脂肽强化污泥厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸的研究*

王慧琴 李凤丽

(郑州澍青医学高等专科学校基础医学部，河南 郑州 450000)

活性污泥工艺是目前广受认可的一种污水处理工艺，然而其在运行过程中得到的副产物——污泥中含有一定的有毒有害物质，若处置不当将污染环境。与此同时，污水处理厂进水碳源的不足往往限制了生物脱氮除磷的效率，需要额外补充大量外在碳源。近年来，应用污泥厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸(SCFA)的研究得到学者的普遍关注，该工艺不仅能够有效减少污水处理厂的运行成本，也能很好地实现污泥的资源化与减量化。

污泥厌氧发酵一般可以分为4个连续的反应过程，即溶解、水解、酸化和甲烷化过程。初始的溶解与水解反应是污泥厌氧发酵的限速步骤[1]。因此，若要提高污泥厌氧发酵过程中SCFA的产量，需要强化溶解与水解过程，促进有机物转化为SCFA，同时抑制甲烷化过程，尽量减少SCFA进一步转化为甲烷。为提高溶解和水解速率，机械、微生物、投加化学试剂等预处理方式不断应用到污泥厌氧发酵工艺中[2]，其中利用表面活性剂强化污泥水解过程得到广泛关注。表面活性剂能够破坏污泥的胞外聚合物(EPS)，进而释放胞内污泥，加速厌氧发酵的水解反应。JIANG等[3]研究发现，十二烷基苯磺酸钠(SDBS)能够促进污泥的水解过程，同时提高SCFA的产量，且SDBS的最佳投放量为0.02 g/g。LIWARSKA BIZUKOJC等[4]通过添加表面活性剂显著提高了污泥的水解速率。然而上述研究中采用的表面活性剂多为化学类表面活性剂，在环境中不易降解，毒性大，易造成环境的二次污染。

生物类表面活性剂是由生物产生的一种具有表面活性的物质。生物表面活性剂易降解，毒性低，且对极端温度及pH均有较高的耐受能力。易欣等[5]研究了鼠李糖脂对污泥水解的影响，发现鼠李糖脂能够显著降低污泥水解发酵液的表面张力，促进胞内物质的释放。陈灿等[6]发现，烷基多苷能够提高蛋白质和可溶性糖的含量，进而提高SCFA的积累量，但上述生物类表面活性剂价格较高，不易大范围内推广使用。

脂肽是一种微生物生产的生物类表面活性剂，具有易提取、价格相对低廉等优点。然而，脂肽对污泥厌氧发酵的影响至今尚未报道。因此，本研究考察了脂肽投加量对污泥厌氧发酵生产SCFA的影响，探究了脂肽对SCFA生产的影响机制，以期对污泥厌氧发酵产酸的实际应用和SCFA的回用起到一定的借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 污 泥

本实验采用的污泥取自长沙第二污水处理厂二沉池的剩余污泥，污泥取回后置于4 ℃的冰箱内存放22 h后去掉上清液，污泥的主要特征如下：pH=6.8±0.1，总悬浮固体(TSS)为(12 500±290) mg/L，挥发性固体(VSS)为(8 950±180) mg/L，总化学需氧量(TCOD)为(11 890±350) mg/L，总蛋白质为(6 850±180) mg/L，总糖为(1 120±180) mg/L，SCFA为25 mg/L。

1.1.2 脂 肽

实验用脂肽为市售产品，质量分数为80%。

1.2 脂肽投加量对污泥厌氧发酵的影响

分别取500 mL污泥置于4个有效容积为600 mL的血清瓶中，向4个血清瓶中投加不同剂量的脂肽，调节脂肽投加量为0.02、0.04、0.08、0.10 g/g(以污泥中单位质量TSS的脂肽投加量计，下同)。血清瓶经过10 min吹氮后密封置于35 ℃恒温振荡器上，初始pH控制在7.0，厌氧发酵反应时间持续15 d。以相同条件下不投加脂肽的污泥厌氧发酵实验为空白组。

1.3 脂肽降解量对SCFA的贡献

由于脂肽在污泥厌氧发酵过程中会发生降解，可能对SCFA的积累量造成干扰。为了解脂肽降解对SCFA的贡献，取550 mL蒸馏水和0.15 g脂肽置于有效容积为600 mL的血清瓶中，投加50 mL污泥作为接种微生物，由于本实验中投加的污泥量较少，因此可以认为反应体系中的SCFA完全来自脂肽降解。血清瓶经过10 min吹氮后密封置于35 ℃恒温振荡器上，初始pH控制在7.0，厌氧发酵反应时间持续15 d，定时取样分析脂肽与SCFA含量的变化，考察脂肽降解对SCFA的贡献。以上实验均进行3次，测定结果取平均值。

1.4 分析方法

pH、TSS、VSS、溶解性化学需氧量(SCOD)采用国际标准方法进行测定。溶解性蛋白质采用Folin-酚法测定，以牛血清蛋白为标准底物。多糖采用蒽酮比色法测定，以葡萄糖为标准底物。SCFA中各组分及甲烷采用气相色谱测定，具体分析方法详见文献[7]。污泥厌氧发酵过程中与SCFA生成有关的生物酶活性测定详见文献[8]。

2 结果与讨论

2.1 脂肽对污泥厌氧发酵生产SCFA的影响

SCFA是污泥厌氧发酵过程中重要的中间产物，图1反映了脂肽对SCFA积累量的影响。由图1可见，脂肽对污泥厌氧发酵生产SCFA具有极大的促进作用，空白组中SCFA的最大积累量仅为1 025 mg/L，而脂肽投加量为0.04 g/g时，SCFA的最大积累量达2 697 mg/L。进一步增加脂肽投加量到0.08、0.10 g/g时，SCFA的最大积累量分别提高到2 751、2 846 mg/L，增幅不明显，综合考虑经济因素与SCFA积累量，脂肽的最佳投加量为0.04 g/g。

图1 脂肽对SCFA积累量的影响Fig.1 Effect of surfactin on SCFA production

由图1还可见，当有脂肽存在的情况下，污泥厌氧发酵生产SCFA的最大积累量出现在第4天，此后由于部分SCFA被产甲烷细菌利用生成甲烷，SCFA的积累量开始逐渐减少，而空白组SCFA的最大积累量出现在第15天。可见，脂肽能显著缩短污泥厌氧发酵生产SCFA的时间，在实际工程应用中，缩短发酵时间能够带来巨大的经济利益，如减少反应器的体积，提升转化效率等。

2.2 脂肽对SCFA组分的影响

SCFA的组分直接影响其后续应用，不同脂肽投加量下污泥厌氧发酵生产SCFA的组分构成如图2所示。

图2 脂肽对SCFA组分的影响Fig.2 Effect of surfactin on SCFA composition

由图2可见，各实验组污泥厌氧发酵生产的SCFA组分差别不大，均表现为乙酸所占比例最大，质量分数在35%以上，其次是丙酸，质量分数总体在20%～30%，正戊酸所占比例最小，质量分数低于5%，说明脂肽对污泥厌氧发酵生产SCFA的组分影响不大。

2.3 脂肽强化污泥厌氧发酵生产SCFA的机制

2.3.1 脂肽对污泥厌氧发酵溶解过程的影响

污泥中的物质一般以固体颗粒态存在，这些固体颗粒在厌氧发酵的最初阶段(前60 h)转化为溶解性大分子物质，SCOD含量不断升高，不同脂肽投加量下，污泥厌氧发酵溶解过程的SCOD变化见图3。

图3 脂肽对SCOD变化的影响Fig.3 Effect of surfactin on variations of SCOD

由图3可见，随着污泥厌氧发酵时间的延长，各实验组SCOD含量均呈上升趋势，表明污泥中固体颗粒被不断溶解。与空白组相比，投加脂肽可以显著提高SCOD的生成量，当脂肽投加量为0.04 g/g，发酵时间为60 h时，污泥中SCOD的质量浓度为5 123 mg/L，而空白组发酵60 h后的SCOD质量浓度仅为1 524 mg/L，说明脂肽能够促进污泥厌氧发酵的溶解过程。

2.3.2 脂肽对污泥厌氧发酵水解过程的影响

水解反应发生在污泥厌氧发酵的初始阶段，在厌氧微生物的作用下将颗粒状或者大分子有机物水解为溶解性小分子有机物，这些小分子有机物在酸化反应中被厌氧产酸菌所利用生成SCFA。污泥的水解过程比较缓慢，一般持续时间长达几天。由于污泥中的主要成分为蛋白质和多糖，因此本研究通过分析溶解性蛋白质和多糖的含量考察污泥的水解程度，脂肽对溶解性蛋白质和多糖的影响见图4。

图4 脂肽对溶解性蛋白质及多糖的影响Fig.4 Effect of surfactin on soluble protein and carbohydrate

由图4可见，随着污泥厌氧发酵时间的延长，溶解性蛋白质和多糖均呈现先上升后下降的趋势，且脂肽作用下溶解性蛋白质和多糖含量均明显高于空白组。产生这种现象的原因是在厌氧发酵初期，污泥水解速度大于酸化速度，因此溶解性蛋白质和多糖含量逐渐升高，有脂肽存在时，各实验组的溶解性蛋白质和多糖均在48 h达到最大值，继续延长厌氧发酵时间，酸化作用增强，大量水解形成的溶解性蛋白质和多糖被用作底物生成SCFA，使溶解性蛋白质和多糖含量逐渐降低，SCFA含量逐渐增加。SCFA在厌氧发酵第4天达到最大值后降低(见图1)，这可能与SCFA逐步转化为甲烷导致。

VSS减量情况也能反映污泥水解效果，VSS的减量率越高，说明污泥中有机物的利用效果越好，水解程度越大。图5为不同脂肽投加量下污泥厌氧发酵第4天VSS的减量率。由图5可见，空白组中VSS的减量率仅为18.5%，而当脂肽投加量为0.04 g/g时，VSS的减量率为29.1%，是空白组的1.57倍，进一步证明了脂肽的存在可以强化污泥厌氧发酵的水解过程。

图5 脂肽对VSS减量率的影响Fig.5 Effect of surfactin on VSS reduction rate

2.3.3 脂肽对甲烷化过程的影响

在甲烷化反应中，水解、酸化过程累积的SCFA会被产甲烷细菌利用生成甲烷。本研究用SCFA的转化率来体现脂肽对甲烷化过程的影响。各实验组厌氧发酵15 d后的SCFA转化率见图6。

由图6可见，空白组厌氧发酵15 d后SCFA的转化率为68%，而0.04 g/g 脂肽作用下SCFA的转化率仅为21%，提高脂肽投加量至0.08、0.10 g/g，SCFA转化率进一步降低至18%、16%。上述实验结果反映了脂肽的存在能够明显抑制甲烷的产生。

图6 脂肽对SCFA转化率的影响Fig.6 Effect of surfactin on the conversion ratio of SCFA

2.3.4 脂肽对污泥厌氧发酵pH的影响

pH是影响SCFA产生的一个重要因素，有研究报道，pH能够显著影响污泥胞外聚合物的溶解及产甲烷细菌的活性[9]，本实验未严格控制反应过程的pH，因此有必要探究脂肽对污泥厌氧发酵过程pH的影响。各实验组污泥厌氧发酵前5天的pH变化见表1。由表1可见，在厌氧发酵过程中，各实验组pH均呈下降趋势，脂肽作用下pH下降更加剧烈。总体而言，各实验组pH的变化范围均在5～7，此范围pH对污泥胞外聚合物的溶解作用影响不大[10]，而酸性或偏酸性环境能够严重抑制产甲烷菌的活性，进而导致SCFA转化率降低，促进SCFA积累。在污泥厌氧发酵第4天，空白组pH降至6.7±0.2，然而脂肽投加量为0.04 g/g时，污泥厌氧发酵体系的pH仅为5.9±0.1。产甲烷细菌对pH较为敏感，其最佳生存环境为中性环境，脂肽作用下污泥体系中的pH明显低于空白组，不适合产甲烷菌的生存，这是脂肽能够抑制甲烷生成的一个主要原因。

表1 脂肽投加量对污泥厌氧发酵过程中pH的影响

表2 脂肽及SCFA随发酵时间的变化

表3 脂肽投加量对生物酶活性的影响

2.4 脂肽降解对SCFA的贡献

生物表面活性剂能够在厌氧环境中分解，为此利用批式实验考察脂肽降解对SCFA的贡献。在15 d的厌氧发酵过程中，脂肽与SCFA的变化如表2所示。

由表2可见，随着厌氧发酵时间的延长，脂肽被逐渐降解，SCFA含量呈上升趋势。厌氧发酵15 d后，脂肽完全分解，但SCFA的积累量仅为(156.0±8.9) mg/L，远远小于0.04 g/g脂肽作用下SCFA的积累量，说明虽然脂肽能够在厌氧发酵体系中分解，但是其对SCFA的贡献十分有限。

2.5 脂肽对污泥厌氧发酵过程中生物酶活性的影响

污泥厌氧发酵过程中有多种生物酶的参与，如蛋白酶和α-葡萄糖苷酶与溶解性蛋白质和多糖的水解有关；污泥中SCFA主要成分为乙酸和丙酸，其中乙酸激酶及磷酸转乙酰酶与乙酸的生成有关，草酰乙酸转羧化酶和琥珀酰辅酶A转移酶与丙酸的生成有关[11-15]。在SCFA积累量最大时(厌氧发酵第4天)测定上述各种生物酶活性，结果见表3。

由表3可见，脂肽作用下6种生物酶的酶活明显高于空白组，该结果与上述脂肽能够强化污泥厌氧发酵中的水解和酸化过程相吻合。此外，当脂肽投加量超过0.04 g/g时，酶活增量不明显，进一步验证了脂肽最佳投加量为0.04 g/g。

3 结 论

生物表面活性剂——脂肽能够强化污泥厌氧发酵生产SCFA，并缩短污泥厌氧发酵时间。综合考虑经济因素与污泥厌氧发酵效果，脂肽的最佳投加量为0.04 g/g，此时SCFA积累量在第4天达到最大值2 697 mg/L，脂肽对污泥厌氧发酵生产SCFA的组分影响不大。机制分析表明，脂肽通过促进污泥厌氧发酵的溶解、水解过程，使更多溶解性蛋白质和多糖溶出并作为底物生成SCFA，同时通过降低发酵体系的pH抑制产甲烷菌生存及甲烷的产生，进而提高SCFA积累量，研究证实脂肽自身厌氧分解对SCFA的贡献量极少。

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