响应面法对剩余污泥发酵过程中反应条件的优化*

郭士亮， 郭 亮,2,3**， 张嘉雯， 陈 月， 张增帅， 孙 健， 郭一丁

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室， 山东 青岛 266100；3.中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室， 山东 青岛 266100)

响应面法对剩余污泥发酵过程中反应条件的优化*

郭士亮1， 郭 亮1,2,3**， 张嘉雯1， 陈 月1， 张增帅1， 孙 健1， 郭一丁1

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室， 山东 青岛 266100；3.中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室， 山东 青岛 266100)

目前有关污泥厌氧消化的研究大都着眼于污泥酸化过程中各种短链脂肪酸产量的研究，对糖和蛋白质在污泥水解和酸化过程中的变化以及产量优化研究较少。本文利用响应面法，探究了污泥的SS、初始ORP以及振荡速率对污泥厌氧发酵过程中的SCOD、糖、蛋白质等有机物产量交互影响，并采用响应面法对实验过程进行了优化。研究结果表明，SCOD受初始污泥的ORP和振荡速率影响较大，与污泥的SS关系不大，并且在SS 8.0 g/L、初始 ORP 0 mV、振荡速率 60 r/min时能取得最大值9 228.5 mg/L；而蛋白质则受SS和初始ORP影响较大，最大值1 215.3 mg/L在SS为14.0 g/L、初始ORP 0 mV、振荡速率105 r/min时得到。本实验中，调控各因素对糖的释放影响较小。

剩余活性污泥；厌氧发酵；响应面法；碳源

对于中国污水处理厂来说，碳源不足是一大难题。污水脱氮除磷每年都需要投加大量的外碳源，给污水厂造成较大经济负担，尤其是南方城市。蛋白质和糖是剩余污泥中两种主要的易降解的有机物[1]，在污泥厌氧发酵过程中会得到大量释放以及进一步降解，而且蛋白质和糖不仅可以直接作为脱氮除磷的有机物碳源，还可以进一步转化为易于反硝化细菌利用的小分子有机物如挥发性脂肪酸(VFAs)[2]。而剩余污泥厌氧发酵产生的VFAs也被证明是廉价的、适于反硝化菌脱氮利用的优质碳源[3]，完全可以代替甲醇等昂贵的外加碳源。所以，将剩余污泥厌氧发酵液作为碳源使用，既可以实现污泥的减量化和资源化，又能减少污水厂对碳源的资金投入。这项技术若得到应用推广，对于污水处理厂来说是一举两得。

目前有关剩余污泥的研究大都着眼于污泥厌氧酸化时VFAs的产量优化及利用，厌氧发酵前期糖和蛋白质只是作为附带指标。糖和蛋白质是污泥胞外聚合物的主要成分[4]，破坏细胞结构可以使污泥中的有机物得到有效释放[5]。有实验指出，在碱性条件下，污泥厌氧水解过程中的糖和蛋白质浓度比其他条件下更高[6]。Ma等通过实验证明，采用亚硝酸对污泥进行预处理能提高污泥中糖和蛋白质的产量[7]。

建立在正交设计原理基础上的响应面法，能用较少的数据推算出多因素影响下的目标值的优化条件，与其他方法相比实验设计更为合理、也更为有效[8]。污泥的厌氧发酵过程跟很多因素有关，如污泥的SS、初始ORP、振荡速率、污泥的预处理方式、消化过程中的温度等。因此，本研究将采用响应面法设计实验方案，探究在污泥厌氧酸化过程中，污泥SS、初始ORP、以及振荡速率对糖和蛋白质以及SCOD产量的影响，并对条件进行优化，深化在污泥碳源化利用方面的研究。

1 材料与方法

1.1 材料

本实验所用剩余污泥取自青岛市团岛污水处理厂二沉池回流污泥。取来后静沉30 min，弃去上清液，通过一个2 mm的筛网过滤掉较大杂质，于4 ℃冰箱中保存备用。实验所用原污泥的基本性质如表1所示。

表1 原污泥基本性质

注：表中糖和蛋白质均为溶解性的。Carbohydrates and proteins are all solube.

为使污泥中的有机物得到有效释放和分解，在进行厌氧发酵前，对污泥采用了嗜热菌预处理(S-TE法)。先将原污泥进行不同浓度的浓缩，使浓缩后的污泥SS分别为8.0、14.0和20.0 g/L。对3种不同SS的污泥进行嗜热菌水解处理。取一定体积的剩余污泥置于圆底发酵罐中，以体积比为1∶20的量接种嗜热菌，混匀后放在65°C的恒温水浴锅中，微好氧环境下处理12 h即可[9]。本实验所使用的嗜热菌为BacillusthermophilicbacteriaAT 07-1，即嗜热芽孢杆菌，注册编号为FJ231108。

1.2 实验方法

本实验采用响应面法分析多因素对目标值的影响，并进行优化设计[10]。试验选取污泥SS、初始ORP以及振荡速率作为自变量，以剩余污泥厌氧酸化过程中的SCOD、蛋白质和糖浓度作为目标值，对目标值进行二次回归拟合。整个实验过程利用Design Expert(8.0.6版)软件进行设计，采用Box-Behnken法，每个影响因素取3个水平，以-1、0、1编码。这要比Box-Wilson法划分的5个水平更为简单高效[11]。具体实验设计方案见表2。

响应面分析具体方法为：(1)通过F检验和方差分析(ANOVA)，对响应面模型和方程进行显著性判定：①模型的F值是回归均方和与残差均方和的比值，F越大表明该模型越接近实际，模型越显著；②拟合模型的p< 0.01，或该模型失拟检验的p>0.05，均表明该模型非常显著[12]。(2)响应面图中等高线的形状反映了两因子交互作用的强弱，圆形表示两个因素交互作用不显著，对响应值影响不大[13]；椭圆形则表示两个因子交互作用显著，且椭圆程度越扁，对响应值的影响越大[14]。

具体实验操作如下：取100 mL经嗜热菌处理过的剩余污泥放入250 mL玻璃锥形瓶中，用4 mol·L-1的FeCl3溶液将污泥的初始ORP调到设定值，然后用高纯氮气吹脱2 min后加塞密封放入水浴振荡器中。将水浴振荡器温度设为35 ℃、振荡速率也调到设定值后，开始进行厌氧发酵。每组实验设置6个相同的锥形瓶作平行，发酵过程中，每隔2 h取一次样，并监测分析剩余污泥发酵液中的SCOD、糖和蛋白质的含量。

表2 响应面法设计的17组的实验方案

注：表中A、B、C分别代表污泥SS、初始ORP与振荡速率。

Note：A、B、C represent SS、initial ORP and shaking rate respectively.

1.3 分析方法

每次取样后，将样品在5 000 r/min 离心10 min后再测定。TCOD与SCOD的测定采用微波快速消解—分光光度法测定，其中测SCOD前需将样品经过0.45 μm滤膜过滤，实验所采用的微波消解仪型号为KDB- III，为青岛科迪博电子科技有限公司生产。可溶性蛋白质的测定采用Folin-酚法[15]，可溶性糖的测定则采用苯酚-硫酸比色法[16]。其他参数采用标准方法测定[17]。

2 结果与讨论

2.1 SCOD含量的响应面分析

采用Design Expert对试验结果进行二次回归分析，以污泥SS、初始ORP以及振荡速率作为自变量，以SCOD为目标值，建立二阶响应面模型：

Y=A0+A1X1+A2X2+A3X3+A4X1X2+A5X1X3+A6X2X3+A7X12+A8X22+A9X32。

其中，A0、A1……A9为待定系数，结合实验方案，代入实验结果可以得到。

预测的SCOD最大值和实际最大值都出现在12 h时，故选择该时刻下的拟合方程Eq.(1)和响应面图进行分析，此条件下的拟合方程为：

Y=23 289.868 02-249 7.897 31X1+
15.376 08X2-24.402 97X3-
0.705 29X1X2+6.246 76X1X3-0.705 29X2X3+
61.819 42X12-0.024 493X22-0.27 040X32。

(1)

其中：Y表示SCOD的预测值；X1、X2和X3分别代表污泥SS、初始ORP和振荡速率的实际值。

图1 剩余污泥厌氧酸化中SCOD的响应面图Fig.1 Response surface contour plots for SCOD in WAS anaerobic acidification

对上述二次多项式模型进行方差分析可知，F=4.11，0.01

此外，从图1中唯一的椭圆形等高线(见图1C)可以看出，初始ORP和振荡速率对SCOD的相互影响很大。当初始ORP为-100～100 mV，振荡速率为95～135 r/min时，SCOD的含量都能达到4 000 mg/L以上。可能是因为适宜的ORP有利于污泥中水解发酵菌生长，而适当的振速则有利于水解产酸菌与有机物充分接触，从而使更多的难降解物质溶解到污泥中。另外，ORP与溶液的pH紧密相关。有研究表明，在偏碱性或偏酸性条件下，容易破坏污泥结构，使污泥中的糖、蛋白质等有机得到有效释放，从而使溶液中的溶解有机物显著增加[6]。实验中SCOD的实际最大值为9 228.5 mg/L，在SS为8.0 g/L时得到。而在同等条件下，20.0 g/L的污泥中，SCOD值仅为2 866.1 mg/L。由此可见污泥浓度在厌氧酸化中并非越高越好。

2.2 蛋白质含量的响应面分析

如同SCOD对蛋白质建立二阶响应面模型。无论预测值和实际值，蛋白质的浓度都在反应4 h时取得最大值，故选取该时刻下蛋白质的响应面模型进行分析。对其进行模拟的二次多项式Eq.(2)如下：

Y=-412 1.471 78+414.024 25X1+
1.193 19X2+41.055 73X3-
0.122 63X1X2+0.173 24X1X3+0.005 292X2X3-
15.446 43X12-0.007 347X22-0.183 23X32。

(2)

此式中Y表示预测的蛋白质含量。该模型的F值为29.74，p<0.000 1，表明该模型非常显著。此外，该多项式决定系数R2与校正决定系数A-R2分别为0.974 5和0.941 8，也说明该模型的预测值与蛋白质的实际含量存在很高的相关性。

图2中，A、B、C三幅图的等高线形状均为椭圆形，且扁平程度很大，说明3个因素两两之间对蛋白质的相互作用都非常显著。其中，SS和ORP的交叉影响最大。当SS在8.0～20.0 g/L范围内，随着ORP从-200 mV升高到0 mV，发酵液中蛋白质的含量显著增加。但随着ORP继续升高，接近200 mV时，蛋白质又急剧下降。这可能是由于反应中ORP过高，不利于水解菌生长，微生物为了维持自身生长需要开始不断消耗污泥本身含有的蛋白质。本次实验中，蛋白质的最大含量出现在R14(14.0 g/L、0、105 r/min)，最大值为1 215.3 mg/L，这与采用二次多项式模拟的最大含量1 227.3 mg/L(14.0 g/L、6.7 mV和118.7 r/min)几乎一致。结合实验通过响应面分析可知，只要控制SS为11.0～17.0 g/L，ORP为-150～150 mV，振速高于85 r/min，就能使污泥发酵液中蛋白质的含量超过1 000 mg/L，实现蛋白质的大量积累。

图2 剩余污泥厌氧酸化中蛋白质的响应面图Fig.2 Response surface contour plots for protein in WAS anaerobic acidification

2.3 糖含量的响应面分析

本次实验，剩余污泥发酵液中的糖类的含量也能实现二阶多项式模型高度拟合。糖类的含量的最大值在反应8 h时取得，故选取此时刻下的响应面模型进行分析，二次多项式方程Eq.(3)如下：

Y=317.114 49-35.505 35X1+0.319 48X2-0.487 47X3-0.030 188X1X2+0.040 463X1X3-0.000 294X2X3+1.163 78X12+0.000 634X22+0.000 628X32。

(3)

其中Y表示糖类的预测值。显著性检验发现，该模型的F值为16.31，p值为0.000 7，R2为0.954 5，均表明该模型非常显著，可以用Eq.(3)进行剩余污泥发酵中糖类含量的预测，其值和实际含量比较接近。

污泥SS、初始ORP和振荡速率对糖类影响的响应面图见图3。从图中等高线的形状不能直接判定哪两种因素对糖类的影响较大，但无论三因素如何调控，糖类的增加量较少，不超过150 mg/L。这一现象的发生可能是由于剩余污泥中微生物的发酵多以糖降解为主，使得糖类的消耗速率远大与其生成速率[18]。

图3 剩余污泥厌氧酸化中糖类的响应面图Fig.3 Response surface contour plots for carbonhydrate in WAS anaerobic acidification

3 结语

通过对SCOD、蛋白质和糖三者的响应面分析，得到如下结论：SCOD受初始ORP和振荡速率的影响较大。蛋白质则受SS和初始ORP的相互影响最大，而糖类含量最少，所有不同组合的厌氧条件都不能出现糖类的累积，需要控制其他因素才有可能。当SS为11.0～17.0 g/L，而初始ORP和振荡速率分别在-100～100 mV和95～135 r/min之间时，SCOD和蛋白质的含量都较高，有利于污泥的厌氧发酵过程。另外，类似实验表明，VFAs在ORP为0 mV、SS为8.0 g/L、振荡速率为60 r/min时取得最大值[19]，与实验中SCOD获得最大值时的条件相似但并不完全相同。这说明使VFAs产量最大的条件，并不一定就是最适宜SCOD积累的条件，ORP起着关键作用。

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Abstract: Currently most research focus on the different short chain fatty acid production in the process of sludge anaerobic digestion. Fewer studies about the changes of protein and carbohydrates in the sludge hydrolysis and acidification process were reported. In this study, the interactive effects of sludge suspended solids (SS), initial oxidation reduction potential (ORP) and shaking rate on soluble chemistry oxygen demand (SCOD), soluble protein and carbohydrates were investigated in the WAS fermentation. The condition of experiments was optimized using response surface methodology (RSM).The results indicated that SCOD content was little affected by SS but highly affected by ORP and shaking rate, and the maximum concentration 9228.5 mg/L of SCOD was achieved at SS 8.0 g/L, initial ORP 0 mV and shaking rate 60 r/min.The maximum concentration ofproteins was achieved at the condition of SS 14.0 g/L, initial ORP 0 mV and shaking rate 105 r/min, and it was highly influenced by the interaction of SS and initial ORP.In this study, the variations of three factors had a little impacts on the release ofcarbohydrates.

Key words: Waste Activated Sludge (WAS); anaerobic fermentation; Response Surface Methodology (RSM); carbon source

责任编辑 庞 旻

Optimization of the Condition Using Response Surface Methodology in the Waste Sludge Anaerobic Fermentation

GUO Shi-Liang1, GUO Liang1, 2, 3, ZHANG Jia-Wen1, CHEN Yue1, ZHANG Zeng-Shuai1, SUN Jian1, GUO Yi-Ding1

(1.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.The Key Laboratory of Marine Environmental and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3.The Key Laboratory of Ocean Environmental Geology Engineering of Shandong Province, Ocean University of China, Qingdao 266100，China)

X703.1

A

1672-5174(2017)11-103-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20160310

郭士亮， 郭亮，张嘉雯， 等. 响应面法对剩余污泥发酵过程中反应条件的优化[J].中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(11): 103-108.

GUO Shi-Liang, GUO Liang, ZHANG Jia-Wen, et al. Optimization of the condition using response surface methodology in the waste sludge anaerobic fermentation[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(11): 103-108.

国家自然科学基金项目(51208481)资助 Supported by the Natural Science Foundation of China (51208481)

2016-09-03；

2016-11-17

郭士亮(1989-)，男，硕士生。E-mail：15589855637@163.com

** 通讯作者：E-mail：geletu@ouc.edu.cn