過氧化鈣耦合蛋白酶對污泥厭氧消化產(chǎn)酸性能的影響*

王 健 包先明

(1.安徽省淮北市環(huán)境科學(xué)研究所，安徽 淮北 235000;2.淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北 235000)

過氧化鈣耦合蛋白酶對污泥厭氧消化產(chǎn)酸性能的影響*

王 健1包先明2

(1.安徽省淮北市環(huán)境科學(xué)研究所，安徽 淮北 235000;2.淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北 235000)

為了探究過氧化鈣耦合蛋白酶對污泥厭氧消化產(chǎn)酸性能的影響，在35 ℃、120r/min、pH=7.0的條件下研究了過氧化鈣耦合蛋白酶的效果及過氧化鈣最佳投加量。結(jié)果表明，相比于過氧化鈣、蛋白酶單獨(dú)作用，過氧化鈣耦合蛋白酶能夠促進(jìn)污泥厭氧消化中蛋白質(zhì)、多糖和DNA的溶出，能夠提高蛋白酶、乙酸激酶和磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶的生物活性，說明過氧化鈣耦合蛋白酶能夠促進(jìn)污泥厭氧消化的水解。其中，過氧化鈣的最佳投加量為0.3g/L。

蛋白酶 過氧化鈣 厭氧消化 水解 污泥

污泥厭氧消化是一種常用的污泥穩(wěn)定化技術(shù)，能夠現(xiàn)實(shí)污泥的減量化、無害化和資源化，因此在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。污泥厭氧消化包括3個(gè)步驟，即水解、酸化和甲烷化。水解是厭氧消化的第1步，也是厭氧消化的限速步驟[4-5]。污泥只有充分水解后才能進(jìn)一步酸化和甲烷化。所以，對產(chǎn)酸性能影響的關(guān)鍵步驟是水解。

目前，強(qiáng)化污泥水解過程的主要方法有污泥預(yù)處理[6]、調(diào)控發(fā)酵基質(zhì)組成[7]、控制反應(yīng)外在條件等[8]。污泥預(yù)處理主要包括機(jī)械預(yù)處理、化學(xué)試劑預(yù)處理和生物預(yù)處理，其中生物預(yù)處理因簡便易于實(shí)現(xiàn)而得到廣泛應(yīng)用。生物酶預(yù)處理是一種無毒、高效的生物預(yù)處理方法。YANG等[9]研究了蛋白酶對污泥厭氧消化水解的影響，發(fā)現(xiàn)蛋白酶對污泥厭氧消化水解具有促進(jìn)作用。LUO等[10]研究表明，表面活性劑聯(lián)合生物酶能夠?qū)ξ勰鄥捬跸猱a(chǎn)生協(xié)同促進(jìn)作用。

近年來，應(yīng)用過氧化鈣(CaO2)強(qiáng)化污泥厭氧消化水解和酸化過程得到關(guān)注。LI等[11]向污泥厭氧消化體系中添加CaO2后發(fā)現(xiàn)，污泥的水解和酸化效率大幅提高，短鏈脂肪酸(SCFA)的最大產(chǎn)量是不添加CaO2時(shí)的3.9倍。CaO2的添加尤其能促進(jìn)乙酸的積累[12]。ZHANG等[13]還發(fā)現(xiàn)，CaO2的存在能夠促進(jìn)污泥中酚類等難降解有機(jī)物的降解。然而關(guān)于CaO2耦合蛋白酶強(qiáng)化污泥厭氧消化產(chǎn)酸性能的研究還鮮見報(bào)道。因此本研究探究了CaO2耦合蛋白酶對污泥厭氧消化的影響，以期為CaO2耦合蛋白酶在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 污泥基本性質(zhì)

發(fā)酵污泥取自于某城市污水處理廠的二沉池，污水處理廠主要采用厭氧/好氧/缺氧工藝處理城市污水，污水廠的規(guī)模為8 000 m3/d。發(fā)酵污泥首先經(jīng)過1.0 mm×1.0 mm的篩子，然后在4 ℃下自然沉降24 h，沉降后的發(fā)酵污泥基本性質(zhì)如表1所示。接種污泥取自該城市污水處理廠的厭氧反應(yīng)池，其基本性質(zhì)如表1所示。

表1 污泥的基本性質(zhì)

1.2 CaO2的投加量對蛋白酶強(qiáng)化污泥水解反應(yīng)的影響

向5個(gè)有效體積為0.6 L的污泥厭氧反應(yīng)器中分別加入0.4 L發(fā)酵污泥和0.2 L接種污泥。厭氧反應(yīng)器內(nèi)置攪拌器，轉(zhuǎn)速控制為120 r/min。各個(gè)反應(yīng)器均投加污泥(以VSS計(jì)，下同)質(zhì)量6%的蛋白酶，分別投加0、0.1、0.2、0.3、0.4 g/L CaO2。控制溫度為35 ℃，pH為7.0。

向3個(gè)有效體積為8.0 L的厭氧反應(yīng)器中分別加入4.0 L接種污泥和4.0 L發(fā)酵污泥，厭氧反應(yīng)器內(nèi)置攪拌器，轉(zhuǎn)速控制為120 r/min。其中1個(gè)反應(yīng)器添加污泥質(zhì)量6%的蛋白酶，1個(gè)反應(yīng)器添加0.3 g/L CaO2，1個(gè)反應(yīng)器添加污泥質(zhì)量6%的蛋白酶和0.3 g/L CaO2。反應(yīng)器中每日更新發(fā)酵污泥0.4 L，進(jìn)行半連續(xù)實(shí)驗(yàn)。 控制溫度為35 ℃，pH為7.0。

以上所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次。

1.3 分析方法

TSS和VSS采用重量法測定；SCOD和pH采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)的方法測定；溶解性蛋白質(zhì)和溶解性多糖分別采用福林酚法和蒽酮比色法測定[14-15]；SCFA是乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸和正戊酸的總和，采用安捷倫6890GC氣相色譜測定；DNA溶出量采用二苯胺分光光度法測定[16]；蛋白酶采用福林酚法測定，乙酸激酶和磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶采用分光光度法測定，酶的生物活性根據(jù)酶反應(yīng)中添加乙酸輔酶 A后所釋放出的輔酶 A量計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 投加CaO2的效果探究

2.1.1 對SCFA積累量的影響

SCFA是污泥厭氧消化過程中重要的中間產(chǎn)物，SCFA的積累量與水解程度有密切的關(guān)系。圖1為不同CaO2投加量對污泥厭氧消化SCFA積累量的影響。由圖1可知，CaO2有助于SCFA的積累。當(dāng)CaO2投加量由0 g/L增加至0.3 g/L時(shí)，SCFA的最大積累量由1 485 mg/L增加至2 956 mg/L，達(dá)到最大積累量的時(shí)間由5 d縮短至4 d。繼續(xù)增加CaO2投加量至0.4 g/L，SCFA的最大積累量增加至3 120 mg/L，增幅不大。

圖1 CaO2投加量對污泥厭氧消化SCFA積累量的影響Fig.1 Effect of calcium peroxide dosage on the accumulation of SCFA during sludge anaerobic digestion

2.1.2 對SCOD的影響

水解反應(yīng)是污泥厭氧消化的限速步驟，有機(jī)物水解一般包括兩個(gè)方面：(1)顆粒態(tài)有機(jī)物轉(zhuǎn)為溶解態(tài)，SCOD含量升高，為后續(xù)污泥厭氧消化產(chǎn)酸提供可利用的基質(zhì)；(2)大分子的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物，如蛋白質(zhì)水解為肽或氨基酸，多糖水解為單糖[17]。由圖2可知，CaO2投加量對污泥厭氧消化SCOD的影響與對SCFA積累量的影響類似，當(dāng)CaO2投加量為0.4 g/L時(shí)，SCOD最大值最大，但與CaO2投加量為0.3 g/L時(shí)差別不大。因此綜合考慮，CaO2的最佳投加量為0.3 g/L。

2.2 CaO2與蛋白酶耦合效果探究

2.2.1 對溶解性蛋白質(zhì)和溶解性多糖的影響

溶解性蛋白質(zhì)和溶解性多糖能夠反映水解程度。圖3為CaO2、蛋白酶及兩者耦合對溶解性蛋白質(zhì)的影響。由圖3可知，溶解性蛋白質(zhì)隨時(shí)間的延長均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，均在5 d時(shí)達(dá)到最大值，蛋白酶作用下和CaO2作用下溶解性蛋白質(zhì)最大質(zhì)量濃度分別為1 028、946 mg/L，而當(dāng)兩者耦合后可達(dá)到2 079 mg/L，說明蛋白酶和CaO2的耦合能夠促進(jìn)污泥中蛋白質(zhì)的溶出。

圖2 CaO2投加量對污泥厭氧消化SCOD的影響Fig.2 Effect of calcium peroxide dosage on SCOD during sludge anaerobic digestion

表2為CaO2、蛋白酶及兩者耦合對溶解性多糖的影響。由表2可知，溶解性多糖隨時(shí)間的延長也呈先上升后下降趨勢，5 d時(shí)達(dá)到最大值。CaO2耦合蛋白酶作用下溶解性多糖高于蛋白酶作用和CaO2作用。由此可見，CaO2耦合蛋白酶能夠促進(jìn)污泥中多糖的溶出。

圖3 CaO2耦合蛋白酶對溶解性蛋白質(zhì)的影響Fig.3 Effect of calcium peroxide coupled with protease on soluble protein

2.2.2 對DNA溶出量的影響

DNA溶出量也能間接反映污泥厭氧消化的水解程度。表3比較了CaO2、蛋白酶及兩者耦合對DNA溶出量的影響。由表3可知，實(shí)驗(yàn)前4 d，在CaO2耦合蛋白酶作用下的DNA溶出量均明顯高于蛋白酶作用和CaO2作用，說明CaO2和蛋白酶的耦合能夠促進(jìn)細(xì)胞中DNA的溶出。

表3 CaO2耦合蛋白酶對DNA溶出量的影響

2.2.3 對產(chǎn)酸關(guān)鍵酶的影響

酶的生物活性能夠反映系統(tǒng)中微生物的活性[18]。表4為CaO2、蛋白酶及兩者耦合作用下關(guān)鍵酶的生物活性比較。蛋白酶與蛋白質(zhì)水解轉(zhuǎn)化有關(guān)，乙酸激酶和磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶在乙酸的形成過程中起關(guān)鍵作用。由表4可知，CaO2耦合蛋白酶能夠提高蛋白酶、乙酸激酶和磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶的生物活性。

表4 污泥厭氧消化中關(guān)鍵酶的生物活性

3 結(jié) 論

CaO2耦合蛋白酶能夠促進(jìn)污泥厭氧消化中蛋白質(zhì)、多糖和DNA的溶出，能夠提高蛋白酶、乙酸激酶和磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶的生物活性，說明CaO2耦合蛋白酶能夠促進(jìn)污泥厭氧消化的水解。其中，CaO2的最佳投加量為0.3 g/L。

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Effectofcalciumperoxidecoupledwithproteaseonanaerobicfermentationacidproductionofsludge

WANGJian1,BAOXianming2.

(1.HuaibeiCityEnvironmentalScienceResearchInstituteofAnhuiProvince,HuaibeiAnhui235000;2.CollegeofLifeSciences,HuaibeiNormalUniversity,HuaibeiAnhui235000)

In order to explore the effect of calcium peroxide coupled with protease on anaerobic fermentation acid production of sludge,the best calcium peroxide dosage and the effect of calcium peroxide coupled with protease were studied under the condition of 35 ℃,120 r/min and pH=7.0. Results showed that compared with single calcium peroxide or protease,calcium peroxide coupled with protease could promote the release of protein,polysaccharide and DNA. Meanwhile,the biological activities of protease,acetate kinase and phosphotransacetylase could also be promoted. That was to say,calcium peroxide coupled with protease could promote the hydrolysis process of anaerobic fermentation. The best calcium peroxide dosage was 0.3 g/L.

protease； calcium peroxide； anaerobic fermentation； hydrolysis； sludge

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.002

2016-11-29)

王 健，男，1973年生，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)樗廴痉乐蔚纳锛夹g(shù)。

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(No.2012ZX07103-005)。