王先寶，張雨笛，馬明華，張敏婷，亓雪菲，陳甜甜，高楚玥，張安龍

(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.西安市第五污水廠,陜西 西安 710075)

0 引言

目前我國城市污水處理廠主要采用活性污泥處理工藝，工藝運(yùn)行過程中主要存在兩個(gè)問題：(1)剩余污泥產(chǎn)量大，處理處置成本較高[1]，(2)進(jìn)水碳氮比低，影響生物系統(tǒng)脫氮除磷效果[2,3].隨著我國污水處理廠出水排放標(biāo)的提高，對生物系統(tǒng)脫氮除磷提出了更高的要求，碳源不足的問題越發(fā)突出[4].剩余污泥中含有豐富的有機(jī)物，回收剩余污泥中有機(jī)成分作為電子供體驅(qū)動(dòng)反硝化反應(yīng)是解決上述問題的有效途徑，可實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用與污水處理工藝效能提升的雙重效果，因此成為污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)酸可為生物脫氮除磷過程提供有機(jī)碳源，同時(shí)減少污泥產(chǎn)量.由于細(xì)胞壁阻礙細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物質(zhì)的流出，限制了有機(jī)物與發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌之間的作用，使得水解過程成為污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的限速步驟[5,6]，因此國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)各類預(yù)處理技術(shù)破碎污泥以強(qiáng)化污泥發(fā)酵效果.污泥發(fā)酵預(yù)處理技術(shù)根據(jù)作用方式可以分為物理法[7]、化學(xué)法[8]、生物法[9]及組合方法.常用的物理法有超聲波[10]、機(jī)械處理法[11]、冷凍、微波[12]、熱處理[13]等；化學(xué)法主要包括酸堿處理[14]、臭氧法[15]、表面活性劑處理等，生物法以接種發(fā)酵細(xì)菌、投加酶制劑[16]為主.三種預(yù)處理技術(shù)的核心均為破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)溶出，盡快參與發(fā)酵過程，從而提高發(fā)酵產(chǎn)酸效率.

機(jī)械預(yù)處理由于實(shí)施簡單受到學(xué)者的廣泛關(guān)注.通常所用的機(jī)械溶胞方法有:轉(zhuǎn)動(dòng)球磨法(SBM)、高壓均質(zhì)器法(HPH)、機(jī)械噴射粉碎技術(shù)(MJS)和離心溶胞技術(shù)(LC)等[6,17].劉東方等[18]采用球磨機(jī)對污水處理廠初沉池污泥進(jìn)行破碎預(yù)處理，發(fā)酵5 d后系統(tǒng)SCOD從1 742 mg/L增加到8 256 mg/L，污泥水解轉(zhuǎn)化效率為32.0%.李高朋[19]用高壓均質(zhì)法強(qiáng)化剩余污泥水解酸化，在40 MPa高壓下破解剩余污泥，污泥破解度達(dá)到22.88%.

本研究提出一種基于機(jī)械攪拌切割作用的新型預(yù)處理方式，分析預(yù)處理技術(shù)對剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)酸性能的影響，并從污泥粒徑變化、系統(tǒng)微生物種群結(jié)構(gòu)等方面對其作用機(jī)制進(jìn)行解析.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 污泥來源

本研究所用污泥取自西安市某污水處理廠二沉池.污泥取回后，經(jīng)2 mm濾網(wǎng)過濾除去大顆粒物質(zhì)及毛發(fā)等雜物，然后將污泥保存在4 ℃冰箱中備用.實(shí)驗(yàn)污泥的主要性質(zhì)如表1所示.

表1 剩余污泥的主要性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)取1 500 mL的剩余污泥平均分為2份，采用九陽JYL-99型破壁機(jī)分別在21 000 r/min(預(yù)處理1)和35 000 r/min(預(yù)處理2)轉(zhuǎn)速下對污泥進(jìn)行攪拌切割破碎10 min.分析上清液中的SCOD、多糖、蛋白質(zhì)等指標(biāo).

(2)分別取400 mL兩種預(yù)處理方式處理后的剩余污泥，同時(shí)以400 mL原污泥為對照組，分別加入3個(gè)發(fā)酵罐進(jìn)行厭氧發(fā)酵，通入氮?dú)? min以去除溶液中溶解氧.通過恒溫?fù)u床控制發(fā)酵溫度為35 ℃，振蕩頻率為180 r/min.發(fā)酵周期為8 d，每日取樣測定發(fā)酵系統(tǒng)上清液中的SCOD、VFAs、多糖、蛋白質(zhì)、氨氮和磷酸鹽濃度.

(3)在污泥發(fā)酵第6 d時(shí)，取污泥樣品委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司通過高通量測序技術(shù)對發(fā)酵系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.

1.3 分析指標(biāo)

揮發(fā)性固體含量(VSS)與污泥濃度(SS)采用重量法測定，氨氮與磷酸鹽分別采用納氏劑分光光度法與鉬酸銨分光光度法進(jìn)行測定[20]，SCOD采用快速消解法測定，多糖采用苯酚-硫酸法[21]，蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍(lán)G250染色法測定[22].

機(jī)械預(yù)處理對剩余污泥破碎程度采用SCOD溶出率進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算方法如公式(1)所示.

DD=(SCOD1-SCOD0)/(TCOD0-SCOD0)

(1)

式(1)中：SCOD0與SCOD1表示污泥機(jī)械破碎處理前后溶解性COD的濃度，mg/L；TCOD0表示污泥樣品的總COD的濃度，mg/L.

VFAs采用氣相色譜儀進(jìn)行測定[23].樣品首先經(jīng)0.45μm濾膜過濾，加3%的甲酸調(diào)節(jié)pH=4，然后將濾液儲存在1.5 mL的氣相小瓶中.采用Agilent 6890N氣相色譜儀與FID檢測器分析，色譜柱為DB-WAXETR(30 m×1.0μm×0.53 mm).以氮?dú)庾鳛檩d氣，進(jìn)氣流速為20 mL/min.進(jìn)樣口與檢測器溫度分別為230 ℃和250 ℃.色譜柱起始柱溫100 ℃，持續(xù)2 min，然后以6 ℃/min的速度升高至200 ℃，持續(xù)2 min.樣品進(jìn)樣量為1μL.本試驗(yàn)測定的六種酸分別為乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸、正戊酸.為方便比較，將VFA濃度換算為COD濃度，具體換算系數(shù)為：乙酸1.07、丙酸1.51、正丁酸與異丁酸1.82、正戊酸與異戊酸2.04.

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理對污泥的破壁溶胞作用

污泥粒徑的變化可以反應(yīng)預(yù)處理對污泥絮體結(jié)構(gòu)的破碎情況，圖1為污泥預(yù)處理前后污泥粒徑分布.經(jīng)過兩種強(qiáng)度的預(yù)處理作用，污泥絮體平均體積粒徑由原始的66.7μm降低至21.9μm和16.4μm，粒徑分別降低了67.2%與75.4%.污泥粒徑變小，比表面積增加，有利于污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的進(jìn)行.原始污泥中SCOD濃度為220 mg/L，經(jīng)過預(yù)處理后溶液中SCOD濃度分別增加至1 457和2 132 mg/L，污泥破碎程度分別為10.9%和16.9%.Rai等[24]采用高壓均質(zhì)法破碎污泥，壓強(qiáng)在20、30和40 MPa下污泥破碎程度分別為4.5%、10.7%和12.5%.

圖1 預(yù)處理前后污泥粒徑分布

說明本研究采用攪拌切割破碎模式可以實(shí)現(xiàn)較好的污泥破碎效果.同時(shí)經(jīng)過預(yù)處理后，溶解性蛋白質(zhì)與多糖含量也顯著增加，兩種預(yù)處理方式下溶解性蛋白質(zhì)濃度由原始的53.7 mg/L提高至84.9 mg/L和101.6 mg/L，多糖濃度由31.4 mg/L增加至75.2 mg/L和173.7 mg/L.溶液中蛋白質(zhì)、多糖等溶解性有機(jī)物增加有利于后續(xù)污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的進(jìn)行.

2.2 機(jī)械攪拌切割預(yù)處理對污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的影響

2.2.1 污泥發(fā)酵液中SCOD的變化

污泥發(fā)酵液中SCOD濃度隨時(shí)間變化如圖2所示.由圖2可以看出，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，三個(gè)反應(yīng)器中SCOD濃度均呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢.李曉玲[25]在剩余污泥厭氧發(fā)酵的研究中也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象.發(fā)酵初期階段，隨著污泥中有機(jī)物的溶出，SCOD濃度逐漸增加，污泥停留時(shí)間(SRT)為6 d時(shí)，SCOD濃度達(dá)到最大.隨后SCOD濃度有所降低，這可能是由于發(fā)酵時(shí)間的延長而逐漸馴化的系統(tǒng)內(nèi)原有的微生物，以大量積累的SCOD為底物進(jìn)行生長代謝而消耗[25].三個(gè)反應(yīng)器對比分析可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理作用可顯著提高SCOD的產(chǎn)量，且預(yù)處理強(qiáng)度越大，SCOD產(chǎn)量越高.對照組SCOD最大濃度為2 601 mg/L，預(yù)處理1和預(yù)處理2組SCOD最大濃度高達(dá)3 640 mg/L和5 102 mg/L，與對照組相比分別提高39.9%和96.2%.這是因?yàn)轭A(yù)處理強(qiáng)度越高，機(jī)械攪拌切割作用對EPS和細(xì)胞壁的破解效果越好，越有利于有機(jī)物的溶出.

圖2 剩余污泥發(fā)酵液中SCOD濃度的變化

2.2.2 溶解性多糖與蛋白質(zhì)的變化

圖3為發(fā)酵系統(tǒng)中溶解性蛋白質(zhì)與多糖濃度變化.可以看出，蛋白質(zhì)與多糖濃度變化趨勢基本一致，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，溶解性蛋白質(zhì)與多糖的濃度逐漸增加，SRT=6 d時(shí)，濃度達(dá)到最大，隨后基本保持穩(wěn)定.預(yù)處理組蛋白質(zhì)與多糖濃度均高于對照組，SRT=6 d時(shí)，三組反應(yīng)系統(tǒng)中溶解性蛋白質(zhì)的濃度分別為473 mg/L、520 mg/L和553 mg/L，預(yù)處理作用使蛋白質(zhì)濃度提高了9.9%和16.9%.三組系統(tǒng)中溶解性多糖濃度分別為279 mg/L、319 mg/L和334 mg/L，預(yù)處理作用使多糖濃度提高了14.3%和19.8%.

(a)剩余污泥發(fā)酵液中蛋白質(zhì)含量變化

2.2.3 污泥發(fā)酵液中VFAs濃度和組分的變化

揮發(fā)性脂肪酸的濃度及組成是評價(jià)污泥發(fā)酵產(chǎn)酸程度的一個(gè)重要指標(biāo)，圖4和圖5為發(fā)酵產(chǎn)酸系統(tǒng)中VFAs含量變化及SRT=6 d時(shí)VFAs組分分析結(jié)果.發(fā)酵系統(tǒng)中VFAs產(chǎn)量同SCOD產(chǎn)量變化趨勢相似，呈現(xiàn)先逐漸上升后降低的趨勢，很多研究均得到過相似的結(jié)論[26,27].發(fā)酵初期，產(chǎn)酸細(xì)菌逐漸將溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)為VFAs，因此VFAs濃度逐漸增加.而發(fā)酵后期，產(chǎn)甲烷菌逐漸適應(yīng)了環(huán)境，并且利用短鏈脂肪酸進(jìn)行產(chǎn)甲烷，因此VFAs濃度有所降低[25,28,29].兩組預(yù)處理系統(tǒng)中VFAs最大濃度為2 548 mg/L和3 469 mg/L，分別是對照組(1 795 mg/L)的1.42與1.93倍.說明預(yù)處理作用通過加快有機(jī)物的溶解，增加產(chǎn)酸過程所需的溶解性蛋白質(zhì)與多糖等底物濃度，從而提高VFAs產(chǎn)量.三種反應(yīng)器中VFAs組成分布基本一致，乙酸是VFAs的主要成分，含量為40%～45%，其次為丙酸、正丁酸和異戊酸，其含量分別在15%～25%，異丁酸與正戊酸含量較少.乙酸是微生物脫氮除磷過程易于利用的碳源，因此乙酸含量高有利于發(fā)酵液作為碳源進(jìn)行生物脫氮除磷.

圖4 剩余污泥發(fā)酵液中VFAs濃度的變化

圖5 發(fā)酵第6天時(shí)VFAs的組分

2.2.4 氨氮、磷酸鹽的濃度變化

剩余污泥發(fā)酵過程中氨氮與磷酸鹽釋放是不可避免的問題，氨氮主要來源于蛋白質(zhì)的降解，而磷酸鹽主要是由于細(xì)菌破壁溶胞導(dǎo)致聚磷菌體內(nèi)的磷元素釋放.發(fā)酵過程中氨氮與磷酸的釋放如圖6所示.隨著發(fā)酵的進(jìn)行，氨氮與磷酸鹽濃度逐漸增加，SRT=5～6 d時(shí)，氨氮與磷酸鹽釋放量達(dá)到最大.SRT=6 d時(shí)，對照組、預(yù)處理1和預(yù)處理2中氨氮含量分別為53.6 mg/L、56.0 mg/L和65.6 mg/L，磷酸鹽濃度分別為80.8 mg/L、106.4 mg/L和147.2 mg/L.氨氮與磷酸鹽的濃度與SCOD濃度變化趨勢基本一致，說明污泥水解產(chǎn)生有機(jī)物性的過程中同時(shí)伴隨著氮磷元素的釋放，且預(yù)處理作用可提高SCOD產(chǎn)量，同時(shí)也會增加氨氮與磷酸鹽的釋放量.發(fā)酵后期氨氮與磷酸鹽濃度有所降低，氨氮濃度降低可能是由于微生物生長代謝所消耗，同時(shí)發(fā)酵后期氨氮濃度較高，可能有少量氨氮揮發(fā)到了空氣中.藍(lán)雷傳對剩余污泥發(fā)酵的研究中也觀察到發(fā)酵后期磷酸鹽濃度的降低，認(rèn)為可能是溶解性磷酸鹽與反應(yīng)器中存在的鎂離子、鈣離子等結(jié)合生成沉淀導(dǎo)致的[30].氨氮與磷酸鹽是污水處理的主要對象，因此若將發(fā)酵液用于生物脫氮除磷過程，首先需要將發(fā)酵液中的氮磷元素進(jìn)行回收，鳥糞石結(jié)晶法是目前主要的技術(shù)手段[31].

(a)氨氮濃度變化

2.3 微生物種群分析

高通量測序結(jié)果表明，三組發(fā)酵系統(tǒng)樣品中分別含有37 564、36 828與34 992個(gè)有效序列.圖7為三組樣品OTU維恩圖，三組樣品中分別含有621、333和463個(gè)OTU.污泥經(jīng)過預(yù)處理后發(fā)酵系統(tǒng)中OTU數(shù)量明顯減少，這可能是由于機(jī)械切割作用導(dǎo)致部分細(xì)胞死亡引起的.對照組與預(yù)處理1組樣品共有的OTU數(shù)量為255，分別占兩個(gè)樣品OTU總數(shù)的41.1%和76.6%.對照組與預(yù)處理2組樣品共有OTU數(shù)量為317，分別占兩個(gè)樣品OTU總數(shù)的51.0%和68.4%.說明預(yù)處理作用不僅會影響系統(tǒng)OTU數(shù)量，同時(shí)發(fā)酵系統(tǒng)中會產(chǎn)生25%～30%新的OTU，即預(yù)處理作用會影響系統(tǒng)微生物種群分布.

圖7 三組發(fā)酵系統(tǒng)OTU維恩圖

圖8為樣品中豐度大于0.08%的微生物種群分布結(jié)果(門水平).Firmicutes是發(fā)酵系統(tǒng)中的優(yōu)勢種群，三種樣品中其相對豐度分別為84.38%、88.33%和96.54%.Firmicutes普遍存在于厭氧消化反應(yīng)過程中，能夠降解纖維素、蛋白質(zhì)、多糖和氨基酸等有機(jī)物[32].說明機(jī)械攪拌切割預(yù)處理有利于Firmicutes的富集，而這種微生物對污泥水解酸化起重要作用，從而提高了系統(tǒng)SCOD與VFAs的產(chǎn)量.

圖8 發(fā)酵系統(tǒng)微生物門水平群落分布

3 結(jié)論

(1)機(jī)械攪拌切割預(yù)處理可以實(shí)現(xiàn)較好的污泥破碎效果，兩種作用強(qiáng)度下污泥粒徑分別降低了67.2%與75.4%，污泥破碎程度分別達(dá)到10.9%和16.9%，污泥粒徑減小、細(xì)胞破碎有利于后續(xù)污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的進(jìn)行.

(2)機(jī)械預(yù)處理可顯著提高污泥發(fā)酵產(chǎn)酸效果，且攪拌切割強(qiáng)度越大，對發(fā)酵效果的促進(jìn)作用越明顯.發(fā)酵第6 d時(shí)SCOD和VFAs含量達(dá)到最大，與對照組相比，預(yù)處理1組和預(yù)處理2組的SCOD含量分別提高39.9%和96.2%，VFAs產(chǎn)量分別提高42%、93%.

(3)高通量測序結(jié)果表明，機(jī)械破碎預(yù)處理會影響發(fā)酵系統(tǒng)微生物種群結(jié)構(gòu)，F(xiàn)irmicutes是發(fā)酵系統(tǒng)中的優(yōu)勢種群，在預(yù)處理1與預(yù)處理2組中的相對豐度分別為88.33%和96.54%，明顯高于對照組(84.38%)，從而有提高系統(tǒng)SCOD與VFAs的產(chǎn)量.