脂肽強化污泥厭氧發酵生產短鏈揮發性脂肪酸的研究*

王慧琴 李鳳麗

(鄭州澍青醫學高等專科學校基礎醫學部，河南 鄭州 450000)

活性污泥工藝是目前廣受認可的一種污水處理工藝，然而其在運行過程中得到的副產物——污泥中含有一定的有毒有害物質，若處置不當將污染環境。與此同時，污水處理廠進水碳源的不足往往限制了生物脫氮除磷的效率，需要額外補充大量外在碳源。近年來，應用污泥厭氧發酵生產短鏈揮發性脂肪酸(SCFA)的研究得到學者的普遍關注，該工藝不僅能夠有效減少污水處理廠的運行成本，也能很好地實現污泥的資源化與減量化。

污泥厭氧發酵一般可以分為4個連續的反應過程，即溶解、水解、酸化和甲烷化過程。初始的溶解與水解反應是污泥厭氧發酵的限速步驟[1]。因此，若要提高污泥厭氧發酵過程中SCFA的產量，需要強化溶解與水解過程，促進有機物轉化為SCFA，同時抑制甲烷化過程，盡量減少SCFA進一步轉化為甲烷。為提高溶解和水解速率，機械、微生物、投加化學試劑等預處理方式不斷應用到污泥厭氧發酵工藝中[2]，其中利用表面活性劑強化污泥水解過程得到廣泛關注。表面活性劑能夠破壞污泥的胞外聚合物(EPS)，進而釋放胞內污泥，加速厭氧發酵的水解反應。JIANG等[3]研究發現，十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)能夠促進污泥的水解過程，同時提高SCFA的產量，且SDBS的最佳投放量為0.02 g/g。LIWARSKA BIZUKOJC等[4]通過添加表面活性劑顯著提高了污泥的水解速率。然而上述研究中采用的表面活性劑多為化學類表面活性劑，在環境中不易降解，毒性大，易造成環境的二次污染。

生物類表面活性劑是由生物產生的一種具有表面活性的物質。生物表面活性劑易降解，毒性低，且對極端溫度及pH均有較高的耐受能力。易欣等[5]研究了鼠李糖脂對污泥水解的影響，發現鼠李糖脂能夠顯著降低污泥水解發酵液的表面張力，促進胞內物質的釋放。陳燦等[6]發現，烷基多苷能夠提高蛋白質和可溶性糖的含量，進而提高SCFA的積累量，但上述生物類表面活性劑價格較高，不易大范圍內推廣使用。

脂肽是一種微生物生產的生物類表面活性劑，具有易提取、價格相對低廉等優點。然而，脂肽對污泥厭氧發酵的影響至今尚未報道。因此，本研究考察了脂肽投加量對污泥厭氧發酵生產SCFA的影響，探究了脂肽對SCFA生產的影響機制，以期對污泥厭氧發酵產酸的實際應用和SCFA的回用起到一定的借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 污 泥

本實驗采用的污泥取自長沙第二污水處理廠二沉池的剩余污泥，污泥取回后置于4 ℃的冰箱內存放22 h后去掉上清液，污泥的主要特征如下：pH=6.8±0.1，總懸浮固體(TSS)為(12 500±290) mg/L，揮發性固體(VSS)為(8 950±180) mg/L，總化學需氧量(TCOD)為(11 890±350) mg/L，總蛋白質為(6 850±180) mg/L，總糖為(1 120±180) mg/L，SCFA為25 mg/L。

1.1.2 脂 肽

實驗用脂肽為市售產品，質量分數為80%。

1.2 脂肽投加量對污泥厭氧發酵的影響

分別取500 mL污泥置于4個有效容積為600 mL的血清瓶中，向4個血清瓶中投加不同劑量的脂肽，調節脂肽投加量為0.02、0.04、0.08、0.10 g/g(以污泥中單位質量TSS的脂肽投加量計，下同)。血清瓶經過10 min吹氮后密封置于35 ℃恒溫振蕩器上，初始pH控制在7.0，厭氧發酵反應時間持續15 d。以相同條件下不投加脂肽的污泥厭氧發酵實驗為空白組。

1.3 脂肽降解量對SCFA的貢獻

由于脂肽在污泥厭氧發酵過程中會發生降解，可能對SCFA的積累量造成干擾。為了解脂肽降解對SCFA的貢獻，取550 mL蒸餾水和0.15 g脂肽置于有效容積為600 mL的血清瓶中，投加50 mL污泥作為接種微生物，由于本實驗中投加的污泥量較少，因此可以認為反應體系中的SCFA完全來自脂肽降解。血清瓶經過10 min吹氮后密封置于35 ℃恒溫振蕩器上，初始pH控制在7.0，厭氧發酵反應時間持續15 d，定時取樣分析脂肽與SCFA含量的變化，考察脂肽降解對SCFA的貢獻。以上實驗均進行3次，測定結果取平均值。

1.4 分析方法

pH、TSS、VSS、溶解性化學需氧量(SCOD)采用國際標準方法進行測定。溶解性蛋白質采用Folin-酚法測定，以牛血清蛋白為標準底物。多糖采用蒽酮比色法測定，以葡萄糖為標準底物。SCFA中各組分及甲烷采用氣相色譜測定，具體分析方法詳見文獻[7]。污泥厭氧發酵過程中與SCFA生成有關的生物酶活性測定詳見文獻[8]。

2 結果與討論

2.1 脂肽對污泥厭氧發酵生產SCFA的影響

SCFA是污泥厭氧發酵過程中重要的中間產物，圖1反映了脂肽對SCFA積累量的影響。由圖1可見，脂肽對污泥厭氧發酵生產SCFA具有極大的促進作用，空白組中SCFA的最大積累量僅為1 025 mg/L，而脂肽投加量為0.04 g/g時，SCFA的最大積累量達2 697 mg/L。進一步增加脂肽投加量到0.08、0.10 g/g時，SCFA的最大積累量分別提高到2 751、2 846 mg/L，增幅不明顯，綜合考慮經濟因素與SCFA積累量，脂肽的最佳投加量為0.04 g/g。

圖1 脂肽對SCFA積累量的影響Fig.1 Effect of surfactin on SCFA production

由圖1還可見，當有脂肽存在的情況下，污泥厭氧發酵生產SCFA的最大積累量出現在第4天，此后由于部分SCFA被產甲烷細菌利用生成甲烷，SCFA的積累量開始逐漸減少，而空白組SCFA的最大積累量出現在第15天。可見，脂肽能顯著縮短污泥厭氧發酵生產SCFA的時間，在實際工程應用中，縮短發酵時間能夠帶來巨大的經濟利益，如減少反應器的體積，提升轉化效率等。

2.2 脂肽對SCFA組分的影響

SCFA的組分直接影響其后續應用，不同脂肽投加量下污泥厭氧發酵生產SCFA的組分構成如圖2所示。

圖2 脂肽對SCFA組分的影響Fig.2 Effect of surfactin on SCFA composition

由圖2可見，各實驗組污泥厭氧發酵生產的SCFA組分差別不大，均表現為乙酸所占比例最大，質量分數在35%以上，其次是丙酸，質量分數總體在20%～30%，正戊酸所占比例最小，質量分數低于5%，說明脂肽對污泥厭氧發酵生產SCFA的組分影響不大。

2.3 脂肽強化污泥厭氧發酵生產SCFA的機制

2.3.1 脂肽對污泥厭氧發酵溶解過程的影響

污泥中的物質一般以固體顆粒態存在，這些固體顆粒在厭氧發酵的最初階段(前60 h)轉化為溶解性大分子物質，SCOD含量不斷升高，不同脂肽投加量下，污泥厭氧發酵溶解過程的SCOD變化見圖3。

圖3 脂肽對SCOD變化的影響Fig.3 Effect of surfactin on variations of SCOD

由圖3可見，隨著污泥厭氧發酵時間的延長，各實驗組SCOD含量均呈上升趨勢，表明污泥中固體顆粒被不斷溶解。與空白組相比，投加脂肽可以顯著提高SCOD的生成量，當脂肽投加量為0.04 g/g，發酵時間為60 h時，污泥中SCOD的質量濃度為5 123 mg/L，而空白組發酵60 h后的SCOD質量濃度僅為1 524 mg/L，說明脂肽能夠促進污泥厭氧發酵的溶解過程。

2.3.2 脂肽對污泥厭氧發酵水解過程的影響

水解反應發生在污泥厭氧發酵的初始階段，在厭氧微生物的作用下將顆粒狀或者大分子有機物水解為溶解性小分子有機物，這些小分子有機物在酸化反應中被厭氧產酸菌所利用生成SCFA。污泥的水解過程比較緩慢，一般持續時間長達幾天。由于污泥中的主要成分為蛋白質和多糖，因此本研究通過分析溶解性蛋白質和多糖的含量考察污泥的水解程度，脂肽對溶解性蛋白質和多糖的影響見圖4。

圖4 脂肽對溶解性蛋白質及多糖的影響Fig.4 Effect of surfactin on soluble protein and carbohydrate

由圖4可見，隨著污泥厭氧發酵時間的延長，溶解性蛋白質和多糖均呈現先上升后下降的趨勢，且脂肽作用下溶解性蛋白質和多糖含量均明顯高于空白組。產生這種現象的原因是在厭氧發酵初期，污泥水解速度大于酸化速度，因此溶解性蛋白質和多糖含量逐漸升高，有脂肽存在時，各實驗組的溶解性蛋白質和多糖均在48 h達到最大值，繼續延長厭氧發酵時間，酸化作用增強，大量水解形成的溶解性蛋白質和多糖被用作底物生成SCFA，使溶解性蛋白質和多糖含量逐漸降低，SCFA含量逐漸增加。SCFA在厭氧發酵第4天達到最大值后降低(見圖1)，這可能與SCFA逐步轉化為甲烷導致。

VSS減量情況也能反映污泥水解效果，VSS的減量率越高，說明污泥中有機物的利用效果越好，水解程度越大。圖5為不同脂肽投加量下污泥厭氧發酵第4天VSS的減量率。由圖5可見，空白組中VSS的減量率僅為18.5%，而當脂肽投加量為0.04 g/g時，VSS的減量率為29.1%，是空白組的1.57倍，進一步證明了脂肽的存在可以強化污泥厭氧發酵的水解過程。

圖5 脂肽對VSS減量率的影響Fig.5 Effect of surfactin on VSS reduction rate

2.3.3 脂肽對甲烷化過程的影響

在甲烷化反應中，水解、酸化過程累積的SCFA會被產甲烷細菌利用生成甲烷。本研究用SCFA的轉化率來體現脂肽對甲烷化過程的影響。各實驗組厭氧發酵15 d后的SCFA轉化率見圖6。

由圖6可見，空白組厭氧發酵15 d后SCFA的轉化率為68%，而0.04 g/g 脂肽作用下SCFA的轉化率僅為21%，提高脂肽投加量至0.08、0.10 g/g，SCFA轉化率進一步降低至18%、16%。上述實驗結果反映了脂肽的存在能夠明顯抑制甲烷的產生。

圖6 脂肽對SCFA轉化率的影響Fig.6 Effect of surfactin on the conversion ratio of SCFA

2.3.4 脂肽對污泥厭氧發酵pH的影響

pH是影響SCFA產生的一個重要因素，有研究報道，pH能夠顯著影響污泥胞外聚合物的溶解及產甲烷細菌的活性[9]，本實驗未嚴格控制反應過程的pH，因此有必要探究脂肽對污泥厭氧發酵過程pH的影響。各實驗組污泥厭氧發酵前5天的pH變化見表1。由表1可見，在厭氧發酵過程中，各實驗組pH均呈下降趨勢，脂肽作用下pH下降更加劇烈。總體而言，各實驗組pH的變化范圍均在5～7，此范圍pH對污泥胞外聚合物的溶解作用影響不大[10]，而酸性或偏酸性環境能夠嚴重抑制產甲烷菌的活性，進而導致SCFA轉化率降低，促進SCFA積累。在污泥厭氧發酵第4天，空白組pH降至6.7±0.2，然而脂肽投加量為0.04 g/g時，污泥厭氧發酵體系的pH僅為5.9±0.1。產甲烷細菌對pH較為敏感，其最佳生存環境為中性環境，脂肽作用下污泥體系中的pH明顯低于空白組，不適合產甲烷菌的生存，這是脂肽能夠抑制甲烷生成的一個主要原因。

表1 脂肽投加量對污泥厭氧發酵過程中pH的影響

表2 脂肽及SCFA隨發酵時間的變化

表3 脂肽投加量對生物酶活性的影響

2.4 脂肽降解對SCFA的貢獻

生物表面活性劑能夠在厭氧環境中分解，為此利用批式實驗考察脂肽降解對SCFA的貢獻。在15 d的厭氧發酵過程中，脂肽與SCFA的變化如表2所示。

由表2可見，隨著厭氧發酵時間的延長，脂肽被逐漸降解，SCFA含量呈上升趨勢。厭氧發酵15 d后，脂肽完全分解，但SCFA的積累量僅為(156.0±8.9) mg/L，遠遠小于0.04 g/g脂肽作用下SCFA的積累量，說明雖然脂肽能夠在厭氧發酵體系中分解，但是其對SCFA的貢獻十分有限。

2.5 脂肽對污泥厭氧發酵過程中生物酶活性的影響

污泥厭氧發酵過程中有多種生物酶的參與，如蛋白酶和α-葡萄糖苷酶與溶解性蛋白質和多糖的水解有關；污泥中SCFA主要成分為乙酸和丙酸，其中乙酸激酶及磷酸轉乙酰酶與乙酸的生成有關，草酰乙酸轉羧化酶和琥珀酰輔酶A轉移酶與丙酸的生成有關[11-15]。在SCFA積累量最大時(厭氧發酵第4天)測定上述各種生物酶活性，結果見表3。

由表3可見，脂肽作用下6種生物酶的酶活明顯高于空白組，該結果與上述脂肽能夠強化污泥厭氧發酵中的水解和酸化過程相吻合。此外，當脂肽投加量超過0.04 g/g時，酶活增量不明顯，進一步驗證了脂肽最佳投加量為0.04 g/g。

3 結 論

生物表面活性劑——脂肽能夠強化污泥厭氧發酵生產SCFA，并縮短污泥厭氧發酵時間。綜合考慮經濟因素與污泥厭氧發酵效果，脂肽的最佳投加量為0.04 g/g，此時SCFA積累量在第4天達到最大值2 697 mg/L，脂肽對污泥厭氧發酵生產SCFA的組分影響不大。機制分析表明，脂肽通過促進污泥厭氧發酵的溶解、水解過程，使更多溶解性蛋白質和多糖溶出并作為底物生成SCFA，同時通過降低發酵體系的pH抑制產甲烷菌生存及甲烷的產生，進而提高SCFA積累量，研究證實脂肽自身厭氧分解對SCFA的貢獻量極少。

[1] ZHAO Jianwei,WANG Dongbo,LI Xiaoming,et al.Free nitrous acid serving as a pretreatment method for alkaline fermentation to enhance short-chain fatty acid production from waste activated sludge[J].Water Research,2015,78:111-120.

[2] LEE W S,CHUA A S,YEOH H K,et al.A review of the production and applications of waste-derived volatile fatty acids[J].Chemical Engineering Journal,2014,235:83-99.

[3] JIANG Su,CHEN Yinguang,ZHOU Qi,et al.Biological short-chain fatty acids (SCFAs) production from waste-activated sludge affected by surfactant[J].Water Research,2007,41(14):3112-3120.

[4] LIWARSKA BIZUKOJC E,BIZUKOJC M.Effect of selected anionic surfactants on activated sludge flocs[J].Enzyme and Microbial Technology,2006,39(4):660-668.

[5] 易欣，羅琨，楊麒，等．生物表面活性劑強化污泥水解的研究[J].環境科學，2012，33(9)：3202-3207．

[6] 陳燦，孫秀云，黃誠，等．烷基多苷促進污泥水解產酸的研究[J].環境科學，2014，35(3)：1009-1015．

[7] YUAN Hongying,CHEN Yinguang,ZHANG Huaxing,et al.Improved bioproduction of short-chain fatty acids (SCFAs) from excess sludge under alkaline conditions[J].Environmental Science & Technology,2006,40(6):2025-2029.

[8] FENG Leiyu,CHEN Yinguang,ZHENG Xiong.Enhancement of waste activated sludge protein conversion and volatile fatty acids accumulation during waste activated sludge anaerobic fermentation by carbohydrate substrate addition: the effect of pH[J].Environmental Science & Technology,2009,43(12):4373-4380.

[9] CHEN Yinguang,LIU Kun,SU Yinglong,et al.Continuous bioproduction of short-chain fatty acids from sludge enhanced by the combined use of surfactant and alkaline pH[J].Bioresource Technology,2013,140(3):97-102.

[10] ZHAO Jianwei,YANG Qi,LI Xiaoming,et al.Effect of initial pH on short chain fatty acid production during the anaerobic fermentation of membrane bioreactor sludge enhanced by alkyl polyglcoside[J].International Biodeterioration & Biodegradation,2015,104:283-289.

[11] YU Guanghui,HE Pinjing,SHAO Liming,et al.Toward understanding the mechanism of improving the production of volatile fatty acids from activated sludge at pH 10.0[J].Water Research,2008,42(18):4637-4644.

[12] YANG Chunxue,ZHOU Aijuan,HE Zhangwei,et al.Effects of ultrasonic-assisted thermophilic bacteria pretreatment on hydrolysis,acidification,and microbial communities in waste-activated sludge fermentation process[J].Environmental Science and Pollution Research,2015,22(12):9100-9109.

[13] LI Xiaoming,ZHAO Jianwei,WANG Dongbo,et al.An efficient and green pretreatment to stimulate short-chain fatty acids production from waste activated sludge anaerobic fermentation using free nitrous acid[J].Chemosphere,2015,144:160-167.

[14] ZHOU Aijuan,YANG Chunxue,GUO Zechong,et al.Volatile fatty acids accumulation and rhamnolipid generation in situ from waste activated sludge fermentation stimulated by external rhamnolipid addition[J].Biochemical Engineering Journal,2013,77(16):240-245.

[15] HUANG Xiangfeng,SHEN Changming,LIU Jia,et al.Improved volatile fatty acid production during waste activated sludge anaerobic fermentation by different bio-surfactants[J].Chemical Engineering Journal,2015,264:280-290.