李成濤， 崔 倩, 陳 娜， 潘國軍， 趙蔚檸

(1.陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院， 陜西 西安 710021)

0 引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，中國市政污泥產(chǎn)量越來越大.據(jù)統(tǒng)計，截至2016年3月，中國已建成3 910多座城鎮(zhèn)污水處理廠，污水處理能力已達到1.67×108m3·d-1，預(yù)計到2020年，中國市政污泥年產(chǎn)量將達到6 000～9 000萬噸[1,2].污泥作為污水處理過程中產(chǎn)生的廢棄物，其自身成分比較復(fù)雜，并且攜帶大量的微生物、病原菌、重金屬以及有機污染物等，處理處置不當(dāng)容易產(chǎn)生二次污染，不僅會影響污水處理系統(tǒng)的處理能力，也會對生態(tài)環(huán)境和人類活動造成嚴重威脅[3].

目前，中國城市污泥處置方式主要有土地填埋、棄置、焚燒、資源化等[1,4,5]，但每種方式都可能會對環(huán)境造成二次污染，對人體健康造成危害[6-8].為了減少大量的剩余污泥對環(huán)境的污染壓力，剩余污泥減量化技術(shù)已越來越受到重視，包括采用超聲波處理、堿熱處理、微波照射、電解和化學(xué)藥劑處理等[9-13].盡管這些技術(shù)具有較高的減少污泥中有機物的潛力，但操作成本高，能耗高，操作復(fù)雜，實際規(guī)模的應(yīng)用受到限制[14].剩余污泥生物減量技術(shù)是一種基于污泥中微生物隱性生長(微生物依靠自身細胞的溶解來維持生長的方式)的污泥降解技術(shù)，其利用嗜熱脂肪地芽孢桿菌在高溫下分泌具有許多生物活性的胞外酶[15]，通過胞外酶催化反應(yīng)破壞胞外聚合物，深入裂解菌膠團將難以降解的大分子有機物降解為小分子可溶性物質(zhì)并釋放，然后通過后續(xù)反應(yīng)實現(xiàn)對剩余污泥的短時高效降解[16-18]，具有安全高效、操作方便、經(jīng)濟性好、易于管理控制、有良好應(yīng)用前景的優(yōu)點[19].

本研究以嗜熱脂肪地芽孢桿菌為研究對象，研究其產(chǎn)酶特性并優(yōu)化產(chǎn)酶條件，以此為基礎(chǔ)，考察其對剩余污泥減量降解效果，以實現(xiàn)利用微生物技術(shù)達到剩余污泥減量的目標(biāo).

1 實驗部分

1.1 實驗材料

1.1.1 菌種

嗜熱脂肪地芽孢桿菌購自中國工業(yè)微生物菌種保藏中心(菌種編號：CICC 22976)，剩余污泥取自陜西省西安市第五污水處理廠.

1.1.2 減量降解培養(yǎng)基

新鮮剩余污泥5 g(含水量95%～97%)、氯化銨10 g、氯化鈉5 g、水1 000 mL、pH 7.4～7.6.

1.1.3 主要儀器

pH計(PHSJ-3F，上海精密科學(xué)儀器有限公司)，COD消解器(HACH-45b，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)，紫外分光光度計(SP-UV1100，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)，馬弗爐(KSL-1200X，合肥科晶材料技術(shù)有限公司).

1.2 實驗方法

1.2.1 嗜熱脂肪地芽孢桿菌的產(chǎn)酶單因素實驗

在不同溫度(50 ℃、55 ℃、60 ℃)、不同轉(zhuǎn)速(80 rpm、120 rpm、160rpm)、不同接種量(1%、5%、10%)條件下，將活化后的嗜熱脂肪地芽孢桿菌接種至減量降解培養(yǎng)基中培養(yǎng)48 h，每8 h取樣，測定嗜熱脂肪地芽孢桿菌的蛋白酶活性和淀粉酶活性，考察溫度、轉(zhuǎn)速、接種量等因素對嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)酶活性的影響.

1.2.2 嗜熱脂肪地芽孢桿菌的產(chǎn)酶正交試驗

以單因素實驗結(jié)果為處理條件，將嗜熱脂肪地芽孢桿菌接種至減量降解培養(yǎng)基中，考察嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)酶最佳培養(yǎng)條件.

1.2.3 嗜熱脂肪地芽孢桿菌降解剩余污泥

在最適培養(yǎng)條件下，將嗜熱脂肪地芽孢桿菌接入剩余污泥中進行減量降解實驗，定時取樣測定其溶解性COD(SCOD)、氨氮、蛋白質(zhì)含量、總懸浮物(TSS)、揮發(fā)性懸浮物(VSS)的含量變化.

1.3 測定方法

不同培養(yǎng)條件下嗜熱脂肪地芽孢桿菌淀粉酶和蛋白酶活性測定[20]，接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌處理及對照的SCOD含量測定[21,22]，接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌處理及對照的TSS和VSS含量測定[21,22]，接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌處理及對照的氨氮含量測定[23]，接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌處理及對照的蛋白質(zhì)含量測定[24].

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 溫度對嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)酶活性的影響

溫度對嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)蛋白酶和淀粉酶活性影響結(jié)果如圖1和圖2所示.由圖可知，隨著培養(yǎng)時間的延長，3個溫度下蛋白酶含量均整體呈上升趨勢，40 h時均達到最高值，55 ℃下的蛋白酶活性為4.429 U/mL；而淀粉酶含量呈先上升后下降的趨勢，24 h時均達到最高值，55 ℃下的淀粉酶活性為0.046 U/mL.微生物的培養(yǎng)溫度對細胞生長、產(chǎn)物合成、培養(yǎng)液的物理性質(zhì)和生物合成方向有著比較明顯的影響，因此，培養(yǎng)溫度變化會直接影響嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)蛋白酶和脂肪酶的活性.

圖1 溫度對嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)蛋白酶活性影響

圖2 溫度對嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)淀粉酶活性影響

2.1.2 轉(zhuǎn)速對嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)酶活性的影響

轉(zhuǎn)速對嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)蛋白酶和淀粉酶活性影響結(jié)果如圖3和圖4所示.由圖可知，三種轉(zhuǎn)速下蛋白酶活性呈現(xiàn)升高趨勢，且蛋白酶活性的最高值均出現(xiàn)在48 h，在120 rpm下蛋白酶活性達到最高為4.14 U/mL；而三種不同轉(zhuǎn)速下淀粉酶活性均是先升高后降低，在120 rpm時出現(xiàn)最高值0.04 U/mL.

轉(zhuǎn)速的變化會直接引起嗜熱脂肪地芽孢桿菌氧環(huán)境的變化，氧含量的變化會影響嗜熱脂肪地芽孢桿菌的內(nèi)源呼吸，適當(dāng)?shù)娜芙庋鯐涌炀w的蛋白質(zhì)和有機物的水解，但是較低(80 rpm時)或者較高(160 rpm時)的溶解氧反而會抑制嗜熱脂肪地芽孢桿菌胞外酶的水解，使酶活性降低.

圖3 不同轉(zhuǎn)速下蛋白酶活性變化曲線

圖4 不同轉(zhuǎn)速下淀粉酶活性變化曲線

2.1.3 不同接種量對嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)酶活性的影響

接種量對嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)蛋白酶和淀粉酶活性影響結(jié)果如圖5和圖6所示.由圖可知，三種接種量下蛋白酶活性的變化趨勢基本為先降低后升高，且接種量為10%的蛋白酶活性變化曲線要高于接種量為1%和5%的酶活性，最高蛋白酶活性為5.31 U/mL；而淀粉酶活性的變化趨勢均為先升高后降低，且接種量為10%的淀粉酶活性變化曲線要比接種量為1%和5%的酶活性高，最高淀粉酶活性為0.042 U/mL.

圖5 不同接種量下蛋白酶活性變化曲線

圖6 不同接種量下淀粉酶活性變化曲線

2.2 正交試驗

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，設(shè)計嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)蛋白酶和淀粉酶的正交試驗，如表1所示.

表1 嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)蛋白酶和淀粉酶正交試驗

結(jié)合正交試驗，在九種不同的培養(yǎng)條件下，嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)蛋白酶和淀粉酶的活性變化曲線如圖7和圖8所示.

由圖7可知，九組不同培養(yǎng)條件下的蛋白酶的活性變化有很大不同.實驗號7、8、9號的蛋白酶活性明顯低于其他六組的酶活性，而酶活性近似的2、3、5號的蛋白酶活性較高.由圖8可知，淀粉酶活性的變化趨勢基本為先升高后降低，且各個實驗組之間最高淀粉酶活性的出現(xiàn)時間點是不盡相同的，其中淀粉酶活性較好的實驗組為4、5號.

圖7 不同培養(yǎng)條件下蛋白酶活性變化曲線

圖8 不同培養(yǎng)條件下淀粉酶活性變化曲線

綜合以上試驗結(jié)果，選定實驗組5號(55 ℃、120 rpm、接種量12%)為嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)蛋白酶和淀粉酶最適培養(yǎng)條件.

2.3 嗜熱脂肪地芽孢桿菌降解剩余污泥

2.3.1 TSS和VSS的變化

TSS和VSS是評價污泥減量降解程度的代表性參數(shù).在108 h的反應(yīng)過程中，剩余污泥的TSS和VSS的溶解率變化曲線見圖9和圖10所示.

從圖9和圖10可以看出，TSS和VSS的溶解率均在108 h時達到最大值，但接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌剩余污泥的溶解率變化趨勢明顯比未接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的顯著.在108 h時，接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的TSS溶解率達到65.71%，未接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的TSS溶解率僅達到49.85%，比接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的TSS溶解率低15.86%；而接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的VSS溶解率達到58.18%，未接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的VSS溶解率為41.67%,比接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的VSS溶解率低16.51%.由此可看出嗜熱脂肪地芽孢桿菌的接入對于剩余污泥的降解具有明顯的促進作用.

在降解過程中，嗜熱脂肪地芽孢桿菌一方面以污泥中的有機物作為碳源進行微生物的合成和生長；另一方面不斷釋放胞外酶(蛋白酶和淀粉酶)，這些酶不斷溶解污泥中微生物的細胞壁和細胞質(zhì)，使得污泥中的懸浮固體溶解，TSS和VSS的溶解率不斷升高.在反應(yīng)后期，TSS和VSS的溶解率增長率有所減慢，可能是由于污泥溶解后產(chǎn)生的高濃度氨氮、高pH值影響嗜熱脂肪地芽孢桿菌活性，并可能影響其所分泌的胞外酶的活性.

圖9 TSS溶解率變化曲線

圖10 VSS溶解率變化曲線

2.3.2 氨氮和蛋白質(zhì)含量的變化

剩余污泥中蛋白質(zhì)的水解程度影響著后續(xù)厭氧消化性能以及甲烷的產(chǎn)量.在嗜熱脂肪地芽孢桿菌的剩余污泥降解過程中蛋白質(zhì)和氨氮的變化見圖11和圖12所示.

圖11 蛋白質(zhì)變化曲線

圖12 氨氮變化曲線

從圖11可看出，實驗過程中蛋白質(zhì)的含量變化呈動態(tài)變化趨勢，接種與未接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的剩余污泥中的蛋白質(zhì)含量均為先升高再降低之后再繼續(xù)升高，且接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的剩余污泥的蛋白質(zhì)含量比未接種的高.

從圖12可看出，氨氮的含量變化呈先升高后稍降低的趨勢，接種與未接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的剩余污泥中的氨氮均在84 h時達到最大值，分別為368 mg/L和286 mg/L，接種的要比不接種的氨氮含量高22.2%.由此可以看出嗜熱脂肪地芽孢桿菌的加入對于剩余污泥的降解具有明顯的促進作用.

在嗜熱脂肪地芽孢桿菌降解剩余污泥過程中，嗜熱脂肪地芽孢桿菌分泌的胞外酶會降解污泥菌膠團，使污泥中的有機物解聚溶出，因此液相中的蛋白質(zhì)含量不斷增加.蛋白質(zhì)不斷從菌膠團中釋放的同時，也在不斷水解，生成多肽、二肽、氨基酸，而氨基酸又進一步水解為低分子有機酸、氨及二氧化碳[25]，此種情況下，致使氨氮濃度快速增加；到反應(yīng)后期，氨氮濃度下降，一方面是由于氨氮含量達到最大值后蛋白質(zhì)和氨基酸水解反應(yīng)活性造成；另一方面是此部分實驗是在嗜熱脂肪地芽孢桿菌產(chǎn)酶最適培養(yǎng)條件55 ℃下進行的，高溫使部分氨氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘睔?，氨氣由于溫度和連續(xù)曝氣而揮發(fā)[25]，同時嗜熱脂肪地芽孢桿菌利用氨氮進行自身細胞合成，這使得液相中氨氮濃度下降.

2.3.3 SCOD的變化

COD表示污水中有機污染物所消耗的氧化劑的含量，可以反映有機物被微生物分解的程度.SCOD表示的是污泥中上清液的COD.在嗜熱脂肪地芽孢桿菌對剩余污泥的降解過程中SCOD的變化曲線見圖13所示.

圖13 SCOD的變化曲線

從圖13可看出，SCOD含量的變化趨勢為先增加后逐漸降低，接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的剩余污泥的SCOD比未接種的上升趨勢快，且接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的剩余污泥的SCOD最高達到3 073 mg/L，對照最高達到2 817 mg/L.綜合以上表明，嗜熱脂肪地芽孢桿菌的加入對于剩余污泥的降解是有促進作用的.

反應(yīng)前期，接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的剩余污泥中的的胞外酶具有高生物活性，能破壞菌膠團使之解聚，然后溶解微生物細胞的細胞壁和細胞膜，使胞內(nèi)物質(zhì)外流，有機物質(zhì)從固相進入液相[25]，這些大分子物質(zhì)被相應(yīng)降解菌降解或吸收，轉(zhuǎn)化為溶解性的小分子物質(zhì)和無機物質(zhì)[19]，使得污泥中的TCOD轉(zhuǎn)變?yōu)镾COD，上清液中的SCOD增加；而未接種的剩余污泥在高溫?zé)崴庾饔孟拢袡C物降解溶出，故SCOD也增加[25].在反應(yīng)后期，SCOD的含量不斷下降，這可能是因為少量揮發(fā)性有機物和胞外酶降解有機物生成的二氧化碳、水及氨氣以氣體的形式轉(zhuǎn)移至氣相.同時，嗜熱脂肪地芽孢桿菌在降解過程中也會吸收利用這些有機物進行自身的生長繁殖[25]，使部分含碳物質(zhì)返回固相.

3 結(jié)論

(1)嗜熱脂肪地芽孢桿菌的蛋白酶、淀粉酶的酶活最適培養(yǎng)條件為55 ℃、120 rpm、接種量12%.

(2)通過嗜熱脂肪地芽孢桿菌降解剩余污泥實驗可知，在108 h時，接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的污泥TSS和VSS溶解率分別達到65.71%、58.18%，分別比對照高15.86%、16.51%；接種嗜熱脂肪地芽孢桿菌的SCOD最高達到3 073 mg/L，而對照最高達到2 817 mg/L.以上實驗結(jié)果表明：嗜熱脂肪地芽孢桿菌的加入對剩余污泥的降解有很好的促進作用.