磷酸酯酶活性對餐廚垃圾單相厭氧消化抑制的預警作用

彭緒亞,洪俊華,賈傳興,梅 冰,邸玉翠,王 璐 (重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶400045)

磷酸酯酶活性對餐廚垃圾單相厭氧消化抑制的預警作用

彭緒亞*,洪俊華,賈傳興,梅 冰,邸玉翠,王 璐 (重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶400045)

為了研究磷酸酯酶活性對餐廚垃圾單相厭氧消化抑制的預警作用,考察了單相CSTR反應器在容積負荷2.0～8.5kgVS/(m3·d)條件下的酸性和堿性磷酸酯酶活性,并同步分析了揮發性脂肪酸(VFAs)、容積產氣率、pH值的變化.結果表明,酸性和堿性磷酸酯酶活性在容積負荷為2.0～4.0kgVS/(m3·d)時,平均值為14.1,9.8μgNP/(h·mL);容積負荷為5.0～7.5kgVS/(m3·d)時,其平均值為138.4,23.6μgNP/(h·mL);容積負荷為8.5kgVS/(m3·d)的超負荷階段達到峰值318.1,51.5μgNP/(h·mL)后快速下降.磷酸酯酶活性驟升的時間較VFAs、容積產氣率驟降超前2d、較pH值的驟降提前1d.磷酸酯酶活性較常規指標VFAs、容積產氣率和pH值等對單相厭氧消化抑制具有一定的預警作用.

磷酸酯酶活性；餐廚垃圾；單相厭氧消化；抑制；預警

隨著我國生活水平的不斷提高,大量產生的餐廚垃圾已成為亟待解決的社會與環境問題.餐廚垃圾蘊含豐富的生物質能,通過厭氧消化產生沼氣,已成為餐廚垃圾資源化的重要途徑[1-2].由于餐廚垃圾有機物含量很高,其消化過程常常由于有機酸的大量累積而出現抑制[3-4].而常規的監測指標如pH值、揮發性脂肪酸濃度和產氣量與氣體成分等不能夠及時對厭氧消化抑制給出警示作用.尋找有效的監控預警指標,對餐廚垃圾厭氧消化系統的穩定運行具有十分重要的意義.

復雜有機物的厭氧消化通常包括水解酸化、產氫產乙酸、產甲烷等系列過程.胞外酶對有機物的水解作用是第一個步驟.磷酸酯酶是水解基質上磷酸基團的酶,是厭氧微生物的一種胞外酶,可降解富含磷酸的生物分子(如磷酸、磷酸核苷、磷酸戊糖和磷酸己糖等),利于細菌的同化,它在厭氧消化器中比其他酶類活性高、對消化器基質的變化較敏感且易檢測到[5-6].目前磷酸酯酶活性除了被廣泛應用于人體醫學、動植物代謝、土壤中重金屬[7-8]的去除和水體[5,9-11]中磷循環的研究中外,對活性污泥中磷酸酯酶活性的指示作用的研究[12-14]越來越多.研究表明[15-18],磷酸酯酶活性主要受到污泥中生物量水平的影響,與污泥中生物量水平(MLSS)直接相關.Ashler等[14]發現在厭氧消化系統出現消化障礙時,污泥中磷酸酯酶活性的增高比其他因素如揮發酸的積累出現得早且明顯,并首次將磷酸酯酶活性作為預示厭氧消化器運行中出現消化障礙的一項檢測指標.王正蘭等[19]研究厭氧污泥中的磷酸酯酶活性,證明當消化器負荷過高時,磷酸酯酶活性明顯增高的現象比揮發酸大幅增加、酸化速度大于甲烷化速度、pH值下降等現象出現得要早,可提前10d左右預示厭氧消化障礙的出現.這些研究都表明,厭氧污泥中磷酸酯酶活性對消化系統狀態有較好的指示性作用.

本研究以餐廚垃圾作為單相厭氧消化反應器的基質,通過增加容積負荷,以揮發性脂肪酸、容積產氣率和pH值作為系統運行狀態的常規指標來控制反應器由啟動、穩定運行、超負荷到失衡的過程,測定整個過程中各個階段酸性和堿性磷酸酯酶的活性,分析其變化規律及其原因,以期為厭氧消化系統負荷控制、消化障礙的預測以及消化器穩定性評價提供依據.

1 材料與方法

1.1 材料

試驗物料取自重慶大學學校食堂及周邊餐館等,以食用殘余(泔腳)類垃圾為主,混有少量廚余垃圾.樣品剔除竹筷、紙張等干擾物,分批破碎至粒徑小于 10mm,混合均勻.接種污泥取自本實驗室 UASB反應器,接種率為 80%,接種后TS≥10%.

測得試驗物料的以下指標的平均值:TS為12.93%,VS/TS為92.88%,容重為1096kg/m3,含油率(粗脂肪)為17.02%(濕基),C/N為15.53,氨氮為245.32mg/L,COD為64640mg/L.

1.2 試驗裝置及過程

本研究采用單相CSTR厭氧消化反應器,系統裝置見圖 1.反應器有效容積(V有效)=20L,采用斜葉式機械攪拌器攪拌,內部維持中溫條件(35～38℃),由上部進料斗進料、錐體的最下部排料口出料,產氣量由濕式氣體流量計測定.

試驗總共運行90d,容積負荷由2.0kgVS/(m3?d)逐漸增加到 8.5kgVS/(m3?d),整個過程包括反應器的啟動、穩定運行、超負荷及失衡幾個階段.試驗開始后每天從單相反應器底部出料口取消化漿料樣品測pH值、揮發性脂肪酸、產氣量等指標,以及時反映反應器運行性能及穩定性等情況,并將消化漿料樣品經超聲波處理后,用 4℃、20000g冷凍離心機離心取上清液測定酸性和堿性磷酸酯酶活性.

圖1 試驗裝置Fig.1 Schematic diagram of anaerobic digestion experiment system

1.3 分析項目及方法

COD和VFAs按照標準分析方法測定[20];pH值采用 PHS-3C型 pH計直接測定;產氣量用LML-3型濕式氣體流量計計量;磷酸酯酶活性采用可見光分光光度法測定[21].

磷酸酯酶活性測定的具體方法為:取消化漿料裝入離心管中,置冰槽中冷至 2℃后,在超聲波儀中均勻化150s (120W,20kc/s),超聲后用4℃、20000g離心30min取上清液備用.吸取lmL底物加入到3mL緩沖液 (酸性磷酸酶用pH6.8的檸檬酸鈉/檸檬酸緩沖液,堿性用 pH9.4的 2-氨基-2-甲基-1-丙醇緩沖液)中,再加入lmL消化漿料上清液.對照組的組成同上,只是所取的消化漿料上清液被煮沸失活.所有試管一式2份,在一定溫度下保溫一定時間,然后從每管中取出2mL加到4mL 0.2mol/L NaOH中,用4℃、30000g冷凍離心機離心30min,取上清透明液在420nm波長下測定酶活性.

2 結果與討論

2.1 VFAs、容積產氣率、pH值的變化規律

VFAs代表物質主要有甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸以及它們的異構體,本實驗中測量的 VFAs主要包括甲酸,乙酸,丙酸,丁酸,以及它們的異構體,它是消化原料的水解產物,同時也是甲烷菌生長代謝的基質,一定的 VFAs濃度是保證系統正常運行的必要條件,但過高的VFAs會抑制甲烷菌的生長而破壞消化過程.一旦厭氧消化系統受到抑制,就會表現出 VFAs積累、pH值下降、產氣率下降等現象.

圖2 容積產氣率、pH隨容積負荷率的變化Fig.2 The variation of volumetric gas production rate and pH as volumetric loading rate changed

由圖 2和圖 3可見,實驗開始以容積負荷2.0kgVS/(m3·d)運行,容積產氣率和VFAs均在較低水平上波動,當容積產氣率和 VFAs相對穩定時增加負荷.當容積負荷在2.0,3.0kgVS/(m3·d)時,容積產氣率比較低、且不穩定[2.07～2.70m3/ (m3·d)],以 4.0kgVS/(m3·d)容積負荷率運行后,產氣穩定在較高的水平,最高達到 3.41m3/(m3·d).在容積負荷由2.0kgVS/(m3·d)增加到4.0kgVS/(m3·d)的過程中,VFAs濃度較低,維持在1000mg/L左右, pH值維持在7.7～7.9之間.至此反應器運行了34d,啟動完成.

圖3 VFAs隨容積負荷率的變化Fig.3 The variation of VFAs as volumetric loading rate changed

從第 35d到第 90d,以容積負荷 5.0,6.0,7.0, 7.5,8.0,8.5kgVS/(m3·d)分別運行 8d,7d,10d,11d, 8d,9d.在容積負荷為 5.0～7.5kgVS/(m3·d)期間,平均容積產氣率不斷增加,VFAs維持在 805.7～1876.3mg/L, pH值穩定在7.6～8.1.可以看出容積負荷在 5.0～7.5kgVS/(m3.d)時,即實驗的第 35～72d容積產氣率高而穩定,VFAs和pH值也穩定在正常范圍內,為反應器穩定運行階段.

當容積負荷增加到 8.0kgVS/(m3·d)時,容積產氣率進一步提高到4.97m3/(m3·d),pH值無明顯變化,但 VFAs由 1991.6mg/L逐漸增加到了4486.3mg/L,遠遠超出了 VFAs的抑制濃度2000mg/L.此時反應器中的VFAs不能及時被降解而積累,產甲烷過程可能受到高有機負荷的抑制,反應器處于超負荷運行.

超負荷運行 8d后進一步增加容積負荷到8.5kgVS/(m3·d),并運行了9d,這期間pH值和容積產氣率逐漸下降,VFAs進一步增加.試驗進行到第87d pH值降到了6.4,容積產氣率降到2.93m3/ (m3·d),VFAs增加到6446.4mg/L,第88d又大幅變化,pH值降為 5.7,容積產氣率為 1.43m3/(m3.d), VFAs急劇增加到 13364.6mg/L.繼續運行到第90d,pH值和容積產氣率繼續下降,VFAs進一步增加.說明反應器中VFAs大量積累,產氣能力微弱,產甲烷過程已嚴重受阻,系統出現抑制.

2.2 磷酸酯酶活性的變化

磷酸酯酶在不同pH值條件下表現出不同的催化能力,故分為酸性磷酸酯酶和堿性磷酸酯酶.

在實驗啟動階段即容積負荷率為 2.0～4.0kgVS/(m3·d)時,酸性磷酸酯酶活性處于比較低的水平(圖4),在11.0～16.7μgNP/(h·mL)之間波動,平均為14.1μgNP/(h·mL);進入穩定運行階段即容積負荷增加到5.0～7.5kgVS/(m3·d)時,在穩定運行的初期酸性磷酸酯酶活性也較低,但高于啟動階段,平均為 33.8μgNP/(h·mL),之后逐漸增加并穩定在117.9～171.9μgNP/(h·mL),平均為138.4μgNP/ (h·mL),明顯較前一階段增強;超負荷階段,酸性磷酸酯酶活性逐漸增大,試驗的第86d時,酸性磷酸酯酶活性急劇增強,由第 85d的 156.0μgNP/ (h·mL)急劇增加到第86d時的318.1μgNP/(h·mL),增幅達到了 103.9%,第 87d又降到 166.2μgNP/ (h·mL),降幅也在 100%左右,且之后的幾天繼續下降而未表現出恢復的趨勢.

圖4 酸性磷酸酯酶的活性Fig.4 The variation of ACP activity

堿性磷酸酯酶活性也有與酸性磷酸酯酶活性類似的變化規律(圖5),啟動期間穩定也增大很多,平均 23.6μgNP/(h·mL);同樣的也在超負荷階段(第 86d)出現了劇增,由第 85d的 34.6μgNP/ (h·mL)急劇增加到第86d的51.5μgNP/(h·mL),87d又降低為33.0μgNP/(h·mL)并繼續降低,增幅和降幅均達到了50%左右.對比圖4、圖5,反應器中酸性和堿性磷酸酯酶活性水平有較大的差別,初始時酸性和堿性磷酸酯酶活性差不多,但是酸性磷酸酯酶活性增大的速度遠遠大于堿性磷酸酯酶,最后酸性磷酸酯酶活性遠遠高于堿性磷酸酯酶活性,這與Wang等[22]的研究結果一致.堿性磷酸酯酶活性與酸性磷酸酯酶活性表現出相類似的變化規律,都是由較低活性水平到較高活性,突然在最后一個階段急劇達到峰值后又急劇降低.本實驗中酸性和堿性磷酸酯酶活性都是在第86d時達到峰值后急劇降低,比VFAs驟升、容積產氣率和pH值驟降早2d,這與Wang等[22]的試驗結果中磷酸酯酶活性較VFAs等驟變超前10d左右不一致.

圖5 堿性磷酸酯酶的活性Fig.5 The variation of ALP activity

出現這種不一致的原因可能是多方面的.首先,反應器類型和處理基質不同.Wang等[22]采用推流式和UASB反應器處理酒糟廢水,本研究采用單相厭氧消化器處理餐廚垃圾,不同的反應器和基質對磷酸酯酶活性均有影響[8].其次,進料方式不同.在比較高的負荷下,Wang等[22]采取的是不提高負荷的方式,推流式和UASB反應器的最高 有 機 負 荷 分 別 為 12.24gCOD/(L·d)和32.6gCOD/(L·d).而本實驗繼續提高負荷進行沖擊試驗,最高達到了 39.97gCOD/(L·d)(對應于8.5kgVS/(m3·d)).最后,反應器運行時間不同. Wang等[22]反應器運行時間比較長,推流式反應器運行了100d,UASB反應器運行了140d,在每個負荷下運行時間相對較長,2個反應器在最高負荷下分別運行到20d和第25d時VFAs才開始積累,而本試驗運行了90d.綜上,本實驗在高負荷下快速增加負荷,系統很快就受到負荷的沖擊而發生失衡,導致磷酸酯酶活性變化較快.因此,Wang等[22]的研究結果是10d的預警時間,而本實驗是2d的預警時間.

2.3 討論

餐廚垃圾中含有大量顆粒狀有機物,其厭氧消化具有自身的特點.首先餐廚垃圾有機顆粒通過溶解作用形成可溶性物質;然后通過水解酸化作用形成有機酸.餐廚垃圾相對于有機廢水來說顆粒度較大,溶解和水解相對困難.當厭氧消化器中水解菌群獲得高濃度營養物質時,會直接誘導產磷酸酯酶菌對磷酸酯酶的釋放,即首先表現為磷酸酯酶活性的增加,當營養物質濃度高到一定的程度,磷酸酯酶的活性也會隨之增高,產生大量的有機酸.產甲烷菌不能及時將這些有機酸充分轉化為甲烷,有機酸就會積累在反應器中,最終導致有機酸濃度急劇增加, pH值隨之下降.由此推斷磷酸酯酶活性變化較VFAs以及pH值的變化具有超前性.

在試驗運行過程中,反應器內部的微生物隨著負荷的變化會出現更替性變化以適應環境的變化,導致磷酸酯酶產生菌發生變化,體現為磷酸酯酶活性的變化.在啟動階段,反應器中各類微生物處于適應階段,數量少且活性弱,釋放的磷酸酯酶少,磷酸酯酶活性處于較低水平.反應器穩定運行后,水解酸化菌和產甲烷菌已適應反應器的環境,開始大量增殖,細菌數量多而活性大,磷酸酯酶產生菌多而活躍,磷酸酯酶活性穩定在較高的水平.超負荷階段,單相反應器在消化抑制的前期,一方面由于此時反應器內還源源不斷地在投加餐廚垃圾,水解酸化菌大量生長以進行水解作用,逐漸成為優勢菌,而產甲烷菌活性相對減弱;另一方面水解作用不斷進行,產生有機酸,但其濃度達到一定程度時,產甲烷菌受到抑制,產甲烷過程受阻,導致 VFA等迅速積累,從而反應器環境發生變化,而環境的變化使菌群進一步發生演替. Anupama等[12]研究表明,古細菌和細菌對厭氧污

泥中的磷酸酯酶活性均有貢獻,且貢獻率分別為45%和55%.因此,可以推測水解酸化菌較產甲烷菌對磷酸酯酶活性的貢獻率大.厭氧消化反應器中水解酸化菌活性不斷增強,產甲烷菌活性不斷減弱.而減少的產甲烷菌所釋放的磷酸酯酶活性較增殖的產酸菌所釋放的磷酸酯酶活性少,故隨著水解酸化菌活性的不斷增強,產甲烷菌不斷減弱.因而,磷酸酯酶活性也不斷增加.當產甲烷菌受到抑制,而水解產酸菌活性增強到一定的程度時,磷酸酯酶活性就達到峰值.隨后由于反應器中的產酸菌產生的有機酸無法順利被產甲烷菌利用轉化為甲烷和二氧化碳而不斷積累,水解產酸菌反過來受到抑制,磷酸酯酶活性快速下降.

3 結論

3.1 餐廚垃圾單相CSTR厭氧消化器在不同容積負荷下的酸性和堿性磷酸酯酶活性呈現不同水平.容積負荷率為 2.0～4.0kgVS/(m3·d)時,酸性和堿性磷酸酯酶活性平均值為 14.1,9.8μgNP/ (h·mL);當容積負荷率為 5.0～7.5kgVS/(m3·d)時,平均值分別達到 138.4,23.6μgNP/(h·mL);容積負荷率為 8.5kgVS/(m3·d)時,分別達到峰值 318.1, 51.5μgNP/(h·mL),而后均快速下降.

3.2 在超負荷階段,磷酸酯酶活性驟升較 VFAs驟升、容積產氣率驟降超前2d,較pH值驟降超前1d,其活性變化對餐廚垃圾單相CSTR厭氧消化抑制具有一定的預警性.

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Role of phosphatase activity as an early warning indicator of inhibition in a single-phase anaerobic digester treating food waste.

PENG Xu-ya*, HONG Jun-hua, JIA Chuan-xing, MEI Bing, DI Yu-cui, WANG Lu (Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：541～546

The objective of this study was to understand the role of phosphatase activity as an early warning indicator of inhibition that has been often observed in the anaerobic digestion (AD) of food waste. Tests were conducted in laboratory scale, single-phase CSTR reactors operated at loading rates ranged from 2.0 to 8.5kg VS/(m3?d). The activity of acid phosphatase (ACP) and alkaline phosphatase (ALP), volatile fatty acids (VFAs), volumetric gas production rate and pH were measured during the reactor operation. The average ACP and ALP activity at the start-up phase when the reactor loading rate ranged from 2.0 to 4.0kg VS/(m3?d) were measured as 14.1 and 9.8 μgNP/(h?mL), respectively; while 138.4 and 23.6μgNP/(h?mL) at the steady phase when the reactor loading rate was within 5.0 to 7.5kg VS/(m3?d). The ACP and ALP activity peaked at 318.1 and 51.5μgNP/(h?mL) when reactors were overloaded at 8.5kg VS/(m3?d), after which both activity significantly decreased. The sharp increase in phosphatase activity occurred two days prior to the loading rate increase and one day prior to the pH drop, which suggests it could be an early warning indicator of inhibition that often occurred in the anaerobic digestion of food waste.

phosphatase activity；food waste；single-phase anaerobic digestion；inhibition；early warning

X705

A

1000-6923(2012)03-0541-06

2011-06-24

“十一五”國家科技支撐計劃(No.2010BAC67B01);重慶市科技計劃重點項目

* 責任作者, 教授, xypeng33@126.com

彭緒亞(1963-),男,重慶市人,教授,博士,從事固體廢物污染控制與資源化技術研究.發表論文100余篇.