草本植物添加對脂肽強化污泥厭氧發酵生產短鏈揮發性脂肪酸的影響*

江興龍

(蕪湖機械工程學校,安徽 蕪湖 241200)

草本植物添加對脂肽強化污泥厭氧發酵生產短鏈揮發性脂肪酸的影響*

江興龍

(蕪湖機械工程學校,安徽 蕪湖 241200)

脂肽可以強化污泥厭氧發酵生產短鏈揮發性脂肪酸(SCFA)，但污泥本身固有C/N過低限制了SCFA的產生量。向污泥厭氧發酵體系中添加草本植物以提高發酵基質的C/N，結果表明草本植物的添加有助于強化污泥厭氧發酵的水解和酸化過程，發酵基質最佳C/N為20∶1(質量比)，此時厭氧發酵體系溶解性化學需氧量(SCOD)最大值為6 564mg/L，SCFA的最大積累量為423mg/g(以單位干質量揮發性懸浮顆粒物中的COD質量計，下同)，顯著高于污泥單獨厭氧發酵體系(SCOD最大值為1 352mg/L，SCFA的最大積累量為248mg/g)。機制分析表明，適宜的C/N可以為厭氧微生物提供良好的生長環境進而促進蛋白質和多糖的溶出，強化酸化過程中關鍵酶的活性，但對甲烷累積產量卻沒有明顯影響，因此有助于SCFA的積累。

厭氧 微生物 草本植物 短鏈揮發性脂肪酸

Abstract: Lipopeptide can enhance the production of short chain volatile fatty acids (SCFA) from anaerobic fermentation of sludge,but the inherent C/N ratio of sludge limits the amount of produced SCFA. Herbal plant was added into sludge fermentation system to improve the C/N ratio of fermentation substrate. The results showed the addition of herbal plant could help to enhance the hydrolysis and acidification processes of sludge anaerobic fermentation,and the optimum C/N ratio of fermentation substrate was 20∶1 (mass ratio). At this time,the maximum soluble chemical oxygen demand (SCOD) of the anaerobic fermentation system was 6 564 mg/L,and the maximum accumulation of SCFA was 423 mg/g (COD in mass per unit dry mass volatile suspended solids),which were significantly higher than those (SCOD maximum of 1 352 mg/L,SCFA maximum accumulation of 248 mg/g) from sludge anaerobic fermentation system alone. The mechanism analysis showed that the suitable C/N ratio could provide a good growth environment for anaerobic microorganisms and promote the dissolution of proteins and polysaccharides,strengthen the activity of key enzymes in the acidification process,but had no significant impact on the cumulative yield of methane,thus contributing to the accumulation of SCFA.

Keywords: anaerobic; microorganism; herbal plants; short chain volatile fatty acid

污水生物除磷技術是控制水體富營養化的有效措施，該工藝主要依賴污泥中富集的聚磷菌在厭氧期釋放磷酸鹽并吸收水體中短鏈揮發性脂肪酸(SCFA)，在隨后的好氧期超量吸收磷酸鹽并通過排泥的方式實現污水生物除磷[1-2]。水體中碳源含量是影響生物除磷的關鍵因素，據報道去除1 mg磷酸鹽需要6～9 mg SCFA，然而污水處理廠進水中SCFA嚴重不足，影響生物除磷效率[3]。

污水處理過程中會產生大量污泥，污泥中含有豐富的有機物，如蛋白質和多糖等[4-5]，將污泥厭氧發酵生產SCFA不僅可實現污泥的減量化、資源化，還可解決污水處理廠進水SCFA不足的問題[6]。污泥厭氧發酵一般由3個連續的生物化學反應(水解、酸化和甲烷化)組成。微生物表面富集的胞外聚合物(EPS)和細胞壁嚴重限制了胞內有機物的釋放和利用，進而水解階段是污泥厭氧發酵的限速步驟[7-8]。因此，很多預處理手段如超聲、微波、臭氧氧化、添加表面活性劑等被用于強化污泥EPS的破碎和細胞的溶解，其中生物表面活性劑由于強化效率高，對環境無污染等特性而備受研究學者的關注。脂肽是生物表面活性劑中的一種，脂肽能夠促進污泥絮體的溶解并且能夠有效抑制產甲烷古菌的活性，進而促進SCFA的積累[9-11]。

表1 污泥的基本性質

污泥中的主要成分為蛋白質和碳水化合物，其C/N(質量比，下同)約為7∶1，而適合厭氧發酵微生物的C/N一般在20∶1～30∶1[12]。鑒于污泥固有C/N過低，污泥單獨厭氧發酵的殘余中還存在大量蛋白質，因此向污泥發酵體系中添加含碳量較高的有機質是促進污泥厭氧發酵的一種可行方法。餐廚垃圾常被用于強化污泥厭氧發酵，然而餐廚垃圾中含有的高鹽度和高油脂會嚴重抑制厭氧微生物的生長速率和關鍵酶的活性。草本植物是一種富含碳的物質，在季節性收割后被認為是一種生物固體廢物[13]，應用草本植物調質污泥以強化污泥厭氧發酵生產SCFA的研究目前未見報道。因此，本研究在序批式反應器中探究了草本植物對污泥厭氧發酵生產SCFA的影響，并探究了其影響機制。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本研究中所采用的污泥為當地某污水處理廠初沉池和二沉池的混合污泥，該污水處理廠所采用的工藝為氧化溝工藝。污泥取回后在實驗室首先過篩(0.6 mm×0.6 mm)，去掉大顆粒無機物后的污泥放置在4 ℃的冰箱內貯存24 h，去掉上清液，污泥的基本性質如表1所示。

脂肽購上海某生物制藥有限公司，呈粉末狀，易溶于水。

本研究中草本植物為牛尾巴草，秋季收割牛尾巴草后將其曬干用粉碎機粉碎至直徑小于1 mm的粉末狀。單位干質量草本植物中的基本組成如下：纖維素41.0%±3.2%(質量分數，下同)，半纖維素19.0%±1.8%，木質素17.0%±2.1%。

1.2 草本植物對污泥厭氧發酵產SCFA的影響

在5個有效體積為1.0 L的厭氧反應器(記為1#～5#)中進行污泥厭氧發酵產SCFA實驗。先向1#反應器中投加0.8 L污泥，向2#～4#反應器中投加不同比例的污泥和草本植物混合漿液0.8 L，控制混合漿中C/N分別為10∶1、20∶1、30∶1，向5#反應器中投加草本植物與蒸餾水(質量比為2∶1)的混合漿液0.8 L。然后向1#～4#反應器中投加0.2 g/L脂肽以強化污泥的水解過程。通過人工添加2.0 mol/L NaOH或2.0 mol/L HCl的方式控制各反應器初始pH為7.0，反應過程不再控制pH。反應過程中攪拌器的轉速為150 r/min，待發酵基質投加完畢后，充氮氣15 min排出反應器內的空氣，保證嚴格厭氧環境，反應溫度控制在中溫環境下(32 ℃)。

1.3 分析方法

TSS、VSS、溶解性COD(SCOD)的測定參照文獻[14]；纖維素和半纖維素的檢測方法詳見文獻[15]；蛋白質采用Lowry試劑法測定[16]；碳水化合物采用苯酚硫酸法測定[17]，分別以牛血清白蛋白(BSA)、葡萄糖為標準物質；pH采用Multi340i型便攜式多功能水質分析儀測定(德國WTW)；相關酶活性的測定詳見文獻[18]。SCFA采用7890氣相色譜(GC)儀測定(美國Agilent)，操作條件：高純H2作為載氣；進樣口氣化溫度為250 ℃，采用分流模式進樣，分流比為1∶1；初始爐溫70 ℃，維持0 min，然后以25 ℃/min的速度升溫至170 ℃，停留2 min；FID檢測器溫度300 ℃，載氣流量為45 mL/min，空氣流量為450 mL/min。實驗數據均為3次平行測定的平均值。

2 結果與討論

2.1 草本植物對水解過程的影響

污泥厭氧發酵首先要經過有機物的水解過程，水解反應是污泥厭氧消化過程的限速步驟，污泥外包裹的EPS和細胞壁限制了胞內有機質的釋放。有機物的水解反應一般可以包括2個方面：(1)固態有機物逐步轉為液態，提高了SCOD的含量，進而為后續污泥厭氧發酵產酸提高發酵基質；(2)液態中大分子有機物逐漸轉化為小分子有機物，如大分子的蛋白質轉化為多肽、二肽以及氨基酸，碳水化合物轉化為多糖或單糖等。為考查草本植物對水解過程的影響，對各反應器厭氧發酵過程中SCOD含量進行測定，結果見圖1。

由圖1可見，5個反應器中SCOD的含量隨發酵時間的延長呈現出先上升后下降的趨勢，1#反應器為污泥單獨發酵，SCOD的最大值出現在第5天，為1 352 mg/L。當草本植物添加到污泥中后，污泥厭氧發酵過程中SCOD含量顯著提高。2#反應器、3#反應器SCOD的最大值分別提高到4 956、6 564 mg/L。然而繼續提高草本植物添加量，SCOD含量開始下降。4#反應器中SCOD的最大值下降至5 510 mg/L，5#反應器中SCOD的最大值不足2 000 mg/L。可見，適當提高發酵基質中C/N有助于強化水解過程，C/N升高能夠為厭氧微生物提供適宜的生存環境進而提高了微生物的生長速率和活性，但過高的C/N易造成系統崩潰，導致厭氧發酵過程中SCOD的含量降低。

圖1 厭氧發酵過程中SCOD的變化Fig.1 Variation of SCOD during anaerobic fermentation process

2.2 草本植物對溶解蛋白質和溶解性多糖的影響

溶解性蛋白質和溶解性多糖是污泥中重要的有機質，其含量變化同樣能夠反映污泥的水解過程。表2為各反應器厭氧發酵過程中溶解性蛋白質和溶解性多糖的變化。由表2可見，各反應器中溶解性蛋白質和溶解性多糖均呈現先上升后下降的趨勢，這是因為厭氧發酵初期，污泥和草本植物中的蛋白

質和多糖逐漸被溶解，使體系內溶解性蛋白質和溶解性多糖含量增加，而在后期的發酵過程中，體系內的溶解性蛋白質和溶解性多糖被利用生成了SCFA，含量逐漸下降。1#反應器污泥單獨發酵時，溶解性蛋白質和溶解性多糖在第5天的質量濃度最高，分別為(692±19)、(269±9) mg/L，而當草本植物添加到厭氧發酵體系后，溶解性蛋白質和溶解性多糖的含量顯著上升。2#反應器、3#反應器、4#反應器中溶解性蛋白質的最大值分別為(2 361±235)、(2 514±264)、(2 397±214) mg/L，分別是1#反應器的3.4、3.6、3.5倍。5#反應器溶解性蛋白質的最大值僅為(591±13) mg/L，說明沒有微生物作用下，草本植物單獨厭氧發酵的水解程度較弱。溶解性多糖在厭氧發酵過程中也呈現出相同的變化趨勢。上述實驗結果表明，草本植物的添加強化了蛋白質和多糖的溶解過程，溶解性有機物含量的升高為后續產酸菌提供了更多的發酵基質。適宜的C/N有助于提高水解細菌活性，釋放水解酶進而促進顆粒狀蛋白質和多糖向溶解狀態轉化。

2.3 草本植物對SCFA積累量的影響

各反應器厭氧發酵過程中SCFA的積累情況如圖2所示。由圖2可見，C/N對SCFA的積累具有較大影響，1#反應器污泥單獨發酵時，SCFA積累量呈現先上升后下降的趨勢，并且在第8天達到最大值248 mg/g(以單位干質量VSS中的COD質量計)。5#反應器草本植物單獨發酵時，SCFA的積累量較小，最大積累量出現在第6天，為150 mg/g。2#反應器、3#反應器、4#反應器的SCFA最大積累量分別為341、423、382 mg/g，顯著高于污泥和草本植物單獨發酵時SCFA的積累量。上述實驗結果表明，添加草本植物能夠提高污泥厭氧發酵生產SCFA，且發酵底物最佳C/N為20∶1。URBANIEC等[19]研究表明，C/N在20∶1至30∶1內有助于產酸菌生長并能夠提高酸化細菌的活性。本研究表明在脂肽的作用下，C/N為20∶1時酸化效果更好，產生這種現象的原因可能是由于過高碳含量限制了酸化細菌對發酵底物的利用。

表2 厭氧發酵過程中溶解性蛋白質和溶解性多糖的變化

圖2 厭氧發酵過程中的SCFA積累量Fig.2 SCFA accumulation during anaerobic fermentation process

發酵時間是實際工程運行中的一個重要參數，污泥單獨發酵達到最大SCFA積累量時的發酵時間為8 d，而投加草本植物后，最佳發酵時間均縮減到6 d，可見草本植物有助于提高混合發酵厭氧產酸的效率，而在實際工程中有助于縮小反應容器體積，減少設備投資。

2.4 草本植物對SCFA組分的影響

本研究中SCFA主要包含乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸和正戊酸6種小分子有機酸。SCFA的組分對SCFA的后續利用有直接關系。研究表明，乙酸有助于生物脫氮，而丙酸有助于生物除磷。圖3為各反應器厭氧發酵過程中SCFA組分的變化。由圖3可見，各反應器中均為乙酸和丙酸含量最大。1#反應器污泥單獨發酵時，乙酸占SCFA的質量分數達45%，這與ZHAO等[20]研究結果相似。當草本植物投加至反應體系后，乙酸質量分數略有下降而丙酸質量分數逐漸提高。2#反應器、3#反應器、4#反應器中，丙酸質量分數分別為34%、36%、39%。5#反應器草本植物單獨發酵時，丙酸質量分數最大。可見，草本植物添加量對污泥厭氧發酵產生的SCFA組分具有一定影響。

圖3 厭氧發酵后的SCFA組分Fig.3 Composition of SCFA after anaerobic fermentation process

2.5 草本植物對產甲烷過程的影響

在污泥厭氧發酵過程中，酸化積累的SCFA會被產甲烷古菌進一步利用消耗產生甲烷，草本植物添加到污泥中將提高發酵基質中含碳量，故對甲烷產量也有一定影響。草本植物投加量對污泥厭氧發酵甲烷積累量的影響見圖4。

圖4 草本植物投加量對污泥厭氧發酵甲烷積累量的影響Fig.4 Effect of herb dosage on methane accumulation during anaerobic fermentation of sludge

由圖4可見，1#反應器污泥單獨發酵時，發酵結束后甲烷的積累量為236 mL，2#反應器、3#反應器、4#反應器中增加了不同比例的草本植物，發酵基質的C/N分別提高到10∶1、20∶1、30∶1，而發酵結束后甲烷積累量分別為245、265、278 mL，與1#反應器相比甲烷積累量稍有提高但提高不顯著。分析原因，可能與1#～4#反應器中投加0.2 g/L脂肽有關，脂肽對產甲烷古菌的活性具有一定的抑制作用，可以避免SCFA的消耗。

2.6 關鍵酶活性檢測

污泥厭氧發酵是生物化學作用，整個發酵過程由幾種關鍵酶調控。其中，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶與蛋白質和多糖的水解及乙酸的生成密切相關，乙酸激酶及磷酸轉乙酰酶與乙酸的生成有關。以1#反應器污泥單獨發酵時各種酶的活性為基準，其他厭氧發酵體系中各種關鍵酶活性與其對應的比例為相對活性，各反應器厭氧發酵過程中關鍵酶的相對活性計算結果見圖5。

圖5 各反應器穩定運行時期關鍵酶活性的比較Fig.5 Comparison of the key enzyme activities during the stable operation of each reactor

由圖5可見，草本植物的添加有助于污泥厭氧發酵體系中關鍵酶活性的提高，2#反應器、3#反應器、4#反應器中各種關鍵酶的相對活性均大于100%，其中3#反應器幾種關鍵酶的相對活性均為最高，與圖2中SCFA積累量結果相一致，說明污泥厭氧發酵體系基質C/N宜為20∶1。

3 結 論

草本植物的添加有助于提高污泥厭氧發酵機制的C/N，從而在脂肽強化污泥厭氧發酵過程中促進水解和酸化過程，發酵基質最佳C/N為20∶1，此時厭氧發酵體系SCOD最大值為6 564 mg/L，SCFA的最大積累量為423 mg/g，顯著高于污泥單獨厭氧發酵體系(SCOD最大值為1 352 mg/L，SCFA的最大積累量為248 mg/g)。機制分析表明，適宜的C/N可以為厭氧微生物提供良好的生長環境進而促進蛋白質和多糖的溶出，強化酸化過程中關鍵酶的活性，但對甲烷累積產量卻沒有明顯影響，因此有助于SCFA的積累。

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Effectsofherbalplantsadditionontheproductionofshortchainvolatilefattyacidsfromsludgeanaerobicfermentationenhancedbylipopeptide

JIANGXinglong.

(WuhuMachineEngineeringSchool,WuhuAnhui241200)

*全國農業職業教育“十三五”科研課題(No.2016-135-Y-181)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.018

2016-12-26)

作者：江興龍，男，1964年生，本科，副教授，主要從事新農村建設、農村環境污染防治工作。