烷基糖苷聯合水熱預處理對污泥發酵產酸的影響?

范彩麗， 馮麗娟， 郝 迪， 姚 碩， 張大海， 李先國

(中國海洋大學化學化工學院， 山東 青島 266100)

污泥作為污水處理過程中污染物的承載體，包含大量的有機物、病原微生物和重金屬等物質，一方面，污泥可以作為肥料[1]；另一方面，污泥中部分污染物易對環境造成污染[2]，所以如何合理處理處置污泥是急待解決的問題。厭氧消化技術是目前污泥資源化利用的研究熱點，但由于污泥是多相介質組成的復雜絮體，污泥中胞外聚合物(EPS)能夠對厭氧消化過程中污泥的增溶和水解階段造成不利影響[3]，而預處理技術能夠提高有機物溶出率，其中水熱預處理在工藝、能耗和脫水效果等方面具有良好優勢。Phothilangka等[4]研究發現，污泥經180 ℃的熱水解預處理后，固體含量從25.20%增至32.70%。楊鵬等[5]發現污泥在120～210 ℃、30～75 min水熱預處理條件下總固體(TS)和揮發性固體(VS)分別降低了4.45%和3.99%，表明水熱預處理能夠提高污泥固溶率，實現污泥的減量化。

烷基糖苷(APG)是綠色的表面活性劑，可以促進污泥顆粒有機化合物的溶解、水解和酸化，并提高污泥處理過程中底物的C/N[6]。目前APG被用于促進污泥厭氧消化過程揮發性脂肪酸(VFAs)的生成和有機物的降解。Zhao等[7]研究發現APG用量為0.2 g·g-1TSS時，污泥厭氧消化產生的脂肪酸是原始污泥的3.1倍；Chen等[8]研究了不同碳鏈長度的APG對VFAs產量的影響，研究表明，APG可以促進污泥的水解和酸化，同時抑制甲烷生成，在污泥厭氧發酵過程中，不同碳鏈長度的APG對短鏈脂肪酸和中鏈脂肪酸的產量的影響不同，并且APG具有可生物降解的優點，不會產生二次污染，在增強污泥厭氧發酵產酸能力方面具有較大潛力。

目前，水熱預處理一般多采用低溫水熱預處理，而低溫水熱預處理所需時間長，污泥水解效率慢，而高溫水熱預處理可在較短時間提高污泥的水解效率，節約成本，但高溫水熱預處理多應用于污泥的脫水和減量方面，對污泥有機質溶出影響的研究較少；而單一的APG增強脂肪酸生成的效能并不高，本研究采用APG聯合水熱預處理技術用于增強污泥有機質的水解，從污泥上清液中可溶性蛋白、可溶性碳水化合物和可溶性化學需氧量(SCOD)等參數的變化探討了水熱和APG聯合水熱預處理技術對污泥水解的影響，并分析聯合預處理對污泥產酸的影響和厭氧發酵過程中微生物群落結構的變化，從生物學角度為該預處理促進產酸機理提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗污泥

1.2 實驗方法

水熱預處理污泥 將等體積污泥置于高壓反應釜中，將反應釜分批次放入120、140、160、180和200 ℃的烘箱中反應10、20、30、40和50 min，冷卻至室溫取樣，測定污泥的SCOD、多糖、蛋白質和氨氮濃度。

表1 正交實驗因素水平表

1.3 分析方法

式中：SCODafter為經過預處理后污泥的SCOD值；SCODO為未經過預處理污泥的SCOD值；TCODO為未經過預處理污泥的TCOD值。

通過氣相色譜(GC-2010plus)測定揮發性脂肪酸的含量。樣品經離心過濾后用3%的磷酸調節上清液pH至4以下，置于氣相棕色小瓶中，于低溫保存。色譜條件[12]：載氣為高純氮氣，載氣流速為1.5 mL/min，進樣口溫度為200 ℃，檢測器(FID)溫度為270 ℃，分流比是20∶1，色譜柱為DB-FFAP(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，程序升溫條件為初始溫度80 ℃，保持5 min，以8 ℃/min的速率升溫，最終達到220 ℃，保持8 min。六種酸出峰順序分別為：乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸和正戊酸，保留時間分別為：9.34、9.91、10.44、12.65、13.35和14.54 min。

16S rDNA測序技術對樣品中細菌群落組成進行分析，樣品由青島睿博興科有限公司進行檢測。檢測流程包括樣品準備、DNA提取與檢測、PCR擴增、產物純化、文庫制備與庫檢及Novasep上機測序等。對原始數據進行拼接、過濾后得到有效數據，并基于有效數據以97%的一致性進行可操作分類單元(OTUs)聚類和物種分類分析。

2 結果與討論2.1 溫度和時間對污泥有機質水解的影響

在水熱過程中污泥絮體的細胞壁被破壞，有機質從固相轉移至液相。圖1為不同溫度和時間水熱預處理污泥中SCOD、DDSCOD、蛋白質和多糖的變化情況。

由圖1(a)可知，污泥中SCOD與溫度和時間呈正相關，這一結果與Xue等[13]研究中污泥水熱預處理后有機質的變化趨勢相近；在溫度120、140、160、180和200 ℃水熱預處理反應50 min條件下，SCOD在原始污泥的874.0 mg·L-1的基礎上分別增加了6 103.2、8 644.2、9 419.8、11 931.4和13 657.4 mg·L-1，最終DDSCOD達到56%，盡管該值在200 ℃水熱處理50 min高于其它條件，但是由圖1(a)和(b)可以看出，污泥SCOD在溫度為180 ℃水熱處理40 min時顯著溶出，為12 011.0 mg·L-1，DDSCOD為48%，在預處理40 min之后SCOD的增幅相對變緩。高溫條件能夠破壞蛋白質和多糖等成分與水的鍵合，使有機質得到釋放，提高了污泥的SCOD。與低溫過程中對污泥有機質水解[10]情況相比，高溫水熱預處理可使污泥有機質在較短的時間里快速溶出，SCOD濃度增長速率加快。

Follow-up steps equate to Eqs.(12)–(18),so the dynamics coupling relationship between the active and passive joints can be obtained as follows:

糖類和蛋白質是污泥EPS中的主要有機物，污泥有機質經水解成為小分子有機物，才能被微生物利用。圖1(c)和(d)可知，當溫度為120、140、160和180 ℃，多糖和蛋白質濃度隨時間增加而增加，在180 ℃，40 min時，蛋白質和多糖濃度分別提高了23和24倍。而200 ℃水熱預處理蛋白質和多糖濃度均低于180 ℃預處理后的濃度，并在50 min時濃度呈下降趨勢，實驗過程中污泥上清液色度由棕色變為黑褐色，這是由于過高溫度會使蛋白質和還原糖發生美拉德反應[14]。

圖1 不同水熱預處理條件下污泥有機質的變化

2.2 APG聯合水熱預處理對污泥有機質水解的影響

實驗中選取預處理過程中APG用量、溫度和反應時間3個反應參數構建三因素三水平的正交實驗，正交實驗表L9(34)，如表2所示；以氨氮、蛋白質、多糖和SCOD為指標，采用極差法對其進行分析，結果如表3所示。

表2 正交實驗表

表3 正交實驗極差分析表

根據表3極差和相伴概率可知，污泥所釋放有機物的最佳水熱溫度、APG用量以及水熱時間的參數為180 ℃、0.4 g·g-1TS和40 min。

對于氨氮和蛋白質，三個因素的顯著性影響順序為：溫度>APG用量>時間，對多糖和SCOD，三個因素對其顯著性影響順序為：APG用量>溫度>時間，時間對四個指標來說均為非顯著性因素，可能是因為其它因素的影響太大，掩蓋了時間造成的影響；溫度和APG用量兩個因素對四個指標的影響顯著性順序不一致，這可能是因為高溫可能破壞了污泥結構，提高溶液中粒子運動速度，同時APG分子糖基可能發生自降解，從而使多糖濃度增多，SCOD值增加[8]。

污泥在最佳預處理條件下，其上清液中SCOD、多糖、蛋白質和氨氮的濃度分別為2 0421.4、683.3、6 343.2和210.1 mg·L-1，DDSCOD為80%，多糖和蛋白質濃度分別為原始污泥的35和31倍。聯合預處理有機質的溶出效果優于單一的水熱預處理。并且研究發現，APG聯合水熱處理使污泥釋放的可溶性蛋白和多糖等有機質遠優于單一的APG預處理和APG協同嗜熱細菌預處理技術[8,15]，說明APG聯合水熱預處理更利于污泥有機質的溶解，促進污泥釋放生物可利用的物質。

圖2和3分別為原始污泥和APG聯合水熱預處理后污泥的掃描電鏡圖(SEM)和三維熒光光譜。

((a)原始污泥； (b)聯合預處理污泥。(a) The raw sludge； (b) Combined pretreatment sludge.)

((a)原始污泥；(b)聯合預處理污泥。(a) The raw sludge； (b) Combined pretreatment sludge.)圖3 不同預處理污泥的三維熒光光譜

由掃描電鏡圖2(a)可以看出，原始污泥部分呈塊狀，結構致密且表面光滑；由圖2(b)可知，經過APG聯合水熱預處理后，污泥胞外聚合物破壞，結構變得更加松散，聯合預處理使污泥出現了較多的物質交流孔洞，一是增加了生物菌群與污泥基質的接觸面積，二是有利于污泥發酵過程物質的運輸和交換。

根據先前研究[16]，通過對溶解有機物熒光光譜分析，獲得了五個組分的三維熒光圖譜，它們分別為：A區所代表的類酪氨酸蛋白質物質、B區所代表的類色氨酸蛋白質物質、C區所代表的富里酸類物質、D區所代表的可溶性微生物副產物類物質、E區所代表的類腐殖酸物質。圖3(a)可以看出，原始污泥主要以色氨酸、酪氨酸類蛋白質物質以及可溶性微生物副產物類物質(具有共軛雙鍵結構的核酸和氨基酸等)三種有機物為主；由圖3(b)可知，污泥經APG聯合水熱預處理，污泥中類蛋白質物質發生化學鍵斷裂，轉化成小分子化合物，使上清液中可溶性微生物副產物類物質增加，這也說明聯合預處理可以促進了污泥有機質的溶出速率，為厭氧發酵提供豐富底物。

2.3 APG聯合預處理對污泥發酵產酸的影響

圖4為原始污泥和APG聯合水熱預處理后污泥厭氧發酵中日產酸量，圖5為聯合預處理后污泥厭氧消化過程中揮發性脂肪酸組分變化，可以明顯看到經過聯合預處理后污泥的產酸量遠優于原始污泥發酵產酸量，一方面是因為APG聯合水熱預處理為發酵提供了豐富的底物，另一方面是因為APG降低了污泥表面-界面張力，攜帶的極性基團可發生電離產生帶有電荷的離子，與污泥中帶電荷物質(金屬粒子)相互作用，使得污泥的絮凝結構變得分散[17]，增大了微生物和有機質的接觸面，從而促進了污泥厭氧發酵體系中有機質的轉化。當污泥經過預處理后，短鏈脂肪酸產量先增加后稍有下降，其趨勢與Dearman[18]研究結果一致，這是由于預處理提供的豐富底物在水解菌和產酸菌作用下先生成VFAs，部分VFAs在產甲烷菌作用下轉化成甲烷，導致脂肪酸含量下降。其中APG自降解生成VFAs的最大含量遠低于APG預處理污泥發酵產酸量[19-20]，因此APG自身降解對酸的貢獻量可不計。本實驗中原始污泥在發酵第15天時產酸量達到最大，為420.03 mg COD·L-1，VFAs組分為乙酸；而APG聯合水熱預處理后污泥發酵日產酸量為2 058.35 mg COD·L-1，各酸所占百分比大小為：乙酸>丙酸>異戊酸>異丁酸>正丁酸>正戊酸，其中丙酸和乙酸產量占比大于60%，且APG的加入可以提高輔酶A轉移酶(CoAT)和草酰乙酸轉羧酶(OAATC)兩種酶的活性[6]，使得丙酸的占比逐漸增大，因此，APG聯合水熱預處理不僅能夠提高有機質水解率，而且利于有機酸的富集，為厭氧消化產甲烷階段提供豐富的底物。

圖4 原始污泥和聯合預處理發酵體系日產酸量

圖5 聯合預處理發酵體系揮發性脂肪酸組分分布

2.4 APG聯合預處理厭氧發酵體系微生物群落多樣性分析

在門水平上(見圖6(a))，聯合預處理厭氧發酵污泥中厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)具有絕對的優勢，能促進有機質的水解和酸化。由于APG聯合水熱預處理為生物發酵提供了豐富的可水解和可利用產酸的有機質，并且厚壁菌門對極端環境的耐受性較強[21]，能適應不斷酸化的環境，其所占的比例在該厭氧發酵體系中增加到38.82%，厚壁菌門類的大多數微生物與碳水化合物的水解和產酸活性相關，能夠將纖維素等復雜碳水化合物降解為乙酸和丁酸等小分子有機物。擬桿菌門能夠產生纖維素酶、蛋白酶等水解酶，將有機物降解產生CO2、纖維二糖、葡萄糖和乙酸，這也是兩種發酵體系產生乙酸的主要原因。相比原始污泥，聯合預處理發酵污泥中變形菌門(Proteobacteria)的占比下降，而脂肪酸濃度增加，變形菌門在厭氧消化過程中會消耗生成的短鏈脂肪酸[22]，變形菌門豐度的降低有利于脂肪酸的累積。

在綱水平上(見圖6(b))，經過聯合預處理后的污泥厭氧發酵體系中擬桿菌綱(Bacteroidia)、梭狀芽孢桿菌綱(Clostridia)和厭氧繩菌綱(Anaerolineae)為優勢菌綱。擬桿菌綱在APG聯合水熱預處理的發酵污泥中由原始污泥的14.14%增至18.83%，該菌綱能將有機質轉化成丁酸和乙酸[24]，有利于乙酸和丁酸產量增加。梭狀芽孢桿菌綱，一般以糖類為底物[25]，具有很強的水解能力，可以通過斯提柯蘭反應生成短鏈脂肪酸[26]，促進污泥中乙酸和丙酸生成，經過APG聯合水熱預處理后，該菌綱百分比由5.53%增加到30.06%，說明聯合預處理發酵環境利于該菌綱的富集，印證了污泥發酵液中丙酸濃度增加的結果。Zou等[27]發現，Synergistia菌綱能促進VFAs向乙酸轉變，Synergistia菌綱經過聯合預處理豐度增加，直觀表現為聯合預處理后污泥發酵產乙酸能力增強。

由屬水平上(見圖6(c))可以看出，不同的發酵底物會使厭氧消化過程微生物群落分布發生明顯變化。屠場桿狀菌屬(Macellibacteroides)是擬桿菌屬的一種，葡萄糖和多種碳水化合物在該微生物作用下產生乳酸鹽、乙酸、正丁酸和異丁酸[23]，經過聯合預處理后，其豐度由0.16%增加到7.17%，提高了該發酵體系中的正丁酸、異丁酸等脂肪酸的產量，豐富了污泥中揮發性脂肪酸的組分；Petrimonas和Sedimentibacter均為產氫產乙酸菌屬的優勢菌屬，能夠代謝多種碳水化合物生成乙酸、丁酸等有機酸，且具有生成H2和CO2的能力，兩種菌屬在聯合預處理污泥后相對豐度分別累計達到1.99%和1.38%，而在原始污泥發酵體系中未檢出；鯨桿菌屬(Cetobacterium)在污泥發酵過程中可以產生蛋白酶和脂肪酶，促進了污泥有機質向脂肪酸轉化過程；克里斯藤森菌屬R-7(Christensenellaceae_R-7)屬于厚壁菌屬，該菌屬在APG聯合水熱預處理發酵體系中相對豐度增加，提高了污泥有機質的水解效率。

圖6 微生物群落在門(a)、綱(b)、屬(c)水平的分布

3 結語

水熱預處理技術能夠有效破壞污泥的絮體結構，可使污泥EPS中有機質的快速溶出，在180 ℃水熱條件下，DDSCOD約為48%，污泥上清液中多糖和蛋白質濃度顯著提高。通過正交實驗得到APG聯合水熱預處理污泥最佳條件為溫度180 ℃、APG用量為0.4 g·g-1TS，時間40 min，在該條件下，污泥液相中蛋白質和多糖濃度分別為原始污泥的31和35倍，DDSCOD達到80%，為厭氧發酵提供豐富的底物，并且污泥的結構變得松散，出現孔隙，利于污泥中有機質的交換和運輸，提高了微生物對有機質降解效率。在APG聯合水熱預處理的污泥厭氧發酵體系中，VFAs最大日產酸量約為原始污泥產酸量的4.9倍，揮發性脂肪酸主要以乙酸和丙酸為主；該聯合預處理厭氧發酵環境使污泥中水解菌群和產酸菌群的相對豐度增加，促進了有機物的水解，有利于有機質向VFAs的轉化，提高了脂肪酸中戊酸、異戊酸和異丁酸等酸的含量，為產甲烷階段提供基質，實現污泥的資源化利用。