高鐵酸鉀對剩余污泥厭氧發(fā)酵的影響

活性污泥法是城鎮(zhèn)污水處理廠常用的水處理工藝，具有運(yùn)行簡單、成本低、處理效率高的特點(diǎn)。但污水處理過程會產(chǎn)生大量含有豐富的蛋白質(zhì)、多糖及脂類的剩余污泥，常規(guī)的填埋、焚燒等處理方式不僅引起環(huán)境二次污染，同時(shí)造成資源浪費(fèi)，因此，剩余污泥如何妥善處置已成為當(dāng)今環(huán)保領(lǐng)域亟待解決的問題。

污泥厭氧發(fā)酵技術(shù)利用厭氧微生物將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成小分子物質(zhì)，發(fā)酵產(chǎn)物之一短鏈脂肪酸(SCFAs)不僅是生產(chǎn)聚羥基脂肪酸(PHAs)的工業(yè)原料，同時(shí)也是微生物的優(yōu)選碳源，可作為內(nèi)碳源用于低碳氮比污水處理廠脫氮除磷，因其巨大的潛在價(jià)值使污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸技術(shù)受到眾多學(xué)者的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，利用堿、酸或其聯(lián)合方法處理剩余污泥均能實(shí)現(xiàn)SCFAs積累。近年來，高級氧化法也被嘗試用于污泥處理，高活性物質(zhì)不僅能夠促進(jìn)污泥水解釋放蛋白質(zhì)和多糖等酸化基質(zhì)，同時(shí)有效控制產(chǎn)甲烷菌活性，促進(jìn)SCFAs高效積累。高鐵酸鉀(PF)是一種強(qiáng)氧化劑，通過單電子或雙電子轉(zhuǎn)移機(jī)制可與有機(jī)物反應(yīng)，已廣泛用于苯酚、砷酸鹽等的處理。YE等研究發(fā)現(xiàn)，PF能夠提高污泥溶解性；WU等將PF用于污泥脫水和溶解處理；張彥平等將PF與堿耦合處理剩余污泥，實(shí)現(xiàn)污泥減量，但是對于發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)酸及生物酶活性未進(jìn)行深入研究。本研究將系統(tǒng)分析PF對污泥厭氧發(fā)酵性能的影響，結(jié)合生物酶的變化進(jìn)一步分析PF在污泥厭氧發(fā)酵過程中作用機(jī)理。

1、材料與方法

1.1 污泥來源及實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)所用剩余污泥取自鄭州市某城市污水處理廠好氧池，使用前用自來水清洗3次，再進(jìn)行濃縮，污泥和濾液性質(zhì)見表1。反應(yīng)器材料為有機(jī)玻璃，容積為2.5L，有效容積為2.0L，反應(yīng)過程中進(jìn)行勻速攪拌。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

分別取2L污泥投加至1#~5#反應(yīng)器，分別向反應(yīng)器中投加PF，控制PF投加量為0、20、40、80、160mg/mg（基于MLSS計(jì)算），隔天取樣測定各項(xiàng)理化指標(biāo)。

1.3 分析方法

COD、氨氮、磷酸鹽、MLSS及MLVSS根據(jù)文獻(xiàn)測定；脫氧核糖核酸（DNA)采用痕量分光光度計(jì)（NAN（ODROP2000）測定；PH用水質(zhì)測定儀（PHS-3E）測定；SCFAs采用氣相色譜儀（GC6890B）測定；胞外聚合物(EPS)采用離心法提取，其中多糖和蛋白質(zhì)采用紫外一可見分光光度法測定；蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、堿性磷酸酶（ALP）、酸性磷酸酶(ACP)和脫氫酶（DH)采用分光光度法測定；污泥粒徑利用激光粒度測定儀（MICROTRACS3500）測定。所有項(xiàng)目檢測試劑均為分析純。

污泥厭氧發(fā)酵是污泥中微生物細(xì)胞解體、有機(jī)物釋放過程，而污泥溶液化率（SCOD)和污泥分解率（DDCOD)可表征污泥中微生物細(xì)胞解體程度，也可表征污泥水解性能，計(jì)算公式分別見式(1)和式(2)：

式中：ηSCOD為SCOD，%；CCOD，s為溶解性COD質(zhì)量濃度，mg/L；CCOD.so為原始溶液中溶解性COD質(zhì)量濃度，mg/L；CCOD.po為污泥原始顆粒中COD質(zhì)量濃度，mg/L；ηDDCOD為DDCOD，%；CCOD.NaoH為1mol/LNaOH處理剩余污泥24h后的COD質(zhì)量濃度，mg/L。

2、結(jié)果與討論

2.1 污泥水解性能

2.1.1 PF對污泥溶解的影響污

泥溶解是污泥細(xì)胞破碎并釋放可溶性有機(jī)物的過程，伴有部分DNA釋放，包括污泥溶液化和污泥分解兩個(gè)過程。由圖1可知，不同濃度的PF對污泥溶液化和污泥分解具有明顯的影響。分析數(shù)據(jù)可知，SCOD、DDCOD具有相同的趨勢，均隨著PF的投加量增加而增大，當(dāng)PF為160mg/mg時(shí)，SCOD和DDCOD分別為57.95%和78.54%，均約為0mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)的1.6倍，可見，PF能夠促進(jìn)污泥溶解。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，PF發(fā)酵系統(tǒng)的剩余污泥溶解性能高于單過硫酸氫鉀（SCOD為30.51%），但是與堿性發(fā)酵系統(tǒng)相似（SCOD為53.8%）。這是因?yàn)?/span>PF水解后能夠產(chǎn)生大量的FeO42-，FeO42-具有極強(qiáng)的氧化性能，直接破壞細(xì)胞壁，氧化分解污泥絮體，促進(jìn)有機(jī)物分解，而單過硫酸氫鉀是通過高活性分子破壞微生物細(xì)胞膜的通透性屏障，產(chǎn)生的自由基作用于磷酸二酯和核糖核酸（RNA)，造成微生物死亡，因此，PF對污泥的作用更加劇烈，使其發(fā)酵系統(tǒng)的污泥溶解性能高于單過硫酸氫鉀污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。本研究發(fā)酵系統(tǒng)中DNA濃度也隨著PF投加量的增加而增大，證明PF能促進(jìn)污泥中細(xì)胞的溶解，造成胞內(nèi)有機(jī)質(zhì)大量釋放。

2.1.2 污泥中蛋白質(zhì)和多糖的釋放

蛋白質(zhì)和多糖是污泥EPS的主要成分，是污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)酸菌的作用基質(zhì)，因此，蛋白質(zhì)和多糖的產(chǎn)量是影響污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的關(guān)鍵因素。由圖2可知，發(fā)酵過程中蛋白質(zhì)和多糖與DDCOD和SCOD趨勢相近，也基本隨著PF的增加而增大，160mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中發(fā)酵末期蛋白質(zhì)和多糖分別為552.17、355.39mg/L，分別為0mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)的2.7、4.6倍，說明PF能夠促進(jìn)剩余污泥分解，提高蛋白質(zhì)和多糖的釋放。這是因?yàn)?/span>PF有效成分FeO42-能夠有效氧化有機(jī)物，破壞活性污泥中EPS結(jié)構(gòu)，使蛋白質(zhì)和多糖釋放至發(fā)酵系統(tǒng)，而副產(chǎn)物OH-大幅度提高發(fā)酵系統(tǒng)pH，強(qiáng)化PF的破壁作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)和多糖隨著PF濃度的增加而增大。同時(shí)結(jié)果表明，發(fā)酵系統(tǒng)中蛋白質(zhì)和多糖質(zhì)量比（1.5~2.0）與單過硫酸氫鉀發(fā)酵系統(tǒng)相似，低于堿性發(fā)酵系統(tǒng)(7～8）及酸性發(fā)酵系統(tǒng)(10~16)，這是因?yàn)榕c多糖相比，蛋白質(zhì)中的色氨酸、酪氨酸等更加容易被氧化，造成蛋白質(zhì)含量明顯降低。

2.2 污泥酸化性能

2.2.1 PF對SCFAs的影響

剩余污泥發(fā)酵系統(tǒng)SCFAs是由產(chǎn)酸菌利用污泥水解產(chǎn)物蛋白質(zhì)和多糖通過新陳代謝生成，SCFAs可直接反映污泥發(fā)酵系統(tǒng)的性能。分析圖3（a）可知，COD產(chǎn)量隨著PF投加量的增加而增大，160mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中COD質(zhì)量濃度最高達(dá)3985mg/L，這與發(fā)酵系統(tǒng)中污泥溶解性相關(guān)。同時(shí)由圖3（b）可知，SCFAs產(chǎn)量也隨著PF投加量的增加而增大，160mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中SCFAs質(zhì)量濃度末期達(dá)914.30mg/L，是同時(shí)段0mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)的8.3倍。這是因?yàn)楦邼舛?/span>PF污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)含有豐富的蛋白質(zhì)和多糖等水解產(chǎn)物，能為產(chǎn)酸菌提供豐富的反應(yīng)基質(zhì)，且PF溶于水后產(chǎn)生一定量的OH-，使發(fā)酵系統(tǒng)pH升至9.1~9.6，處于堿性環(huán)境，與LI等的研究結(jié)果相似，該環(huán)境對產(chǎn)甲烷菌活性具有較強(qiáng)的抑制作用，降低產(chǎn)甲烷菌對SCFAs的消耗，使160mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中SCFAs產(chǎn)量最大。HE等研究發(fā)現(xiàn)，PF的強(qiáng)氧化性和高pH使發(fā)酵系統(tǒng)中SCFAs得到有效積累。本研究中的SCFAs產(chǎn)量略低于WANG等的研究結(jié)果，可能是因?yàn)楸狙芯康膶?shí)驗(yàn)溫度（10~15℃)明顯低于文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)溫度（30～40℃），屬于低溫發(fā)酵反應(yīng)，同時(shí)本研究的PF投加量也遠(yuǎn)低于其他實(shí)驗(yàn)，因此SCFAs產(chǎn)量相對較低。

由圖3(c)可知，PF對SCFAs成分具有明顯影響，其中乙酸隨著PF的增加而增多，160mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為57.81%，與WANG等的研究結(jié)果相似。丙酸、正丁酸、異丁酸隨著PF的增加而降低，其中0mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中丙酸、正丁酸和異丁酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.86%、21.55%、26.74%，分別是160mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)的1.7、1.7、3.6倍，正戊酸和異戊酸隨PF投加量變化較小。這是因?yàn)槲⑸镌谖勰鄥捬醢l(fā)酵過程中發(fā)揮了重要作用。PF促進(jìn)梭狀芽孢桿菌(Clostridia)和擬桿菌（Bacteroidia)生長，以上兩者能分解復(fù)雜有機(jī)物為乙酸，造成乙酸大量積累。

2.2.2 PF對氨氮和磷酸鹽的影響

氨氮和磷酸鹽是污泥中有機(jī)氮和有機(jī)磷水解酸化后的副產(chǎn)物，也是衡量污泥厭氧發(fā)酵性能的指標(biāo)。由圖4可知，氨氮濃度隨著PF投加量增加而增大，這是因?yàn)?/span>PF溶于水后產(chǎn)生大量強(qiáng)氧化性的FeO42-，提高污泥水解酸化性能，因此大量的有機(jī)氮被分解成氨氮，發(fā)酵末期160mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中氨氮為471.53mg/L。與氨氮不同，磷酸鹽大體上隨著PF投加量的增加而降低，這是因?yàn)?/span>PF釋放的Fe3+在發(fā)酵系統(tǒng)中被還原成Fe2+，Fe2+可與磷酸鹽進(jìn)一步合成藍(lán)鐵礦（Fe4（PO4)2?8H2O)，進(jìn)而降低系統(tǒng)中磷酸鹽濃度，可見，PF不僅能夠提高SCFAs產(chǎn)量，同時(shí)原位形成藍(lán)鐵礦，實(shí)現(xiàn)磷酸鹽回收。

2.3 PF對生物酶活性影響

蛋白質(zhì)和多糖是剩余污泥中EPS的主要成分，也是產(chǎn)酸菌重要的反應(yīng)基質(zhì)，但是產(chǎn)酸菌無法直接利用蛋白質(zhì)和多糖進(jìn)行產(chǎn)酸反應(yīng)，需要生物酶將蛋白質(zhì)和多糖分解為小分子物質(zhì)。其中，蛋白酶破壞大分子蛋白質(zhì)的肽鏈為氨基酸，α-葡萄糖苷酶破壞麥芽糖內(nèi)的α-1，4糖苷鍵并釋放單糖，達(dá)到水解蛋白質(zhì)和多糖的目的，所以蛋白酶和α-葡萄糖苷酶在污泥厭氧發(fā)酵過程中起著重要作用。由圖5(a)和圖5(b)可知，蛋白酶和a-葡萄糖苷酶活性隨著PF投加量先增加后降低，其中，80mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中蛋白酶活性最高，為234.89U/mg，是0mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)的2.6倍，同時(shí)80mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中α-葡萄糖苷酶活性最高，為0.064U/mg，是0mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)的3.6倍，可見，PF能夠提高發(fā)酵系統(tǒng)蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性，但是高濃度PF抑制蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性，這是因?yàn)楦邼舛?/span>PF釋放大量的FeO3，不僅破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)同時(shí)滅活生物酶。蛋白酶活性遠(yuǎn)高于α-葡萄糖苷酶，這是因?yàn)棣?/span>-葡萄糖苷酶位于球體層，蛋白酶位于懸浮層（SB)，當(dāng)反應(yīng)底物從細(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外轉(zhuǎn)移時(shí)，生物酶也隨之向外轉(zhuǎn)移，因此，底物越豐富，相關(guān)生物酶活性越高。

微生物體內(nèi)含有豐富的有機(jī)磷，磷酸酶對有機(jī)磷的分解具有重要的作用，磷酸酶將有機(jī)磷水解成無機(jī)磷并參與細(xì)胞質(zhì)合成。由圖5(c)和圖5(d)可知，與蛋白酶和α-葡萄糖苷酶相同，堿性磷酸酶活性隨著PF的增加先增加后降低，80mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中堿性磷酸酶活性最高，為0.028U/mg；但是酸性磷酸酶隨著PF增加而降低，160mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中活性最低，為0.051U/mg?？梢?，過高PF濃度抑制磷酸酶活性。

脫氫酶是一種能氧化底物的氧化還原酶，由圖5(e)可知，脫氫酶隨著PF投加量的活性先增加后降低，80mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中脫氫酶活性為0.72U/mg，但160mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中脫氫酶活性降低，為0.62U/mg，但是仍高于0~40mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)（0.25～0.41U/mg）。可見PF能夠有效提高磷酸酶和脫氫酶活性，為分解和氧化有機(jī)物起著重要的作用。

2.4 PF對發(fā)酵污泥性質(zhì)的影響

EPS對維持微生物的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞間的聚集作用至關(guān)重要，同時(shí)有利于維持污泥絮體的穩(wěn)定性。PF對EPS結(jié)構(gòu)具有顯著的影響，其中SB和疏松層(LB)中的蛋白質(zhì)和多糖隨著PF的增加而增大，而緊致層(TB)中蛋白質(zhì)和多糖隨著PF的增加而降低(見圖6)。這是因?yàn)?，微生物對于惡劣環(huán)境具有應(yīng)急保護(hù)機(jī)制，在不利環(huán)境下會在細(xì)胞表面分泌大量的蛋白質(zhì)和多糖，TB的EPS向SB和LB轉(zhuǎn)移，造成TB的EPS含量隨著PF投加量的增加而降低，而SB和LB中蛋白質(zhì)和多糖隨著PF投加量增加而增大。研究發(fā)現(xiàn)，LB中的蛋白質(zhì)和多糖含量的增加會降低細(xì)胞附著性和惡化絮體結(jié)構(gòu)，造成污泥解體，進(jìn)而改變污泥粒徑。0～160mg/mg發(fā)酵系統(tǒng)中分配率為50%的污泥粒徑依次為38.39、40.95、38.77、38.13、19.60μm，可見高濃度的PF使污泥絮體受到極大的破壞，降低污泥粒徑，這與MLSS和MLVSS均隨著PF投加量的增加而降低的現(xiàn)象一致，說明PF能夠有效破壞污泥絮體結(jié)構(gòu)。

3、結(jié)論

(1)PF能夠有效促進(jìn)污泥水解酸化性能，蛋白質(zhì)、多糖和SCFAs隨著其濃度的增加而增大。PF能夠優(yōu)化污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)酸類型，提高乙酸比例。

(2)適當(dāng)濃度的PF促進(jìn)蛋白質(zhì)、α-葡萄糖苷酶和堿性磷酸酶活性，但高濃度PF抑制生物酶活性。（來源：河南恒安環(huán)?？萍加邢薰荆幽鲜「啕}高濃度有機(jī)廢水處理工程技術(shù)研究中心，鄭州輕工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院）