外加電壓下的廢活性污泥二次產(chǎn)酸發(fā)酵：對污泥結構和酶活性的影響

李 磊，蔡 辰，陳永棟，劉昊宇，劉 芮，楊東海，董 濱，戴曉虎

（同濟大學環(huán)境科學與工程學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）譯者：李 磊；審查：戴曉虎；單位：同濟大學環(huán)境科學與工程學院

1 研究亮點

*分析了電輔助下的污泥產(chǎn)酸發(fā)酵性能，探索了通過外加電壓進行二次產(chǎn)酸發(fā)酵；

*污泥結構在外加電壓下變得松散，其松緊程度在后續(xù)有波動；

*蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的活性均顯著提高。

2 背景

生物電化學系統(tǒng)，特別是微生物電解池（MEC）的發(fā)展，為厭氧生物處理過程的強化提供了一個新的方向。通過外部的較低電力輸入，可以促進復雜有機物的分解，以及化學品和燃料的生產(chǎn)。研究者們將微生物電解池與厭氧消化(AD)相結合，以促進沼氣的產(chǎn)生，這被稱為MEC-AD 或電輔助厭氧消化。然而，盡管已有數(shù)篇研究報道了微生物電解池結合下的廢活性污泥（WAS）厭氧消化產(chǎn)甲烷性能，但外加電壓對其產(chǎn)酸發(fā)酵過程的影響和機制尚不清楚。在此基礎上，需要進一步表征外加電壓下的污泥結構變化與功能酶活性，以更深入地了解MEC-AD中污泥的復雜性質和微生物的代謝過程。

3 研究方法

研究使用的WAS 收集自上海市的一家污水處理廠，實驗前儲存在（4.0±0.1） °C的冰箱中。接種污泥取自實驗室長期穩(wěn)定運行的中溫半連續(xù)反應器，WAS 和接種污泥的VS 比為2∶1。批次實驗周期為42 d，溫度為（37±1） °C，在0～12 d，設置了3 組條件進行污泥產(chǎn)酸發(fā)酵，即外加0 V 電壓（即只加入電極，EG1）、外加0.6 V 電壓（EG2）和無任何處理的對照組（CG）。經(jīng)30 d的厭氧生物處理后，在第30天將CG 組和EG1 組的一半反應器外加上0.6 V 電壓，命名為SCG 組和SEG1 組，考察其二次產(chǎn)酸發(fā)酵性能。實驗測試分析的內(nèi)容包括溶解性總有機碳（STOC）、溶解性蛋白、溶解性多糖、揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、氧化還原電位（ORP）、污泥粒徑、分形維數(shù)（Df）、傅里葉紅外光譜、蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性等。

4 主要研究結果

在前12 d，EG2 組具備更優(yōu)的發(fā)酵產(chǎn)酸性能，其VFA 最大值達到（234.3±3.4）mg/g（HAc/VS），相比于CG 和EG1 分別提高了28.8%和22.2%。對于SCG 和SEG1 組，在第30 天外加0.6 V 電壓后，其STOC、溶解性蛋白、溶解性多糖和VFA 含量均顯著上升，說明外加電壓可有效促進復雜有機物的二次水解和產(chǎn)酸過程。對反映污泥結構的相關指標的分析，證實持續(xù)的電壓刺激促進了污泥結構的解體，污泥結構變得更加松散；對微生物功能酶活性的分析，發(fā)現(xiàn)SCG和SEG1組蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的活性在外加電壓后均有明顯的提升，證明了外加電壓對微生物代謝的影響，也支持了有機物二次水解和酸化的結果。

5 結論與展望

外加電壓通過使污泥結構松散和提升功能酶活性實現(xiàn)了污泥有機物的再溶解和水解，從而提升了其二次產(chǎn)酸發(fā)酵性能。后續(xù)將進一步研究外加電壓對污泥厭氧消化全過程綜合影響及其未來的應用場景。