預處理溫度對剩余污泥堿性發酵性能的影響*

金寶丹 鈕勁濤 張 淼 趙建國 尹志剛

(1.鄭州輕工業大學材料與化學工程學院，河南 鄭州 450002；2.河南恒安環保科技有限公司，河南 鄭州 450001；3.揚州大學環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

活性污泥法是當今污水處理領域常用的污水處理方式，具有運行簡單、成本低、污染物去除效果好的特點，然而其副產物剩余污泥的處理處置問題值得關注。據統計，我國市政剩余污泥年產量可達到6 000萬～9 000萬t[1]，剩余污泥中含有豐富的蛋白質、糖類及脂類等有機物，同時含有大量的氮磷等營養物質，若不能進行有效處理會嚴重影響環境安全。

污泥厭氧發酵產酸處理是剩余污泥資源化的研究熱點之一，其中發酵產物揮發性短鏈脂肪酸(SCFAs)是污水脫氮除磷過程中的優選碳源，也是工業生產的重要基質。水解是剩余污泥厭氧發酵產酸的關鍵步驟，物理、化學等方法均能有效地提高剩余污泥水解速率[2-3]。堿性處理被認為是能夠提高剩余污泥水解速率、抑制產甲烷菌活性、促進發酵系統SCFAs積累的方法[4]592,[5]，然而目前剩余污泥發酵系統中仍存在水解率有限的問題，如何在堿性處理的基礎上進一步提高剩余污泥水解率是強化發酵產酸的關鍵。溫度預處理是一種提高剩余污泥水解速率，但不產生二次環境污染的處理方式，中溫預處理(25～35 ℃)[6]369和高溫預處理(≥50℃)[7]1755受到學者的廣泛關注，目前剩余污泥發酵系統產酸量的研究較多，但是生物酶活性如蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、輔酶420、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶以及脫氫酶活性的相關研究較少。

本研究選擇傳統的溫度預處理方式，研究不同預處理溫度對剩余污泥堿性發酵性能的影響，同時研究不同發酵系統中的生物酶如蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶以及脫氫酶活性，深入研究熟化發酵污泥的水解性能。

1 材料與方法

1.1 剩余污泥來源及實驗裝置

本實驗使用的剩余污泥來自鄭州市某城市污水處理廠曝氣池，使用前將其用自來水清洗3次，進行濃縮。控制混合液懸浮固體(MLSS)質量濃度為(14 000±150) mg/L，濾液中SCFAs為(4.50±0.50) mg/L(濾液中的SCFAs質量以COD質量計，蛋白質、糖類同)，蛋白質為(5.50±0.50) mg/L，糖類為(2.50±0.50) mg/L，可溶性化學需氧量(SCOD)為(15.00±0.70) mg/L。實驗反應器材料為有機玻璃，有效容積為2.0 L，采用磁力攪拌器進行勻速攪拌，反應溫度為室溫。

1.2 實驗方法

1.2.1 發酵實驗

剩余污泥發酵系統由有機玻璃反應器組成，分別取2.0 L剩余污泥投加至4個發酵系統中。前期研究發現，pH=10條件下剩余污泥發酵系統SCFAs產量最大[4]592，但是當pH>10[8]279或pH<3時[9]58，SCFAs產量均受到影響，且以NaOH為堿劑的剩余污泥發酵系統中SCFAs產量最大[8]279，因此本實驗采用1 mol/L NaOH溶液調節系統pH至10，污泥齡為10 d，室溫運行。

將剩余污泥在30、50、70、90 ℃水浴鍋中攪拌預處理2 h，待4個剩余污泥發酵系統運行至第10天時排出200 mL發酵污泥，同時分別向4個剩余污泥發酵系統投加200 mL預處理剩余污泥(30、50、70、90 ℃預處理)，隨后取樣測定理化指標。

1.2.2 水解實驗

從4個剩余污泥發酵系統分別取熟化發酵污泥800 mL，用自來水清洗3次，測定蛋白質和糖類含量，作為背景值。設置4個錐形瓶，以蛋白質作為水解基質開展水解實驗，蛋白質質量濃度為(170.31±30.05) mg/L，取清洗后的4個發酵系統中的熟化發酵污泥800 mL分別投加至4個錐形瓶，pH采用1 mol/L的NaOH溶液調節至10，每12 h進行蛋白質含量檢測，實驗時間為24 h。以葡萄糖作為水解基質開展的水解實驗步驟同上，葡萄糖質量濃度為(200.55±50.22) mg/L，每12 h進行糖類含量檢測，實驗時間為24 h。

1.3 檢測方法

SCOD采用重鉻酸鉀-快速消解法測定，氨氮采用納氏分光光度法測定，磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法測定。SCFAs采用Agilent6890B氣相色譜儀測定。蛋白質和糖類分別采用Lower-Follin、硫酸-蒽酮法測定。蛋白酶活性采用偶氮酪蛋白分光光度法、α-葡萄糖苷酶活性采用對硝基-α-D-吡喃葡萄糖苷分光光度法、堿性磷酸酶和酸性磷酸酶活性采用對硝基苯磷酸二鈉分光光度法、脫氫酶活性采用碘硝基四唑紫分光光度法測定。

2 結果與討論

2.1 不同預處理溫度對剩余污泥性質的影響

由表1可知，隨著預處理溫度的升高，污泥溶解物如蛋白質、糖類濃度增加，90 ℃預處理溫度下蛋白質、糖類質量濃度分別為740.20、80.24 mg/L。可見，高溫預處理能夠有效促進污泥溶解，這是因為高溫處理破壞細胞膜，使細胞內有機物如蛋白質、糖類等物質釋放至系統，進而促進了預處理系統SCOD的積累。

表1 不同預處理溫度下的剩余污泥性質

2.2 剩余污泥發酵系統的水解性能

4個發酵系統在1～9 d時發酵條件相同，在發酵至第9天時蛋白質和糖類質量濃度分別為573.34、158.17 mg/L(見圖1)。第10天4個發酵系統排出200 mL發酵污泥，同時投加200 mL預處理剩余污泥，結果表明，不同預處理溫度的剩余污泥發酵系統中蛋白質和糖類質量濃度大體表現為90 ℃>70 ℃>50 ℃>30 ℃，90、70、50、30 ℃預處理溫度下發酵末期蛋白質質量濃度分別為652.26、632.49、578.91、480.04 mg/L，糖類質量濃度分別為187.61、180.04、171.63、114.42mg/L。分析結果表明，預處理剩余污泥的投加對剩余污泥發酵系統中蛋白質和糖類的含量有一定影響，90 ℃剩余污泥發酵系統(即添加90 ℃預處理剩余污泥的發酵系統，其余類推)中含量最高，這是因為隨著預處理溫度的提高，菌膠團中細胞內外壓力差變大，致使細胞被破壞，細胞內蛋白質和糖類等物質大量釋放[10]。由表2可知，發酵系統中的MLSS和混合液揮發性懸浮固體(MLVSS)降低，SCOD隨著預處理溫度的升高而增大。

圖1 不同預處理溫度下的蛋白質和糖類Fig.1 Protein and polysaccharide under different pretreatment temperature

2.3 剩余污泥發酵系統氨氮和磷酸鹽的釋放

由表2可知，氨氮隨著預處理溫度的升高而增加，其中90 ℃剩余污泥發酵系統氨氮質量濃度最高，為127.15 mg/L，30 ℃剩余污泥發酵系統氨氮質量濃度最低，為110.88 mg/L。磷酸鹽大體隨著預處理溫度的升高而減少。發酵系統中氨氮的濃度遠高于磷酸鹽濃度，這與其他類型發酵效果相似[7]1755。氨氮是由蛋白質和尿素等有機氮分解而成，而磷酸鹽是由磷脂雙分子層和多磷酸顆粒分解而成，剩余污泥有機氮含量顯著高于有機磷，因此，剩余污泥厭氧發酵過程氨氮釋放量高于磷酸鹽釋放量[11]11。

2.4 剩余污泥發酵系統的酸化性能

通過檢測可知，未投加預處理剩余污泥時4個發酵系統中SCFAs產量約為2 240.12 mg/L，由圖2(a)可知，投加預處理剩余污泥后發酵系統中SCFAs發生顯著變化，最高SCFAs為2 852.27 mg/L(50 ℃)，最低SCFAs為1 566.25 mg/L(90 ℃)，溫度預處理的剩余污泥堿性發酵系統SCFAs產量顯著高于單純堿性發酵系統(195.312 mg/g)[4]592,[12-13]，也高于單過硫酸氫鉀(PMS，716.72 mg/L)[11]11、CaO2(800 mg/L)[14]、HCl(114.2 mg/L)[9]58發酵系統，可見，溫度預處理能夠有效提升剩余污泥堿性發酵產酸性能，但過高的預處理溫度降低了SCFAs產量。同時由表2可知，SCOD中的SCFAs質量分數隨著預處理溫度的升高先增加后減少。這可能與各發酵系統中的產酸菌不同有關，50 ℃剩余污泥發酵系統中富集了大量的梭菌科(Clostridiaceae)、熱袍菌科(Thermotogaceae)等產酸菌群[6]370，因此本實驗中50 ℃剩余污泥發酵系統的SCFAs積累量高于其他發酵系統。由圖2(b)可知，預處理溫度對SCFAs成分也會產生影響，乙酸和丙酸是剩余污泥發酵系統的主要產物，50 ℃剩余污泥發酵系統中乙酸質量分數達到53.46%，高于單純堿性發酵系統(49.8%)[4]592，低于PMS發酵系統(75%)[11]11，90 ℃剩余污泥發酵系統中乙酸質量分數僅為28.98%。50 ℃剩余污泥發酵系統中丙酸質量分數最低，為22.31%，90 ℃剩余污泥發酵系統中丙酸質量分數最高，為35.45%。可見，適宜的預處理溫度能夠提高發酵系統的丙酸轉化率。正丁酸、異丁酸、異戊酸等差異較小，但是正戊酸隨預處理溫度升高先減少后增加。

表2 發酵性能1)

圖2 不同預處理溫度下的SCFAs質量濃度和SCFAs成分Fig.2 SCFAs concentration and SCFAs composition under different pretreatment temperature

2.5 剩余污泥發酵系統的生物酶活性

由表3可知，蛋白酶活性隨著預處理溫度的升高顯著下降，90 ℃剩余污泥發酵系統中未檢測出蛋白酶，30 ℃剩余污泥發酵系統的蛋白酶活性是70 ℃剩余污泥發酵系統的21.71倍。α-葡萄糖苷酶活性隨著預處理溫度的升高先升高后降低，50 ℃剩余污泥發酵系統的α-葡萄糖苷酶活性最大，為0.002 3 U/mg，30 ℃剩余污泥發酵系統的最小，為0.001 3 U/mg。原因可能是：隨著溫度的升高，糖類的釋放量增大，由此而導致α-葡萄糖苷酶活性增強，但溫度過高會導致α-葡萄糖苷酶失活[15-16]。

微生物體內含有豐富的有機磷，污泥厭氧發酵過程中含有磷酸基的有機磷與磷酸酶(如堿性磷酸酶、酸性磷酸酶)發生反應，進而實現有機物的降解和轉化[17]。有機磷被堿性磷酸酶和酸性磷酸酶水解成無機磷并參與細胞內磷合成[18]。預處理溫度對堿性磷酸酶和酸性磷酸酶活性具有一定影響，其中堿性磷酸酶活性隨著預處理溫度升高而降低，而酸性磷酸酶活性隨著預處理溫度升高先升高后降低，說明高溫預處理抑制堿性磷酸酶活性，但是適宜的預處理溫度能夠增強酸性磷酸酶活性。

脫氫酶是一種重要的胞外酶，能夠催化乳酸和丙酸發生氧化還原反應[19]，在污泥厭氧發酵過程中具有重要的作用。由表3可知，30、50、70 ℃剩余污泥發酵系統的脫氫酶活性差別不大，然而90 ℃剩余污泥發酵系統的脫氫酶活性有所降低，這說明預處理溫度過高會抑制脫氫酶活性。

2.6 熟化發酵污泥的水解性能

不同預處理溫度的剩余污泥發酵系統的水解酸化性能具有一定差別，可推測不同剩余污泥發酵系統中的功能微生物亦具有一定差異。由表4可知，熟化發酵污泥對蛋白質的水解性能具有較大差別，水解24 h后30、50、70、90 ℃剩余污泥發酵系統中蛋白質質量濃度分別為31.62、32.94、36.90、129.13 mg/L，可見，90 ℃剩余污泥發酵系統中熟化發酵污泥的水解性能最差，原因可能是：90 ℃剩余污泥發酵系統中熟化發酵污泥水解菌活性降低，豐度減少，造成蛋白質轉化能力下降。隨著預處理溫度的升高蛋白質水解率降低，預處理溫度為30、50、70、90 ℃時，蛋白質水解率分別為82.22%、79.51%、73.83%、10.91%。由表4可知，24 h后30、50、70、90 ℃剩余污泥發酵系統中糖類質量濃度分別為64.50、43.75、52.72、80.77 mg/L，50 ℃剩余污泥發酵系統中糖類水解率最高，為84.71%，90 ℃剩余污泥發酵系統中糖類水解率最低，為69.75%。

表3 生物酶活性

表4 熟化發酵污泥的蛋白質和糖類水解性能

3 結 論

(1) 溫度預處理能夠一定程度提升剩余污泥發酵系統水解性能。氨氮隨著預處理溫度的升高而增加，但是磷酸鹽大體隨著預處理溫度的升高而減少。過高的預處理溫度會降低剩余污泥發酵系統的酸化性能。

(2) 蛋白酶和堿性磷酸酶活性隨著預處理溫度的升高而降低，但是α-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶活性先升高后降低。

(3) 30 ℃剩余污泥發酵系統中熟化發酵污泥對蛋白質的水解率最高，為82.22%，而50 ℃剩余污泥發酵系統中熟化發酵污泥對糖類的水解率最高，為84.71%。