超声预处理对促瘤胃微生物厌氧消化造纸剩余污泥产酸的影响

张 路， 杨 悦， 吕 静 思， 鲁 鹏， 平 清 伟， 李 娜,

(1.大连工业大学 轻工与化学工程学院， 辽宁 大连 116034； 2.广西大学 广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室， 广西 南宁 530004 )

0 引 言

利用造纸剩余污泥厌氧发酵产酸是一种有前景的污泥处理手段[5]。但是造纸剩余污泥菌体中具有保护微生物细胞免受外界破坏的胞外聚合物(ESP)及菌体细胞壁，阻碍了细胞内有机物的释放和降解。此外，造纸剩余污泥主要成分木质纤维素含量高，其是由半纤维素、纤维素和木质素组成[6]，其中，木质素的稳定包裹作用和本身降解的复杂性、顽固性，使得木质素在生物处理过程中严重阻碍了水解酶与纤维素、半纤维素发生反应，从而导致木质纤维素整体生物降解性能低下[7]。造纸剩余污泥厌氧发酵生物可利用性不高，不易达到预期的效果。

瘤胃是反刍动物4个胃室之一，其瘤胃液中存在着复杂的厌氧微生物，包括细菌、原生动物和真菌[8]。瘤胃微生物能有效破解木质素对纤维素和半纤维素的包裹，使纤维素、半纤维素暴露在环境中，从而被微生物分泌的纤维素酶及半纤维素酶水解[9]。已有研究证实了可利用瘤胃微生物降解造纸剩余污泥生产挥发性脂肪酸(VFAs)和单体脂肪酸，能有效实现木质纤维素的降解[10]，但采用预处理手段促进瘤胃微生物厌氧消化造纸剩余污泥产酸的研究目前仍鲜有报道。常用预处理手段中超声预处理被认为是一种环境友好的处理木质纤维素类生物质(包括农业残留物)方法[11]。本实验利用超声波预处理与瘤胃微生物厌氧消化造纸剩余污泥进行产酸，研究超声波预处理对瘤胃微生物厌氧消化造纸剩余污泥产酸的作用。

1 实 验

1.1 材料与仪器

1.1.1 材 料

造纸剩余污泥：取自辽宁省盘锦市某造纸厂，该厂使用硫酸盐法制浆，原料为芦苇。该造纸剩余污泥为水处理工段一沉池化学污泥和二沉池生物污泥的混合污泥。污泥取回后放置于4 ℃冰箱内冷藏。分析造纸污泥的成分及性质，具体结果见表1。

表1 造纸剩余污泥的理化性质Tab.1 Physical and chemical characteristics of paper mill excess sludge

瘤胃液：取自大连某屠宰厂。由于瘤胃液中含有大量厌氧菌，因此装瘤胃液容器在使用之前要进行高压蒸汽灭菌处理，并通入氮气以除去容器中的氧气。取得的瘤胃液经过4层纱布过滤，得到的滤液即为实验所用瘤胃微生物。为了除去瘤胃液中杂质，对其进行离心，转速3 000 r/min，时间5 min。将所得上清液装在包裹有遮光处理的容器中，置于4 ℃的冰箱保存。

1.1.2 仪 器

超声波设备是JY-92-Ⅱ型超声细胞破碎仪，可处理样品量0.2～500 mL，超声频率20 kHz，变幅杆20 mm，可调节超声功率和超声时间等超声条件，功率可调范围0～1 000 W。

1.2 实验方法

1.2.1 超声预处理造纸剩余污泥

准确称取50 mg的造纸剩余污泥(含水率75.7%)于250 mL的烧杯中，加蒸馏水100 mL，将污泥含水率调为92%，然后充分搅拌均匀，将烧杯置于超声细胞破碎仪中，保证超声波变幅杆浸入烧杯液面下1 cm处。超声处理工艺条件：功率分别为90、180、270、360、450、540、630 W，每个功率对应的超声时间分别为10、20、30、40、50、60 min。在超声条件下处理后共收集到42份样品，进行离心处理，得到超声后污泥上清液。上清液将用于测定其中的氨氮、还原糖、蛋白质和SCOD的含量。根据各指标含量，分析超声波对造纸剩余污泥的破壁效果，从而确定超声预处理最佳实验条件。

1.2.2 超声预处理瘤胃微生物厌氧消化造纸剩余污泥

实验用厌氧反应瓶有效容积为500 mL，使用前已做高温灭菌处理。向反应瓶中加入最佳超声条件下的造纸剩余污泥50 mL，然后分别加入瘤胃液200 mL，在此期间不断通入氮气，以此除去氧气。之后将厌氧反应瓶放入恒温摇床中进行厌氧发酵，将其转速设置为120 r/min，温度设为37.5 ℃。厌氧发酵过程中，每隔4 h分别取定量上清液，测量氨氮、还原糖、蛋白质、SCOD和VFAs含量。在相同条件下做空白实验，使用污泥为原污泥，通过对比上清液产物含量研究超声预处理对促进瘤胃菌厌氧发酵产酸的影响。

1.3 分析方法

pH采用玻璃电极法测定[12]，含水率采用重量法测定[12]，SVI、MLSS采用减重法测定[13]，氨氮含量采用纳氏试剂分光光度法进行测定[14]，蛋白质含量采用考马斯亮蓝法进行测定[15]，还原糖含量采用3，5-二硝基水杨酸法进行测定[16]，SCOD采用微波消解法进行测定[17]。污泥粒径使用马尔文颗粒电荷检测仪(型号Zetasizer Nano ZSP，产地英国)进行测定。VFAs采用液相色谱分析[18]，测量仪器为Water公司生产的ACQUTTYH 型液相色谱，自动进样，进样量为20 μL，配Shodex RSpak KC-811有机酸专用分析柱(6 μm，8 mm×300 mm)和KC-G保护柱(10 μm，6 mm×50 mm)；流动相0.05%稀硫酸，体积流量0.7 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 超声条件对造纸剩余污泥水解的影响

图1为不同超声条件下造纸剩余污泥上清液中氨氮、还原糖、蛋白质质量浓度和SCOD的变化。从图中可以看出，和空白样造纸剩余污泥相比，经过超声预处理后，液相中的有机物质量浓度明显增加。比较不同处理时间下的有机物增长曲线可以发现，在前40 min内，所有处理功率下，污泥中还原糖、蛋白质、SCOD和氨氮质量浓度都显著增长，40～50 min期间增长放缓，而50～60 min 期间增长不十分明显，这是由于前50 min对污泥细胞的破坏已经达到一定程度，大部分胞内有机物已被释放。比较不同处理功率下污泥中还原糖、蛋白质、SCOD和氨氮质量浓度的变化可以发现，随着处理功率的增加，污泥中还原糖、蛋白质、SCOD和氨氮质量浓度均增加，说明超声波功率越大，污泥的裂解效果越好。这是因为在微泡突然猛烈崩塌产生的强大剪切力的作用下，嵌入污泥细胞基质的胞外聚合物(ESP)发生降解，组成胞外聚合物的多糖、蛋白质和核酸等物质解聚后进入溶液中，而微生物细胞在剪切力作用下细胞壁破裂，细胞中所含的有机物也会被释放到溶液当中。超声波功率越大，剪切力就越强，EPS与细胞的降解量越大，造成污泥中还原糖、蛋白质、SCOD和氨氮质量浓度不断上升。但在较高功率630 W时，氨氮的质量浓度反而发生了下降，这可能是因为水中游离的氨分子在空化泡中高温热解后生成有N2，从液体当中逸出，造成氨氮含量的减少[19]。

(a) 氨氮

(b) 还原糖

(c) 蛋白质

(d) SCOD

2.2 超声预处理对造纸剩余污泥粒径变化的影响

图2为超声处理前后污泥的粒径分布图，可以观察到，超声处理后的污泥粒径明显低于原始污泥。这种现象是由超声波产生的空化能量引起的，空化能产生激波，使局部压力在液体中发生变化和移动，产生的扰动促使污泥中聚集的颗粒分散开来，另外空化能量导致了纤维素颗粒受损，因此，出现了纤维素碎片和表面侵蚀现象，进而导致污泥颗粒直径减小。

(a) 原始污泥

(b) 超声污泥

2.3 超声预处理对厌氧发酵有机物溶出的影响

图3为造纸剩余污泥厌氧发酵有机物(氨氮、还原糖、蛋白质和SCOD)质量浓度变化趋势图。从图中可以看出，和空白样造纸剩余污泥相比，经过超声预处理后，造纸剩余污泥厌氧发酵液相中的有机物质量浓度明显增加。空白样污泥发酵4 h 后氨氮、还原糖、蛋白质和SCOD分别为65.28、64.29、283.56和622.00 mg/L，超声污泥发酵4 h后氨氮、还原糖、蛋白质和SCOD分别为253.76、833.58、2 784.47和3 846.00 mg/L，各有机物质量浓度在整个消化过程中呈线性增长，其氨氮、还原糖、蛋白质、SCOD最高分别为583.92、7 759.06、4 382.06和8 643.00 mg/L，之后随着发酵时间的增加而减少。超声预处理后污泥的有机物质量浓度大大提高，表明污泥絮凝体中大量的不溶性有机物向可溶性有机物转移。超声预处理对絮凝体结构的破坏可能导致有机物的增加，促进了胶体和可溶性有机物的释放到溶液中。这是因为污泥经过超声预处理破坏了其微生物的细胞壁，粒径减小(图2)，比表面积增大，给瘤胃微生物提供了更加有利的附着条件，从而使有机物溶出量增加。

(a) 氨氮

(b) 还原糖

(c) 蛋白质

(d) SCOD

2.4 造纸污泥厌氧发酵扫描电镜图

图4为造纸剩余污泥发酵扫描电镜图。图4(a)为原始污泥的扫描电镜图，可以观察到，污泥表面比较完整，相对光滑，没有明显的孔洞，纤维材料排列紧密，微生物的细胞壁没有破坏，这些表面特征可阻碍瘤胃微生物在污泥上的附着，不利于污泥厌氧发酵。图4(b)为经过超声处理后的污泥，可以观察到，污泥的结构破坏明显，表面变得粗糙和无序，出现了大量的孔洞，在降解不完全的造纸污泥上面分布着很多瘤胃微生物，说明超声预处理破坏了污泥的表面结构，使其暴露了内部物质，促进了瘤胃微生物的定植，提高营养物质的利用率，进而促进污泥的厌氧消化，提高污泥的体外发酵效率。

(a) 原始污泥

(b) 超声污泥图4 厌氧发酵造纸剩余污泥扫描电镜图Fig.4 SEM images of paper mill excess sludge after continuous anaerobic fermentation

2.5 超声预处理对瘤胃微生物造纸污泥厌氧消化产酸的影响

图5为超声预处理对造纸剩余污泥体外发酵76 h产酸量的影响。可以观察到，与未处理的造纸污泥相比，超声污泥具有相似的渐近产酸量，但经过超声预处理后的污泥产酸量明显高于原污泥。经超声波预处理后的造纸剩余污泥初始VFAs质量浓度为1.26 g/L，厌氧发酵4 h后，产酸量增加明显，之后随着厌氧发酵时间的增加而增大，直到厌氧发酵60 h时，产酸量达到最大值9.43 g/L。对照组污泥在发酵52 h之前，产酸量随时间的变化增加趋势较平缓，在52 h时，产酸量达到最大值4.92 g/L，之后略微降低。实验结果表明，超声预处理加快了瘤胃微生物消化造纸剩余污泥厌氧消化效率。这是由于超声预处理破坏了污泥稳定的纤维结构，使纤维素发生解聚，进而暴露了纤维素束之间的间隙，增大了比表面积，瘤胃微生物可以更好地黏附在污泥上面，而且超声还可以使污泥中的纤维素和半纤维素分解成小分子物质，更容易被瘤胃微生物消化，所以加快了造纸污泥体外发酵产酸。VFAs积累量减少的原因是由于污泥的大部分微生物细胞被破坏，污泥活性急剧下降。

图5 造纸剩余污泥厌氧发酵产酸变化Fig.5 VFAs production profiles from paper mill excess sludge

3 结 论

超声可破坏剩余污泥中EPS结构，促进微生物细胞破裂和有机物的释放。增加超声处理时间和增大超声处理功率均可以促进造纸剩余污泥中还原糖、蛋白质、SCOD和氨氮等有机质的溶出，最佳工艺条件为功率540 W、处理时间40 min，可使最终产酸量提高91.67%。超声波处理后的造纸污泥更加利于瘤胃微生物的附着，使得造纸剩余污泥在厌氧发酵过程中更加容易被水解和酸化，可显著提升厌氧发酵液相中的有机质含量，提高VFAs产量。因此，超声波可以作为一种高效促进瘤胃微生物厌氧消化造纸剩余污泥产酸的预处理手段。