嗜热微生物促进剩余污泥减量降解工艺优化

李成涛， 崔 倩, 陈 娜， 潘国军， 赵蔚柠

(1.陕西科技大学 环境科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西农产品加工技术研究院， 陕西 西安 710021)

0 引言

随着工业的快速发展，中国市政污泥产量越来越大.据统计，截至2016年3月，中国已建成3 910多座城镇污水处理厂，污水处理能力已达到1.67×108m3·d-1，预计到2020年，中国市政污泥年产量将达到6 000～9 000万吨[1,2].污泥作为污水处理过程中产生的废弃物，其自身成分比较复杂，并且携带大量的微生物、病原菌、重金属以及有机污染物等，处理处置不当容易产生二次污染，不仅会影响污水处理系统的处理能力，也会对生态环境和人类活动造成严重威胁[3].

目前，中国城市污泥处置方式主要有土地填埋、弃置、焚烧、资源化等[1,4,5]，但每种方式都可能会对环境造成二次污染，对人体健康造成危害[6-8].为了减少大量的剩余污泥对环境的污染压力，剩余污泥减量化技术已越来越受到重视，包括采用超声波处理、碱热处理、微波照射、电解和化学药剂处理等[9-13].尽管这些技术具有较高的减少污泥中有机物的潜力，但操作成本高，能耗高，操作复杂，实际规模的应用受到限制[14].剩余污泥生物减量技术是一种基于污泥中微生物隐性生长(微生物依靠自身细胞的溶解来维持生长的方式)的污泥降解技术，其利用嗜热脂肪地芽孢杆菌在高温下分泌具有许多生物活性的胞外酶[15]，通过胞外酶催化反应破坏胞外聚合物，深入裂解菌胶团将难以降解的大分子有机物降解为小分子可溶性物质并释放，然后通过后续反应实现对剩余污泥的短时高效降解[16-18]，具有安全高效、操作方便、经济性好、易于管理控制、有良好应用前景的优点[19].

本研究以嗜热脂肪地芽孢杆菌为研究对象，研究其产酶特性并优化产酶条件，以此为基础，考察其对剩余污泥减量降解效果，以实现利用微生物技术达到剩余污泥减量的目标.

1 实验部分

1.1 实验材料

1.1.1 菌种

嗜热脂肪地芽孢杆菌购自中国工业微生物菌种保藏中心(菌种编号：CICC 22976)，剩余污泥取自陕西省西安市第五污水处理厂.

1.1.2 减量降解培养基

新鲜剩余污泥5 g(含水量95%～97%)、氯化铵10 g、氯化钠5 g、水1 000 mL、pH 7.4～7.6.

1.1.3 主要仪器

pH计(PHSJ-3F，上海精密科学仪器有限公司)，COD消解器(HACH-45b，上海舜宇恒平科学仪器有限公司)，紫外分光光度计(SP-UV1100，上海舜宇恒平科学仪器有限公司)，马弗炉(KSL-1200X，合肥科晶材料技术有限公司).

1.2 实验方法

1.2.1 嗜热脂肪地芽孢杆菌的产酶单因素实验

在不同温度(50 ℃、55 ℃、60 ℃)、不同转速(80 rpm、120 rpm、160rpm)、不同接种量(1%、5%、10%)条件下，将活化后的嗜热脂肪地芽孢杆菌接种至减量降解培养基中培养48 h，每8 h取样，测定嗜热脂肪地芽孢杆菌的蛋白酶活性和淀粉酶活性，考察温度、转速、接种量等因素对嗜热脂肪地芽孢杆菌产酶活性的影响.

1.2.2 嗜热脂肪地芽孢杆菌的产酶正交试验

以单因素实验结果为处理条件，将嗜热脂肪地芽孢杆菌接种至减量降解培养基中，考察嗜热脂肪地芽孢杆菌产酶最佳培养条件.

1.2.3 嗜热脂肪地芽孢杆菌降解剩余污泥

在最适培养条件下，将嗜热脂肪地芽孢杆菌接入剩余污泥中进行减量降解实验，定时取样测定其溶解性COD(SCOD)、氨氮、蛋白质含量、总悬浮物(TSS)、挥发性悬浮物(VSS)的含量变化.

1.3 测定方法

不同培养条件下嗜热脂肪地芽孢杆菌淀粉酶和蛋白酶活性测定[20]，接种嗜热脂肪地芽孢杆菌处理及对照的SCOD含量测定[21,22]，接种嗜热脂肪地芽孢杆菌处理及对照的TSS和VSS含量测定[21,22]，接种嗜热脂肪地芽孢杆菌处理及对照的氨氮含量测定[23]，接种嗜热脂肪地芽孢杆菌处理及对照的蛋白质含量测定[24].

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 温度对嗜热脂肪地芽孢杆菌产酶活性的影响

温度对嗜热脂肪地芽孢杆菌产蛋白酶和淀粉酶活性影响结果如图1和图2所示.由图可知，随着培养时间的延长，3个温度下蛋白酶含量均整体呈上升趋势，40 h时均达到最高值，55 ℃下的蛋白酶活性为4.429 U/mL；而淀粉酶含量呈先上升后下降的趋势，24 h时均达到最高值，55 ℃下的淀粉酶活性为0.046 U/mL.微生物的培养温度对细胞生长、产物合成、培养液的物理性质和生物合成方向有着比较明显的影响，因此，培养温度变化会直接影响嗜热脂肪地芽孢杆菌产蛋白酶和脂肪酶的活性.

图1 温度对嗜热脂肪地芽孢杆菌产蛋白酶活性影响

图2 温度对嗜热脂肪地芽孢杆菌产淀粉酶活性影响

2.1.2 转速对嗜热脂肪地芽孢杆菌产酶活性的影响

转速对嗜热脂肪地芽孢杆菌产蛋白酶和淀粉酶活性影响结果如图3和图4所示.由图可知，三种转速下蛋白酶活性呈现升高趋势，且蛋白酶活性的最高值均出现在48 h，在120 rpm下蛋白酶活性达到最高为4.14 U/mL；而三种不同转速下淀粉酶活性均是先升高后降低，在120 rpm时出现最高值0.04 U/mL.

转速的变化会直接引起嗜热脂肪地芽孢杆菌氧环境的变化，氧含量的变化会影响嗜热脂肪地芽孢杆菌的内源呼吸，适当的溶解氧会加快菌体的蛋白质和有机物的水解，但是较低(80 rpm时)或者较高(160 rpm时)的溶解氧反而会抑制嗜热脂肪地芽孢杆菌胞外酶的水解，使酶活性降低.

图3 不同转速下蛋白酶活性变化曲线

图4 不同转速下淀粉酶活性变化曲线

2.1.3 不同接种量对嗜热脂肪地芽孢杆菌产酶活性的影响

接种量对嗜热脂肪地芽孢杆菌产蛋白酶和淀粉酶活性影响结果如图5和图6所示.由图可知，三种接种量下蛋白酶活性的变化趋势基本为先降低后升高，且接种量为10%的蛋白酶活性变化曲线要高于接种量为1%和5%的酶活性，最高蛋白酶活性为5.31 U/mL；而淀粉酶活性的变化趋势均为先升高后降低，且接种量为10%的淀粉酶活性变化曲线要比接种量为1%和5%的酶活性高，最高淀粉酶活性为0.042 U/mL.

图5 不同接种量下蛋白酶活性变化曲线

图6 不同接种量下淀粉酶活性变化曲线

2.2 正交试验

根据单因素实验结果，设计嗜热脂肪地芽孢杆菌产蛋白酶和淀粉酶的正交试验，如表1所示.

表1 嗜热脂肪地芽孢杆菌产蛋白酶和淀粉酶正交试验

结合正交试验，在九种不同的培养条件下，嗜热脂肪地芽孢杆菌产蛋白酶和淀粉酶的活性变化曲线如图7和图8所示.

由图7可知，九组不同培养条件下的蛋白酶的活性变化有很大不同.实验号7、8、9号的蛋白酶活性明显低于其他六组的酶活性，而酶活性近似的2、3、5号的蛋白酶活性较高.由图8可知，淀粉酶活性的变化趋势基本为先升高后降低，且各个实验组之间最高淀粉酶活性的出现时间点是不尽相同的，其中淀粉酶活性较好的实验组为4、5号.

图7 不同培养条件下蛋白酶活性变化曲线

图8 不同培养条件下淀粉酶活性变化曲线

综合以上试验结果，选定实验组5号(55 ℃、120 rpm、接种量12%)为嗜热脂肪地芽孢杆菌产蛋白酶和淀粉酶最适培养条件.

2.3 嗜热脂肪地芽孢杆菌降解剩余污泥

2.3.1 TSS和VSS的变化

TSS和VSS是评价污泥减量降解程度的代表性参数.在108 h的反应过程中，剩余污泥的TSS和VSS的溶解率变化曲线见图9和图10所示.

从图9和图10可以看出，TSS和VSS的溶解率均在108 h时达到最大值，但接种嗜热脂肪地芽孢杆菌剩余污泥的溶解率变化趋势明显比未接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的显著.在108 h时，接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的TSS溶解率达到65.71%，未接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的TSS溶解率仅达到49.85%，比接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的TSS溶解率低15.86%；而接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的VSS溶解率达到58.18%，未接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的VSS溶解率为41.67%,比接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的VSS溶解率低16.51%.由此可看出嗜热脂肪地芽孢杆菌的接入对于剩余污泥的降解具有明显的促进作用.

在降解过程中，嗜热脂肪地芽孢杆菌一方面以污泥中的有机物作为碳源进行微生物的合成和生长；另一方面不断释放胞外酶(蛋白酶和淀粉酶)，这些酶不断溶解污泥中微生物的细胞壁和细胞质，使得污泥中的悬浮固体溶解，TSS和VSS的溶解率不断升高.在反应后期，TSS和VSS的溶解率增长率有所减慢，可能是由于污泥溶解后产生的高浓度氨氮、高pH值影响嗜热脂肪地芽孢杆菌活性，并可能影响其所分泌的胞外酶的活性.

图9 TSS溶解率变化曲线

图10 VSS溶解率变化曲线

2.3.2 氨氮和蛋白质含量的变化

剩余污泥中蛋白质的水解程度影响着后续厌氧消化性能以及甲烷的产量.在嗜热脂肪地芽孢杆菌的剩余污泥降解过程中蛋白质和氨氮的变化见图11和图12所示.

图11 蛋白质变化曲线

图12 氨氮变化曲线

从图11可看出，实验过程中蛋白质的含量变化呈动态变化趋势，接种与未接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的剩余污泥中的蛋白质含量均为先升高再降低之后再继续升高，且接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的剩余污泥的蛋白质含量比未接种的高.

从图12可看出，氨氮的含量变化呈先升高后稍降低的趋势，接种与未接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的剩余污泥中的氨氮均在84 h时达到最大值，分别为368 mg/L和286 mg/L，接种的要比不接种的氨氮含量高22.2%.由此可以看出嗜热脂肪地芽孢杆菌的加入对于剩余污泥的降解具有明显的促进作用.

在嗜热脂肪地芽孢杆菌降解剩余污泥过程中，嗜热脂肪地芽孢杆菌分泌的胞外酶会降解污泥菌胶团，使污泥中的有机物解聚溶出，因此液相中的蛋白质含量不断增加.蛋白质不断从菌胶团中释放的同时，也在不断水解，生成多肽、二肽、氨基酸，而氨基酸又进一步水解为低分子有机酸、氨及二氧化碳[25]，此种情况下，致使氨氮浓度快速增加；到反应后期，氨氮浓度下降，一方面是由于氨氮含量达到最大值后蛋白质和氨基酸水解反应活性造成；另一方面是此部分实验是在嗜热脂肪地芽孢杆菌产酶最适培养条件55 ℃下进行的，高温使部分氨氮转变为氨气，氨气由于温度和连续曝气而挥发[25]，同时嗜热脂肪地芽孢杆菌利用氨氮进行自身细胞合成，这使得液相中氨氮浓度下降.

2.3.3 SCOD的变化

COD表示污水中有机污染物所消耗的氧化剂的含量，可以反映有机物被微生物分解的程度.SCOD表示的是污泥中上清液的COD.在嗜热脂肪地芽孢杆菌对剩余污泥的降解过程中SCOD的变化曲线见图13所示.

图13 SCOD的变化曲线

从图13可看出，SCOD含量的变化趋势为先增加后逐渐降低，接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的剩余污泥的SCOD比未接种的上升趋势快，且接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的剩余污泥的SCOD最高达到3 073 mg/L，对照最高达到2 817 mg/L.综合以上表明，嗜热脂肪地芽孢杆菌的加入对于剩余污泥的降解是有促进作用的.

反应前期，接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的剩余污泥中的的胞外酶具有高生物活性，能破坏菌胶团使之解聚，然后溶解微生物细胞的细胞壁和细胞膜，使胞内物质外流，有机物质从固相进入液相[25]，这些大分子物质被相应降解菌降解或吸收，转化为溶解性的小分子物质和无机物质[19]，使得污泥中的TCOD转变为SCOD，上清液中的SCOD增加；而未接种的剩余污泥在高温热水解作用下，有机物降解溶出，故SCOD也增加[25].在反应后期，SCOD的含量不断下降，这可能是因为少量挥发性有机物和胞外酶降解有机物生成的二氧化碳、水及氨气以气体的形式转移至气相.同时，嗜热脂肪地芽孢杆菌在降解过程中也会吸收利用这些有机物进行自身的生长繁殖[25]，使部分含碳物质返回固相.

3 结论

(1)嗜热脂肪地芽孢杆菌的蛋白酶、淀粉酶的酶活最适培养条件为55 ℃、120 rpm、接种量12%.

(2)通过嗜热脂肪地芽孢杆菌降解剩余污泥实验可知，在108 h时，接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的污泥TSS和VSS溶解率分别达到65.71%、58.18%，分别比对照高15.86%、16.51%；接种嗜热脂肪地芽孢杆菌的SCOD最高达到3 073 mg/L，而对照最高达到2 817 mg/L.以上实验结果表明：嗜热脂肪地芽孢杆菌的加入对剩余污泥的降解有很好的促进作用.