城镇污水剩余污泥生物法水解研究进展

钟为章，丁雅婷，秦 学，李再兴

（1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北 石家庄 050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北 石家庄 050018）

随着我国经济的飞速发展，环境问题日益突出。我国城镇居民用水量增加导致污水处理厂剩余污泥（ES）产量增长，2019年我国ES产量为6 000万t，预计2025年ES产量将达到9 000万t〔1〕。ES的传统处理方法有填埋、焚烧以及农业土地利用等〔2〕，但传统处理方法可持续性较差，已经不能满足日益增长的ES处理需求〔3〕。与此同时，ES干重的30%～60%都是未被利用的蛋白质，这部分蛋白质经资源化处理后可作为发泡剂和动物饲料的原料〔4〕，而传统处置方法无法对ES中的有机资源进行充分利用。在对ES进行无害化处理的前提下，实现ES中有机物的资源化利用，并对ES进行减量化是当前研究的热点。

厌氧消化可减少ES在最终处置前的体积和重量。因为胞外聚合物（EPS）和包裹在污泥外的细胞壁/膜限制了细胞内有机物的扩散和释放，因此加快污泥水解是促进厌氧消化的重要步骤。目前通过污泥水解的方式实现污泥资源化和减量化的方法众多，主要有物理法、化学法、生物法及联合处理法〔5〕。

物理法〔6-7〕具有对环境友好、反应进程易于控制、水解效率高等优点〔8〕，但存在能耗大、对设施要求高、综合成本高的缺点。化学法包含酸法〔9〕和氧化剂法〔10〕，酸法水解效率较高、处理成本低且操作简便，但耗时较长、对设备要求较高，且后期处理需投加大量碱；氧化剂法操作简便且无二次污染，但成本和耗能较高。利用酸热法〔11〕、碱热法〔12〕、超声-酸法〔13〕等物化联合法水解ES的工艺已较为成熟，但成本高、副产物多等缺点限制了其在工业应用中的推广。

生物法水解ES具有反应温和、副产物少、成本低等优点，且可将污泥中剩余的部分蛋白质提取出来用以制备饲料及有机肥等衍生产品，真正实现污泥的资源化利用及无害化处理。更重要的是，生物法还可通过提高C/N改善污泥的厌氧消化性能，且水解后的污泥含水率更低，有利于后续处理。生物法主要分为生物酶法和生物菌法，生物酶高效简便、专一性强，但商业用酶价格昂贵，不适用于大规模工业应用；不少学者考虑从环境中分离可分泌水解酶的生物菌，进而解决生物酶成本高的问题。

笔者主要综述了近年来生物法对ES催化水解的研究现状，并介绍了物化法与生物法联合的机理与优势，为实现ES减量化、无害化以及资源化利用提供思路。

1 生物酶法

生物酶水解ES的机理见图1。当利用生物酶或可分泌胞外酶的细菌〔14〕对ES细胞进行水解时，酶可与细胞壁上的蛋白质、脂类反应，破坏细胞结构，污泥底物被水解成可穿过细胞膜的小分子物质，进而从污泥细胞溶出。目前，生物酶法已广泛应用于厌氧消化预处理、促进污泥水解以及提高厌氧发酵产气量等。

图1 生物酶对ES的溶解作用Fig.1 Dissolution of excess sludge by enzymes

ES中含有50%～95%的EPS，EPS主要有3层：溶解态胞外聚合物（S-EPS）、松散结合的胞外聚合物（LB-EPS）、紧密结合的胞外聚合物（TBEPS）〔15〕。EPS是由细菌组成的高分子聚合物，可抵御外来危害、保护微生物并维持胞外酶活性。EPS的存在会导致污泥脱水困难，且当投加生物酶破解污泥细胞时，EPS还会影响酶在细胞上的流动，导致污泥水解效率较低。EPS的主要成分为蛋白质和多糖，利用纤维素酶或蛋白酶可破坏污泥的EPS，促使污泥颗粒变得细小分散，污泥颗粒比表面积增大，酶与细胞接触面积增加；EPS的分解还降低了其对污泥细胞的保护作用，进而提高了酶对污泥的水解效率。

1.1 单酶法

1.1.1 蛋白酶

ES中的细菌大多数是革兰氏阴性菌，其细胞壁约含60%的蛋白质。微生物蛋白酶可以破解细胞壁，使胞内有机物流出，进而减少洗涤物的固体含量并加速病原体的去除〔16〕。众多学者探究了蛋白酶的水解效果以及利用蛋白酶预处理后的ES的厌氧消化性能，结果见表1。

表1 不同蛋白酶和处理条件对污泥的处理效果Table 1 Effects of different proteases and treatment conditions on sludge treatment

不同酶的活性、作用位点以及与底物相互作用的不同导致同一底物的蛋白提取效果有明显不同。碱性蛋白酶是一种内切蛋白酶，具有较宽泛的作用位点特异性，其催化部位是丝氨酸〔16〕，并且污泥细胞壁中的脂肪可在碱性条件下水解，加快细胞壁溶解，因此碱性蛋白酶水解效果较好；中性蛋白酶只水解由亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等疏水大分子氨基酸提供氨基的肽键〔22〕，提取率较低；酸性条件下污泥有可能发生等电点沉淀，导致蛋白质过早沉淀，所以蛋白酶水解污泥常在碱性条件下进行。利用蛋白酶水解污泥的方法各有特点，可根据实际情况选择最佳的蛋白酶。

生物酶具有无污染、专一性以及高效性等优点，但生物酶也极不稳定且水解成本高。针对此缺点，固定酶技术得以发展。苏瑞景〔23〕利用戊二醛交联剂将碱性蛋白酶固定在氧化石墨烯上，并研究了其对ES的水解效果。结果表明，固定酶和游离酶对ES粗蛋白的水解效果几乎一致，但固定酶的重复使用性以及存储使用性得以增强。

1.1.2 淀粉酶

除了常用的蛋白酶外，有学者还探究了其他酶溶解ES的性能。耿娜瑶等〔24〕通过添加外加酶促进厌氧污泥水解，当添加0.3 g/L淀粉酶时，SCOD/TCOD升高至0.816；而添加蛋白酶时，SCOD/TCOD仅有0.6左右。淀粉酶可作用于α-1，4糖苷键，水解污泥中的碳水化合物以及各种糖类。蛋白酶对水解蛋白质有很大优势，氨氮有较大变化，而淀粉酶对氨氮贡献较少。

1.1.3 溶菌酶

溶菌酶主要通过破坏细胞壁中的N-乙酰氨基葡萄糖和N-乙酰壁酸之间的β-1，4-甘氨酸键，将不溶性黏多糖降解为可溶性黏多糖，致使微生物分解。Jiahao CHEN等〔25〕以溶解厌氧污泥为目的，探究了蛋白酶、α-淀粉酶和溶菌酶的水解效果。结果表明，由于蛋白酶和α-淀粉酶的快速失活，蛋白质和碳水化合物不可持续释放；而溶菌酶在反应5 h以上时仍然可以保持50%的活性，蛋白质的质量浓度增加了700.0 mg/L。

单一酶对底物具有降解专一性，但ES成分的复杂性限制了单一酶的作用，单一酶易被诱捕、吸附或束缚到污泥固体分子中〔26〕，造成酶活性下降。此外，单酶法相较物化法效率低。运用复合酶针对性地处理ES中的有机物，可提高其水解效率。

1.2 复合酶法

研究者们在单酶基础上研究了复合酶对污泥的溶胞效果。复合酶是指将2种或2种以上的水解酶按比例混合，根据不同酶的水解活性、作用位点、和底物的相互作用都不同的特点，通过多步反应分解多聚物，在短时间内将多聚物从难降解状态转化为易降解的中间状态，从而使整个水解过程效率更高。复合酶可以从ES中提取较多的蛋白质，蛋白质溶出率远高于单一酶。很多学者利用复合酶的协同效应提高蛋白质的提取率，并探究了预处理后ES在厌氧消化中的产气效果，结果见表2。

表2 不同复合酶和工艺条件对污泥的水解效果Table 2 Effects of different complex enzymes and process conditions on sludge treatment

利用生物酶法水解ES具有操作简便、不造成二次污染的优点〔31〕，且其水解液的pH接近中性，不会对仪器产生高强度的腐蚀。复合酶水解效果优于单一酶，投加单一酶只能针对特定的物质产生水解效果，而同时加入蛋白酶和淀粉酶可高效水解污泥的主要成分（蛋白质和碳水化合物），随即酶继续作用于裸露的细胞壁，进行破壁溶胞释放有机物，达到溶解污泥的效果。但复合酶投加量也相对增加，成本变高。

2 嗜热菌法

高温生物预处理可有效提高病原体去除率，并且可有效提高污泥水解率。可在中高温厌氧条件下存活的微生物主要为污泥中的产蛋白酶菌。采用可在中高温下存活并可产生多种酶（蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶）的嗜热菌水解有机物可以提高污泥降解率和水解性能。

嗜热菌法促进ES增溶被认为是生物法中最有效的方法之一。嗜热菌是一类存活和生长在高温环境中的微生物，通常生长温度在45℃以上，主要分布于温泉、火山、堆肥等高温环境中。嗜热菌具有独特的耐热性和分子结构〔32〕，可以分泌外切酶分解微生物细胞，分解聚合物质，将复杂大分子水解为小分子，提高可接近性。定向筛选可分泌胞外酶和微生物溶解能力较强的优势嗜热菌，可为嗜热菌水解ES奠定基础。

嗜热菌是目前水解ES的常用菌，水解效果较好。Ying TANG等〔33〕利用从65℃土壤中分离出的可分泌蛋白酶和淀粉酶的嗜热芽孢杆菌AT07-1对ES进行水解，在65℃下VSS和TSS降解率分别达到48.52%、41.98%，相较未接种系统分别增加了10.94%、8.09%，且接种嗜热菌系统中的蛋白酶活性相较未接种系统增加了0.18 U/mL，表明嗜热菌AT07-1可促进污泥水解。杨春雪〔34〕从ES中分离出具有高效水解性能的嗜热菌Geobacillussp.G1，该菌株可分泌蛋白酶和淀粉酶，将嗜热菌接种于污泥并在60℃处理4 h后，SCOD为（4 130±170）mg/L，是未接种组的1.5倍；溶解性蛋白质的质量浓度为（1 063±15）mg/L（以COD计），是未接种组的1.7倍。

利用嗜热菌对污泥进行预处理可以加快污泥厌氧消化。Chunxue YANG等〔35〕利用嗜热菌联合碱对ES进行预处理水解，并对短链脂肪酸（SCFAs）的积累进行了研究。结果表明，在60℃下处理6 h时，碳水化合物、蛋白质相较空白对照组分别增加了546、875 mg/L（以COD计），SCFAs最大产量为（3 550±120）mg/L（以COD计），比空白对照组高74倍。嗜热菌利用ES释放的底物生产SCFAs，最终影响SCFAs的组成和积累。

嗜热菌的培育过程操作简便，培养周期不超过24 h。相较生物酶法，嗜热菌法解决了因购置生物酶成本变高的问题，并且有一部分特定的嗜热菌可以在代谢过程中产生孢子，经嗜热酶溶解反应器处理后的液态污泥进入活性污泥系统或者在常温下暂留在反应器中时，孢子将被激活，为系统重新运转提供菌种，可再次利用回流的污泥基质进行增殖，进而继续溶解新的污泥，系统的可持续性增强。目前，嗜热菌已被应用于污水厂处理污泥。但相较物化法，嗜热菌法水解效率依旧很低，因此培育可以专项高效水解ES的嗜热菌是一个研究重点。

3 联合处理法

联合处理法可对物理法、化学法或生物法进行技术耦合，发挥多种技术的协同作用，克服单一技术的不足，从而提高对ES的水解效率和降低成本。

3.1 物化法和生物酶联合法

酶解法虽然安全环保，但是溶解污泥的效果有限，且酶的投加成本较高。因此，众多研究者开始采取物化预处理技术辅助生物酶催化污泥水解。

3.1.1 物理法联合生物酶

与生物酶联合的物理法主要包括超声波法和热水解法等。

超声波法操作简便且对环境友好，可利用液相中产生的热效应、机械效应等空化效应将污泥絮体分解成更细的颗粒，污泥比表面积增大，从而增加了酶与微生物细胞的接触面积；并且超声还可使污泥中的微生物破裂，促进胞内有机物释放。苗丛瑶〔36〕采用超声波与碱性蛋白酶联合的方法水解ES，处理后蛋白质提取率为69%，较单一酶法提高了19%，且脱水性能较单一酶法提高了55%。丁静雨〔37〕对碱性蛋白酶进行低强度超声处理后，蛋白酶活性提高了13%左右，蛋白质提取率为44%，较单一酶法提高了20%左右。李萍等〔38〕采用超声波与木瓜蛋白酶联合处理ES，蛋白质提取率为62.63%，比单独使用超声波法提高了约48%。相比单一酶法，超声波联合生物酶法的污泥水解效果更好，蛋白质的增加可归因于超声波诱导的污水污泥中酶活性的增加，不但促进了EPS中蛋白质从TB-EPS层转移到SEPS和LB-EPS的外层，还促进了细胞中蛋白质的溶出。

热处理工艺设备较为成熟，但利用热预处理辅助酶法催化污泥水解的手段少见。污泥蛋白质水解的热预处理机制是将污泥在高温环境中暴露足够长的时间以促进化学反应的进行，并溶解好氧和厌氧污泥中较大的生物分子。岳秋彩〔39〕采用热预处理和碱性蛋白酶协同水解ES提取蛋白质，水解后的污泥上清液中蛋白质提取率为56.5%，与单一酶法相比提高了43.6%，SCOD及溶出率分别为16 800 mg/L和52.57%，说明热预处理强化了酶催化污泥水解反应。

3.1.2 化学法联合生物酶法

化学法与生物法联合也在水解ES方面发挥了重要作用。表面活性剂可降低污泥中水分的表面张力，破坏污泥絮体形态，引发污泥絮体皂化，减小污泥絮体的尺寸，从而使蛋白酶与污泥样品的接触面积增大。鼠李糖脂是一种成本较低且环境友好的表面活性剂，Gaige LIU等〔40〕采用溶菌酶与鼠李糖脂联用的方式对污泥进行预处理，当单位VSS的鼠李糖脂投加量为0.3 g/g时，污泥中蛋白质的释出量高达1 612.0 mg/L，相较单一酶法提高了约600 mg/L，SCOD提高了约8 000 mg/L。于静〔41〕利用十二烷基硫酸钠强化溶菌酶水解ES，SCOD/TCOD较单一酶法提高了61.4%。

有研究发现，加入少量的金属离子可改变酶的活性，主要机理是金属离子（以二价金属离子为主）与生物酶的活性位点发生反应进而改变酶的活性，稳定生物酶的空间构象。不同金属离子可能会起到不同的促进或抑制作用。李静〔42〕发现3 mmol/L的CaCl2对碱性蛋白酶的促进效果最为明显，相较未添加组酶活力提高了17.9%。

超声波、热处理以及表面活性剂主要是对污泥进行预处理，破解污泥絮体，增加酶与污泥底物的接触面积和时长，且在一定程度上增强酶活性。单独采用物化法，成本较高，限制较多，实际应用较为困难；酶水解污泥反应温和、可保留蛋白质性质，将物化法与生物酶法联合应用于水解污泥更具有实用性和可行性。

3.2 物化法和嗜热菌联合法

3.2.1 物理法联合嗜热菌法

嗜热菌水解ES主要是由胞外酶发挥重要作用，但由于反应过程中菌种不断衰退，微生物产酶能力下降，导致其水解污泥的效率有限；并且筛选菌株过程中原材料成本上涨，市场竞争激烈，提高菌株产酶能力成为一个重点研究方向。运用遗传手段改良菌株并促进其产酶，对嗜热菌高效水解污泥具有较好的现实意义。

诱变是改良菌株的常用方法，物理法诱变菌株主要有紫外光照射、微波诱变、γ射线〔43〕和常压室温等离子体（ARTP）诱变等。当菌株受到紫外光照射时，其DNA分子会形成嘧啶二聚体，阻碍碱基正常配对，导致菌株突变或死亡。应长青等〔44〕将具有较好产蛋白酶能力的嗜热菌株DL4在20 W紫外灯下照射90 s，蛋白酶活性相较无紫外光照射的酶活性提高17.33%，致死率达81.46%，且突变菌株可稳定遗传。ARTP是一种新型的诱变方式，主要诱变原理是依靠等离子体瞬间释放的高活性离子穿透细胞膜并作用于基因片段，引起突变。侯小珊〔45〕在通气量为10 L/min、功率为100 W的条件下对1株高温产蛋白酶菌株RM-2进行ARTP诱变，酶活力相较原始菌株提高25.62%。

3.2.2 化学法联合嗜热菌法

化学法强化嗜热菌的方法有多种，例如添加表面活性剂、加入金属离子以及化学诱变等，前2种方法强化嗜热菌的原理和其强化生物酶的机理相似。化学诱变嗜热菌可导致微生物DNA复制时碱基配对错误，引起突变，从而改变微生物的遗传结构和功能，该方法可以作为分子生物学方法和培养基优化策略的替代方案。

化学诱变剂主要有硫酸二乙酯和亚硝基胍。高珍娜等〔46〕筛选出29株产纤维素酶活性较高的菌株，并采用硫酸二乙酯诱变筛选出1株性能优良的MY004菌株，其酶活力比原始菌株提高了80.6%。扶教龙等〔47〕采用亚硝基胍对产辅酶Q10的类红球细菌进行诱变，产酶量相较原始菌株增加了64.92%。

化学诱变采用的有机试剂毒性较强，对人体伤害较大。物理法相对安全环保，尤其ARTP法较好地避开了对人体伤害较大的物理辐射源，且诱变过程在密闭的放电室中进行，断电后立即消失，无任何残留物，突变率较高〔48-49〕。微生物的突变基质较为复杂，采用单一诱变方法获得目标菌株较为困难，突变率较低；复合诱变法可解决该问题，即结合几种物理、化学诱变方法对菌株进行交叉诱变〔49-50〕。目前关于菌株诱变的研究较多，但诱变后微生物对ES水解效果的研究很少，有待进一步研究。

4 结语与展望

实现ES的资源化利用、更大程度地发挥ES的价值，是未来污泥处理技术的发展方向。ES水解方法众多，需要根据实际情况选择最佳的水解方法。目前生物法水解ES已获得越来越多的关注，但实际应用大多还停留在实验室阶段，缺乏工程经验。今后研究需要关注以下几点：

（1）在利用嗜热菌水解ES时，菌株分泌的胞外酶有限，处理效果不理想。诱变作为改良菌株的一种有效方法，可提高产酶效果，但传统诱变方法盲目性较高。基因工程作为一种目的性强、更加精准的改造方法，避免了在自然界中筛选优势菌种耗时较长且操作繁琐的缺点，可通过改变原有遗传特性获得更适用于处理ES的嗜热菌。

（2）利用酶水解ES是一种高效的处理方法，但游离酶会受到污泥体系pH、温度等条件影响而失活，具有较难回收且稳定性差的缺点，制作可磁力回收的固定化酶，探究不同酶的最佳固载条件，可提高污泥催化水解效果。

（3）污泥中存在很多重金属以及有机污染物等有害物质，可能会对生物酶水解产生抑制作用。污泥粗蛋白在用作动物饲料时，有毒有害物质可能会在动物体内积累，并通过食物链进入人体，危害人类健康。需要加强水解过程中重金属的检测与控制，保障其安全性和实用性。