剩余污泥作為污水處理過(guò)程中的一種典型副產(chǎn)物，造成的環(huán)境威脅日益嚴(yán)峻。厭氧發(fā)酵可以實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化和短鏈脂肪酸（SCFAs）回收，其中水解被認(rèn)為是最主要的限速步驟，因?yàn)樯锟衫玫挠袡C(jī)物存在于微生物細(xì)胞和胞外聚合物（EPS）中。EPS和細(xì)胞壁的剛性結(jié)構(gòu)阻礙了顆粒有機(jī)物的溶解和生物利用，從而影響SCFAs的產(chǎn)生。因此，微生物細(xì)胞裂解和EPS破壞是污泥水解和隨后厭氧發(fā)酵過(guò)程中SCFAs回收的基礎(chǔ)。研究人員已經(jīng)開發(fā)了許多預(yù)處理方法以促進(jìn)污泥水解，提高厭氧發(fā)酵和SCFAs的積累。然而，這些預(yù)處理方法通常只能解決有限的水解問(wèn)題，水解性能受到限制。同時(shí)針對(duì)EPS結(jié)構(gòu)分解和微生物細(xì)胞裂解的預(yù)處理方法可實(shí)現(xiàn)更高效的污泥水解和產(chǎn)酸性能，但目前還鮮有報(bào)道。
溶菌酶是一種典型的能夠水解黏多糖和裂解微生物細(xì)胞壁的生物酶，其對(duì)細(xì)胞的裂解能夠促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)水解并釋放內(nèi)源性有機(jī)物。盡管如此，溶菌酶催化對(duì)污泥水解的促進(jìn)作用還不夠理想。因?yàn)槲⑸锛?xì)胞通常被EPS包裹，這導(dǎo)致溶菌酶預(yù)處理對(duì)污泥的水解效果不理想。此外，EPS的緊密結(jié)構(gòu)也不利于細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物的釋放。因此，有必要采用其他預(yù)處理方法來(lái)破壞EPS結(jié)構(gòu)，從而提高溶菌酶催化水解的效果。
投加陽(yáng)離子交換樹脂是在厭氧發(fā)酵過(guò)程中最大限度地積累SCFAs的一種可行策略。陽(yáng)離子交換樹脂是一種典型的顆粒狀陽(yáng)離子交換試劑，能夠從剩余污泥中選擇性地去除金屬離子。在剩余污泥中發(fā)揮結(jié)構(gòu)功能的多價(jià)陽(yáng)離子（Mg2+、Ca2+）可被樹脂去除，從而導(dǎo)致EPS結(jié)構(gòu)分解和胞外有機(jī)物溶解。同時(shí)，溶菌酶催化的胞內(nèi)有機(jī)物釋放也得到了促進(jìn)。樹脂造成的結(jié)構(gòu)性陽(yáng)離子缺乏可抑制產(chǎn)甲烷菌，從而避免SCFAs的消耗。此外，樹脂可回收和重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)也有助于厭氧發(fā)酵的可持續(xù)發(fā)展。
根據(jù)上述理論，可以推斷樹脂和溶菌酶耦合處理在污泥水解和增溶方面發(fā)揮了協(xié)同作用。此外，EPS破裂改善了溶菌酶的催化活性，溶菌酶誘導(dǎo)的細(xì)胞裂解反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了EPS的破裂。在這種情況下，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外協(xié)同水解是可以實(shí)現(xiàn)的，這大大改善了SCFAs的積累。盡管樹脂和溶菌酶耦合處理剩余污泥的協(xié)同可行性是可以預(yù)期的，但很少有人將樹脂和溶菌酶結(jié)合使用以提高剩余污泥中可溶性有機(jī)物的溶解度，并促進(jìn)厭氧發(fā)酵過(guò)程中SCFAs的積累，這值得進(jìn)一步系統(tǒng)性研究和評(píng)估。這可能會(huì)豐富厭氧發(fā)酵技術(shù)，為剩余污泥的可持續(xù)處理提供工程靈感。
1、材料與方法
1.1 污泥來(lái)源
剩余污泥取自西安市某污水處理廠的二沉池，經(jīng)20目濾網(wǎng)過(guò)濾去除大顆粒雜質(zhì)后，在4℃冰箱中重力沉降濃縮24h。濃縮后剩余污泥的VSS、SS分別為（11.32±0.13）、（19.43±0.04）g/L，可溶性有機(jī)物（SCOD）、總有機(jī)物（TCOD）分別為（119.46±11.53）、（13367.32±982.43）mg/L，pH為6.93±0.12。
1.2 樹脂和溶菌酶特性
所使用的樹脂是強(qiáng)酸性苯乙烯基陽(yáng)離子交換樹脂，初始陽(yáng)離子形式為Na+，體積交換容量≥1.9mmol/mL，有效粒徑為0.4~0.7mm。溶菌酶從北京博奧拓達(dá)科技公司購(gòu)買，提取自雞蛋清，其最適pH為6.5，酶活性為20000U/mg。
1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
使用相同的血清瓶（500mL）進(jìn)行厭氧發(fā)酵。研究中通過(guò)三種不同的方法對(duì)剩余污泥進(jìn)行預(yù)處理：樹脂、溶菌酶和樹脂+溶菌酶。對(duì)于樹脂處理，根據(jù)以往的研究選擇最佳投量為1.75g/g，溶菌酶處理以0.10g/g作為最佳劑量加入到剩余污泥中，樹脂+溶菌酶組樹脂和溶菌酶的投量則采用單獨(dú)處理的投量，并將沒(méi)有預(yù)處理的反應(yīng)器作為對(duì)照組。所有的反應(yīng)器都用氮?dú)獯迪?/span>5min以達(dá)到厭氧狀態(tài)。之后在（37±1）℃的培養(yǎng)箱中以160r/min的速度攪拌進(jìn)行10d的厭氧發(fā)酵。所有實(shí)驗(yàn)都是一式三份，以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。
1.4 分析方法
收集污泥樣品并以10000r/min離心5min，上清液通過(guò)0.45μm聚醚砜膜過(guò)濾。SS、VSS、SCOD采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。溶解性有機(jī)物（DOMs）通過(guò)三維熒光光譜（FP-6500）結(jié)合PARAFAC模型進(jìn)行分析。SCFAs（乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸、正戊酸）通過(guò)氣相色譜儀（PEClarus680）按照程序進(jìn)行分析。用BET分析儀測(cè)量污泥位點(diǎn)的特定表面積。污泥的形態(tài)結(jié)構(gòu)通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM，德國(guó)蔡司Sigma300）進(jìn)行分析。此外，采用毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）來(lái)評(píng)估污泥的脫水性，并通過(guò)CST儀（P304M）進(jìn)行測(cè)定。
2、結(jié)果與討論
2.1 不同預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)SCFAs產(chǎn)量的影響
厭氧發(fā)酵的目的是從剩余污泥中回收SCFAs。不同條件下SCFAs產(chǎn)量隨發(fā)酵時(shí)間的變化見(jiàn)圖1。
由圖1可知，經(jīng)樹脂、溶菌酶和樹脂+溶菌酶處理后SCFAs產(chǎn)量急劇增加，這說(shuō)明預(yù)處理促進(jìn)了SCFAs的積累。在這種情況下，相比于單獨(dú)處理，經(jīng)樹脂+溶菌酶處理后產(chǎn)生了更多的SCFAs。經(jīng)過(guò)2d的預(yù)處理，樹脂+溶菌酶組的SCFAs產(chǎn)量（以COD計(jì)）急劇增加到3715.23mg/L，而在對(duì)照、樹脂和溶菌酶組中僅達(dá)到512.02~2123.38mg/L。當(dāng)處理時(shí)間超過(guò)2d后，SCFAs增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著減緩。這表明樹脂+溶菌酶處理增強(qiáng)SCFAs產(chǎn)量主要發(fā)生在前2d內(nèi)，被認(rèn)為是最佳發(fā)酵期。此外，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)（8~10d），對(duì)照組和溶菌酶組的SCFAs產(chǎn)量明顯下降，可能是產(chǎn)甲烷細(xì)菌在長(zhǎng)期厭氧發(fā)酵中消耗了SCFAs。然而，在樹脂和樹脂+溶菌酶處理中沒(méi)有觀察到這種現(xiàn)象，推測(cè)是因?yàn)闃渲幚硪种屏水a(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和代謝。陽(yáng)離子交換樹脂對(duì)金屬的去除可能是抑制產(chǎn)甲烷菌的原因。顯然，樹脂耦合溶菌酶處理不僅促進(jìn)了SCFAs的產(chǎn)生，也抑制了SCFAs的消耗，有利于SCFAs的積累和回收。
2.2 不同預(yù)處理后污泥水解表現(xiàn)
一般來(lái)說(shuō)，SCFAs的產(chǎn)生源于污泥水解階段內(nèi)源性有機(jī)物的溶解和生物降解。如圖2所示，在1d厭氧發(fā)酵中，經(jīng)過(guò)樹脂、溶菌酶和樹脂+溶菌酶處理后SCOD含量急劇增加，隨后上升趨勢(shì)減慢。然而，對(duì)照組的SCOD含量在整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯。這表明預(yù)處理促進(jìn)了SCOD的釋放，且1d是內(nèi)源性有機(jī)物增溶和污泥快速水解的最佳時(shí)期。經(jīng)過(guò)樹脂+溶菌酶處理1d后，SCOD含量增加到5824.16mg/L。然而，在對(duì)照組、樹脂組和溶菌酶組中，SCOD含量分別僅為882.13、2720.65和3493.52mg/L。這表明樹脂+溶菌酶的耦合處理比相同劑量的樹脂和溶菌酶單獨(dú)處理更能有效地促進(jìn)污泥水解。
2.3 樹脂+溶菌酶耦合處理的內(nèi)源性有機(jī)物特性
利用三維熒光和PARAFAC分析進(jìn)一步研究?jī)?nèi)源性有機(jī)物的組分特性。以Fmax反映各組分的相對(duì)含量，結(jié)果見(jiàn)圖3。根據(jù)早期的研究確定存在三種組分，組分1、2、3分別為可溶性微生物副產(chǎn)物、色氨酸類蛋白質(zhì)和酪氨酸類蛋白質(zhì)。樹脂+溶菌酶組三種組分的Fmax都高于對(duì)照組，且隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)差距更明顯。顯然，樹脂+溶菌酶處理破壞了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的緊密結(jié)構(gòu)變得松散無(wú)序。因此，大量的色氨酸類蛋白質(zhì)和酪氨酸類蛋白質(zhì)被釋放出來(lái)，同時(shí)一些大分子有機(jī)物被降解為可溶性微生物副產(chǎn)物。據(jù)報(bào)道，色氨酸類蛋白質(zhì)和酪氨酸類蛋白質(zhì)能夠被微生物利用并提供大量能量，從而提高污泥厭氧發(fā)酵效率。實(shí)際上，組分1、2和3因其較高的生物可降解性被普遍認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)產(chǎn)酸底物。
采用FT-IR光譜分析溶解性有機(jī)物的化學(xué)官能團(tuán)特性，結(jié)果如圖4所示。
經(jīng)過(guò)樹脂+溶菌酶處理后FT-IR光譜在1193~500cm-1處的吸收峰顯著多于對(duì)照組、單獨(dú)樹脂組和單獨(dú)溶菌酶組，說(shuō)明樹脂和溶菌酶耦合處理促進(jìn)污泥增溶而釋放了大量有機(jī)物，使上清液中組分更復(fù)雜。特別是在1412和1559cm-1波數(shù)處，樹脂+溶菌酶組的吸收峰強(qiáng)度顯著高于其他三組，這些吸收峰分別對(duì)應(yīng)氨基化合物官能團(tuán)和羧酸化合物官能團(tuán)。表明蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物的大量降解，說(shuō)明樹脂+溶菌酶處理后吸收峰形狀和強(qiáng)度的變化可能是因?yàn)樯锨逡褐腥芙庑杂袡C(jī)物的降解和生物轉(zhuǎn)化等作用。上述結(jié)果均進(jìn)一步表明，樹脂+溶菌酶處理強(qiáng)化了溶解性有機(jī)物的生物可降解性，促進(jìn)了厭氧發(fā)酵過(guò)程中SCFAs的大量積累。
2.4 樹脂+溶菌酶處理后污泥微觀結(jié)構(gòu)變化
樹脂+溶菌酶耦合處理促進(jìn)了溶解性有機(jī)物的大量釋放，通常伴隨著污泥絮體破解和結(jié)構(gòu)瓦解。厭氧發(fā)酵2d后，對(duì)照組和樹脂+溶菌酶組污泥位點(diǎn)的BET表面積分別為2.0851和5.6294m2/g。樹脂+溶菌酶處理使污泥位點(diǎn)的比表面積增加了1.70倍，這是微觀結(jié)構(gòu)破壞和表面形貌改變的結(jié)果。在某種程度上，污泥位點(diǎn)表面的這種結(jié)構(gòu)變化可以通過(guò)SEM圖像進(jìn)一步解釋。如圖5所示，相比于對(duì)照、單獨(dú)樹脂和單獨(dú)溶菌酶組，樹脂+溶菌酶耦合處理組的污泥具有更多凹陷的結(jié)構(gòu)和碎片。這些斷裂的碎片很容易從污泥中掉落并溶解到液相中，從而促進(jìn)SCOD含量的上升。因此樹脂+溶菌酶處理使污泥的絮凝結(jié)構(gòu)變松散，促進(jìn)了污泥水解從而提高了厭氧發(fā)酵中SCFAs的積累。
2.5 上清液中SCFAs的提取和回收潛力
通過(guò)機(jī)械脫水可以提取和回收上清液中的SCFAs。然而，預(yù)處理后污泥的脫水能力會(huì)顯著惡化，因此需要進(jìn)行化學(xué)調(diào)理以提高污泥的脫水能力。測(cè)定顯示，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥的CST顯著提高。在樹脂+溶菌酶處理4d后，污泥的CST為2345.5s，高于對(duì)照組的582.0s；在樹脂+溶菌酶處理10d后污泥的CST升高到3747.1s，而對(duì)照組為674.5s，這說(shuō)明樹脂+溶菌酶處理使得污泥的脫水性能惡化。其原因可能是污泥顆粒變小、比表面積增加和持水能力提高。盡管經(jīng)過(guò)樹脂+溶菌酶處理后污泥脫水能力變差，但在用0.35g/g的FeCl3調(diào)理后污泥的CST下降到51.2s，與對(duì)照組的CST值相近（41.6s）。顯然，FeCl3調(diào)理顯著提高了發(fā)酵污泥的脫水能力，這意味著可以通過(guò)固液分離回收更多的SCFAs。
3、結(jié)論
樹脂耦合溶菌酶預(yù)處理能夠顯著提高剩余污泥水解效率和促進(jìn)SCFAs積累。在1d厭氧發(fā)酵過(guò)程中，樹脂+溶菌酶處理使污泥釋放了大量的SCOD（5824.16mg/L）。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)松動(dòng)引發(fā)了大量?jī)?nèi)源性有機(jī)物被釋放，污泥絮體解構(gòu)削弱了基質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)物的約束。這為可溶性有機(jī)物的增溶開辟了途徑，增強(qiáng)了其可生物降解性，從而實(shí)現(xiàn)了卓越的產(chǎn)酸性能。這種出色的有機(jī)物溶解能力為隨后的生物轉(zhuǎn)化提供了豐富的底物，實(shí)現(xiàn)了3715.23mg/L的SCFAs累積，分別是對(duì)照、樹脂和溶菌酶組的7.26、2.41和1.75倍。此外，經(jīng)過(guò)FeCl3調(diào)理后顯著提高了發(fā)酵污泥的脫水能力，可以回收更多的SCFAs以進(jìn)一步利用。（來(lái)源：西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
