高铁酸钾强化剩余污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸研究

关键词：剩余污泥；厌氧发酵；高铁酸钾；VFA；水解

前言

污泥是城镇固体废物的重要组成部分，同时具有污染和资源的属性。污泥厌氧发酵能高效实现污泥资源化和减量化。ES厌氧发酵产挥发性脂肪酸（VFA）得到广泛关注，因为VFA可作为碳源用于合成生物塑料、制备沼气及强化生物脱氮处理。

ES由于外有胞外聚合物和细胞壁的限制从而导致胞内有机质的利用效率低，这也导致水解过程成为厌氧发酵的限速步骤。Hu等考察了PF提高污泥厌氧消化产甲烷的作用机制，发现PF利于污泥内腐殖酸和木质素的厌氧降解，并提高了产甲烷化。此外，冷冻预处理联合PF同样提高了污泥暗发酵过程内氢气的积累。Wang等报道PF能加速ES分解并促进底物转化从而中链脂肪酸，并探究了相关微生物群落变化。然而关于PF强化低C/N污泥厌氧发酵积累挥发性脂肪酸（VFA）的探究和蕴含的作用机制至今鲜有报道。

因此，研究了PF强化ES厌氧发酵产酸的影响并揭示相关机制。首先，探究不同含量PF对厌氧发酵的影响。再者，分析了PF对ES内有机质生物转化规律的影响。最后，考察了与VFA产生相关酶活性以揭示PF强化ES厌氧发酵的机理。研究结果为ES的高效资源化提供数据支撑。

1材料与方法

1.1试验材料

试验所用污泥来源于某实验室长期运行的强化生物除磷工艺的污泥，收集后的ES经筛网过滤去掉杂质后备用。试验所用生物除磷污泥的主要特性如下：pH7.2，总COD15.6g/L，溶解性蛋白质（SPN）56.6mg/L，溶解性多糖（SPS）26.9mg/L，NH4+-N 24.2mg/L，总悬浮固体（TSS）12.2g/L。

接种污泥来源于实验室连续流运行的厌氧反应器，该反应器主要用于处理城镇剩余污泥，接种污泥的主要理化特性如下：pH7.1，TSS 12.3g/L．挥发性悬浮固体（VSS）8.9g/L。

PF购买于上海某试剂供应公司，其CAS号：39469-86-8MDL号：MFCD01321363。分子式为K2Fe0，分子量为113.97。

1.2试验设置

试验在四个相同的发酵罐内完成，发酵罐的温度通过水域加热的方式控制在35℃。首先，各发酵罐内接种3.0L的接种污泥和2.0L的剩余污泥。然后，各反应器内再投加不同含量的PF以控制其含量分别为0、3%、5%和7%（均以TS湿重计），并将上述四个反应器分别定义为R1～R4。发酵罐内设有机械搅拌器，工作时转速控制在200～250rpm。然后，各物料初始pH通过人工添加2.0M的HCl控制为7.0，并每隔12h进行pH校对以排除pH对厌氧发酵的影响。当全部物料投加完成后，向各反应器充人高纯度（超过99.99%）氮气以排净氧气保证厌氧条件。最后，将上述反应器移至恒温培养箱内进行厌氧发酵，发酵期间定期测定有机质变化及甲烷产量。

1.3分析方法

溶解性COD（SCOD）、VSS采用国际标准方法测定；NH4+-N采用纳氏试剂法测定；SPN和SPS分别采用福林酚法和蒽酮比色法。VFA测定采用气相色谱法，试验所用色谱仪型号为7890A（美国Agi-lent），具体测定步骤见文献[5]。VFA主要包含C2～C5羧酸，试验结果均转化为COD进行比较。乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐和戊酸盐转化为COD浓度的系数分别为1.07、1.51、1.82和2.04。甲烷采用气相色谱法测定。与VFA产生相关酶包括蛋白酶、淀粉酶、乙酸激酶（AK）、磷酸转乙酰基酶（PTA）和辅酶F420，上述关键酶的分析与测定见文献[7]。

2结果与讨论

2.1PF对ES厌氧发酵产VFA的影响

如图1（a）所示PF对ES厌氧发酵内VFA产量的影响。VFA产量随发酵时间先急剧升高后波动变化。在R1内，VFA最大值出现在11d，对应的产量为102.6mg/gVSS，这略高于之前文本报道，可以与此研究运行温度较高相关。PF存在组别内，VFA含量显著提高，提高程度与PF含量密切相关，但VFA最大值出现时间均缩短至5d～7d，较空白组提前约4d～6d。PF显著提高了ES厌氧发酵产VFA，且PF的最佳含量为5%，VFA的最大产量提高至251.6mg/gVSS。当PF含量进一步提高7%时，VFA的产量则下降至164mg/g VSS，但仍高于对照组。高PF组别内VFA产量下降的原因可能在于PF的强氧化性，降低了酸化微生物的代谢。因此，PF的最佳剂量5%，VFA的最大产量为251.6mg/gVSS。

图1（b）为PF对ES厌氧发酵过程内VFA个体占比的影响。C2～C5的羧酸被检测并进行分析。乙酸盐和丙酸盐是各组内主要羧酸盐，这与之前文献报道一致。然而，PF存在能影响VFA个体占比。随着PF含量增加，乙酸盐占比逐渐提高，而丙酸盐占比下降。随着PF含量由0增加至7%，乙酸盐占比由32.6%提高至41.3%，而丙酸盐占比由29.8%下降至22.3%。此外，高含量PF降低了VFA内高分子羧酸占比，例如在7% PF组别内，异戊酸盐占比为5.7%，低于对照组的8.9%。PF降低了VFA内高分子羧酸占比，提高了低分子羧酸如乙酸盐含量。

2.2PF对ES厌氧发酵内有机质溶出特征的影响

水解是ES厌氧发酵的限速步骤，SCOD的变化能反映ES的水解过程。如图2（a）所示，PF显著提高了ES内有机质的释放。在全部组别内，SCOD的变化呈现出先升高后下降的趋势，且PF组别内SCOD的最大值显著高于对照组。在R1内，SCOD的最大值为891mg/L，出现在9d。在R2～R4内．SCOD的最大值由1241mg/L增加至1856mg/L，且SCOD出现的时间也出现不同程度缩短，PF投加组别内SCOD最大值出现的时间多为5d。上述实验结果表明PF提高了ES厌氧发酵内有机质的溶出，且PF浓度越高，SCOD溶出量越高。PF的强氧化有效破坏了ES外的SPN和SPS为ES内关键有机质，PF对SPN浓度的影响见图2b，SPN浓度随时间先升高后缓慢下降。对照组内SPN最大值为394mg/L，出现在11d。PF存在组别内SPN浓度显著提高，说明PF促进了ES内PN的溶出。在R2内，SPN最大值为594mg/L，而在R3和R4内，SPN的最大值为699mg/L和694mg/L，两者相差不显著（pgt;0.05），说明5%PF已显著提高了PN的溶出。PF能有效促进ES裂解，提高ES内颗粒状PN向SPN转化，进而为后续酸化过程提供物质保障。相似的实验结果也在SPS内发现，说明PF同样提高ES内SPS的释放。

2.3PF对ES内沼气产量及组分的影响

如图3所示PF对ES厌氧发酵内甲烷产量的影响，可以发现空白组内甲烷最终累计量远高于其他组别，说明PF抑制了ES厌氧发酵积累甲烷。需要注意的是前7d内，PF组别内甲烷积累量相差不显著，但均低于对照组。产生这种现象的原因在于发酵前期产甲烷古菌代谢缓慢，发酵系统内能利用的酸化产物浓度低。另一方面，PF具有的氧化性对产甲烷古菌产生不利影响，降低了甲烷产量。在7d后，发酵系统内累计的甲烷产量与PF浓度相关。PF浓度越高，累计甲烷产量越低，尤其在R4内，甲烷产量仅为32.6mL/gVSS，约为对照组的37%。PF强氧化能抑制产甲烷古菌的代谢活性，从而减少系统内有机质向甲烷的生物转化。PF强氧化性对微生物产生应激反应降低羧酸盐转化酶的活性。

2.4PF对ES发酵内关键酶活性的影响

ES厌氧发酵积累SCFA是一个多种关键酶调控的生物化学过程。其中，与水解过程密切相关的关键酶包括蛋白酶和淀粉酶，而与酸化过程密切相关的关键酶包括AK、PTA等。因此有必要考察PF对上述关键酶活性的影响。如图4所示，PF显著提高了与水解过程相关酶的活性，例如在PF存在组别内，蛋白酶相对活性提高至105%～124%，淀粉酶相对活性提高至106%～118%，且PF投加量越大，水解酶相对活性增加越显著。PF促进水解酶活性的原因在于PF裂解了污泥结构，促进了水解酶与有机质的有效接触，增加了活性点位进而提高水解活性。在酸化方面，PF同样促进了AK和PTA的相对活性，例如在R4内，AK和PTA的相对活性分别增加至116.3%和124.9%。PF刺激酸化微生物的代谢，促进水解产物的进一步利用与转化，进而提高了酸化酶的活性。然而在产甲烷化方面，PF显著抑制了F420的活性，且PF浓度越高，F420抑制越显著．在R4内，F420的相对活性仅为71.9%，低于对照组。PF促进了与水解和酸化过程相关酶但抑制产甲烷化过程相关酶是导致PF促进ES厌氧发酵产酸的原因之一。

2.5PF对ES发酵内副产物释放的影响

NH4+ -N是ES厌氧发酵内典型副产物，释放量在一定程度上反映水解过程。如图5所示，各组别内NH4+ -N浓度随时间先上升后稳定，但PF存在提高了NH4+ -N的释放。对照组内18 d后NH4+-N的浓度约为154.9mg/L，这与之前ES单独嗜中温厌氧消化释放值大致相似。当PF存在时，NH4+-N达到最大值所需时间略有缩短并且NH的浓度显著提高。随着PF浓度由3%提高至7%，NH4+-N最大浓度由191.2mg/L增加至216.8mg/L。PF促进了ES厌氧发酵内NH4+ -N的释放进一步佐证了PF提高水解过程。在ES发酵液的后续处理过程中需要注意大量NH4+-N问题。

3结论

PF能高效促进ES厌氧发酵产VFA，且PF的最佳含量为5%，VFA的最大产量为251.6mg/g VSS，约为对照组的2.45倍。PF促进了VFA内小分子羧酸的生成，降低了大分子羧酸在VFA内占比。PF促进了ES内溶解性有机质释放，提高了SCOD、SPN、SPS的浓度，利于后续酸化过程。PF组内最大SCOD为1856mg/L，远远高于对照组。PF强化性降低了产甲烷古菌的活性，减少了VFA的消耗，并促进了与水解和酸化过程相关酶的活性，从而提高VFA积累。