机械搅拌切割预处理强化污泥发酵产酸性能研究

王先宝，张雨笛，马明华，张敏婷，亓雪菲，陈甜甜，高楚玥，张安龙

(1.陕西科技大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710021；2.西安市第五污水厂,陕西 西安 710075)

0 引言

目前我国城市污水处理厂主要采用活性污泥处理工艺，工艺运行过程中主要存在两个问题：(1)剩余污泥产量大，处理处置成本较高[1]，(2)进水碳氮比低，影响生物系统脱氮除磷效果[2,3].随着我国污水处理厂出水排放标的提高，对生物系统脱氮除磷提出了更高的要求，碳源不足的问题越发突出[4].剩余污泥中含有丰富的有机物，回收剩余污泥中有机成分作为电子供体驱动反硝化反应是解决上述问题的有效途径，可实现污泥资源化利用与污水处理工艺效能提升的双重效果，因此成为污水处理领域的研究热点.

剩余污泥发酵产酸可为生物脱氮除磷过程提供有机碳源，同时减少污泥产量.由于细胞壁阻碍细胞内有机物质的流出，限制了有机物与发酵产酸细菌之间的作用，使得水解过程成为污泥厌氧发酵产酸的限速步骤[5,6]，因此国内外学者研发各类预处理技术破碎污泥以强化污泥发酵效果.污泥发酵预处理技术根据作用方式可以分为物理法[7]、化学法[8]、生物法[9]及组合方法.常用的物理法有超声波[10]、机械处理法[11]、冷冻、微波[12]、热处理[13]等；化学法主要包括酸碱处理[14]、臭氧法[15]、表面活性剂处理等，生物法以接种发酵细菌、投加酶制剂[16]为主.三种预处理技术的核心均为破坏细胞结构，使细胞内物质溶出，尽快参与发酵过程，从而提高发酵产酸效率.

机械预处理由于实施简单受到学者的广泛关注.通常所用的机械溶胞方法有:转动球磨法(SBM)、高压均质器法(HPH)、机械喷射粉碎技术(MJS)和离心溶胞技术(LC)等[6,17].刘东方等[18]采用球磨机对污水处理厂初沉池污泥进行破碎预处理，发酵5 d后系统SCOD从1 742 mg/L增加到8 256 mg/L，污泥水解转化效率为32.0%.李高朋[19]用高压均质法强化剩余污泥水解酸化，在40 MPa高压下破解剩余污泥，污泥破解度达到22.88%.

本研究提出一种基于机械搅拌切割作用的新型预处理方式，分析预处理技术对剩余污泥发酵产酸性能的影响，并从污泥粒径变化、系统微生物种群结构等方面对其作用机制进行解析.

1 实验部分

1.1 污泥来源

本研究所用污泥取自西安市某污水处理厂二沉池.污泥取回后，经2 mm滤网过滤除去大颗粒物质及毛发等杂物，然后将污泥保存在4 ℃冰箱中备用.实验污泥的主要性质如表1所示.

表1 剩余污泥的主要性质

1.2 实验方法

(1)取1 500 mL的剩余污泥平均分为2份，采用九阳JYL-99型破壁机分别在21 000 r/min(预处理1)和35 000 r/min(预处理2)转速下对污泥进行搅拌切割破碎10 min.分析上清液中的SCOD、多糖、蛋白质等指标.

(2)分别取400 mL两种预处理方式处理后的剩余污泥，同时以400 mL原污泥为对照组，分别加入3个发酵罐进行厌氧发酵，通入氮气5 min以去除溶液中溶解氧.通过恒温摇床控制发酵温度为35 ℃，振荡频率为180 r/min.发酵周期为8 d，每日取样测定发酵系统上清液中的SCOD、VFAs、多糖、蛋白质、氨氮和磷酸盐浓度.

(3)在污泥发酵第6 d时，取污泥样品委托上海美吉生物医药科技有限公司通过高通量测序技术对发酵系统中微生物群落结构进行分析.

1.3 分析指标

挥发性固体含量(VSS)与污泥浓度(SS)采用重量法测定，氨氮与磷酸盐分别采用纳氏剂分光光度法与钼酸铵分光光度法进行测定[20]，SCOD采用快速消解法测定，多糖采用苯酚-硫酸法[21]，蛋白质采用考马斯亮蓝G250染色法测定[22].

机械预处理对剩余污泥破碎程度采用SCOD溶出率进行计算，具体计算方法如公式(1)所示.

DD=(SCOD1-SCOD0)/(TCOD0-SCOD0)

(1)

式(1)中：SCOD0与SCOD1表示污泥机械破碎处理前后溶解性COD的浓度，mg/L；TCOD0表示污泥样品的总COD的浓度，mg/L.

VFAs采用气相色谱仪进行测定[23].样品首先经0.45μm滤膜过滤，加3%的甲酸调节pH=4，然后将滤液储存在1.5 mL的气相小瓶中.采用Agilent 6890N气相色谱仪与FID检测器分析，色谱柱为DB-WAXETR(30 m×1.0μm×0.53 mm).以氮气作为载气，进气流速为20 mL/min.进样口与检测器温度分别为230 ℃和250 ℃.色谱柱起始柱温100 ℃，持续2 min，然后以6 ℃/min的速度升高至200 ℃，持续2 min.样品进样量为1μL.本试验测定的六种酸分别为乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸、正戊酸.为方便比较，将VFA浓度换算为COD浓度，具体换算系数为：乙酸1.07、丙酸1.51、正丁酸与异丁酸1.82、正戊酸与异戊酸2.04.

2 结果与讨论

2.1 预处理对污泥的破壁溶胞作用

污泥粒径的变化可以反应预处理对污泥絮体结构的破碎情况，图1为污泥预处理前后污泥粒径分布.经过两种强度的预处理作用，污泥絮体平均体积粒径由原始的66.7μm降低至21.9μm和16.4μm，粒径分别降低了67.2%与75.4%.污泥粒径变小，比表面积增加，有利于污泥发酵产酸的进行.原始污泥中SCOD浓度为220 mg/L，经过预处理后溶液中SCOD浓度分别增加至1 457和2 132 mg/L，污泥破碎程度分别为10.9%和16.9%.Rai等[24]采用高压均质法破碎污泥，压强在20、30和40 MPa下污泥破碎程度分别为4.5%、10.7%和12.5%.

图1 预处理前后污泥粒径分布

说明本研究采用搅拌切割破碎模式可以实现较好的污泥破碎效果.同时经过预处理后，溶解性蛋白质与多糖含量也显著增加，两种预处理方式下溶解性蛋白质浓度由原始的53.7 mg/L提高至84.9 mg/L和101.6 mg/L，多糖浓度由31.4 mg/L增加至75.2 mg/L和173.7 mg/L.溶液中蛋白质、多糖等溶解性有机物增加有利于后续污泥发酵产酸的进行.

2.2 机械搅拌切割预处理对污泥发酵产酸的影响

2.2.1 污泥发酵液中SCOD的变化

污泥发酵液中SCOD浓度随时间变化如图2所示.由图2可以看出，随着发酵的进行，三个反应器中SCOD浓度均呈现先升高再降低的趋势.李晓玲[25]在剩余污泥厌氧发酵的研究中也发现这一现象.发酵初期阶段，随着污泥中有机物的溶出，SCOD浓度逐渐增加，污泥停留时间(SRT)为6 d时，SCOD浓度达到最大.随后SCOD浓度有所降低，这可能是由于发酵时间的延长而逐渐驯化的系统内原有的微生物，以大量积累的SCOD为底物进行生长代谢而消耗[25].三个反应器对比分析可以发现，预处理作用可显著提高SCOD的产量，且预处理强度越大，SCOD产量越高.对照组SCOD最大浓度为2 601 mg/L，预处理1和预处理2组SCOD最大浓度高达3 640 mg/L和5 102 mg/L，与对照组相比分别提高39.9%和96.2%.这是因为预处理强度越高，机械搅拌切割作用对EPS和细胞壁的破解效果越好，越有利于有机物的溶出.

图2 剩余污泥发酵液中SCOD浓度的变化

2.2.2 溶解性多糖与蛋白质的变化

图3为发酵系统中溶解性蛋白质与多糖浓度变化.可以看出，蛋白质与多糖浓度变化趋势基本一致，随着发酵的进行，溶解性蛋白质与多糖的浓度逐渐增加，SRT=6 d时，浓度达到最大，随后基本保持稳定.预处理组蛋白质与多糖浓度均高于对照组，SRT=6 d时，三组反应系统中溶解性蛋白质的浓度分别为473 mg/L、520 mg/L和553 mg/L，预处理作用使蛋白质浓度提高了9.9%和16.9%.三组系统中溶解性多糖浓度分别为279 mg/L、319 mg/L和334 mg/L，预处理作用使多糖浓度提高了14.3%和19.8%.

(a)剩余污泥发酵液中蛋白质含量变化

2.2.3 污泥发酵液中VFAs浓度和组分的变化

挥发性脂肪酸的浓度及组成是评价污泥发酵产酸程度的一个重要指标，图4和图5为发酵产酸系统中VFAs含量变化及SRT=6 d时VFAs组分分析结果.发酵系统中VFAs产量同SCOD产量变化趋势相似，呈现先逐渐上升后降低的趋势，很多研究均得到过相似的结论[26,27].发酵初期，产酸细菌逐渐将溶解性有机物转为VFAs，因此VFAs浓度逐渐增加.而发酵后期，产甲烷菌逐渐适应了环境，并且利用短链脂肪酸进行产甲烷，因此VFAs浓度有所降低[25,28,29].两组预处理系统中VFAs最大浓度为2 548 mg/L和3 469 mg/L，分别是对照组(1 795 mg/L)的1.42与1.93倍.说明预处理作用通过加快有机物的溶解，增加产酸过程所需的溶解性蛋白质与多糖等底物浓度，从而提高VFAs产量.三种反应器中VFAs组成分布基本一致，乙酸是VFAs的主要成分，含量为40%～45%，其次为丙酸、正丁酸和异戊酸，其含量分别在15%～25%，异丁酸与正戊酸含量较少.乙酸是微生物脱氮除磷过程易于利用的碳源，因此乙酸含量高有利于发酵液作为碳源进行生物脱氮除磷.

图4 剩余污泥发酵液中VFAs浓度的变化

图5 发酵第6天时VFAs的组分

2.2.4 氨氮、磷酸盐的浓度变化

剩余污泥发酵过程中氨氮与磷酸盐释放是不可避免的问题，氨氮主要来源于蛋白质的降解，而磷酸盐主要是由于细菌破壁溶胞导致聚磷菌体内的磷元素释放.发酵过程中氨氮与磷酸的释放如图6所示.随着发酵的进行，氨氮与磷酸盐浓度逐渐增加，SRT=5～6 d时，氨氮与磷酸盐释放量达到最大.SRT=6 d时，对照组、预处理1和预处理2中氨氮含量分别为53.6 mg/L、56.0 mg/L和65.6 mg/L，磷酸盐浓度分别为80.8 mg/L、106.4 mg/L和147.2 mg/L.氨氮与磷酸盐的浓度与SCOD浓度变化趋势基本一致，说明污泥水解产生有机物性的过程中同时伴随着氮磷元素的释放，且预处理作用可提高SCOD产量，同时也会增加氨氮与磷酸盐的释放量.发酵后期氨氮与磷酸盐浓度有所降低，氨氮浓度降低可能是由于微生物生长代谢所消耗，同时发酵后期氨氮浓度较高，可能有少量氨氮挥发到了空气中.蓝雷传对剩余污泥发酵的研究中也观察到发酵后期磷酸盐浓度的降低，认为可能是溶解性磷酸盐与反应器中存在的镁离子、钙离子等结合生成沉淀导致的[30].氨氮与磷酸盐是污水处理的主要对象，因此若将发酵液用于生物脱氮除磷过程，首先需要将发酵液中的氮磷元素进行回收，鸟粪石结晶法是目前主要的技术手段[31].

(a)氨氮浓度变化

2.3 微生物种群分析

高通量测序结果表明，三组发酵系统样品中分别含有37 564、36 828与34 992个有效序列.图7为三组样品OTU维恩图，三组样品中分别含有621、333和463个OTU.污泥经过预处理后发酵系统中OTU数量明显减少，这可能是由于机械切割作用导致部分细胞死亡引起的.对照组与预处理1组样品共有的OTU数量为255，分别占两个样品OTU总数的41.1%和76.6%.对照组与预处理2组样品共有OTU数量为317，分别占两个样品OTU总数的51.0%和68.4%.说明预处理作用不仅会影响系统OTU数量，同时发酵系统中会产生25%～30%新的OTU，即预处理作用会影响系统微生物种群分布.

图7 三组发酵系统OTU维恩图

图8为样品中丰度大于0.08%的微生物种群分布结果(门水平).Firmicutes是发酵系统中的优势种群，三种样品中其相对丰度分别为84.38%、88.33%和96.54%.Firmicutes普遍存在于厌氧消化反应过程中，能够降解纤维素、蛋白质、多糖和氨基酸等有机物[32].说明机械搅拌切割预处理有利于Firmicutes的富集，而这种微生物对污泥水解酸化起重要作用，从而提高了系统SCOD与VFAs的产量.

图8 发酵系统微生物门水平群落分布

3 结论

(1)机械搅拌切割预处理可以实现较好的污泥破碎效果，两种作用强度下污泥粒径分别降低了67.2%与75.4%，污泥破碎程度分别达到10.9%和16.9%，污泥粒径减小、细胞破碎有利于后续污泥发酵产酸的进行.

(2)机械预处理可显著提高污泥发酵产酸效果，且搅拌切割强度越大，对发酵效果的促进作用越明显.发酵第6 d时SCOD和VFAs含量达到最大，与对照组相比，预处理1组和预处理2组的SCOD含量分别提高39.9%和96.2%，VFAs产量分别提高42%、93%.

(3)高通量测序结果表明，机械破碎预处理会影响发酵系统微生物种群结构，Firmicutes是发酵系统中的优势种群，在预处理1与预处理2组中的相对丰度分别为88.33%和96.54%，明显高于对照组(84.38%)，从而有提高系统SCOD与VFAs的产量.