有机负荷对高蛋白污泥厌氧发酵产酸的影响研究

杨思宇，刘亚利，刘鹏飞，王 丹，张子恒，来有炜

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

资源与环境

有机负荷对高蛋白污泥厌氧发酵产酸的影响研究

杨思宇，刘亚利*，刘鹏飞，王 丹，张子恒，来有炜

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

本文研究不同污泥负荷下，高蛋白污泥厌氧产酸效果和蛋白的降解规律，结果表明：厌氧发酵4d后，任一有机负荷条件下，蛋白降解趋于稳定。同时，当F/M=2∶1，发酵4 d时，挥发酸浓度可达783.3 mg/L，乙酸所占比例为24.18%；当F/M>1∶1时，乙酸降解发生在第3 d，其降解速率超过18.24 mg/(L·d)。

高蛋白污泥；有机负荷；厌氧发酵；挥发酸

污泥厌氧发酵过程中产生的挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，VFAs)既可作为化工原料用于合成高附加值的聚羟基脂肪酸(Poly hydroxybutyrate fatty acids，PHAs)[1]和可降解塑料[2]，又是污水生物脱氮除磷的碳源[3]，因此提高厌氧发酵产酸，具有重要的现实意义。

以往对市政污泥厌氧发酵的研究主要集中在糖类的水解和酸化上[1]。然而，随着乳制品业的发展以及污泥预处理破坏胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)和细胞壁，促进胞内物质的溶出，且溶出的有机物主要是蛋白[4]，使得污泥中蛋白浓度超过多糖浓度成为主要的有机物。蛋白和多糖的联合发酵[5]以及高蛋白污泥的酸化发酵[6]引起了学者的关注。

有机负荷作为污泥厌氧发酵的重要参数，对VFAs积累、生物产氢和产甲烷过程具有重要影响[7-8]。因此，本试验考察了高蛋白污泥超声破解上清液厌氧发酵过程中，有机负荷对VFAs积累和蛋白降解的影响。

1 试验材料及方法

1.1 剩余污泥性质

试验所用的污泥来自南京江心洲污水处理厂，A2O工艺的二沉池。污泥在4℃条件下浓缩24 h，去除上清液。8000 r/min离心5 min后测得污泥的性质如下：混合液悬浮固体浓度(MLSS)11251 mg/L；混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)7411 mg/L；总蛋白浓度359.78 mg/L；氨氮浓度13.49 mg/L；溶解性化学需氧量(SCOD)480 mg/L。

1.2 超声污泥上清液

本试验将剩余污泥在声能密度为 0.625 W/mL、超声时间为30 min条件下进行预处理后，再在4000 r/min下离心30 min获取上清液，其性质如下：SCOD 5600 mg/L；总化学需氧量(TCOD)(60000±150) mg/L；蛋白浓度2513.78 mg/L；多糖浓度660.54 mg/L；蛋白浓度是多糖浓度的3.8倍，底物为高蛋白污泥。

1.3 试验方法

本试验在4个150 mL的厌氧反应器中完成。先分别取50 mL剩余污泥(M)于1～4号反应器中，再将50 mL不同浓度的超声污泥上清液(F)加到上述反应器中，使1～4号反应器中的F/M为2∶1，1∶1，1∶2和1∶4。发酵反应在(35±1) ℃、转速为120 r/min的摇床中进行。

1.4 分析测试方法

TSS、VSS、COD,氨氮的检测依据《水和废水分析检测方法》[9]；蛋白采用Lowry[10]试剂法进行测定；VFAs的测定采用Agilent 7890 GC气相色谱法[11]，色谱柱型号为HP19095N-123(35 m × 530 μm ×1 μm)，氮气流量30 mL/min，空气流量400 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 VFAs浓度的变化

在厌氧发酵过程中，VFAs浓度随F/M的变化如图1所示。总体而言，VFAs浓度随F/M的升高而增加。在0～4 d内，任意F/M条件下，VFAs浓度不断积累，当F/M=2∶1时，VFAs浓度达到了783.30 mg/L，相应的VFAs产率为0.11gVFAs/gVSS。这是因为：F/M=2∶1反应器中的超声预处理污泥上清液较高，所含的易降解小分子蛋白浓度相对较高，促进了水解酸化微生物的生长，有利于VFAs的产生。在4～5 d的厌氧发酵过程中，F/M=2∶1和F/M=1∶1反应器内的VFAs浓度降低，且VFAs的降低速率分别为35.36 mg/(L·d)和18.23 mg/(L·d)，同时观测到少量的气体产生。

图1 VFAs总量的变化Fig.1 Variation of total VFAs concentration during the fermentation period

图2 VFAs组分的变化Fig.2 Variation of VFAs components during the fermentation period

为了进一步分析VFAs的产生机理，对不同F/M条件下的VFAs组分进行分析，如图2所示。由图可见，随F/M的降低，丁酸所占的比例逐渐增加，异戊酸和乙酸的比例减少，而F/M=1∶1最有利于丙酸积累。这是因为不同的F/M，导致底物浓度不同，从而影响了微生物的新陈代谢方式。通过分析乙酸浓度变化(如图3)发现：F/M越高，乙酸所占的比例越高，乙酸的减少越快。这可能是因为乙酸的积累为厌氧产气提供了适宜的条件，造成乙酸被降解利用。

图3 乙酸浓度的变化Fig.3 Variation of acetic acid concentration during the fermentation period

2.2 蛋白浓度变化

超声促使污泥中的蛋白溶解到上清液中，且蛋白降解与VFAs的产生有关[12]。故蛋白浓度变化可反映底物中蛋白的溶解和降解过程。在厌氧发酵过程中，蛋白浓度随F/M的变化如图4所示。总体而言，任意F/M条件下，蛋白浓度均随厌氧发酵时间先迅速降低，而后逐渐趋于稳定。但F/M越高，反应器中剩余蛋白浓度越高。

在0～1 d的厌氧发酵过程中，1～4号反应器中蛋白浓度迅速降低，其降解速率分别为：550.19、423.70、379.19和334.58 mg/(L·d)。这是因为F/M越高，反应器中所含的溶解性蛋白浓度越高，越容易降解产酸，这与VFAs浓度的变化趋势相对应。从水解速率来看，此时底物浓度不是产酸反应的限制因素。

图4 蛋白浓度的变化Fig.4 Variation of proteins concentration during the fermentation period

在1～3 d的厌氧发酵过程中，1号和2号反应器中的蛋白浓度缓慢降低，降解速率分别为11.15和14.87 mg/(L·d)。而3号和4号反应器中蛋白浓度在2～3 d上升，且4号反应器的蛋白浓度增长最多。这是因为3号和4号反应器中初始的溶解性蛋白较少，水解微生物对颗粒蛋白的水解速率大于溶解性蛋白的降解速率，此时颗粒蛋白的溶解是蛋白水解的限制因素。

在3～5 d的厌氧发酵过程中，各反应器中的蛋白浓度均维持稳定，且此时VFAs的浓度也相对稳定。这说明此时底物中的可生物降解的蛋白减少，蛋白的溶解速率与蛋白的水解速率达到平衡。

2.3 氨氮浓度的变化

在厌氧发酵过程中，氨氮浓度随F/M的变化如图5所示。厌氧发酵所释放的氨氮浓度随F/M的升高而增加。例如：1～4号反应器中的氨氮浓度分别为：168.19、120.74、108.35、和91.9 mg/L。众所周知，在微生物水解酶的作用下，复杂难溶的蛋白分子先被水解为多肽和氨基酸等小分子有机物，同时氨基酸等小分子有机物被进一步转化为氨氮。本试验假设蛋白水解过程中，氨基酸不会积累[13]，且1 g蛋白相当于0.16 g氨氮或1.5 g COD，蛋白的水解公式如下：

Hp=CNH4-N÷0.16

(1)

Hp—水解蛋白浓度mg ·L-1；

CNH4+-N—反应生成氨氮浓度mg·L-1；

图5 氨氮浓度的变化Fig.5 Variation of NH4+-N concentration during the fermentation period

结合图4和5，经过计算可知1～4号反应器中蛋白的水解效率分别为：41.81%、30.01%、26.94%和22.87%。可见F/M=2∶1时，水解蛋白较高，而F/M<2∶1时，水解蛋白变化不大。这是因为：蛋白水解作用与初始的溶解性有机物的浓度有关，当F/M<1∶1时，溶解性蛋白较少，颗粒蛋白的溶解限制了蛋白的水解。

3 结论

(1)高蛋白污泥中温厌氧发酵时，最高VFAs浓度和产率分别783.3 mg/L和0.11gVFAs/g VSS，出现在F/M=2∶1，发酵4 d时。

(2)F/M>1∶1时，乙酸占VFAs的比例分别为24.18%和21.45%。乙酸快速积累促进了乙酸的消耗，出现产气现象。建议高蛋白污泥厌氧发酵应从第4d开始调节反应器的运行条件，抑制产甲烷菌活性。

(3)超声预处理使得污泥中蛋白的降解速率从第3 d开始达到稳定，其平均降解速率为190.8、151.15、118.96和96.65 mg/(L·d)，可将厌氧发酵时间缩短为3 d。

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(本文文献格式：杨思宇，刘亚利，刘鹏飞，等.有机负荷对高蛋白污泥厌氧发酵产酸的影响研究[J].山东化工,2017,46(5):136-138.)

Study on Regulations of Volatile Fatty Acids Accumulation of Proteinaceous Sewage Sludge Anaerobic Fermentation: Effect of Organic Loads

YangSiyu,LiuYali*,LiuPengfei,WangDan,ZhangZiheng,LaiYouwei

(Civil Engineering,Nanjing Forestry University, Nanjing 210037,China)

In order to investigate the regulations of volatile fatty acid (VFAs) accumulation and protein degradation of proteinaceous sewage sludge, ultrasonic sludge as subtract was put into anaerobic fermentation reactors at different loads. The result showed that: firstly,the degradation of proteins became stable at any loads. Secondly,the concentration of volatile fatty acids reached 783.3mg/L on the 4th day at F/M=2∶1,simultaneously,the percentage of acetic acid was up to 24.18%. Thirdly,the decrease of acetic acid appeared on the 3rd day,and the degradation rate was more than 18.24 mg/(L·d).

proteinaceous sludge; organic load; anaerobic fermentation; volatile fatty acids

2016-01-17

江苏省青年基金(BK2016093)；南京林业大学大学生实践创新训练计划项目(2016NFUSPITP100)

杨思宇(1996—)，男，四川雅安人，给排水科学与工程专业学生；通讯作者：刘亚利(1982—)，女，河北承德人，讲师，博士，从事污水处理。

X703

A

1008-021X(2017)05-0136-03