磷酸酯酶活性对餐厨垃圾单相厌氧消化抑制的预警作用

彭绪亚,洪俊华,贾传兴,梅 冰,邸玉翠,王 璐 (重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045)

磷酸酯酶活性对餐厨垃圾单相厌氧消化抑制的预警作用

彭绪亚*,洪俊华,贾传兴,梅 冰,邸玉翠,王 璐 (重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045)

为了研究磷酸酯酶活性对餐厨垃圾单相厌氧消化抑制的预警作用,考察了单相CSTR反应器在容积负荷2.0～8.5kgVS/(m3·d)条件下的酸性和碱性磷酸酯酶活性,并同步分析了挥发性脂肪酸(VFAs)、容积产气率、pH值的变化.结果表明,酸性和碱性磷酸酯酶活性在容积负荷为2.0～4.0kgVS/(m3·d)时,平均值为14.1,9.8µgNP/(h·mL);容积负荷为5.0～7.5kgVS/(m3·d)时,其平均值为138.4,23.6µgNP/(h·mL);容积负荷为8.5kgVS/(m3·d)的超负荷阶段达到峰值318.1,51.5µgNP/(h·mL)后快速下降.磷酸酯酶活性骤升的时间较VFAs、容积产气率骤降超前2d、较pH值的骤降提前1d.磷酸酯酶活性较常规指标VFAs、容积产气率和pH值等对单相厌氧消化抑制具有一定的预警作用.

磷酸酯酶活性；餐厨垃圾；单相厌氧消化；抑制；预警

随着我国生活水平的不断提高,大量产生的餐厨垃圾已成为亟待解决的社会与环境问题.餐厨垃圾蕴含丰富的生物质能,通过厌氧消化产生沼气,已成为餐厨垃圾资源化的重要途径[1-2].由于餐厨垃圾有机物含量很高,其消化过程常常由于有机酸的大量累积而出现抑制[3-4].而常规的监测指标如pH值、挥发性脂肪酸浓度和产气量与气体成分等不能够及时对厌氧消化抑制给出警示作用.寻找有效的监控预警指标,对餐厨垃圾厌氧消化系统的稳定运行具有十分重要的意义.

复杂有机物的厌氧消化通常包括水解酸化、产氢产乙酸、产甲烷等系列过程.胞外酶对有机物的水解作用是第一个步骤.磷酸酯酶是水解基质上磷酸基团的酶,是厌氧微生物的一种胞外酶,可降解富含磷酸的生物分子(如磷酸、磷酸核苷、磷酸戊糖和磷酸己糖等),利于细菌的同化,它在厌氧消化器中比其他酶类活性高、对消化器基质的变化较敏感且易检测到[5-6].目前磷酸酯酶活性除了被广泛应用于人体医学、动植物代谢、土壤中重金属[7-8]的去除和水体[5,9-11]中磷循环的研究中外,对活性污泥中磷酸酯酶活性的指示作用的研究[12-14]越来越多.研究表明[15-18],磷酸酯酶活性主要受到污泥中生物量水平的影响,与污泥中生物量水平(MLSS)直接相关.Ashler等[14]发现在厌氧消化系统出现消化障碍时,污泥中磷酸酯酶活性的增高比其他因素如挥发酸的积累出现得早且明显,并首次将磷酸酯酶活性作为预示厌氧消化器运行中出现消化障碍的一项检测指标.王正兰等[19]研究厌氧污泥中的磷酸酯酶活性,证明当消化器负荷过高时,磷酸酯酶活性明显增高的现象比挥发酸大幅增加、酸化速度大于甲烷化速度、pH值下降等现象出现得要早,可提前10d左右预示厌氧消化障碍的出现.这些研究都表明,厌氧污泥中磷酸酯酶活性对消化系统状态有较好的指示性作用.

本研究以餐厨垃圾作为单相厌氧消化反应器的基质,通过增加容积负荷,以挥发性脂肪酸、容积产气率和pH值作为系统运行状态的常规指标来控制反应器由启动、稳定运行、超负荷到失衡的过程,测定整个过程中各个阶段酸性和碱性磷酸酯酶的活性,分析其变化规律及其原因,以期为厌氧消化系统负荷控制、消化障碍的预测以及消化器稳定性评价提供依据.

1 材料与方法

1.1 材料

试验物料取自重庆大学学校食堂及周边餐馆等,以食用残余(泔脚)类垃圾为主,混有少量厨余垃圾.样品剔除竹筷、纸张等干扰物,分批破碎至粒径小于 10mm,混合均匀.接种污泥取自本实验室 UASB反应器,接种率为 80%,接种后TS≥10%.

测得试验物料的以下指标的平均值:TS为12.93%,VS/TS为92.88%,容重为1096kg/m3,含油率(粗脂肪)为17.02%(湿基),C/N为15.53,氨氮为245.32mg/L,COD为64640mg/L.

1.2 试验装置及过程

本研究采用单相CSTR厌氧消化反应器,系统装置见图 1.反应器有效容积(V有效)=20L,采用斜叶式机械搅拌器搅拌,内部维持中温条件(35～38℃),由上部进料斗进料、锥体的最下部排料口出料,产气量由湿式气体流量计测定.

试验总共运行90d,容积负荷由2.0kgVS/(m3⋅d)逐渐增加到 8.5kgVS/(m3⋅d),整个过程包括反应器的启动、稳定运行、超负荷及失衡几个阶段.试验开始后每天从单相反应器底部出料口取消化浆料样品测pH值、挥发性脂肪酸、产气量等指标,以及时反映反应器运行性能及稳定性等情况,并将消化浆料样品经超声波处理后,用 4℃、20000g冷冻离心机离心取上清液测定酸性和碱性磷酸酯酶活性.

图1 试验装置Fig.1 Schematic diagram of anaerobic digestion experiment system

1.3 分析项目及方法

COD和VFAs按照标准分析方法测定[20];pH值采用 PHS-3C型 pH计直接测定;产气量用LML-3型湿式气体流量计计量;磷酸酯酶活性采用可见光分光光度法测定[21].

磷酸酯酶活性测定的具体方法为:取消化浆料装入离心管中,置冰槽中冷至 2℃后,在超声波仪中均匀化150s (120W,20kc/s),超声后用4℃、20000g离心30min取上清液备用.吸取lmL底物加入到3mL缓冲液 (酸性磷酸酶用pH6.8的柠檬酸钠/柠檬酸缓冲液,碱性用 pH9.4的 2-氨基-2-甲基-1-丙醇缓冲液)中,再加入lmL消化浆料上清液.对照组的组成同上,只是所取的消化浆料上清液被煮沸失活.所有试管一式2份,在一定温度下保温一定时间,然后从每管中取出2mL加到4mL 0.2mol/L NaOH中,用4℃、30000g冷冻离心机离心30min,取上清透明液在420nm波长下测定酶活性.

2 结果与讨论

2.1 VFAs、容积产气率、pH值的变化规律

VFAs代表物质主要有甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸以及它们的异构体,本实验中测量的 VFAs主要包括甲酸,乙酸,丙酸,丁酸,以及它们的异构体,它是消化原料的水解产物,同时也是甲烷菌生长代谢的基质,一定的 VFAs浓度是保证系统正常运行的必要条件,但过高的VFAs会抑制甲烷菌的生长而破坏消化过程.一旦厌氧消化系统受到抑制,就会表现出 VFAs积累、pH值下降、产气率下降等现象.

图2 容积产气率、pH随容积负荷率的变化Fig.2 The variation of volumetric gas production rate and pH as volumetric loading rate changed

由图 2和图 3可见,实验开始以容积负荷2.0kgVS/(m3·d)运行,容积产气率和VFAs均在较低水平上波动,当容积产气率和 VFAs相对稳定时增加负荷.当容积负荷在2.0,3.0kgVS/(m3·d)时,容积产气率比较低、且不稳定[2.07～2.70m3/ (m3·d)],以 4.0kgVS/(m3·d)容积负荷率运行后,产气稳定在较高的水平,最高达到 3.41m3/(m3·d).在容积负荷由2.0kgVS/(m3·d)增加到4.0kgVS/(m3·d)的过程中,VFAs浓度较低,维持在1000mg/L左右, pH值维持在7.7～7.9之间.至此反应器运行了34d,启动完成.

图3 VFAs随容积负荷率的变化Fig.3 The variation of VFAs as volumetric loading rate changed

从第 35d到第 90d,以容积负荷 5.0,6.0,7.0, 7.5,8.0,8.5kgVS/(m3·d)分别运行 8d,7d,10d,11d, 8d,9d.在容积负荷为 5.0～7.5kgVS/(m3·d)期间,平均容积产气率不断增加,VFAs维持在 805.7～1876.3mg/L, pH值稳定在7.6～8.1.可以看出容积负荷在 5.0～7.5kgVS/(m3.d)时,即实验的第 35～72d容积产气率高而稳定,VFAs和pH值也稳定在正常范围内,为反应器稳定运行阶段.

当容积负荷增加到 8.0kgVS/(m3·d)时,容积产气率进一步提高到4.97m3/(m3·d),pH值无明显变化,但 VFAs由 1991.6mg/L逐渐增加到了4486.3mg/L,远远超出了 VFAs的抑制浓度2000mg/L.此时反应器中的VFAs不能及时被降解而积累,产甲烷过程可能受到高有机负荷的抑制,反应器处于超负荷运行.

超负荷运行 8d后进一步增加容积负荷到8.5kgVS/(m3·d),并运行了9d,这期间pH值和容积产气率逐渐下降,VFAs进一步增加.试验进行到第87d pH值降到了6.4,容积产气率降到2.93m3/ (m3·d),VFAs增加到6446.4mg/L,第88d又大幅变化,pH值降为 5.7,容积产气率为 1.43m3/(m3.d), VFAs急剧增加到 13364.6mg/L.继续运行到第90d,pH值和容积产气率继续下降,VFAs进一步增加.说明反应器中VFAs大量积累,产气能力微弱,产甲烷过程已严重受阻,系统出现抑制.

2.2 磷酸酯酶活性的变化

磷酸酯酶在不同pH值条件下表现出不同的催化能力,故分为酸性磷酸酯酶和碱性磷酸酯酶.

在实验启动阶段即容积负荷率为 2.0～4.0kgVS/(m3·d)时,酸性磷酸酯酶活性处于比较低的水平(图4),在11.0～16.7µgNP/(h·mL)之间波动,平均为14.1µgNP/(h·mL);进入稳定运行阶段即容积负荷增加到5.0～7.5kgVS/(m3·d)时,在稳定运行的初期酸性磷酸酯酶活性也较低,但高于启动阶段,平均为 33.8µgNP/(h·mL),之后逐渐增加并稳定在117.9～171.9µgNP/(h·mL),平均为138.4µgNP/ (h·mL),明显较前一阶段增强;超负荷阶段,酸性磷酸酯酶活性逐渐增大,试验的第86d时,酸性磷酸酯酶活性急剧增强,由第 85d的 156.0µgNP/ (h·mL)急剧增加到第86d时的318.1µgNP/(h·mL),增幅达到了 103.9%,第 87d又降到 166.2µgNP/ (h·mL),降幅也在 100%左右,且之后的几天继续下降而未表现出恢复的趋势.

图4 酸性磷酸酯酶的活性Fig.4 The variation of ACP activity

碱性磷酸酯酶活性也有与酸性磷酸酯酶活性类似的变化规律(图5),启动期间稳定也增大很多,平均 23.6µgNP/(h·mL);同样的也在超负荷阶段(第 86d)出现了剧增,由第 85d的 34.6µgNP/ (h·mL)急剧增加到第86d的51.5µgNP/(h·mL),87d又降低为33.0µgNP/(h·mL)并继续降低,增幅和降幅均达到了50%左右.对比图4、图5,反应器中酸性和碱性磷酸酯酶活性水平有较大的差别,初始时酸性和碱性磷酸酯酶活性差不多,但是酸性磷酸酯酶活性增大的速度远远大于碱性磷酸酯酶,最后酸性磷酸酯酶活性远远高于碱性磷酸酯酶活性,这与Wang等[22]的研究结果一致.碱性磷酸酯酶活性与酸性磷酸酯酶活性表现出相类似的变化规律,都是由较低活性水平到较高活性,突然在最后一个阶段急剧达到峰值后又急剧降低.本实验中酸性和碱性磷酸酯酶活性都是在第86d时达到峰值后急剧降低,比VFAs骤升、容积产气率和pH值骤降早2d,这与Wang等[22]的试验结果中磷酸酯酶活性较VFAs等骤变超前10d左右不一致.

图5 碱性磷酸酯酶的活性Fig.5 The variation of ALP activity

出现这种不一致的原因可能是多方面的.首先,反应器类型和处理基质不同.Wang等[22]采用推流式和UASB反应器处理酒糟废水,本研究采用单相厌氧消化器处理餐厨垃圾,不同的反应器和基质对磷酸酯酶活性均有影响[8].其次,进料方式不同.在比较高的负荷下,Wang等[22]采取的是不提高负荷的方式,推流式和UASB反应器的最高 有 机 负 荷 分 别 为 12.24gCOD/(L·d)和32.6gCOD/(L·d).而本实验继续提高负荷进行冲击试验,最高达到了 39.97gCOD/(L·d)(对应于8.5kgVS/(m3·d)).最后,反应器运行时间不同. Wang等[22]反应器运行时间比较长,推流式反应器运行了100d,UASB反应器运行了140d,在每个负荷下运行时间相对较长,2个反应器在最高负荷下分别运行到20d和第25d时VFAs才开始积累,而本试验运行了90d.综上,本实验在高负荷下快速增加负荷,系统很快就受到负荷的冲击而发生失衡,导致磷酸酯酶活性变化较快.因此,Wang等[22]的研究结果是10d的预警时间,而本实验是2d的预警时间.

2.3 讨论

餐厨垃圾中含有大量颗粒状有机物,其厌氧消化具有自身的特点.首先餐厨垃圾有机颗粒通过溶解作用形成可溶性物质;然后通过水解酸化作用形成有机酸.餐厨垃圾相对于有机废水来说颗粒度较大,溶解和水解相对困难.当厌氧消化器中水解菌群获得高浓度营养物质时,会直接诱导产磷酸酯酶菌对磷酸酯酶的释放,即首先表现为磷酸酯酶活性的增加,当营养物质浓度高到一定的程度,磷酸酯酶的活性也会随之增高,产生大量的有机酸.产甲烷菌不能及时将这些有机酸充分转化为甲烷,有机酸就会积累在反应器中,最终导致有机酸浓度急剧增加, pH值随之下降.由此推断磷酸酯酶活性变化较VFAs以及pH值的变化具有超前性.

在试验运行过程中,反应器内部的微生物随着负荷的变化会出现更替性变化以适应环境的变化,导致磷酸酯酶产生菌发生变化,体现为磷酸酯酶活性的变化.在启动阶段,反应器中各类微生物处于适应阶段,数量少且活性弱,释放的磷酸酯酶少,磷酸酯酶活性处于较低水平.反应器稳定运行后,水解酸化菌和产甲烷菌已适应反应器的环境,开始大量增殖,细菌数量多而活性大,磷酸酯酶产生菌多而活跃,磷酸酯酶活性稳定在较高的水平.超负荷阶段,单相反应器在消化抑制的前期,一方面由于此时反应器内还源源不断地在投加餐厨垃圾,水解酸化菌大量生长以进行水解作用,逐渐成为优势菌,而产甲烷菌活性相对减弱;另一方面水解作用不断进行,产生有机酸,但其浓度达到一定程度时,产甲烷菌受到抑制,产甲烷过程受阻,导致 VFA等迅速积累,从而反应器环境发生变化,而环境的变化使菌群进一步发生演替. Anupama等[12]研究表明,古细菌和细菌对厌氧污

泥中的磷酸酯酶活性均有贡献,且贡献率分别为45%和55%.因此,可以推测水解酸化菌较产甲烷菌对磷酸酯酶活性的贡献率大.厌氧消化反应器中水解酸化菌活性不断增强,产甲烷菌活性不断减弱.而减少的产甲烷菌所释放的磷酸酯酶活性较增殖的产酸菌所释放的磷酸酯酶活性少,故随着水解酸化菌活性的不断增强,产甲烷菌不断减弱.因而,磷酸酯酶活性也不断增加.当产甲烷菌受到抑制,而水解产酸菌活性增强到一定的程度时,磷酸酯酶活性就达到峰值.随后由于反应器中的产酸菌产生的有机酸无法顺利被产甲烷菌利用转化为甲烷和二氧化碳而不断积累,水解产酸菌反过来受到抑制,磷酸酯酶活性快速下降.

3 结论

3.1 餐厨垃圾单相CSTR厌氧消化器在不同容积负荷下的酸性和碱性磷酸酯酶活性呈现不同水平.容积负荷率为 2.0～4.0kgVS/(m3·d)时,酸性和碱性磷酸酯酶活性平均值为 14.1,9.8µgNP/ (h·mL);当容积负荷率为 5.0～7.5kgVS/(m3·d)时,平均值分别达到 138.4,23.6µgNP/(h·mL);容积负荷率为 8.5kgVS/(m3·d)时,分别达到峰值 318.1, 51.5µgNP/(h·mL),而后均快速下降.

3.2 在超负荷阶段,磷酸酯酶活性骤升较 VFAs骤升、容积产气率骤降超前2d,较pH值骤降超前1d,其活性变化对餐厨垃圾单相CSTR厌氧消化抑制具有一定的预警性.

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Role of phosphatase activity as an early warning indicator of inhibition in a single-phase anaerobic digester treating food waste.

PENG Xu-ya*, HONG Jun-hua, JIA Chuan-xing, MEI Bing, DI Yu-cui, WANG Lu (Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：541～546

The objective of this study was to understand the role of phosphatase activity as an early warning indicator of inhibition that has been often observed in the anaerobic digestion (AD) of food waste. Tests were conducted in laboratory scale, single-phase CSTR reactors operated at loading rates ranged from 2.0 to 8.5kg VS/(m3⋅d). The activity of acid phosphatase (ACP) and alkaline phosphatase (ALP), volatile fatty acids (VFAs), volumetric gas production rate and pH were measured during the reactor operation. The average ACP and ALP activity at the start-up phase when the reactor loading rate ranged from 2.0 to 4.0kg VS/(m3⋅d) were measured as 14.1 and 9.8 µgNP/(h⋅mL), respectively; while 138.4 and 23.6µgNP/(h⋅mL) at the steady phase when the reactor loading rate was within 5.0 to 7.5kg VS/(m3⋅d). The ACP and ALP activity peaked at 318.1 and 51.5µgNP/(h⋅mL) when reactors were overloaded at 8.5kg VS/(m3⋅d), after which both activity significantly decreased. The sharp increase in phosphatase activity occurred two days prior to the loading rate increase and one day prior to the pH drop, which suggests it could be an early warning indicator of inhibition that often occurred in the anaerobic digestion of food waste.

phosphatase activity；food waste；single-phase anaerobic digestion；inhibition；early warning

X705

A

1000-6923(2012)03-0541-06

2011-06-24

“十一五”国家科技支撑计划(No.2010BAC67B01);重庆市科技计划重点项目

* 责任作者, 教授, xypeng33@126.com

彭绪亚(1963-),男,重庆市人,教授,博士,从事固体废物污染控制与资源化技术研究.发表论文100余篇.