过氧化钙耦合蛋白酶对污泥厌氧消化产酸性能的影响*

王 健 包先明

(1.安徽省淮北市环境科学研究所，安徽 淮北 235000;2.淮北师范大学生命科学学院，安徽 淮北 235000)

过氧化钙耦合蛋白酶对污泥厌氧消化产酸性能的影响*

王 健1包先明2

(1.安徽省淮北市环境科学研究所，安徽 淮北 235000;2.淮北师范大学生命科学学院，安徽 淮北 235000)

为了探究过氧化钙耦合蛋白酶对污泥厌氧消化产酸性能的影响，在35 ℃、120r/min、pH=7.0的条件下研究了过氧化钙耦合蛋白酶的效果及过氧化钙最佳投加量。结果表明，相比于过氧化钙、蛋白酶单独作用，过氧化钙耦合蛋白酶能够促进污泥厌氧消化中蛋白质、多糖和DNA的溶出，能够提高蛋白酶、乙酸激酶和磷酸转乙酰酶的生物活性，说明过氧化钙耦合蛋白酶能够促进污泥厌氧消化的水解。其中，过氧化钙的最佳投加量为0.3g/L。

蛋白酶 过氧化钙 厌氧消化 水解 污泥

污泥厌氧消化是一种常用的污泥稳定化技术，能够现实污泥的减量化、无害化和资源化，因此在国内外得到了广泛的应用[1-3]。污泥厌氧消化包括3个步骤，即水解、酸化和甲烷化。水解是厌氧消化的第1步，也是厌氧消化的限速步骤[4-5]。污泥只有充分水解后才能进一步酸化和甲烷化。所以，对产酸性能影响的关键步骤是水解。

目前，强化污泥水解过程的主要方法有污泥预处理[6]、调控发酵基质组成[7]、控制反应外在条件等[8]。污泥预处理主要包括机械预处理、化学试剂预处理和生物预处理，其中生物预处理因简便易于实现而得到广泛应用。生物酶预处理是一种无毒、高效的生物预处理方法。YANG等[9]研究了蛋白酶对污泥厌氧消化水解的影响，发现蛋白酶对污泥厌氧消化水解具有促进作用。LUO等[10]研究表明，表面活性剂联合生物酶能够对污泥厌氧消化水解产生协同促进作用。

近年来，应用过氧化钙(CaO2)强化污泥厌氧消化水解和酸化过程得到关注。LI等[11]向污泥厌氧消化体系中添加CaO2后发现，污泥的水解和酸化效率大幅提高，短链脂肪酸(SCFA)的最大产量是不添加CaO2时的3.9倍。CaO2的添加尤其能促进乙酸的积累[12]。ZHANG等[13]还发现，CaO2的存在能够促进污泥中酚类等难降解有机物的降解。然而关于CaO2耦合蛋白酶强化污泥厌氧消化产酸性能的研究还鲜见报道。因此本研究探究了CaO2耦合蛋白酶对污泥厌氧消化的影响，以期为CaO2耦合蛋白酶在实际工程中的应用提供一定的技术指导。

1 材料与方法

1.1 污泥基本性质

发酵污泥取自于某城市污水处理厂的二沉池，污水处理厂主要采用厌氧/好氧/缺氧工艺处理城市污水，污水厂的规模为8 000 m3/d。发酵污泥首先经过1.0 mm×1.0 mm的筛子，然后在4 ℃下自然沉降24 h，沉降后的发酵污泥基本性质如表1所示。接种污泥取自该城市污水处理厂的厌氧反应池，其基本性质如表1所示。

表1 污泥的基本性质

1.2 CaO2的投加量对蛋白酶强化污泥水解反应的影响

向5个有效体积为0.6 L的污泥厌氧反应器中分别加入0.4 L发酵污泥和0.2 L接种污泥。厌氧反应器内置搅拌器，转速控制为120 r/min。各个反应器均投加污泥(以VSS计，下同)质量6%的蛋白酶，分别投加0、0.1、0.2、0.3、0.4 g/L CaO2。控制温度为35 ℃，pH为7.0。

向3个有效体积为8.0 L的厌氧反应器中分别加入4.0 L接种污泥和4.0 L发酵污泥，厌氧反应器内置搅拌器，转速控制为120 r/min。其中1个反应器添加污泥质量6%的蛋白酶，1个反应器添加0.3 g/L CaO2，1个反应器添加污泥质量6%的蛋白酶和0.3 g/L CaO2。反应器中每日更新发酵污泥0.4 L，进行半连续实验。 控制温度为35 ℃，pH为7.0。

以上所有实验均重复3次。

1.3 分析方法

TSS和VSS采用重量法测定；SCOD和pH采用《水和废水监测分析方法》(第4版)的方法测定；溶解性蛋白质和溶解性多糖分别采用福林酚法和蒽酮比色法测定[14-15]；SCFA是乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸的总和，采用安捷伦6890GC气相色谱测定；DNA溶出量采用二苯胺分光光度法测定[16]；蛋白酶采用福林酚法测定，乙酸激酶和磷酸转乙酰酶采用分光光度法测定，酶的生物活性根据酶反应中添加乙酸辅酶 A后所释放出的辅酶 A量计算。

2 结果与讨论

2.1 投加CaO2的效果探究

2.1.1 对SCFA积累量的影响

SCFA是污泥厌氧消化过程中重要的中间产物，SCFA的积累量与水解程度有密切的关系。图1为不同CaO2投加量对污泥厌氧消化SCFA积累量的影响。由图1可知，CaO2有助于SCFA的积累。当CaO2投加量由0 g/L增加至0.3 g/L时，SCFA的最大积累量由1 485 mg/L增加至2 956 mg/L，达到最大积累量的时间由5 d缩短至4 d。继续增加CaO2投加量至0.4 g/L，SCFA的最大积累量增加至3 120 mg/L，增幅不大。

图1 CaO2投加量对污泥厌氧消化SCFA积累量的影响Fig.1 Effect of calcium peroxide dosage on the accumulation of SCFA during sludge anaerobic digestion

2.1.2 对SCOD的影响

水解反应是污泥厌氧消化的限速步骤，有机物水解一般包括两个方面：(1)颗粒态有机物转为溶解态，SCOD含量升高，为后续污泥厌氧消化产酸提供可利用的基质；(2)大分子的有机物转化为小分子有机物，如蛋白质水解为肽或氨基酸，多糖水解为单糖[17]。由图2可知，CaO2投加量对污泥厌氧消化SCOD的影响与对SCFA积累量的影响类似，当CaO2投加量为0.4 g/L时，SCOD最大值最大，但与CaO2投加量为0.3 g/L时差别不大。因此综合考虑，CaO2的最佳投加量为0.3 g/L。

2.2 CaO2与蛋白酶耦合效果探究

2.2.1 对溶解性蛋白质和溶解性多糖的影响

溶解性蛋白质和溶解性多糖能够反映水解程度。图3为CaO2、蛋白酶及两者耦合对溶解性蛋白质的影响。由图3可知，溶解性蛋白质随时间的延长均呈现出先上升后下降的趋势，均在5 d时达到最大值，蛋白酶作用下和CaO2作用下溶解性蛋白质最大质量浓度分别为1 028、946 mg/L，而当两者耦合后可达到2 079 mg/L，说明蛋白酶和CaO2的耦合能够促进污泥中蛋白质的溶出。

图2 CaO2投加量对污泥厌氧消化SCOD的影响Fig.2 Effect of calcium peroxide dosage on SCOD during sludge anaerobic digestion

表2为CaO2、蛋白酶及两者耦合对溶解性多糖的影响。由表2可知，溶解性多糖随时间的延长也呈先上升后下降趋势，5 d时达到最大值。CaO2耦合蛋白酶作用下溶解性多糖高于蛋白酶作用和CaO2作用。由此可见，CaO2耦合蛋白酶能够促进污泥中多糖的溶出。

图3 CaO2耦合蛋白酶对溶解性蛋白质的影响Fig.3 Effect of calcium peroxide coupled with protease on soluble protein

2.2.2 对DNA溶出量的影响

DNA溶出量也能间接反映污泥厌氧消化的水解程度。表3比较了CaO2、蛋白酶及两者耦合对DNA溶出量的影响。由表3可知，实验前4 d，在CaO2耦合蛋白酶作用下的DNA溶出量均明显高于蛋白酶作用和CaO2作用，说明CaO2和蛋白酶的耦合能够促进细胞中DNA的溶出。

表3 CaO2耦合蛋白酶对DNA溶出量的影响

2.2.3 对产酸关键酶的影响

酶的生物活性能够反映系统中微生物的活性[18]。表4为CaO2、蛋白酶及两者耦合作用下关键酶的生物活性比较。蛋白酶与蛋白质水解转化有关，乙酸激酶和磷酸转乙酰酶在乙酸的形成过程中起关键作用。由表4可知，CaO2耦合蛋白酶能够提高蛋白酶、乙酸激酶和磷酸转乙酰酶的生物活性。

表4 污泥厌氧消化中关键酶的生物活性

3 结 论

CaO2耦合蛋白酶能够促进污泥厌氧消化中蛋白质、多糖和DNA的溶出，能够提高蛋白酶、乙酸激酶和磷酸转乙酰酶的生物活性，说明CaO2耦合蛋白酶能够促进污泥厌氧消化的水解。其中，CaO2的最佳投加量为0.3 g/L。

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Effectofcalciumperoxidecoupledwithproteaseonanaerobicfermentationacidproductionofsludge

WANGJian1,BAOXianming2.

(1.HuaibeiCityEnvironmentalScienceResearchInstituteofAnhuiProvince,HuaibeiAnhui235000;2.CollegeofLifeSciences,HuaibeiNormalUniversity,HuaibeiAnhui235000)

In order to explore the effect of calcium peroxide coupled with protease on anaerobic fermentation acid production of sludge,the best calcium peroxide dosage and the effect of calcium peroxide coupled with protease were studied under the condition of 35 ℃,120 r/min and pH=7.0. Results showed that compared with single calcium peroxide or protease,calcium peroxide coupled with protease could promote the release of protein,polysaccharide and DNA. Meanwhile,the biological activities of protease,acetate kinase and phosphotransacetylase could also be promoted. That was to say,calcium peroxide coupled with protease could promote the hydrolysis process of anaerobic fermentation. The best calcium peroxide dosage was 0.3 g/L.

protease； calcium peroxide； anaerobic fermentation； hydrolysis； sludge

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.002

2016-11-29)

王 健，男，1973年生，硕士，高级工程师，研究方向为水污染防治的生物技术。

*国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2012ZX07103-005)。