彭緒亞,洪俊華,賈傳興,梅 冰,邸玉翠,王 璐 (重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶400045)

磷酸酯酶活性對餐廚垃圾單相厭氧消化抑制的預(yù)警作用

彭緒亞*,洪俊華,賈傳興,梅 冰,邸玉翠,王 璐 (重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶400045)

為了研究磷酸酯酶活性對餐廚垃圾單相厭氧消化抑制的預(yù)警作用,考察了單相CSTR反應(yīng)器在容積負(fù)荷2.0～8.5kgVS/(m3·d)條件下的酸性和堿性磷酸酯酶活性,并同步分析了揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)、容積產(chǎn)氣率、pH值的變化.結(jié)果表明,酸性和堿性磷酸酯酶活性在容積負(fù)荷為2.0～4.0kgVS/(m3·d)時,平均值為14.1,9.8μgNP/(h·mL);容積負(fù)荷為5.0～7.5kgVS/(m3·d)時,其平均值為138.4,23.6μgNP/(h·mL);容積負(fù)荷為8.5kgVS/(m3·d)的超負(fù)荷階段達(dá)到峰值318.1,51.5μgNP/(h·mL)后快速下降.磷酸酯酶活性驟升的時間較VFAs、容積產(chǎn)氣率驟降超前2d、較pH值的驟降提前1d.磷酸酯酶活性較常規(guī)指標(biāo)VFAs、容積產(chǎn)氣率和pH值等對單相厭氧消化抑制具有一定的預(yù)警作用.

磷酸酯酶活性；餐廚垃圾；單相厭氧消化；抑制；預(yù)警

隨著我國生活水平的不斷提高,大量產(chǎn)生的餐廚垃圾已成為亟待解決的社會與環(huán)境問題.餐廚垃圾蘊(yùn)含豐富的生物質(zhì)能,通過厭氧消化產(chǎn)生沼氣,已成為餐廚垃圾資源化的重要途徑[1-2].由于餐廚垃圾有機(jī)物含量很高,其消化過程常常由于有機(jī)酸的大量累積而出現(xiàn)抑制[3-4].而常規(guī)的監(jiān)測指標(biāo)如pH值、揮發(fā)性脂肪酸濃度和產(chǎn)氣量與氣體成分等不能夠及時對厭氧消化抑制給出警示作用.尋找有效的監(jiān)控預(yù)警指標(biāo),對餐廚垃圾厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有十分重要的意義.

復(fù)雜有機(jī)物的厭氧消化通常包括水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷等系列過程.胞外酶對有機(jī)物的水解作用是第一個步驟.磷酸酯酶是水解基質(zhì)上磷酸基團(tuán)的酶,是厭氧微生物的一種胞外酶,可降解富含磷酸的生物分子(如磷酸、磷酸核苷、磷酸戊糖和磷酸己糖等),利于細(xì)菌的同化,它在厭氧消化器中比其他酶類活性高、對消化器基質(zhì)的變化較敏感且易檢測到[5-6].目前磷酸酯酶活性除了被廣泛應(yīng)用于人體醫(yī)學(xué)、動植物代謝、土壤中重金屬[7-8]的去除和水體[5,9-11]中磷循環(huán)的研究中外,對活性污泥中磷酸酯酶活性的指示作用的研究[12-14]越來越多.研究表明[15-18],磷酸酯酶活性主要受到污泥中生物量水平的影響,與污泥中生物量水平(MLSS)直接相關(guān).Ashler等[14]發(fā)現(xiàn)在厭氧消化系統(tǒng)出現(xiàn)消化障礙時,污泥中磷酸酯酶活性的增高比其他因素如揮發(fā)酸的積累出現(xiàn)得早且明顯,并首次將磷酸酯酶活性作為預(yù)示厭氧消化器運行中出現(xiàn)消化障礙的一項檢測指標(biāo).王正蘭等[19]研究厭氧污泥中的磷酸酯酶活性,證明當(dāng)消化器負(fù)荷過高時,磷酸酯酶活性明顯增高的現(xiàn)象比揮發(fā)酸大幅增加、酸化速度大于甲烷化速度、pH值下降等現(xiàn)象出現(xiàn)得要早,可提前10d左右預(yù)示厭氧消化障礙的出現(xiàn).這些研究都表明,厭氧污泥中磷酸酯酶活性對消化系統(tǒng)狀態(tài)有較好的指示性作用.

本研究以餐廚垃圾作為單相厭氧消化反應(yīng)器的基質(zhì),通過增加容積負(fù)荷,以揮發(fā)性脂肪酸、容積產(chǎn)氣率和pH值作為系統(tǒng)運行狀態(tài)的常規(guī)指標(biāo)來控制反應(yīng)器由啟動、穩(wěn)定運行、超負(fù)荷到失衡的過程,測定整個過程中各個階段酸性和堿性磷酸酯酶的活性,分析其變化規(guī)律及其原因,以期為厭氧消化系統(tǒng)負(fù)荷控制、消化障礙的預(yù)測以及消化器穩(wěn)定性評價提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

試驗物料取自重慶大學(xué)學(xué)校食堂及周邊餐館等,以食用殘余(泔腳)類垃圾為主,混有少量廚余垃圾.樣品剔除竹筷、紙張等干擾物,分批破碎至粒徑小于 10mm,混合均勻.接種污泥取自本實驗室 UASB反應(yīng)器,接種率為 80%,接種后TS≥10%.

測得試驗物料的以下指標(biāo)的平均值:TS為12.93%,VS/TS為92.88%,容重為1096kg/m3,含油率(粗脂肪)為17.02%(濕基),C/N為15.53,氨氮為245.32mg/L,COD為64640mg/L.

1.2 試驗裝置及過程

本研究采用單相CSTR厭氧消化反應(yīng)器,系統(tǒng)裝置見圖 1.反應(yīng)器有效容積(V有效)=20L,采用斜葉式機(jī)械攪拌器攪拌,內(nèi)部維持中溫條件(35～38℃),由上部進(jìn)料斗進(jìn)料、錐體的最下部排料口出料,產(chǎn)氣量由濕式氣體流量計測定.

試驗總共運行90d,容積負(fù)荷由2.0kgVS/(m3?d)逐漸增加到 8.5kgVS/(m3?d),整個過程包括反應(yīng)器的啟動、穩(wěn)定運行、超負(fù)荷及失衡幾個階段.試驗開始后每天從單相反應(yīng)器底部出料口取消化漿料樣品測pH值、揮發(fā)性脂肪酸、產(chǎn)氣量等指標(biāo),以及時反映反應(yīng)器運行性能及穩(wěn)定性等情況,并將消化漿料樣品經(jīng)超聲波處理后,用 4℃、20000g冷凍離心機(jī)離心取上清液測定酸性和堿性磷酸酯酶活性.

圖1 試驗裝置Fig.1 Schematic diagram of anaerobic digestion experiment system

1.3 分析項目及方法

COD和VFAs按照標(biāo)準(zhǔn)分析方法測定[20];pH值采用 PHS-3C型 pH計直接測定;產(chǎn)氣量用LML-3型濕式氣體流量計計量;磷酸酯酶活性采用可見光分光光度法測定[21].

磷酸酯酶活性測定的具體方法為:取消化漿料裝入離心管中,置冰槽中冷至 2℃后,在超聲波儀中均勻化150s (120W,20kc/s),超聲后用4℃、20000g離心30min取上清液備用.吸取lmL底物加入到3mL緩沖液 (酸性磷酸酶用pH6.8的檸檬酸鈉/檸檬酸緩沖液,堿性用 pH9.4的 2-氨基-2-甲基-1-丙醇緩沖液)中,再加入lmL消化漿料上清液.對照組的組成同上,只是所取的消化漿料上清液被煮沸失活.所有試管一式2份,在一定溫度下保溫一定時間,然后從每管中取出2mL加到4mL 0.2mol/L NaOH中,用4℃、30000g冷凍離心機(jī)離心30min,取上清透明液在420nm波長下測定酶活性.

2 結(jié)果與討論

2.1 VFAs、容積產(chǎn)氣率、pH值的變化規(guī)律

VFAs代表物質(zhì)主要有甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸以及它們的異構(gòu)體,本實驗中測量的 VFAs主要包括甲酸,乙酸,丙酸,丁酸,以及它們的異構(gòu)體,它是消化原料的水解產(chǎn)物,同時也是甲烷菌生長代謝的基質(zhì),一定的 VFAs濃度是保證系統(tǒng)正常運行的必要條件,但過高的VFAs會抑制甲烷菌的生長而破壞消化過程.一旦厭氧消化系統(tǒng)受到抑制,就會表現(xiàn)出 VFAs積累、pH值下降、產(chǎn)氣率下降等現(xiàn)象.

圖2 容積產(chǎn)氣率、pH隨容積負(fù)荷率的變化Fig.2 The variation of volumetric gas production rate and pH as volumetric loading rate changed

由圖 2和圖 3可見,實驗開始以容積負(fù)荷2.0kgVS/(m3·d)運行,容積產(chǎn)氣率和VFAs均在較低水平上波動,當(dāng)容積產(chǎn)氣率和 VFAs相對穩(wěn)定時增加負(fù)荷.當(dāng)容積負(fù)荷在2.0,3.0kgVS/(m3·d)時,容積產(chǎn)氣率比較低、且不穩(wěn)定[2.07～2.70m3/ (m3·d)],以 4.0kgVS/(m3·d)容積負(fù)荷率運行后,產(chǎn)氣穩(wěn)定在較高的水平,最高達(dá)到 3.41m3/(m3·d).在容積負(fù)荷由2.0kgVS/(m3·d)增加到4.0kgVS/(m3·d)的過程中,VFAs濃度較低,維持在1000mg/L左右, pH值維持在7.7～7.9之間.至此反應(yīng)器運行了34d,啟動完成.

圖3 VFAs隨容積負(fù)荷率的變化Fig.3 The variation of VFAs as volumetric loading rate changed

從第 35d到第 90d,以容積負(fù)荷 5.0,6.0,7.0, 7.5,8.0,8.5kgVS/(m3·d)分別運行 8d,7d,10d,11d, 8d,9d.在容積負(fù)荷為 5.0～7.5kgVS/(m3·d)期間,平均容積產(chǎn)氣率不斷增加,VFAs維持在 805.7～1876.3mg/L, pH值穩(wěn)定在7.6～8.1.可以看出容積負(fù)荷在 5.0～7.5kgVS/(m3.d)時,即實驗的第 35～72d容積產(chǎn)氣率高而穩(wěn)定,VFAs和pH值也穩(wěn)定在正常范圍內(nèi),為反應(yīng)器穩(wěn)定運行階段.

當(dāng)容積負(fù)荷增加到 8.0kgVS/(m3·d)時,容積產(chǎn)氣率進(jìn)一步提高到4.97m3/(m3·d),pH值無明顯變化,但 VFAs由 1991.6mg/L逐漸增加到了4486.3mg/L,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 VFAs的抑制濃度2000mg/L.此時反應(yīng)器中的VFAs不能及時被降解而積累,產(chǎn)甲烷過程可能受到高有機(jī)負(fù)荷的抑制,反應(yīng)器處于超負(fù)荷運行.

超負(fù)荷運行 8d后進(jìn)一步增加容積負(fù)荷到8.5kgVS/(m3·d),并運行了9d,這期間pH值和容積產(chǎn)氣率逐漸下降,VFAs進(jìn)一步增加.試驗進(jìn)行到第87d pH值降到了6.4,容積產(chǎn)氣率降到2.93m3/ (m3·d),VFAs增加到6446.4mg/L,第88d又大幅變化,pH值降為 5.7,容積產(chǎn)氣率為 1.43m3/(m3.d), VFAs急劇增加到 13364.6mg/L.繼續(xù)運行到第90d,pH值和容積產(chǎn)氣率繼續(xù)下降,VFAs進(jìn)一步增加.說明反應(yīng)器中VFAs大量積累,產(chǎn)氣能力微弱,產(chǎn)甲烷過程已嚴(yán)重受阻,系統(tǒng)出現(xiàn)抑制.

2.2 磷酸酯酶活性的變化

磷酸酯酶在不同pH值條件下表現(xiàn)出不同的催化能力,故分為酸性磷酸酯酶和堿性磷酸酯酶.

在實驗啟動階段即容積負(fù)荷率為 2.0～4.0kgVS/(m3·d)時,酸性磷酸酯酶活性處于比較低的水平(圖4),在11.0～16.7μgNP/(h·mL)之間波動,平均為14.1μgNP/(h·mL);進(jìn)入穩(wěn)定運行階段即容積負(fù)荷增加到5.0～7.5kgVS/(m3·d)時,在穩(wěn)定運行的初期酸性磷酸酯酶活性也較低,但高于啟動階段,平均為 33.8μgNP/(h·mL),之后逐漸增加并穩(wěn)定在117.9～171.9μgNP/(h·mL),平均為138.4μgNP/ (h·mL),明顯較前一階段增強(qiáng);超負(fù)荷階段,酸性磷酸酯酶活性逐漸增大,試驗的第86d時,酸性磷酸酯酶活性急劇增強(qiáng),由第 85d的 156.0μgNP/ (h·mL)急劇增加到第86d時的318.1μgNP/(h·mL),增幅達(dá)到了 103.9%,第 87d又降到 166.2μgNP/ (h·mL),降幅也在 100%左右,且之后的幾天繼續(xù)下降而未表現(xiàn)出恢復(fù)的趨勢.

圖4 酸性磷酸酯酶的活性Fig.4 The variation of ACP activity

堿性磷酸酯酶活性也有與酸性磷酸酯酶活性類似的變化規(guī)律(圖5),啟動期間穩(wěn)定也增大很多,平均 23.6μgNP/(h·mL);同樣的也在超負(fù)荷階段(第 86d)出現(xiàn)了劇增,由第 85d的 34.6μgNP/ (h·mL)急劇增加到第86d的51.5μgNP/(h·mL),87d又降低為33.0μgNP/(h·mL)并繼續(xù)降低,增幅和降幅均達(dá)到了50%左右.對比圖4、圖5,反應(yīng)器中酸性和堿性磷酸酯酶活性水平有較大的差別,初始時酸性和堿性磷酸酯酶活性差不多,但是酸性磷酸酯酶活性增大的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于堿性磷酸酯酶,最后酸性磷酸酯酶活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于堿性磷酸酯酶活性,這與Wang等[22]的研究結(jié)果一致.堿性磷酸酯酶活性與酸性磷酸酯酶活性表現(xiàn)出相類似的變化規(guī)律,都是由較低活性水平到較高活性,突然在最后一個階段急劇達(dá)到峰值后又急劇降低.本實驗中酸性和堿性磷酸酯酶活性都是在第86d時達(dá)到峰值后急劇降低,比VFAs驟升、容積產(chǎn)氣率和pH值驟降早2d,這與Wang等[22]的試驗結(jié)果中磷酸酯酶活性較VFAs等驟變超前10d左右不一致.

圖5 堿性磷酸酯酶的活性Fig.5 The variation of ALP activity

出現(xiàn)這種不一致的原因可能是多方面的.首先,反應(yīng)器類型和處理基質(zhì)不同.Wang等[22]采用推流式和UASB反應(yīng)器處理酒糟廢水,本研究采用單相厭氧消化器處理餐廚垃圾,不同的反應(yīng)器和基質(zhì)對磷酸酯酶活性均有影響[8].其次,進(jìn)料方式不同.在比較高的負(fù)荷下,Wang等[22]采取的是不提高負(fù)荷的方式,推流式和UASB反應(yīng)器的最高 有 機(jī) 負(fù) 荷 分 別 為 12.24gCOD/(L·d)和32.6gCOD/(L·d).而本實驗繼續(xù)提高負(fù)荷進(jìn)行沖擊試驗,最高達(dá)到了 39.97gCOD/(L·d)(對應(yīng)于8.5kgVS/(m3·d)).最后,反應(yīng)器運行時間不同. Wang等[22]反應(yīng)器運行時間比較長,推流式反應(yīng)器運行了100d,UASB反應(yīng)器運行了140d,在每個負(fù)荷下運行時間相對較長,2個反應(yīng)器在最高負(fù)荷下分別運行到20d和第25d時VFAs才開始積累,而本試驗運行了90d.綜上,本實驗在高負(fù)荷下快速增加負(fù)荷,系統(tǒng)很快就受到負(fù)荷的沖擊而發(fā)生失衡,導(dǎo)致磷酸酯酶活性變化較快.因此,Wang等[22]的研究結(jié)果是10d的預(yù)警時間,而本實驗是2d的預(yù)警時間.

2.3 討論

餐廚垃圾中含有大量顆粒狀有機(jī)物,其厭氧消化具有自身的特點.首先餐廚垃圾有機(jī)顆粒通過溶解作用形成可溶性物質(zhì);然后通過水解酸化作用形成有機(jī)酸.餐廚垃圾相對于有機(jī)廢水來說顆粒度較大,溶解和水解相對困難.當(dāng)厭氧消化器中水解菌群獲得高濃度營養(yǎng)物質(zhì)時,會直接誘導(dǎo)產(chǎn)磷酸酯酶菌對磷酸酯酶的釋放,即首先表現(xiàn)為磷酸酯酶活性的增加,當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)濃度高到一定的程度,磷酸酯酶的活性也會隨之增高,產(chǎn)生大量的有機(jī)酸.產(chǎn)甲烷菌不能及時將這些有機(jī)酸充分轉(zhuǎn)化為甲烷,有機(jī)酸就會積累在反應(yīng)器中,最終導(dǎo)致有機(jī)酸濃度急劇增加, pH值隨之下降.由此推斷磷酸酯酶活性變化較VFAs以及pH值的變化具有超前性.

在試驗運行過程中,反應(yīng)器內(nèi)部的微生物隨著負(fù)荷的變化會出現(xiàn)更替性變化以適應(yīng)環(huán)境的變化,導(dǎo)致磷酸酯酶產(chǎn)生菌發(fā)生變化,體現(xiàn)為磷酸酯酶活性的變化.在啟動階段,反應(yīng)器中各類微生物處于適應(yīng)階段,數(shù)量少且活性弱,釋放的磷酸酯酶少,磷酸酯酶活性處于較低水平.反應(yīng)器穩(wěn)定運行后,水解酸化菌和產(chǎn)甲烷菌已適應(yīng)反應(yīng)器的環(huán)境,開始大量增殖,細(xì)菌數(shù)量多而活性大,磷酸酯酶產(chǎn)生菌多而活躍,磷酸酯酶活性穩(wěn)定在較高的水平.超負(fù)荷階段,單相反應(yīng)器在消化抑制的前期,一方面由于此時反應(yīng)器內(nèi)還源源不斷地在投加餐廚垃圾,水解酸化菌大量生長以進(jìn)行水解作用,逐漸成為優(yōu)勢菌,而產(chǎn)甲烷菌活性相對減弱;另一方面水解作用不斷進(jìn)行,產(chǎn)生有機(jī)酸,但其濃度達(dá)到一定程度時,產(chǎn)甲烷菌受到抑制,產(chǎn)甲烷過程受阻,導(dǎo)致 VFA等迅速積累,從而反應(yīng)器環(huán)境發(fā)生變化,而環(huán)境的變化使菌群進(jìn)一步發(fā)生演替. Anupama等[12]研究表明,古細(xì)菌和細(xì)菌對厭氧污

泥中的磷酸酯酶活性均有貢獻(xiàn),且貢獻(xiàn)率分別為45%和55%.因此,可以推測水解酸化菌較產(chǎn)甲烷菌對磷酸酯酶活性的貢獻(xiàn)率大.厭氧消化反應(yīng)器中水解酸化菌活性不斷增強(qiáng),產(chǎn)甲烷菌活性不斷減弱.而減少的產(chǎn)甲烷菌所釋放的磷酸酯酶活性較增殖的產(chǎn)酸菌所釋放的磷酸酯酶活性少,故隨著水解酸化菌活性的不斷增強(qiáng),產(chǎn)甲烷菌不斷減弱.因而,磷酸酯酶活性也不斷增加.當(dāng)產(chǎn)甲烷菌受到抑制,而水解產(chǎn)酸菌活性增強(qiáng)到一定的程度時,磷酸酯酶活性就達(dá)到峰值.隨后由于反應(yīng)器中的產(chǎn)酸菌產(chǎn)生的有機(jī)酸無法順利被產(chǎn)甲烷菌利用轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳而不斷積累,水解產(chǎn)酸菌反過來受到抑制,磷酸酯酶活性快速下降.

3 結(jié)論

3.1 餐廚垃圾單相CSTR厭氧消化器在不同容積負(fù)荷下的酸性和堿性磷酸酯酶活性呈現(xiàn)不同水平.容積負(fù)荷率為 2.0～4.0kgVS/(m3·d)時,酸性和堿性磷酸酯酶活性平均值為 14.1,9.8μgNP/ (h·mL);當(dāng)容積負(fù)荷率為 5.0～7.5kgVS/(m3·d)時,平均值分別達(dá)到 138.4,23.6μgNP/(h·mL);容積負(fù)荷率為 8.5kgVS/(m3·d)時,分別達(dá)到峰值 318.1, 51.5μgNP/(h·mL),而后均快速下降.

3.2 在超負(fù)荷階段,磷酸酯酶活性驟升較 VFAs驟升、容積產(chǎn)氣率驟降超前2d,較pH值驟降超前1d,其活性變化對餐廚垃圾單相CSTR厭氧消化抑制具有一定的預(yù)警性.

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Role of phosphatase activity as an early warning indicator of inhibition in a single-phase anaerobic digester treating food waste.

PENG Xu-ya*, HONG Jun-hua, JIA Chuan-xing, MEI Bing, DI Yu-cui, WANG Lu (Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：541～546

The objective of this study was to understand the role of phosphatase activity as an early warning indicator of inhibition that has been often observed in the anaerobic digestion (AD) of food waste. Tests were conducted in laboratory scale, single-phase CSTR reactors operated at loading rates ranged from 2.0 to 8.5kg VS/(m3?d). The activity of acid phosphatase (ACP) and alkaline phosphatase (ALP), volatile fatty acids (VFAs), volumetric gas production rate and pH were measured during the reactor operation. The average ACP and ALP activity at the start-up phase when the reactor loading rate ranged from 2.0 to 4.0kg VS/(m3?d) were measured as 14.1 and 9.8 μgNP/(h?mL), respectively; while 138.4 and 23.6μgNP/(h?mL) at the steady phase when the reactor loading rate was within 5.0 to 7.5kg VS/(m3?d). The ACP and ALP activity peaked at 318.1 and 51.5μgNP/(h?mL) when reactors were overloaded at 8.5kg VS/(m3?d), after which both activity significantly decreased. The sharp increase in phosphatase activity occurred two days prior to the loading rate increase and one day prior to the pH drop, which suggests it could be an early warning indicator of inhibition that often occurred in the anaerobic digestion of food waste.

phosphatase activity；food waste；single-phase anaerobic digestion；inhibition；early warning

X705

A

1000-6923(2012)03-0541-06

2011-06-24

“十一五”國家科技支撐計劃(No.2010BAC67B01);重慶市科技計劃重點項目

* 責(zé)任作者, 教授, xypeng33@126.com

彭緒亞(1963-),男,重慶市人,教授,博士,從事固體廢物污染控制與資源化技術(shù)研究.發(fā)表論文100余篇.