高鐵酸鉀強化剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸研究

關(guān)鍵詞：剩余污泥；厭氧發(fā)酵；高鐵酸鉀；VFA；水解

前言

污泥是城鎮(zhèn)固體廢物的重要組成部分，同時具有污染和資源的屬性。污泥厭氧發(fā)酵能高效實現(xiàn)污泥資源化和減量化。ES厭氧發(fā)酵產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸（VFA）得到廣泛關(guān)注，因為VFA可作為碳源用于合成生物塑料、制備沼氣及強化生物脫氮處理。

ES由于外有胞外聚合物和細(xì)胞壁的限制從而導(dǎo)致胞內(nèi)有機質(zhì)的利用效率低，這也導(dǎo)致水解過程成為厭氧發(fā)酵的限速步驟。Hu等考察了PF提高污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的作用機制，發(fā)現(xiàn)PF利于污泥內(nèi)腐殖酸和木質(zhì)素的厭氧降解，并提高了產(chǎn)甲烷化。此外，冷凍預(yù)處理聯(lián)合PF同樣提高了污泥暗發(fā)酵過程內(nèi)氫氣的積累。Wang等報道PF能加速ES分解并促進(jìn)底物轉(zhuǎn)化從而中鏈脂肪酸，并探究了相關(guān)微生物群落變化。然而關(guān)于PF強化低C/N污泥厭氧發(fā)酵積累揮發(fā)性脂肪酸（VFA）的探究和蘊含的作用機制至今鮮有報道。

因此，研究了PF強化ES厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響并揭示相關(guān)機制。首先，探究不同含量PF對厭氧發(fā)酵的影響。再者，分析了PF對ES內(nèi)有機質(zhì)生物轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響。最后，考察了與VFA產(chǎn)生相關(guān)酶活性以揭示PF強化ES厭氧發(fā)酵的機理。研究結(jié)果為ES的高效資源化提供數(shù)據(jù)支撐。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗所用污泥來源于某實驗室長期運行的強化生物除磷工藝的污泥，收集后的ES經(jīng)篩網(wǎng)過濾去掉雜質(zhì)后備用。試驗所用生物除磷污泥的主要特性如下：pH7.2，總COD15.6g/L，溶解性蛋白質(zhì)（SPN）56.6mg/L，溶解性多糖（SPS）26.9mg/L，NH4+-N 24.2mg/L，總懸浮固體（TSS）12.2g/L。

接種污泥來源于實驗室連續(xù)流運行的厭氧反應(yīng)器，該反應(yīng)器主要用于處理城鎮(zhèn)剩余污泥，接種污泥的主要理化特性如下：pH7.1，TSS 12.3g/L．揮發(fā)性懸浮固體（VSS）8.9g/L。

PF購買于上海某試劑供應(yīng)公司，其CAS號：39469-86-8MDL號：MFCD01321363。分子式為K2Fe0，分子量為113.97。

1.2試驗設(shè)置

試驗在四個相同的發(fā)酵罐內(nèi)完成，發(fā)酵罐的溫度通過水域加熱的方式控制在35℃。首先，各發(fā)酵罐內(nèi)接種3.0L的接種污泥和2.0L的剩余污泥。然后，各反應(yīng)器內(nèi)再投加不同含量的PF以控制其含量分別為0、3%、5%和7%（均以TS濕重計），并將上述四個反應(yīng)器分別定義為R1～R4。發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)有機械攪拌器，工作時轉(zhuǎn)速控制在200～250rpm。然后，各物料初始pH通過人工添加2.0M的HCl控制為7.0，并每隔12h進(jìn)行pH校對以排除pH對厭氧發(fā)酵的影響。當(dāng)全部物料投加完成后，向各反應(yīng)器充人高純度（超過99.99%）氮氣以排凈氧氣保證厭氧條件。最后，將上述反應(yīng)器移至恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵期間定期測定有機質(zhì)變化及甲烷產(chǎn)量。

1.3分析方法

溶解性COD（SCOD）、VSS采用國際標(biāo)準(zhǔn)方法測定；NH4+-N采用納氏試劑法測定；SPN和SPS分別采用福林酚法和蒽酮比色法。VFA測定采用氣相色譜法，試驗所用色譜儀型號為7890A（美國Agi-lent），具體測定步驟見文獻(xiàn)[5]。VFA主要包含C2～C5羧酸，試驗結(jié)果均轉(zhuǎn)化為COD進(jìn)行比較。乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽和戊酸鹽轉(zhuǎn)化為COD濃度的系數(shù)分別為1.07、1.51、1.82和2.04。甲烷采用氣相色譜法測定。與VFA產(chǎn)生相關(guān)酶包括蛋白酶、淀粉酶、乙酸激酶（AK）、磷酸轉(zhuǎn)乙?；福≒TA）和輔酶F420，上述關(guān)鍵酶的分析與測定見文獻(xiàn)[7]。

2結(jié)果與討論

2.1PF對ES厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFA的影響

如圖1（a）所示PF對ES厭氧發(fā)酵內(nèi)VFA產(chǎn)量的影響。VFA產(chǎn)量隨發(fā)酵時間先急劇升高后波動變化。在R1內(nèi)，VFA最大值出現(xiàn)在11d，對應(yīng)的產(chǎn)量為102.6mg/gVSS，這略高于之前文本報道，可以與此研究運行溫度較高相關(guān)。PF存在組別內(nèi)，VFA含量顯著提高，提高程度與PF含量密切相關(guān)，但VFA最大值出現(xiàn)時間均縮短至5d～7d，較空白組提前約4d～6d。PF顯著提高了ES厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFA，且PF的最佳含量為5%，VFA的最大產(chǎn)量提高至251.6mg/gVSS。當(dāng)PF含量進(jìn)一步提高7%時，VFA的產(chǎn)量則下降至164mg/g VSS，但仍高于對照組。高PF組別內(nèi)VFA產(chǎn)量下降的原因可能在于PF的強氧化性，降低了酸化微生物的代謝。因此，PF的最佳劑量5%，VFA的最大產(chǎn)量為251.6mg/gVSS。

圖1（b）為PF對ES厭氧發(fā)酵過程內(nèi)VFA個體占比的影響。C2～C5的羧酸被檢測并進(jìn)行分析。乙酸鹽和丙酸鹽是各組內(nèi)主要羧酸鹽，這與之前文獻(xiàn)報道一致。然而，PF存在能影響VFA個體占比。隨著PF含量增加，乙酸鹽占比逐漸提高，而丙酸鹽占比下降。隨著PF含量由0增加至7%，乙酸鹽占比由32.6%提高至41.3%，而丙酸鹽占比由29.8%下降至22.3%。此外，高含量PF降低了VFA內(nèi)高分子羧酸占比，例如在7% PF組別內(nèi)，異戊酸鹽占比為5.7%，低于對照組的8.9%。PF降低了VFA內(nèi)高分子羧酸占比，提高了低分子羧酸如乙酸鹽含量。

2.2PF對ES厭氧發(fā)酵內(nèi)有機質(zhì)溶出特征的影響

水解是ES厭氧發(fā)酵的限速步驟，SCOD的變化能反映ES的水解過程。如圖2（a）所示，PF顯著提高了ES內(nèi)有機質(zhì)的釋放。在全部組別內(nèi)，SCOD的變化呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，且PF組別內(nèi)SCOD的最大值顯著高于對照組。在R1內(nèi)，SCOD的最大值為891mg/L，出現(xiàn)在9d。在R2～R4內(nèi)．SCOD的最大值由1241mg/L增加至1856mg/L，且SCOD出現(xiàn)的時間也出現(xiàn)不同程度縮短，PF投加組別內(nèi)SCOD最大值出現(xiàn)的時間多為5d。上述實驗結(jié)果表明PF提高了ES厭氧發(fā)酵內(nèi)有機質(zhì)的溶出，且PF濃度越高，SCOD溶出量越高。PF的強氧化有效破壞了ES外的SPN和SPS為ES內(nèi)關(guān)鍵有機質(zhì)，PF對SPN濃度的影響見圖2b，SPN濃度隨時間先升高后緩慢下降。對照組內(nèi)SPN最大值為394mg/L，出現(xiàn)在11d。PF存在組別內(nèi)SPN濃度顯著提高，說明PF促進(jìn)了ES內(nèi)PN的溶出。在R2內(nèi)，SPN最大值為594mg/L，而在R3和R4內(nèi)，SPN的最大值為699mg/L和694mg/L，兩者相差不顯著（pgt;0.05），說明5%PF已顯著提高了PN的溶出。PF能有效促進(jìn)ES裂解，提高ES內(nèi)顆粒狀PN向SPN轉(zhuǎn)化，進(jìn)而為后續(xù)酸化過程提供物質(zhì)保障。相似的實驗結(jié)果也在SPS內(nèi)發(fā)現(xiàn)，說明PF同樣提高ES內(nèi)SPS的釋放。

2.3PF對ES內(nèi)沼氣產(chǎn)量及組分的影響

如圖3所示PF對ES厭氧發(fā)酵內(nèi)甲烷產(chǎn)量的影響，可以發(fā)現(xiàn)空白組內(nèi)甲烷最終累計量遠(yuǎn)高于其他組別，說明PF抑制了ES厭氧發(fā)酵積累甲烷。需要注意的是前7d內(nèi)，PF組別內(nèi)甲烷積累量相差不顯著，但均低于對照組。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于發(fā)酵前期產(chǎn)甲烷古菌代謝緩慢，發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)能利用的酸化產(chǎn)物濃度低。另一方面，PF具有的氧化性對產(chǎn)甲烷古菌產(chǎn)生不利影響，降低了甲烷產(chǎn)量。在7d后，發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)累計的甲烷產(chǎn)量與PF濃度相關(guān)。PF濃度越高，累計甲烷產(chǎn)量越低，尤其在R4內(nèi)，甲烷產(chǎn)量僅為32.6mL/gVSS，約為對照組的37%。PF強氧化能抑制產(chǎn)甲烷古菌的代謝活性，從而減少系統(tǒng)內(nèi)有機質(zhì)向甲烷的生物轉(zhuǎn)化。PF強氧化性對微生物產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)降低羧酸鹽轉(zhuǎn)化酶的活性。

2.4PF對ES發(fā)酵內(nèi)關(guān)鍵酶活性的影響

ES厭氧發(fā)酵積累SCFA是一個多種關(guān)鍵酶調(diào)控的生物化學(xué)過程。其中，與水解過程密切相關(guān)的關(guān)鍵酶包括蛋白酶和淀粉酶，而與酸化過程密切相關(guān)的關(guān)鍵酶包括AK、PTA等。因此有必要考察PF對上述關(guān)鍵酶活性的影響。如圖4所示，PF顯著提高了與水解過程相關(guān)酶的活性，例如在PF存在組別內(nèi)，蛋白酶相對活性提高至105%～124%，淀粉酶相對活性提高至106%～118%，且PF投加量越大，水解酶相對活性增加越顯著。PF促進(jìn)水解酶活性的原因在于PF裂解了污泥結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了水解酶與有機質(zhì)的有效接觸，增加了活性點位進(jìn)而提高水解活性。在酸化方面，PF同樣促進(jìn)了AK和PTA的相對活性，例如在R4內(nèi)，AK和PTA的相對活性分別增加至116.3%和124.9%。PF刺激酸化微生物的代謝，促進(jìn)水解產(chǎn)物的進(jìn)一步利用與轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提高了酸化酶的活性。然而在產(chǎn)甲烷化方面，PF顯著抑制了F420的活性，且PF濃度越高，F(xiàn)420抑制越顯著．在R4內(nèi)，F(xiàn)420的相對活性僅為71.9%，低于對照組。PF促進(jìn)了與水解和酸化過程相關(guān)酶但抑制產(chǎn)甲烷化過程相關(guān)酶是導(dǎo)致PF促進(jìn)ES厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的原因之一。

2.5PF對ES發(fā)酵內(nèi)副產(chǎn)物釋放的影響

NH4+ -N是ES厭氧發(fā)酵內(nèi)典型副產(chǎn)物，釋放量在一定程度上反映水解過程。如圖5所示，各組別內(nèi)NH4+ -N濃度隨時間先上升后穩(wěn)定，但PF存在提高了NH4+ -N的釋放。對照組內(nèi)18 d后NH4+-N的濃度約為154.9mg/L，這與之前ES單獨嗜中溫厭氧消化釋放值大致相似。當(dāng)PF存在時，NH4+-N達(dá)到最大值所需時間略有縮短并且NH的濃度顯著提高。隨著PF濃度由3%提高至7%，NH4+-N最大濃度由191.2mg/L增加至216.8mg/L。PF促進(jìn)了ES厭氧發(fā)酵內(nèi)NH4+ -N的釋放進(jìn)一步佐證了PF提高水解過程。在ES發(fā)酵液的后續(xù)處理過程中需要注意大量NH4+-N問題。

3結(jié)論

PF能高效促進(jìn)ES厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFA，且PF的最佳含量為5%，VFA的最大產(chǎn)量為251.6mg/g VSS，約為對照組的2.45倍。PF促進(jìn)了VFA內(nèi)小分子羧酸的生成，降低了大分子羧酸在VFA內(nèi)占比。PF促進(jìn)了ES內(nèi)溶解性有機質(zhì)釋放，提高了SCOD、SPN、SPS的濃度，利于后續(xù)酸化過程。PF組內(nèi)最大SCOD為1856mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對照組。PF強化性降低了產(chǎn)甲烷古菌的活性，減少了VFA的消耗，并促進(jìn)了與水解和酸化過程相關(guān)酶的活性，從而提高VFA積累。