酶催化污泥水解。

3.1.1 物理法聯(lián)合生物酶

與生物酶聯(lián)合的物理法主要包括超聲波法和熱水解法等。

超聲波法操作簡便且對環(huán)境友好，可利用液相中產(chǎn)生的熱效應(yīng)、機械效應(yīng)等空化效應(yīng)將污泥絮體分解成更細的顆粒，污泥比表面積增大，從而增加了酶與微生物細胞的接觸面積；并且超聲還可使污泥中的微生物破裂，促進胞內(nèi)有機物釋放。苗叢瑤〔36〕采用超聲波與堿性蛋白酶聯(lián)合的方法水解ES，處理后蛋白質(zhì)提取率為69%，較單一酶法提高了19%，且脫水性能較單一酶法提高了55%。丁靜雨〔37〕對堿性蛋白酶進行低強度超聲處理后，蛋白酶活性提高了13%左右，蛋白質(zhì)提取率為44%，較單一酶法提高了20%左右。李萍等〔38〕采用超聲波與木瓜蛋白酶聯(lián)合處理ES，蛋白質(zhì)提取率為62.63%，比單獨使用超聲波法提高了約48%。相比單一酶法，超聲波聯(lián)合生物酶法的污泥水解效果更好，蛋白質(zhì)的增加可歸因于超聲波誘導(dǎo)的污水污泥中酶活性的增加，不但促進了EPS中蛋白質(zhì)從TB-EPS層轉(zhuǎn)移到SEPS和LB-EPS的外層，還促進了細胞中蛋白質(zhì)的溶出。

熱處理工藝設(shè)備較為成熟，但利用熱預(yù)處理輔助酶法催化污泥水解的手段少見。污泥蛋白質(zhì)水解的熱預(yù)處理機制是將污泥在高溫環(huán)境中暴露足夠長的時間以促進化學反應(yīng)的進行，并溶解好氧和厭氧污泥中較大的生物分子。岳秋彩〔39〕采用熱預(yù)處理和堿性蛋白酶協(xié)同水解ES提取蛋白質(zhì)，水解后的污泥上清液中蛋白質(zhì)提取率為56.5%，與單一酶法相比提高了43.6%，SCOD及溶出率分別為16 800 mg/L和52.57%，說明熱預(yù)處理強化了酶催化污泥水解反應(yīng)。

3.1.2 化學法聯(lián)合生物酶法

化學法與生物法聯(lián)合也在水解ES方面發(fā)揮了重要作用。表面活性劑可降低污泥中水分的表面張力，破壞污泥絮體形態(tài)，引發(fā)污泥絮體皂化，減小污泥絮體的尺寸，從而使蛋白酶與污泥樣品的接觸面積增大。鼠李糖脂是一種成本較低且環(huán)境友好的表面活性劑，Gaige LIU等〔40〕采用溶菌酶與鼠李糖脂聯(lián)用的方式對污泥進行預(yù)處理，當單位VSS的鼠李糖脂投加量為0.3 g/g時，污泥中蛋白質(zhì)的釋出量高達1 612.0 mg/L，相較單一酶法提高了約600 mg/L，SCOD提高了約8 000 mg/L。于靜〔41〕利用十二烷基硫酸鈉強化溶菌酶水解ES，SCOD/TCOD較單一酶法提高了61.4%。

有研究發(fā)現(xiàn)，加入少量的金屬離子可改變酶的活性，主要機理是金屬離子（以二價金屬離子為主）與生物酶的活性位點發(fā)生反應(yīng)進而改變酶的活性，穩(wěn)定生物酶的空間構(gòu)象。不同金屬離子可能會起到不同的促進或抑制作用。李靜〔42〕發(fā)現(xiàn)3 mmol/L的CaCl2對堿性蛋白酶的促進效果最為明顯，相較未添加組酶活力提高了17.9%。

超聲波、熱處理以及表面活性劑主要是對污泥進行預(yù)處理，破解污泥絮體，增加酶與污泥底物的接觸面積和時長，且在一定程度上增強酶活性。單獨采用物化法，成本較高，限制較多，實際應(yīng)用較為困難；酶水解污泥反應(yīng)溫和、可保留蛋白質(zhì)性質(zhì)，將物化法與生物酶法聯(lián)合應(yīng)用于水解污泥更具有實用性和可行性。

3.2 物化法和嗜熱菌聯(lián)合法

3.2.1 物理法聯(lián)合嗜熱菌法

嗜熱菌水解ES主要是由胞外酶發(fā)揮重要作用，但由于反應(yīng)過程中菌種不斷衰退，微生物產(chǎn)酶能力下降，導(dǎo)致其水解污泥的效率有限；并且篩選菌株過程中原材料成本上漲，市場競爭激烈，提高菌株產(chǎn)酶能力成為一個重點研究方向。運用遺傳手段改良菌株并促進其產(chǎn)酶，對嗜熱菌高效水解污泥具有較好的現(xiàn)實意義。

誘變是改良菌株的常用方法，物理法誘變菌株主要有紫外光照射、微波誘變、γ射線〔43〕和常壓室溫等離子體（ARTP）誘變等。當菌株受到紫外光照射時，其DNA分子會形成嘧啶二聚體，阻礙堿基正常配對，導(dǎo)致菌株突變或死亡。應(yīng)長青等〔44〕將具有較好產(chǎn)蛋白酶能力的嗜熱菌株DL4在20 W紫外燈下照射90 s，蛋白酶活性相較無紫外光照射的酶活性提高17.33%，致死率達81.46%，且突變菌株可穩(wěn)定遺傳。ARTP是一種新型的誘變方式，主要誘變原理是依靠等離子體瞬間釋放的高活性離子穿透細胞膜并作用于基因片段，引起突變。侯小珊〔45〕在通氣量為10 L/min、功率為100 W的條件下對1株高溫產(chǎn)蛋白酶菌株RM-2進行ARTP誘變，酶活力相較原始菌株提高25.62%。

3.2.2 化學法聯(lián)合嗜熱菌法

化學法強化嗜熱菌的方法有多種，例如添加表面活性劑、加入金屬離子以及化學誘變等，前2種方法強化嗜熱菌的原理和其強化生物酶的機理相似。化學誘變嗜熱菌可導(dǎo)致微生物DNA復(fù)制時堿基配對錯誤，引起突變，從而改變微生物的遺傳結(jié)構(gòu)和功能，該方法可以作為分子生物學方法和培養(yǎng)基優(yōu)化策略的替代方案。

化學誘變劑主要有硫酸二乙酯和亞硝基胍。高珍娜等〔46〕篩選出29株產(chǎn)纖維素酶活性較高的菌株，并采用硫酸二乙酯誘變篩選出1株性能優(yōu)良的MY004菌株，其酶活力比原始菌株提高了80.6%。扶教龍等〔47〕采用亞硝基胍對產(chǎn)輔酶Q10的類紅球細菌進行誘變，產(chǎn)酶量相較原始菌株增加了64.92%。

化學誘變采用的有機試劑毒性較強，對人體傷害較大。物理法相對安全環(huán)保，尤其ARTP法較好地避開了對人體傷害較大的物理輻射源，且誘變過程在密閉的放電室中進行，斷電后立即消失，無任何殘留物，突變率較高〔48-49〕。微生物的突變基質(zhì)較為復(fù)雜，采用單一誘變方法獲得目標菌株較為困難，突變率較低；復(fù)合誘變法可解決該問題，即結(jié)合幾種物理、化學誘變方法對菌株進行交叉誘變〔49-50〕。目前關(guān)于菌株誘變的研究較多，但誘變后微生物對ES水解效果的研究很少，有待進一步研究。

4 結(jié)語與展望

實現(xiàn)ES的資源化利用、更大程度地發(fā)揮ES的價值，是未來污泥處理技術(shù)的發(fā)展方向。ES水解方法眾多，需要根據(jù)實際情況選擇最佳的水解方法。目前生物法水解ES已獲得越來越多的關(guān)注，但實際應(yīng)用大多還停留在實驗室階段，缺乏工程經(jīng)驗。今后研究需要關(guān)注以下幾點：

（1）在利用嗜熱菌水解ES時，菌株分泌的胞外酶有限，處理效果不理想。誘變作為改良菌株的一種有效方法，可提高產(chǎn)酶效果，但傳統(tǒng)誘變方法盲目性較高?；蚬こ套鳛橐环N目的性強、更加精準的改造方法，避免了在自然界中篩選優(yōu)勢菌種耗時較長且操作繁瑣的缺點，可通過改變原有遺傳特性獲得更適用于處理ES的嗜熱菌。

（2）利用酶水解ES是一種高效的處理方法，但游離酶會受到污泥體系pH、溫度等條件影響而失活，具有較難回收且穩(wěn)定性差的缺點，制作可磁力回收的固定化酶，探究不同酶的最佳固載條件，可提高污泥催化水解效果。

（3）污泥中存在很多重金屬以及有機污染物等有害物質(zhì)，可能會對生物酶水解產(chǎn)生抑制作用。污泥粗蛋白在用作動物飼料時，有毒有害物質(zhì)可能會在動物體內(nèi)積累，并通過食物鏈進入人體，危害人類健康。需要加強水解過程中重金屬的檢測與控制，保障其安全性和實用性。