预处理温度及pH值对废弃菌丝体发酵产酸的影响

陆颖佳， 李秀芬， 王新华， 任月萍， 堵国成

（江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡214122）

中国已成为多种发酵产品的“世界工厂”，每年产生发酵生物质残渣5 000万t以上[1]。在目前国际经济增幅放缓的大背景下，尝试“节能减排”清洁生产理念并实施从污染治理到资源再生的转变将为相关企业带来新的机遇。20世纪90年代起，国内外陆续出现了发酵过程残渣综合利用技术的研究和应用报道，如发酵有机残渣生产饲料蛋白，或好氧发酵生产有机肥，或厌氧发酵生产沼气或氢气，或厌氧生产有价值的化学品等，但都存在生产成本高、转化效率低、回收产物难利用、回收过程带来二次污染等共性问题[2-4]。

短链挥发性脂肪酸 （Short Chain Volatile Fatty Acids，SCFAs）是厌氧发酵过程的中间代谢产物，包括乙酸、丙酸、丁酸等，其附加值远大于甲烷[5]。据Michael估测，1 t生物质可以生产价值150美元的乙酸，但只能生产出31美元的甲烷[6]。同时，SCFAs的用途较为广泛，可用于废水脱氮除磷[7]、生产生物可降解塑料[8]以及作为微生物燃料电池的底物[9]等。此外，厌氧体系中的有机物转化为有机酸而非CH4等温室气体，具有减少碳排的意义。因此，利用废弃菌丝体厌氧发酵生产SCFAs是实现其资源化的重要途径。

提高废弃菌丝体的厌氧发酵产酸效率，对废弃菌丝体进行适当预处理，使其破胞并将有机物充分转移至液相是必备前提[10]。目前，固体废弃物如剩余污泥的预处理主要手段包括热解、加碱法、超声波等[11-13]。热处理是通过加热使微生物细胞受热膨胀而破裂，释放出糖类、蛋白质及细胞膜碎片等有机物的过程。碱处理是通过加碱的方法，在常温下以较低的用量达到促进细胞分解的目的，OH-水解、皂化细胞壁和细胞膜上的蛋白质和脂多糖，破坏微生物细胞结构，使胞内物质向浓度较低的胞外环境释放。酸处理的主要作用是使可降解的大分子有机质转变为更易降解的小分子物质，对细胞结构的破坏作用较弱[11]。然而，结合后续厌氧发酵产酸的效果，研究上述方法对废弃菌丝体的破胞及有机物融出率的报道鲜见。作者针对影响有机物（Volatile Solid，VS）融出率的关键参数温度和pH值，研究其对废弃菌丝体预处理液中可溶蛋白质和碳水化合物、氨氮浓度的影响，以及当预处理温度一定时，不同预处理pH值对预处理物料进行厌氧发酵产酸效果的影响，可为利用废弃菌丝体生产SCFAs的资源化方法提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 废弃菌丝体来源及种泥驯化

废弃菌丝体由某生物科技有限公司提供，褐色粉末状，其总固体（Total Solid，TS）含量为 89.0%，VS含量为83.4%。

接种污泥为无锡市某污水处理厂的消化污泥，其VS/TS为62.90%。将此污泥放入有效容积为2 L的UASB反应器中驯化，所用模拟废水组成如下[10]:葡萄糖 14.40 g/L；酵母膏 3.20 g/L；KH2PO40.56 g/L；MgSO4·7H2O 0.96 g/L；NH4Cl 2.40 g/L；CaCl20.72 g/L；NaHCO30.96 g/L；MnCl20.11 g/L；FeSO4·7H2O 0.12 g/L。驯化温度为35℃，定期监测出水pH值，当出水pH稳定在4.0左右时，驯化完成并得到酸化污泥。发酵产酸前，将驯化好的酸化污泥取出在105℃下加热2 h，以杀灭产甲烷菌，后再放入原UASB反应器内活化2 d，其VS/TS为78.10%。

1.2 废弃菌丝体预处理温度及pH值的影响研究

取27个250 mL锥形瓶，分别装入200 mL废弃菌丝体溶液 （质量浓度为100 g/L），9个一组，分为3组，每组分别用4 mol/L的HCl和NaOH调节废弃菌丝体溶液的 pH 值，依次为 4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0 和 12.0，之后将这 3 组分别在 30℃、60℃及90℃的温度下加热2 h，研究预处理温度和pH值对预处理效果的影响。

1.3 废弃菌丝体预处理pH值对厌氧发酵产酸的影响研究

将上述预处理后的菌丝体溶液4 800 r/m离心30 min，分别取其上清液150 mL，按10∶1加入15 mL酸化污泥（TS为52.03 g/L），充 3 min氮气后橡胶塞密封，放入120 r/m的摇床中厌氧发酵10 d[14-15]，发酵温度为35℃。发酵结束取样测定SCFAs。

1.4 分析测试项目及方法

SCFAs的测定:取5 mL厌氧发酵液，8 000 r/min离心5 min，用0.45 μm的微滤膜过滤，取滤液0.5 mL于离心管中，加入同体积0.835 g/L的4-甲基戊酸溶液和同体积3 mol/L的磷酸溶液，再次8 000 r/min离心5 min，取1 mL上清液装入气相色谱进样瓶，岛津2010 plus气相色谱仪测定SCFAs的含量[10]。

废弃菌丝体预处理后TS和VS的融出率根据下面公式计算:

式中，STS、SVS为 TS、VS 的融出率，%；MTS0、MVS0为废弃菌丝体预处理前的 TS、VS质量浓度，g/L；MTSS、MVSS为废弃菌丝体预处理后的 TS、VS质量浓度，g/L。

溶解性化学需氧量 （Soluble Chemical Oxygen Demand，SCOD）的测定方法为4 800 r/m离心30 min，上清液经0.45 μm微滤膜过滤后，用COD速测仪（5B-1型，兰州连华科技）进行测定；蛋白质含量采用考马斯亮蓝G250染色法测定[16]；碳水化合物含量采用苯酚-硫酸法测定[17]；氨氮含量采用Berthelot法测定[18]。TS、VS含量及其他指标的分析测定均采用国家标准方法[19]。

2 结果与讨论

2.1 预处理温度和pH值对废弃菌丝体TS融出率的影响

废弃菌丝体减量化程度可由TS融出率表征，预处理pH值和温度对废弃菌丝体TS融出率的影响如图1所示。可见，碱性pH值（9.0～12.0）时的TS融出率高于中性pH值（6.0～8.0）及酸性pH值，同时随着预处理温度的升高，融出率也相应增加。当预处理温度为90℃时，pH值11.0的TS融出率为45.28%，上升至12.0时TS融出率有所下降。刘晓玲[10]在采用热-酸、热-碱、超声波-酸和超声波-碱方法预处理市政泥时发现，热-碱和超声波-碱预处理后，TS融出率高于37.0%，而热-酸和超声波-酸处理后，TS融出率仅在12.2%左右。相对而言，本研究中预处理温度为90℃、pH值为11.0时，废弃菌丝体的TS融出率较理想。

图1 预处理条件对TS融出率的影响Fig.1 Effects ofpretreatment conditions on TS dissolution rate

2.2 预处理温度和pH值对废弃菌丝体VS融出率的影响

VS常用于表征废水或废弃物中有机物的量，VS融出率越高，说明有机物融出越多，越有利于后续厌氧发酵产酸，废弃菌丝体的资源化效率也越高。从图2可知，废弃菌丝体中VS的融出率与TS融出趋势基本一致。在温度为90℃、pH值为11.0时，VS融出率为43.28%。

图2 预处理条件对VS融出率的影响Fig.2 Effects of pretreatment conditions on VS dissolution rate

2.3 废弃菌丝体预处理温度和pH值对上清液中SCOD质量浓度的影响

图3给出了预处理温度及pH值对废弃菌丝体融出液中SCOD质量浓度的影响。可以看出，废弃菌丝体预处理上清液中SCOD的质量浓度随温度升高而升高，升高温度有利于固体物质向液相的转移。pH值对SCOD质量浓度的影响也较大，碱性pH值 （9.0～12.0）的SCOD质量浓度高于中性pH值（6.0～8.0）及酸性pH值。当预处理温度为90℃、pH值为11.0时，上清液中SCOD质量浓度为31 730.77 mg/L。此外，TS融出率和SCOD质量浓度呈正相关。

图3 预处理条件对SCOD质量浓度的影响Fig.3 Effects of pretreatment conditions on SCOD concentration

2.4 废弃菌丝体预处理温度和pH值对上清液中蛋白质及碳水化合物浓度的影响

研究表明[20]，用葡萄糖模拟碳水化合物，用牛血清蛋白（BSA）模拟蛋白质，厌氧发酵产酸过程中，葡萄糖和BSA含量随时间增加不断减少，同时有短链脂肪酸产生。废弃菌丝体主要成分为蛋白质、碳水化合物和脂质。蛋白质含量最多，碳水化合物次之，脂质可以忽略不计。在利用废弃菌丝体发酵产酸时，SCFAs的形成与蛋白质及碳水化合物的浓度密切相关。研究表明，固体废弃物的预处理可有效提高上清液中蛋白质和碳水化合物的质量浓度，李玉祥[21]研究热碱预处理对蓝藻蛋白质、碳水化合物融出效果的影响时发现，预处理后可溶性蛋白质浓度较未处理提高了11.9倍，可溶性碳水化合物质量浓度提高了3.9倍。同时，预处理条件不同，蛋白质和碳水化合物的融出效果也不同，Liu等[22]研究发现，热-酸和超声波-酸预处理后，液相中可溶蛋白质增加量分别为0.2 g/L和0.1 g/L，可溶性碳水化合物增加量分别为0.6 g/L和0.4 g/L；在热-碱和超声波-碱处理下，液相中可溶性蛋白质增加量都为7.9 g/L，可溶性碳水化合物增加量分别为1.8 g/L和2.2 g/L；Yuan等[20]研究发现，碱性条件下可溶性蛋白质和可溶性碳水化合物质量浓度高于酸性条件，而且可溶性蛋白质含量明显高于可溶性碳水化合物含量。

图4和图5显示，预处理温度和pH值均与蛋白质和碳水化合物的融出率呈现正相关，其变化趋势与SCOD一致，在碱性pH值时可溶性蛋白质和碳水化合物质量浓度明显高于中性及酸性pH值，预处理温度越高，上清液中可溶性蛋白质和碳水化合物质量浓度也越高。当预处理温度为90℃、pH值为11.0时，可溶性蛋白质和碳水化合物的质量浓度分别为4.79 g/L和3.97 g/L。

图4 预处理条件对可溶性蛋白质质量浓度的影响Fig.4 Effects of pretreatment conditions on soluble protein concentration

图5 预处理条件对可溶性碳水化合物质量浓度的影响Fig.5 Effects of pretreatment conditions on soluble carbohydrate concentration

2.5 废弃菌丝体预处理温度和pH值对上清液中氨氮浓度的影响

从图6可知，随着废弃菌丝体预处理pH值的增加，上清液中氨氮质量浓度呈先增加后降低的趋势。随着废弃菌丝体的破胞，NH3-N释放，但体系中存在如下反应:NH4+-N+OH-⇆NH3-N+H2O，溶液pH值越高，反应越易向右进行，而NH3-N易挥发，导致体系中氨氮浓度随pH值升高逐渐减小。此外，预处理温度为90℃时，氨氮质量浓度明显高于30℃和60℃时的氨氮质量浓度。当预处理温度为90℃、pH值为11.0时，上清液中氨氮质量浓度为1.46 g/L，据已有研究结果[23]，该质量浓度对后续厌氧产酸微生物不足以产生抑制。

2.6 预处理pH值对预处理液厌氧发酵产酸效果的影响

Horiuchi等[24]研究消化污泥发酵产酸表明，较低pH值条件下，厌氧发酵以丁酸型为主，而较高pH值时以乙酸型发酵为主，刘振玲[25]及张波[26]等人研究含蛋白质较多的厨余废弃物发酵产酸时，发现在pH值中性或偏酸性条件下，乙酸均为主要产物，pH值为6.5时SCFAs产量最高。但对不同来源的有机固体废弃物，厌氧发酵的最佳条件及产酸效果又存在差别，李玉祥等[27]研究蓝藻厌氧产酸时发现，pH值为9.0时SCFAs产量最高，李杨等[28]研究pH值对剩余污泥厌氧产酸的影响时则发现，pH值为10.0是最优条件。

图6 预处理条件对氨氮质量浓度的影响Fig.6 Effects of pretreatment conditions on ammonia nitrogen concentration

当预处理温度一定（90℃）时，不同预处理pH值条件下废弃菌丝体厌氧发酵有机酸产量如图7所示，无论预处理pH值如何，乙酸在总SCFAs中所占比例均较高。此外，中性pH值（pH值为7.0）时，厌氧产酸效果较差，这可能是此时溶液中氨氮质量浓度较高（图6显示为1.96 g/L）的缘故，对厌氧微生物活性产生了抑制。酸性条件的产酸效果略优于碱性条件的原因可能与接种酸化污泥的驯化方法有关，即采用10 000 mg/L左右葡萄糖（相当于COD质量浓度在10 000 mg/L左右）为底物在酸性条件下驯化而得。在预处理pH值为5.0时，上清液中SCOD质量浓度为 8 754.14 mg/L（图3），并以碳水化合物为主（图5），蛋白质质量浓度较低（图4），且该pH值和污泥驯化时的pH值接近，因此，接种酸化污泥较易适应，产酸效果也较好，厌氧产酸发酵液中乙酸和总SCFAs中的质量浓度分别为4.36 g/L和8.01 g/L。

图7 预处理条件对有机酸产量的影响Fig.7 Effects of pretreatment conditions on SCFAs concentration

3 结语

1）较高的废弃菌丝体预处理温度和pH值有利于TS和VS的融出，所得上清液中SCOD、可溶蛋白质、碳水化合物及氨氮质量浓度均较高，当预处理温度为90℃、pH值为11.0时，废弃菌丝体中TS和VS的融出率分别为45.28%和43.28%，上清液中SCOD、可溶蛋白质、碳水化合物及氨氮质量浓度分别为 31.73，4.79，3.97，1.46 g/L。

2）在温度一定时，废弃菌丝体预处理pH值对厌氧发酵产酸的效果影响较大，pH值为5.0时，SCFAs的质量浓度最高，为8.01 g/L，但各预处理pH值条件下有机酸的主要成分均为乙酸。中性pH值（pH值为7.0）时，可能由于溶液中氨氮质量浓度高达1.96 g/L，抑制了厌氧产酸微生物的活性，产酸效果较差。

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