鹽度強化剩余污泥堿性發酵產酸

邢立群，彭永臻，金寶丹，何岳蘭，曾 薇（北京工業大學，北京市水質科學與水環境恢復工程重點試驗室，北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心，北京 100124）

鹽度強化剩余污泥堿性發酵產酸

邢立群，彭永臻*，金寶丹，何岳蘭，曾 薇（北京工業大學，北京市水質科學與水環境恢復工程重點試驗室，北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心，北京 100124）

短鏈脂肪酸（SCFAs）是生物脫氮除磷的優質碳源，為提高剩余污泥堿性發酵SCFAs的產量，分別在20℃和35℃條件下，考察了不同鹽度（0～25g/L）對剩余污泥堿性（pH=10）發酵的影響.結果表明：在20℃和35℃條件下，投加適量的氯化鈉均可提高SCFAs產量，且氯化鈉投加量為15g/L時SCFAs產量最大，較不投加時分別提高了42.3％和15.0％.進一步的研究表明，適量的投加氯化鈉促進了生成SCFAs所需底物（蛋白質和多糖）的釋放，同時提高了發酵系統的C/N（SCFAs/NH4+-N）.因此，鹽度聯合堿性pH值可強化剩余污泥發酵產生SCFAs，同時達到剩余污泥減量的效果.

剩余污泥；厭氧發酵；短鏈脂肪酸；鹽度；溫度

目前，我國城市生活污水中普遍存在碳源不足、C/N比較低的問題.為了提高出水水質，需要向污水中投加外碳源（如甲醇，乙酸鈉等）以強化微生物的脫氮除磷能力［1］，但是外碳源的投加將大大增加污水處理廠的處理成本，同時主要以生物方法為處理工藝的城市污水處理廠在運行時會產生大量的剩余污泥.據統計，剩余污泥的處理成本占到污水處理廠運行成本的20％～50％［2］.剩余污泥中包含大量的有機物質（如蛋白質和多糖等），這些有機物質可以被厭氧微生物發酵利用，達到污泥減量的同時獲得短鏈脂肪酸（SCFAs）、甲烷和氫氣等有利用價值的物質［3-4］.剩余污泥發酵過程中產生的SCFAs可作為強化微生物脫氮除磷的碳源，不僅減少或者避免外碳源投加，而且降低剩余污泥的處理費用，從而節約了污水處理廠的處理成本.污泥發酵過程一般分為水解、產酸及產甲烷3個階段.剩余污泥厭氧發酵產酸即將發酵過程控制在產酸階段，剩余污泥中大部分有機成分都是微生物細胞，由于微生物細胞壁的半剛性結構限制了剩余污泥的水解，因此水解過程成為剩余污泥厭氧消化的限速步驟［5-7］.采用適當的預處理方法可以破壞微生物的細胞壁結構，促進細胞溶解，顆粒狀的大分子有機物質轉化為小分子易降解化合物，從而加速剩余污泥的水解過程.目前常用的促進剩余污泥水解速率的預處理方法主要有：機械處理法［8］、熱處理法［9］、酸堿處理法［5］、生物處理法［5］及添加表面活性劑法［3］等.

研究發現，剩余污泥堿性發酵一般僅能提取污泥中45％左右的碳源［10］，因此如何進一步提高污泥發酵中碳源的溶出量是亟待解決的問題.在堿處理過程中起作用的是OH-離子，但同時引入的金屬陽離子也會影響剩余污泥的融胞效果.剩余污泥在堿性條件下發酵時，有機物的分解以及調節發酵液pH值時都會引入Na+［11］.Na+是微生物必需的營養物質，低濃度Na+可以促進微生物生長，高濃度的Na+則抑制微生物的活性、減緩微生物的新陳代謝［12-13］；研究還發現氯化鈉可以導致剩余污泥的穩定性和脫水性惡化［14］.溫度是影響污泥發酵的重要因素，水解菌和產酸菌對溫度的適應性很強，在低溫（10～30℃）、中溫（30～40℃）和高溫（50～60℃）的環境中都可以很好地生存［15］.Chen等［11］在室溫條件下考察了pH值對剩余污泥發酵的影響，發現在堿性條件下剩余污泥更容易水解，蛋白質、碳水化合物和SCFAs等產量都顯著提升.研究發現提高發酵溫度可以促進初沉污泥水解，從而有利于污泥發酵產酸［16-17］.目前，在堿性條件下，有關不同鹽度和溫度對剩余污泥發酵的聯合作用的研究鮮見報道，因此本文在堿性條件（pH=10）下考察了不同氯化鈉鹽度和溫度對剩余污泥厭氧發酵產酸及污泥減量的影響.

1 材料和方法

1.1 試驗裝置與運行方法

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Reactor of test

1.2 污泥來源和性質

剩余污泥取自本實驗室中試規模SBR工藝的排泥，剩余污泥取回后用自來水淘洗3次，淘洗后剩余污泥性質如表2所示.

表1 實驗控制條件Table 1 The conditions of test

表2 剩余污泥性質Table 2 The properties of WAS

試驗在恒溫培養箱中分2個批次進行，恒溫箱溫度分別設定為20℃和35℃.本試驗反應裝置如圖1所示，反應器由有機玻璃制成，有效容積為1.5L，設有轉子、pH探頭、加堿口及取樣口.4個反應器（1#～4#）內分別添加1.2L經淘洗過的剩余污泥；向4個反應器中投加一定量的氯化鈉，控制1#～4#的氯化鈉濃度分別為0，2，15，25g/L；試驗過程中使用2mol/L的氫氧化鈉溶液調節發酵液的pH值，維持發酵液pH=10±0.1.4個反應器在曝氮氣2min去除氧氣后密封.采用磁力攪拌器進行攪拌，設定轉速為500r/min；反應周期為10d，每天取樣1次.20℃和35℃時反應條件如表1所示.1.3 檢測方法

取出的樣品在轉速為4000r/min下離心15min，離心后的上清液經0.45μm的微孔纖維濾膜過濾后濾液用于指標分析.SCOD、MLSS和MLVSS均采用國家環境保護總局發布的標準方法［18］；TOC采用TN/TOC測定儀（Multi N/C3000，AnanltikjenaAG，Germany）檢測，蛋白質采用Lowry-folin分光光度法［19］檢測，多糖采用硫酸-蒽酮分光光光度法［20］檢測，SCFAs采用Agilent 6890DB-MAXETR氣相色譜儀［21］檢測，NH4+-N、PO43--P采用流動注射分析儀（Lachat Quik-Chem8000，Lachat Instrument，Miwaukee，USA）［22］檢測.

2 結果與討論

2.1 剩余污泥發酵水解情況

剩余污泥的水解特征可以用發酵液中SCOD濃度的變化表示［12-23］，發酵液中的SCOD濃度越高，表明污泥水解程度越高.圖2表示20℃和35℃條件下不同鹽度對剩余污泥水解的影響.

在20℃條件下，1#和2#反應組SCOD濃度從試驗開始到反應的第7～8d均快速增加，在反應第7～8d達到最大值后緩慢下降；而3#和4#反應組SCOD濃度從試驗開始后均快速增加，在反應的第5d達到最大值后逐漸降低.在35℃條件下，試驗開始后1#～3#反應組SCOD濃度均快速增加，并在第6d達到最大值后出現下降，4#反應組的SCOD濃度在前3d快速增加，之后出現波動，試驗的最后3d1#～4#反應組SCOD濃度均基本保持不變，由此發現，提高溫度能夠縮短剩余污泥的發酵時間.在20℃和35℃條件下，污泥發酵過程中SCOD濃度的大小依次均為4#＞3#＞2#＞1#，最大SCOD濃度分別為487.3和688.3mg/gMLVSS，明顯高于苑宏英等［24］在室溫和堿性（pH=10）條件下研究酸堿調節對混合污泥發酵影響時發現的SCOD釋放量（380.31mg/gMLVSS，16d）.發酵第6d時發酵液中的TOC含量如圖3所示，除35℃時4#外，TOC隨著溫度和鹽度的增加而增加，即適當的提高溫度和鹽度可促進TOC的生成，這與SCOD的變化規律一致.

圖2 20℃和35℃條件下不同鹽度對剩余污泥水解影響Fig.2 Effect of different salinity on sludge hydrolysis under conditions of 20℃ and 35℃

圖3 20℃和35℃條件下不同鹽度發酵液中TOC含量Fig.3 Effect of different salinity and temperature on TOC concentration

在20℃和35℃條件下，分別將不同鹽度時發酵前期的SCOD濃度數據進行一次線性方程擬合，擬合結果如下表3所示.剩余污泥發酵前期，發酵液中SCOD濃度隨發酵時間呈線性增大（圖2，表3），且符合一次線性方程（R2＞0.9），這與苑宏英等［25］的研究一致.

表3 不同鹽度和溫度下SCOD線性回歸方程Table 3 SCOD linear regression equation under different salinity and temperature

鹽度對剩余污泥發酵過程中SCOD的生成有顯著的影響.在同一溫度條件下，發酵液中SCOD的溶出速率和溶出量均隨著NaCl鹽度（0～25g/L）的增大而顯著增大，并且達到最大濃度的時間明顯縮短.這可能是因為隨著NaCl鹽度的增加，微生物細胞外環境的滲透壓不斷升高，污泥中有的微生物細胞為適應新環境合成大量胞外聚合物（EPS）［26］，而有些微生物細胞因不適應環境變化而發生自溶死亡，釋放出大量有機物，從而增加了發酵液中的SCOD濃度.

適當的提高發酵溫度可以促進污泥發酵水解速率，增大SCOD的生成量；35℃時SCOD的溶出速率和溶出量均大于20℃時，這與Ferreiro等［17］的研究結果一致；同時適當的提高溫度能夠縮短污泥發酵時間，原因可能在于較高的溫度可以提高蛋白質和多糖等有機物的溶解度［27］，且中溫條件（35℃）能夠提高水解菌的生長速率和新陳代謝速率，增加水解菌的數量，從而導致發酵液中SCOD的生成量和生成速率均增加［28］，因此35℃時剩余污泥水解程度較高，發酵時間較短.

2.2 發酵液中溶解性蛋白質和多糖的變化情況

在厭氧發酵過程中，剩余污泥首先在水解菌的作用下釋放出溶解性蛋白質和多糖，而產酸菌以溶解性蛋白質和多糖等為底物生成SCFAs，因此發酵液中的溶解性蛋白質和多糖是剩余污泥發酵產酸過程中關鍵的中間物質.圖4表示20℃和35℃條件下不同鹽度對溶解性蛋白質濃度的影響，圖5表示20℃和35℃條件下不同鹽度對溶解性多糖濃度的影響.

圖4 20℃和35℃條件下不同鹽度對溶解性蛋白質濃度的影響Fig.4 Effect of different salinity on soluble protein concentration under 20℃ and 35℃

圖5 20℃和35℃條件下不同鹽度對溶解性多糖濃度的影響Fig.5 Effect of different salinity on soluble polysaccharide concentration under 20℃ and 35℃

由圖4和圖5可知，在20℃條件下，1#和2#反應組蛋白質和多糖濃度均不斷增加，在反應至第9～10d時増至最大值；3#和4#反應組的蛋白質和多糖濃度在前4d迅速增加，4d后增幅變緩；其中3#反應組的蛋白質和多糖濃度最大，最大值分別為184.0和12.0mgCOD/gMLVSS.在35℃條件下，試驗開始后1#～4#反應組中蛋白質和多糖濃度均迅速增加，在反應進行到第4d后，除1#反應組的多糖濃度下降且蛋白質維持穩定，2#～4#反應組的蛋白質濃度少量增加，而多糖濃度有輕微波動；3#反應組的蛋白質和多糖濃度最大，最大值分別為200.4和17.1mgCOD/ gMLVSS.Zhang等［29］在研究中溫和高溫條件下pH對剩余污泥水解和SCFAs積累時發現：在pH=10和中溫條件下，發酵液中蛋白質和多糖的最大濃度為197mgCOD/gMLVSS，低于本文35℃條件下蛋白質和多糖的最大濃度（217.5mgCOD/ gMLVSS）.因此，適當的鹽度和溫度可以促進剩余污泥發酵過程中蛋白質和多糖的釋放.

在同一溫度條件下，發酵液中溶解性蛋白質和多糖濃度均隨鹽度的增大先增加后減少，其中3#反應組的蛋白質和多糖濃度最高；但在相同發酵條件下，2#和4#反應組的蛋白質和多糖濃度均高于1#反應組.原因可能為：①剩余污泥中含有大量的胞外聚合物（EPS）［30］，而NaCl能破壞微生物的細胞結構，促進蛋白質和多糖的釋放［31］，從而提高了發酵液中溶解性蛋白質和多糖的濃度；②在低鹽度（0～15g/L）條件下，剩余污泥中有些微生物為適應新環境而合成大量的EPS，進而間接提高了發酵液中溶解性蛋白質和多糖的濃度［32］；③高濃度的NaCl（15～25g/L）可以抑制微生物的活性并減緩微生物的新陳代謝［12-13］，導致剩余污泥中有些微生物細胞質壁分離，發生自溶而釋放出大量的蛋白質和多糖［33］.但是過高NaCl濃度（≥25g/L）將導致剩余污泥中微生物細胞內外滲透壓差值過大，微生物細胞在合成較多的EPS前直接破碎，雖然發酵液中SCOD的濃度增加（圖2），但是剩余污泥發酵過程中蛋白質和多糖的釋放量減少，所以在同一溫度條件下，4#反應組蛋白質和多糖生成量均低于3#反應組.

溫度對剩余污泥發酵過程中蛋白質和多糖的釋放有顯著影響.同一鹽度條件下，35℃時發酵液中溶解性蛋白質和多糖的濃度明顯高于20℃，原因在于適當提高發酵溫度能夠提高水解菌的活性［28］，促進污泥發酵的水解過程（圖2），從而增加了蛋白質和多糖的釋放量.同時研究還發現，同一溫度和鹽度條件下，發酵液中蛋白質的釋放量明顯高于多糖的釋放量，這是因為相對蛋白質，產酸菌優先利用多糖為底物進行酸化作用［34-35］，且剩余污泥中蛋白質含量高于多糖的含量［36］.

2.3 剩余污泥發酵產酸情況

剩余污泥發酵過程中，產酸菌利用水解菌水解產生的蛋白質和多糖等物質合成大量的短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）.發酵液中的SCFAs濃度越高，說明其中的產酸菌數量越多、活性越高，產酸性能越好.圖6表示20℃和35℃條件下不同鹽度對剩余污泥厭氧發酵產酸的影響.

圖6 20℃和35℃條件下不同鹽度對剩余污泥厭氧發酵產酸的影響Fig.6 Effect of different salinity on sludge anaerobic fermentation acids under 20℃ and 35℃

由圖6可知，在20℃和35℃下，試驗開始后各反應組的SCFAs濃度均快速增加，并分別在第8～9d達到最大值后逐漸下降，其中35℃時3#反應組的SCFAs濃度最大（323.1mgCOD/gMLVSS），高于Su等［37］（300～303mgCOD/gMLVSS）和Zhang等［29］（298mgCOD/gMLVSS）研究得到的SCFAs產量.20℃時2#～4#反應組最大SCFAs濃度較1#反應組分別提高了10.3％，42.3％，31.3％；35℃時2#～4#反應組最大SCFAs濃度較1#反應組分別提高了3.5％，15.0％，13.4％.說明低溫堿性發酵過程中，鹽度能夠大幅度提高發酵系統的產酸量，但是在中溫條件下，其產酸量提高幅度較為相近.

研究發現，同一溫度條件下，鹽度對剩余污泥發酵過程中SCFAs的產量具有顯著的影響，即SCFAs濃度隨鹽度的增大先增加后減少，其中3#反應組的SCFAs濃度最大，且2#～4#反應組的SCFAs濃度均大于1#反應組.這主要是由于適當濃度的Na+能夠促進微生物生長，而過高濃度Na+的促進作用減弱［12-13］，所以在低鹽度條件下（0～15g/L），隨著NaCl鹽度的增大，蛋白質和多糖的釋放量均增加（圖4，圖5），而蛋白質和多糖是產酸菌發酵產酸的底物，因此產酸量也增加；當鹽度增加到一定程度時（≥25g/L），高濃度的鈉離子對產酸菌的活性、新陳代謝速率的促進作用減弱，從而導致產酸量下降.

同一鹽度條件下，35℃時發酵液中SCFAs濃度比20℃時大，這與王琴［38］的研究一致.王琴［38］發現適當升高溫度可以提高剩余污泥發酵液中SCFAs濃度.李曉玲等［39］也發現中溫（35℃）有利于水解菌和產酸菌作用的發揮，增大污泥的水解酸化程度，體系內有明顯的SCFAs積累.這可能是由于適當的升高發酵溫度能夠提高水解菌和產酸菌的活性［28］，促進剩余污泥發酵的水解過程（圖2），增加了產酸菌發酵產酸底物的濃度（圖4，圖5），從而增加剩余污泥發酵的產酸量.

但是在試驗后期各反應組SCFAs濃度均出現少量下降現象，原因可能是以下兩點：其一是反應器中剩余污泥為一次性投加，所以在試驗后期污泥釋放的蛋白質和多糖的量減少，產酸菌可以利用的底物減少，導致SCFAs的生成量減少；其二是大部分產甲烷菌只能在中性（pH=6～8）條件下生存，但仍有一部分產甲烷菌能適應酸性條件或堿性條件［40-42］，適應堿性環境的產甲烷菌可以利用發酵液中的SCFAs生成甲烷，從而導致各反應組SCFAs的消耗量增大.2.4 剩余污泥發酵-N和-P釋放情況

圖7 20℃和35℃條件下不同鹽度對-N和-P濃度的影響Fig.7 Effect of different salinity on-N and-P concentrations under conditions of 20℃ and 35℃

圖8 20℃和35℃條件下不同鹽度對SCFAs/-N和SCFAs/SCOD的影響Fig.8 Effect of different salinity on SCFAs/-N and SCFAs/SCOD under conditions of 20℃ and 35℃

3 剩余污泥發酵后污泥減量情況

污泥減量的最直接表現就是發酵后污泥MLVSS濃度的變化.剩余污泥經水解和酸化作用不斷地“液化”減量，并最終表現為發酵污泥的MLVSS持續下降［45］.在20℃和35℃條件下，不同鹽度對污泥減量的影響見圖9.

圖9 20℃和35℃條件下不同鹽度對污泥減量的影響Fig.9 Effect of different salinity on sludge reduction under the conditions of 20℃ and 35℃

由圖9可知，在20℃和35℃條件下，剩余污泥經過10d的發酵后污泥濃度均出現不同程度下降.20℃時1#～4#反應組污泥減少量分別為1495，1585，2210，2350mg/L，相應的污泥減量率分別為13.5％，14.3％，19.9％，21.1％.35℃時1#～4#反應組污泥減少量分別為2140，2260，2486，2594mg/L，相應的污泥減量率分別為19.8％，21.0％，23.1％，24.1％.由此可見，同一鹽度條件下，35℃時污泥減少量和污泥減量率均大于20℃，主要是由于35℃時污泥水解酸化能力較強（圖2，圖6），使得剩余污泥中更多的MLVSS轉化為SCOD、SCFAs等物質，從而達到污泥減量的效果.同一溫度條件下，剩余污泥減少量和相應的污泥減量率均隨鹽度的增加而逐漸增大，原因可能是低鹽度促進微生物的生長代謝［12-13］，微生物數量增加，而隨著剩余污泥中可利用物質濃度的減少，導致微生物細胞發生內源呼吸，出現微生物細胞自溶死亡現象，從而達到污泥減量效果；高鹽度條件能抑制微生物的活性、減緩微生物的新陳代謝［12-13］，導致有些微生物細胞因不適應高鹽度環境而發生細胞自溶死亡現象，從而達到污泥減量效果.同時研究發現，35℃時不同鹽度的污泥減量效果差別不明顯，這是因為在35℃時發酵系統中的水解菌和產酸菌的活性均較強，水解菌的生長速率、新陳代謝速率及其數量基本達到峰值［28］.同時在NaCl的作用下，微生物迅速進行水解酸化作用，通過消耗大量的剩余污泥來生成SCFAs，從而達到污泥減量的目的.但是由于反應器內可利用的有機物是有限的，所以在發酵過程中各反應組的SCOD和SCFAs產量均較為接近（圖2，圖6），因此在35℃時發酵系統中污泥減量效果差別不明顯；由此也發現，低溫條件下NaCl對剩余污泥堿性發酵效果影響更為明顯.

4 結論

4.1 在堿性條件（pH=10）下，同一溫度時，適量的氯化鈉能夠促進剩余污泥水解產酸.發酵液中的SCOD生成量和生成速率均隨鹽度的增大而增加；SCFAs、蛋白質和多糖濃度均隨鹽度的增大先增加后減少，其中氯化鈉濃度為15g/L時發酵液中的SCFAs、蛋白質和多糖濃度最高-N和-P的濃度均隨鹽度的增大而增加；氯化鈉鹽度越高，污泥減少量和相應的污泥減量率越高.

4.2 同一鹽度時，35℃時發酵液中的SCOD、蛋白質、多糖和SCAFs濃度均較20℃時高-N 和-P的釋放量、污泥減少量及相應的污泥減量率均是35℃時大于20℃時.

4.3 氯化鈉和溫度聯合作用可以促進剩余污泥發酵產酸，適當的提高鹽度和溫度均可有效地提高發酵系統的SCFAs/-N及SCOD中SCFAs的比例，增加發酵系統的產酸量，且在35℃和氯化鈉濃度為15g/L條件下，發酵8d的產酸量最大.

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Enhanced production of short-chain fatty acids from waste activated sludge alkaline fermentation: The effect of sa-linity.

XING Li-qun，PENG Yong-zhen*，JIN Bao-dan，HE Yue-lan，ZENG Wei（Engineering Research Center of Beijing for Nitrogen and Phosphorus Removal and Process Control，Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）.China Environmental Science，2015，35（6）：1771～1779

Short chain fatty acids（SCFAs）were used as high quality carbon source for biological denitrification and phosphorus removal process.In order to improve the SCFAs production of waste activated sludge（WAS）in alkaline fermentation system，the effect of salinity（0～25g/L）on the WAS alkaline fermentation（pH=10）was studied at 20℃ and 35℃，respectively.The results showed that adding appropriate sodium chloride（NaCl）enhanced the SCFAs production.The highest accumulation of SCFAs appeared at 15g/L NaCl and improved by 42.3％（20℃）and 15.0％（35℃）comparing with no NaCl addition.Further researches indicated that adding NaCl could increase the release of substrate（protein and polysaccharide）to produce more SCFAs，accompanied by the increase of C/N（SCFAs/NH4+-N）.Therefore，the integrated control of salinity and pH could enhance the SCFAs generation from WAS fermentation and promote WAS reduction simultaneously.

waste activated sludge；anaerobic fermentation；short chain fatty acids；salinity；temperature

X705

A

1000-6923（2015）06-1771-09

邢立群（1989-），男，山東德州人，北京工業大學環境與能源工程學院碩士研究生，主要從事污水、污泥處理與水污染控制研究.

2014-11-19

國家“863”項目（2012AA063406）；北京市科研基地建設-科技創新平臺

* 責任作者，教授，pyz@bjut.edu.cn