胡俊松,劉 卓,朱亞東

(南大環(huán)境規(guī)劃研究院<江蘇>有限公司,江蘇南京 210000)

以生物法為主的城鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)生大量剩余污泥,厭氧發(fā)酵可將剩余污泥中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣或揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)等,已成為最常用的污泥處理技術(shù)之一,且是實(shí)現(xiàn)污水廠低碳運(yùn)行的重要方法[1-2]。VFAs相比于沼氣具有更高的附加值,而且具有廣泛的用途,如作為污水廠脫氮除磷的碳源、作為原料進(jìn)行工業(yè)化學(xué)品(可降解塑料、醋酸乙烯等)的合成等[3]。因此,污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs受到了研究者廣泛關(guān)注。

污泥堿性發(fā)酵中通常將pH值控制在10左右,可有效促進(jìn)污泥有機(jī)物[特別是蛋白質(zhì)(PN)]的釋放,并對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生極大的抑制,進(jìn)而導(dǎo)致VFAs的大量累積[4-5]。已有研究表明,污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)酸效率受到溫度[6]、污泥停留時間[7]、堿的種類[8]等操作參數(shù)的影響。此外,通過預(yù)處理和外源添加劑的使用,也可促進(jìn)污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)酸效率的提升[9]?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn),研究者們已建立了一些強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的措施。然而,這些研究主要考察了操作參數(shù)優(yōu)化、添加劑使用等方法對污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)酸的影響,關(guān)于污泥本身的性質(zhì)對其堿性發(fā)酵產(chǎn)酸效果的影響研究還較少。

進(jìn)水泥沙含量高、污泥齡較長以及直接在二沉池投加除磷藥劑等原因[10],導(dǎo)致我國污水廠污泥普遍存在含砂量高的問題,含砂量可達(dá)14%～56.8%(平均含量約為35%,中位粒徑約為30 μm)[11],明顯高于歐美等國家污泥含砂量。研究[12]發(fā)現(xiàn),有機(jī)物可吸附至砂粒表面進(jìn)而改變污泥有機(jī)質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),阻礙污泥有機(jī)物的溶出和水解。Dai等[13]研究發(fā)現(xiàn),污泥中的PN是與砂粒結(jié)合的主要有機(jī)物,其結(jié)合導(dǎo)致污泥絮體粒徑增大,污泥水解效率降低,進(jìn)而甲烷產(chǎn)量也有所下降。污泥堿性發(fā)酵過程中,污泥有機(jī)質(zhì)的高效水解為酸化提供了豐富的底物,是VFAs大量積累的主要原因[14-15]。因而,含砂量的升高很可能對污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)酸產(chǎn)生不利影響,解析含砂量對污泥堿性發(fā)酵過程的影響機(jī)制將有助于進(jìn)一步開發(fā)提高VFAs產(chǎn)量的方法。然而目前,關(guān)于含砂量對污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)酸過程的影響研究鮮有報道。

本研究運(yùn)行4組不同含砂量(15%、30%、45%和60%)的污泥堿性發(fā)酵反應(yīng)器,考察了含砂量對VFAs產(chǎn)量和組成的影響,并從溶解性有機(jī)物的濃度、熒光特征和PN相對分子質(zhì)量分布以及微生物群落結(jié)構(gòu)的角度解析含砂量影響VFAs產(chǎn)生的作用機(jī)制,以期為污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)酸的強(qiáng)化提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 污泥特征和試驗(yàn)裝置

污泥取自某污水廠沉淀后的剩余污泥,污泥經(jīng)1.6 mm孔徑的濾網(wǎng)過濾后,分為均等的4份放置于4 ℃冰箱備用。接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的污泥厭氧消化反應(yīng)器。剩余污泥的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 剩余污泥的基本性質(zhì)

采用4個有效體積為400 mL的血清瓶作為反應(yīng)器,開展含砂量對污泥發(fā)酵產(chǎn)酸影響試驗(yàn)。反應(yīng)器命名為R1、R2、R3和R4,通過添加400～500目的二氧化硅顆粒調(diào)整R2、R3和R4的進(jìn)泥含砂量分別約為30%、45%和60%,R1以原污泥為進(jìn)料(含砂量約為15%)。添加氫氧化鈉溶液(1 mol/L),每天3次調(diào)節(jié)反應(yīng)器pH值為10±0.2。每個反應(yīng)器每天排出50 mL污泥,而后加入50 ml新鮮污泥,污泥停留時間為8 d[4],有機(jī)負(fù)荷為1.54 g VSS/(L·d),氣體采用氣袋收集。反應(yīng)器置于37 ℃搖床中,搖晃頻率為120 r/min。

1.2 分析項(xiàng)目和方法

1.2.1 水質(zhì)指標(biāo)分析

SCODCr、TCODCr、TSS、VSS的測定均按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[16]執(zhí)行。測定SCODCr、VFAs、溶解性有機(jī)物的樣品均經(jīng)離心、0.45 μm濾膜過濾后,進(jìn)行指標(biāo)的檢測。SCODCr每3～5 d檢測一次,VFAs濃度、溶解性PN和多糖(PS)濃度待反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后(反應(yīng)器運(yùn)行時長>32 d)進(jìn)行檢測,樣品數(shù)均大于3個。PN濃度采用BCA試劑盒(Thermo Fisher Scientific,Rockford,IL,美國)測定,PS濃度采用苯酚-硫酸法測定。VFAs采用安捷倫7890A氣相色譜儀進(jìn)行測定,色譜柱采用DB-FFAP柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm),進(jìn)樣口、柱箱和檢測器的溫度分別為240、260 ℃和210 ℃,氮?dú)鉃檩d氣,每次進(jìn)樣體積為1 μL。污泥含砂量的測定參照戴曉虎等[17]報道的方法,將樣品在105 ℃烘干,600 ℃灼燒,剩余殘?jiān)?2%的鹽酸浸泡,濾紙過濾,同時用32%的鹽酸反復(fù)淋洗濾渣,直至濾液顏色不變,而后烘干所得砂粒,稱重。

1.2.2 溶解性有機(jī)物特征分析

使用3種再生纖維超濾膜(相對分子質(zhì)量分別為1、10、30 kDa)對污泥堿性發(fā)酵液中PN的相對分子質(zhì)量分布進(jìn)行分析。將經(jīng)過0.45 μm濾膜后的發(fā)酵液加入超濾杯,逐級過濾,測定過濾前后PN濃度,得出PN相對分子質(zhì)量分布。

采用F-7000熒光光譜儀檢測發(fā)酵液溶解性有機(jī)物熒光特征,檢測方法根據(jù)文獻(xiàn)[18],檢測前樣品pH值調(diào)節(jié)至7.0～7.2。

1.2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

在反應(yīng)器運(yùn)行的第48 d,取污泥樣品進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)的分析。使用Fast DNATM Spin Kit試劑盒,按試劑盒說明書操作步驟完成DNA的提取,經(jīng)PCR擴(kuò)增、純化后送至美吉生物科技公司(上海),進(jìn)行基于MiSeq 平臺的16 S rRNA 基因高通量測序分析。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)繪圖采用Origin 2021軟件。采用SPSS 17.0軟件(IBM,Armonk,NY,美國)對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn)(t-test)。每克乙酸、丙酸、丁酸及異丁酸、戊酸及異戊酸對應(yīng)的CODCr質(zhì)量為1.07、1.51、1.81、2.04 g。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器基本運(yùn)行效果

4組反應(yīng)器的SCODCr和VFAs組成如圖1所示,反應(yīng)器運(yùn)行約16 d后,SCODCr濃度趨于穩(wěn)定。隨含砂量的升高,SCODCr呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢,R1、R2、R3和R4反應(yīng)器SCODCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(538.5±9.67)、(528.3±14.30)、(519.2±7.65)mg/(g VSS)和(481.8±14.67)mg/(g VSS)。該結(jié)果與Dai等[13]的研究結(jié)論相一致,即含砂量的升高可抑制污泥有機(jī)質(zhì)的溶出,導(dǎo)致SCODCr濃度的下降。VFAs也隨著含砂量的增加而降低(p<0.05),R1中VFAs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(314.0±11.93)mg CODCr/(g VSS),而R4中VFAs的濃度僅為(257.1±12.34)mg CODCr/(g VSS),下降了約18.12%。乙酸(41.28%～46.05%)和丙酸(20.01%～21.81%)是4個反應(yīng)器中主要的VFAs,該結(jié)果與前人[19]的研究報道相一致,即污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)酸反應(yīng)器中乙酸占比最高,丙酸次之。Wan等[20]研究發(fā)現(xiàn),污泥堿性發(fā)酵可富集大量以乙酸為主要產(chǎn)物的細(xì)菌,且同型產(chǎn)乙酸基因大量表達(dá)。Chen等[21]發(fā)現(xiàn),PN為主要底物的發(fā)酵中乙酸為主要產(chǎn)物,而以碳水化合物為主要底物的發(fā)酵中丙酸是主要產(chǎn)物。剩余污泥的主要成分為PN,因而乙酸是污泥堿性發(fā)酵的主要產(chǎn)物。此外,4個反應(yīng)器中SCODCr向VFAs轉(zhuǎn)化的效率分別為:58.30%(R1)、55.81%(R2)、55.27%(R3)和53.35%(R4),這表明隨污泥含砂量的增加,SOCDCr向VFAs轉(zhuǎn)化的也受到了抑制。Duan等[12]研究發(fā)現(xiàn),含砂量的升高可導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量和VSS去除率的降低,同時含砂量最低的反應(yīng)器(15%)具有最高的VFAs濃度。以上結(jié)果表明,含砂量的升高抑制了堿性發(fā)酵過程中污泥有機(jī)質(zhì)的水解和酸化,進(jìn)而導(dǎo)致了SCODCr和VFAs濃度的降低。

圖1 反應(yīng)器污泥水解酸化效果

2.2 反應(yīng)器中污泥有機(jī)物水解特征

水解是污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的限速步驟,污泥水解所得的溶解性有機(jī)物是發(fā)酵產(chǎn)VFAs的基質(zhì)。PN的高效水解是污泥堿性發(fā)酵過程VFAs產(chǎn)量提升的主要原因[3]。因此,探究污泥有機(jī)物(尤其是PN)的水解特征,是闡明含砂量對污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)酸影響的重要方面。

2.2.1 溶解性PN和PS濃度

各反應(yīng)器中溶解性PN、PS和氨氮的濃度如圖2所示。含砂量較高的R3(45%)、R4(60%)中PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)[(66.73±1.19)、(58.40±0.90) mg/(g VSS)]顯著低于含砂量較低的R1(15%)和R2(30%)的PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)[(75.83±2.79)、(74.99±1.05)mg/(g VSS)](p<0.05)。Dai等[13]的研究指出,污泥中的有機(jī)物可與砂粒結(jié)合,增大污泥絮體粒徑,其中PN是與砂結(jié)合的主要物質(zhì),進(jìn)而抑制污泥有機(jī)物(尤其是PN)的水解。溶解性PS的濃度隨含砂量的升高而略微下降,且其濃度遠(yuǎn)低于PN的濃度,該現(xiàn)象與前人[18]的報道相一致。此外,氨氮濃度也隨著含砂量的升高逐漸降低。以上分析表明,堿性環(huán)境下污泥PN的高效溶出,為發(fā)酵菌產(chǎn)VFAs提供了大量的基質(zhì),但隨著含砂量的升高,PN的水解效率降低,進(jìn)而導(dǎo)致了VFAs產(chǎn)量的降低[圖1(b)]。

圖2 不同反應(yīng)器中溶解性PN與PS及氨氮濃度

2.2.2 發(fā)酵液三維熒光光譜

為了進(jìn)一步探究含砂量對污泥堿性發(fā)酵過程中有機(jī)物水解特征的影響,采用三維熒光光譜儀對發(fā)酵液溶解性有機(jī)物的熒光組成進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖3所示。發(fā)酵液三維熒光光譜主要包括2個熒光峰:位于Ex/Em=220 nm/(332～342) nm的類色氨酸峰(峰A)和位于Ex/Em=(270～275) nm/(336～344) nm類芳香PN峰(峰B)[22]?？梢钥闯?類色氨酸峰和類芳香PN峰的熒光強(qiáng)度均隨著污泥含砂量的升高逐漸降低,該結(jié)果與2.2.1小節(jié)分析結(jié)果相似,表明含砂量的增加抑制了污泥PN的水解。此外,峰B熒光強(qiáng)度的下降幅度相比于峰A更大。前人[13]的研究指出,PN可通過靜電作用、氫鍵力等與二氧化硅(砂的主要成分)相結(jié)合,進(jìn)而降低PN的溶解,對污泥厭氧消化產(chǎn)生不利影響。類色氨酸和類芳香PN是污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)VFAs的關(guān)鍵底物[18],其熒光強(qiáng)度的降低(即含量的降低),將不利于VFAs的產(chǎn)生。以上結(jié)果表明,含砂量的增加抑制了類色氨酸和類芳香PN物質(zhì)的水解,進(jìn)而導(dǎo)致VFAs產(chǎn)量的下降。

圖3 4個反應(yīng)器中發(fā)酵液的三維熒光光譜

2.2.3 溶解性PN的相對分子質(zhì)量分布

相對分子質(zhì)量是影響PN生物可利用性的關(guān)鍵指標(biāo)之一,小相對分子質(zhì)量(< 1 kDa)PN的增加有利于VFAs的產(chǎn)生;同時相對分子質(zhì)量也是影響PN與其他物質(zhì)相互作用的重要因素。對4組反應(yīng)器中溶解性PN的相對分子質(zhì)量分布進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖4所示。相對分子質(zhì)量<30 kDa的PN在4組反應(yīng)器中均占據(jù)主導(dǎo),該結(jié)果與Xiao等[23]研究相類似。污泥含砂量為15%時,相對分子質(zhì)量<1 kDa的PN質(zhì)量濃度為(364.8±24.15)mg/L,而當(dāng)含砂量升高至60%時,其質(zhì)量濃度僅為(296.2±7.86)mg/L,這表明含砂量較高的反應(yīng)器中發(fā)酵菌可直接利用的PN更少,進(jìn)而VFAs的產(chǎn)生受到了抑制。此外,相對分子質(zhì)量>30 kDa的PN濃度也呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢,且下降幅度相比于小相對分子質(zhì)量(<1 kDa)PN更為明顯。喬春光等[24]的研究發(fā)現(xiàn),砂濾池對大相對分子質(zhì)量的溶解性有機(jī)物具有較高的去除效果,而對于小相對分子質(zhì)量的有機(jī)物去除率則相對較低。大相對分子質(zhì)量PN更易與砂形成相互作用,可能是造成該現(xiàn)象的原因。以上分析表明,含砂量的升高不僅抑制了PN的釋放,還抑制了小相對分子質(zhì)量(<1 kDa)PN的產(chǎn)生,進(jìn)而降低了VFAs產(chǎn)量。

以上結(jié)果表明,含砂量的升高明顯抑制了污泥PN的水解,進(jìn)而對污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)酸產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致了VFAs產(chǎn)量的降低。因此,針對我國污水廠污泥普遍存在含砂量較高(14.0%～56.8%)的現(xiàn)狀,需進(jìn)一步探究高含砂量污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)酸的強(qiáng)化方法,其中提高PN的水解效率是關(guān)鍵。前人的研究[25]指出,堿(pH值為11～13)、熱以及熱堿預(yù)處理可高效地促進(jìn)污泥有機(jī)物的溶出,其中堿和熱堿預(yù)處理是促進(jìn)PN釋放更為有效的措施。

2.3 反應(yīng)器微生物群落結(jié)構(gòu)

污泥堿性發(fā)酵過程中VFAs的生成主要是在微生物的作用下完成而不是化學(xué)水解所引起[26],因而分析微生物群落結(jié)構(gòu)差異,將有助于深入了解含砂量對污泥堿性發(fā)酵產(chǎn)酸的影響機(jī)制。4個反應(yīng)器中微生物在門級別和屬級別的分布情況如圖5所示。反應(yīng)器中的微生物菌群主要由Firmicutes(厚壁菌門)、Proteobacteria(變形菌門)、Actinobacteria(放線菌門)、Bacteroidetes(擬桿菌門)和Chloroflexi(綠彎菌門)組成,該結(jié)果與前人[4,27]報道相一致。R1和R2的微生物群落結(jié)構(gòu)變化較小,隨含砂量的進(jìn)一步增加,Firmicutes和Proteobacteria的豐度出現(xiàn)了明顯的下降,R4中其豐度分別降低至31.73%和14.59%,而Actinobacteria呈現(xiàn)出升高的趨勢。Firmicutes和Proteobacteria在污泥堿性發(fā)酵反應(yīng)器中扮演著重要的水解酸化角色,其富集有利于VFAs的產(chǎn)生。Chen等[28]發(fā)現(xiàn),在污泥堿性發(fā)酵過程中,Firmicutes的相對豐度最高時,VFAs的產(chǎn)量也達(dá)到了最高。Ma等[4]的研究指出,污泥堿性發(fā)酵反應(yīng)器中,Firmicutes可能是影響VFAs產(chǎn)生的關(guān)鍵功能微生物,其富集促進(jìn)了VFAs的生成。在屬水平上,Acinetobacter(不動桿菌)、Soehngenia、Erysipelothrix(丹毒絲菌屬)和Acetoanaerobium(厭氧醋菌屬)的相對豐度隨著含砂量的增加逐漸降低。這些微生物是典型的產(chǎn)酸菌屬[3,29],在污泥堿性發(fā)酵過程中起著重要的產(chǎn)酸作用,其含量降低不利于VFAs的產(chǎn)生。以上結(jié)果表明,含砂量的增加使得污泥堿性發(fā)酵反應(yīng)器中Firmicutes、Proteobacteria以及Acinetobacter等水解發(fā)酵菌的豐度降低,進(jìn)而不利于VFAs的產(chǎn)生。

圖5 4個反應(yīng)器中的微生物群落結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

(1)含砂量的升高不利于堿性發(fā)酵過程中污泥有機(jī)物的水解和酸化,污泥含砂量從15%升高至60%,VFAs濃度下降了約18.12%。

(2)含砂量的升高主要抑制了污泥PN的水解,溶解性PN的濃度、類色氨酸和類芳香PN的熒光強(qiáng)度以及小相對分子質(zhì)量(<1 kDa)溶解性PN濃度均隨著污泥含砂量的升高而降低,進(jìn)而抑制了VFAs的產(chǎn)生。

(3)含砂量的升高導(dǎo)致了Firmicutes、Proteobac-teria以及Acinetobacter等水解發(fā)酵細(xì)菌豐度的降低,進(jìn)而不利于VFAs的生成。