李 骥 延
(重庆育才中学，重庆 400050)
污泥联合不同有机质对厌氧发酵产酸的影响
李 骥 延
(重庆育才中学，重庆400050)
研究了城市有机垃圾的三种主要成分(碳水化合物，蛋白质，脂质)与市政污泥联合厌氧发酵产酸的过程，试验结果表明，蛋白类有机质能大幅提高厌氧发酵效率，其后期产酸量达到14.52 g/L，挥发酸产率43.47%，分别比污泥单独厌氧发酵提高218%和59%；污泥联合脂质厌氧发酵产酸量最低，仅为单独厌氧发酵产酸量的39%。
联合厌氧发酵，挥发性脂肪酸，污泥，碳源
0 引言
在现有的污泥处理技术中，厌氧发酵是最环保、资源利用率最高的处理方法[1]。然而污泥单独厌氧发酵存在效率低下，且沼液中COD过高较难处理的问题。厌氧发酵中间产物——挥发性脂肪酸(VFA)，其经济性能高于甲烷，且最适合作为污水厂脱氮除磷工艺的碳源[2]，因此一些国内外研究人员考虑将厌氧发酵沼液回流作为污水反硝化除磷工艺碳源，并已取得一定进展[3，4]。
目前国内外研究厌氧发酵产酸的目的主要是作为脱氮除磷外加碳源，并认为其中丙酸成分对反硝化效果最佳[5]。其中碱性厌氧发酵产酸效果最好，因为碱性发酵环境能抑制产甲烷并促进挥发酸的生成[6，7]。除了对污泥单独厌氧发酵产酸进行研究外，常见的还有对餐厨垃圾、秸秆等城市有机垃圾厌氧发酵产酸进行研究[8，9]。
然而上述研究领域中还存在一些问题，如污泥单独厌氧发酵产酸效率较低，餐厨垃圾等单独厌氧发酵有机负荷太高会导致发酵反应终止[10]等，而在研究各类市政有机垃圾联合污泥厌氧发酵产酸时，因各地有机垃圾成分不同，导致不同地区研究结果有偏差，使研究成果不具有普适性。因此本文从本质出发，研究市政垃圾中主要的三种有机成分：蛋白质、碳水化合物和脂肪联合污泥厌氧发酵对产酸的影响。试验采用添加单一的蛋白类、碳水化合物类和脂类有机质分别与市政污泥进行联合厌氧发酵的方法对比研究产酸过程及产酸效果，将添加不同有机质对产酸量的影响作为主要指标，并通过研究基质降解率、厌氧发酵环境变化等因素分析影响产酸量变化的机理，分析联合厌氧发酵产酸作脱氮除磷碳源的可行性。
1 材料与方法
1.1材料
试验用污泥采集自重庆市白含污水处理厂(日处理量1.1万t)的污泥浓缩池中，其初始特征参数如表1所示。联合厌氧发酵的有机添加剂分别选取一水葡萄糖(C6H12O6·H2O，分析纯)、蛋白胨和三硬脂酸甘油酯(一种天然油脂，主要从动物脂肪提取得到，分析纯)，三者分别代表碳水化合物类、蛋白类以及脂肪类有机成分。
表1 污泥初始特征参数
1.2测试方法及仪器
本试验采用的主要测试方法及测量仪器如表2所示。
表2 测试方法或测量仪器[11]
1.3试验方案
试验分如下4组：
1)原污泥试验组：采用间歇反应形式，取12个相同规格的250 mL锥形瓶，各倒入150 mL同样的剩余活性污泥。在污泥液面下通氮气3 min后盖上瓶塞，充分摇匀后密封储存于室内环境(20 ℃)培养20 d。分别在密封后第1，2，3，4，5，6，8，10，12，14，17，20天时取出其中一个锥形瓶，提取混合培养液于离心机中以10 000 rpm离心30 min，随后将上清液通过0.45 μm纤维滤纸过滤并测定滤出液中SCOD、磷酸盐、氨氮、挥发酸、pH、溶解性蛋白/溶解性多糖/脂肪等参数值。
2)污泥-蛋白质、污泥-葡萄糖和污泥-脂质联合厌氧发酵试验组分别加入100 mL污泥以及和污泥相同VS含量的蛋白胨(33.4 g/L蛋白胨溶液50 mL)、葡萄糖(33.4 g/L葡萄糖溶液50 mL)、硬脂酸甘油三酯(1.67 g+50 mL蒸馏水)进行厌氧发酵。其余的步骤同上。
2 试验结果与分析
2.1联合厌氧发酵对产酸量及产酸转化率的影响
反应液中挥发酸浓度随时间变化趋势如图1所示。可以看出厌氧发酵初期，原污泥组、加脂质组产酸量较低，而加糖组及加蛋白组产酸量很高，说明蛋白质和多糖较易被产酸菌利用，且反应初期甲烷菌产甲烷速度较低，消耗挥发酸速率远低于挥发酸生成速率，因此初期挥发酸含量很高。而加脂质组产酸最低，甚至低于原污泥组，这是因为长链硬脂酸甘油酯水解产生的长链脂肪酸对产酸反应有抑制作用。第12天～第20天蛋白组的产酸量直线上升，是由于反应器中的高氨氮浓度抑制了产甲烷反应，并与挥发酸结合提高了产酸系统缓冲性，因此导致了反应器中挥发酸的积累。其余三组挥发酸含量随培养时间推移而逐渐趋于稳定，说明产酸和产甲烷两者达到平衡状态。由于需利用的沼液为产甲烷后的废弃沼液，需取自厌氧发酵后期，因此从第20天的产酸情况看，蛋白质组产酸量最高，达到14.52 g/L，相比污泥单独厌氧发酵最终产酸量4.56 g/L提高了218%。而加糖和脂质组后期产酸量分别为3.96 g/L和1.8 g/L，均比污泥单独厌氧发酵(4.56 g/L)还低。前者是因为添加碳水化合物类有机质提高了反应基质的C/N比，提高了产甲烷量，从而增加了挥发酸的消耗，因此挥发酸含量随时间推移逐渐减少；后者是因为脂质水解产生的长链脂肪酸抑制了挥发酸的生成，因此反应过程中挥发酸产量一直较低。
相对于挥发酸产量，挥发酸产率(指投加单位VS所产生的挥发酸量)和转化率(指每消耗单位VS所产生的挥发酸量)能更好地反映联合厌氧发酵产酸效率和底物利用率[12]。
表3 挥发酸产率及转化率
从表3看出，在不抑制产甲烷的情况下，加蛋白组挥发酸产率最高，脂质组最低；原污泥和加蛋白组挥发酸转化率较高。加蛋白组产率和转化率高的原因是同样底物浓度的情况下挥发酸产量高，而原污泥转化率高的原因是可利用的VS含量低所至。加脂质组由于受长链脂肪酸水解的抑制，各指标均较低。原污泥组挥发酸转化率高的原因同样是去除VS含量少，即基质利用率不高造成的。因此综合来看，蛋白质作为联合厌氧发酵基质的挥发酸产率和转化率最高。
2.2联合厌氧发酵基质降解速率对产酸的影响
基质降解速率反映了产酸细菌的底物利用率，对产酸量有直接影响。一般认为蛋白质、碳水化合物和脂质降解速率有明显不同。图2为各试验组中蛋白质、碳水化合物和脂质随培养时间推移的浓度变化趋势。
厌氧发酵涉及的厌氧细菌和反应过程种类繁多，但其总体遵循一级反应动力学模型。根据添加蛋白/碳水化合物/脂质组的蛋白/碳水化合物/脂质浓度变化可求得三者的降解速率。由于添加的蛋白、多糖转化为溶解性蛋白、多糖的速率较快，一般为反应初期1 d～2 d，因此以可溶性碳水化合物/蛋白的浓度变化表示总碳水化合物/蛋白的浓度。
采用SPSS软件对一级反应动力学模型进行非线性回归，求得蛋白、碳水化合物、脂质的基质降解速率分别为：0.559 d-1，0.684 d-1，0.328 d-1。因此基质降解速率从快到慢依次为：碳水化合物>蛋白>脂质。根据物料守恒原理，基质降解速率很大程度上也表示挥发酸生成速率，然而加糖组产酸量后期甚至比原污泥组还低，说明高C/N碳源更能促进产甲烷效率，加速挥发酸的消耗。
2.3联合厌氧发酵对pH的影响
pH是影响厌氧发酵效率的重要因素，如pH过低或过高会影响厌氧细菌的活性。试验测得pH变化如图3所示。
从图3看出，原污泥组pH一直保持中性，变化幅度不大，而其他三组反应器由于初期有机负荷较高均呈现不同程度的酸化。加糖组酸化最严重，最低时pH达到了3.8，主要由于加糖组底物C/N高导致厌氧发酵反应液缓冲性能不足造成的初期酸化现象[13]；第8天后，由于高C/N促进产甲烷，即加快了挥发酸的消耗，因此加糖组pH显著上升。加蛋白组虽然挥发酸含量高，且变化幅度巨大，呈现先减后增的趋势，但pH变化不明显且较高，主要原因是加蛋白组在厌氧发酵过程中产生了大量氨氮，与挥发酸结合从而提高了反应液的缓冲性。加脂质组在反应初期也出现了酸化现象，但生成的挥发酸含量却不高，因此pH低主要是由于脂肪水解产生的长链脂肪酸呈酸性造成的。
厌氧发酵过程中，氨氮和磷酸盐浓度是评价厌氧环境的重要指标。试验测得氨氮、磷酸盐变化趋势如图4所示。
从图4看出，由于蛋白质分解最终产生大量氨氮，因此加蛋白组氨氮比其他反应组高出很多。加蛋白组氨氮在10 d～12 d达到最大值，随后有所下降，说明反应器中蛋白质基本分解完毕，同时细菌新陈代谢消耗部分氨氮所致。
污泥絮体中的磷主要分布于胞外聚合物(EPS)中，少量分布在细菌的细胞膜和遗传物质内。从图4中看出，加糖组磷酸盐含量较高，加脂质组和加蛋白组磷酸盐含量相似，原污泥组最低，说明碳水化合物类碳源有利聚磷菌进行厌氧释磷。从第3天开始，各组中磷酸盐浓度趋于稳定，说明污泥细胞水解阶段基本结束，新的厌氧细菌经过对数生长期后，核酸的合成已停止，对磷的需求量降低。
2.5联合厌氧发酵沼液作脱氮除磷碳源的可行性分析
联合厌氧发酵后期，沼液中COD成分主要为挥发酸和少量有机底物，两者均可作为反硝化菌和聚磷菌生长碳源。根据化学计量，去除1g N需要4 g COD，去除1 g P需要8 g～15 g COD。XiaoLing Li等人采用COD(t-N-P)指标表示污泥产生的SCOD去除污泥中溶解性N，P元素所需消耗的COD后余下的SCOD含量[7]。一般来说，若联合厌氧发酵的市政垃圾中氮磷含量均较高，适合吹脱法+鸟粪石结晶法对沼液脱氮除磷[14]；氮含量较多适合吹脱法预处理；若两者含量不高或COD(t-N-P)很高则可直接将沼液回流做脱氮除磷碳源。各反应组SCOD变化及SCOD(t-N-P)值如图5所示。
从图5看出，加蛋白组SCOD含量最高，其次为加糖组、加脂质组和原污泥组；添加同样质量脂质但测得SCOD含量少是由于重铬酸钾法测COD不能完全氧化脂肪烃造成的。各试验组COD(t-N-P)值从大到小的排列为：加碳水化合物/蛋白组>加脂质组>原污泥组，其中原污泥组COD(t-N-P)<0，说明污泥单独厌氧发酵沼液不足以为污水处理工艺提供碳源；而脂质组由于反应后期仍有些许脂质未被降解消化，因此COD值较高，若回流利用会对污水处理系统的生物造成毒性。因此认为碳水化合物或蛋白与污泥联合厌氧发酵产酸较适合作为污水脱氮除磷碳源，加脂质和污泥单独厌氧发酵产酸不适合作为污水脱氮除磷碳源。
3 结语
1)本试验研究了厌氧发酵产酸基质降解速率的大小，得到降解速率从大到小依次为：碳水化合物>蛋白质>脂质。
2)厌氧发酵后期加蛋白组挥发酸产量及产率最高，分别达到14.52 g/L,43.47%，在投加同样VS条件下分别比污泥单独厌氧发酵提高了218%和59%；而加脂质组产酸量最低，仅为单独厌氧发酵产酸量的39%。
3)综上所述，加蛋白组产酸效果最好，主要由于低C/N反应基质下产生的高氨氮厌氧环境对产酸的缓冲性高，且对产甲烷有一定抑制作用造成的。
4)碳水化合物或蛋白类有机质与污泥联合厌氧发酵产生的沼液较适合作污水脱氮除磷碳源，而添加脂质或污泥单独厌氧发酵产生的沼液不适合作脱氮除磷碳源。
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Enhancing Volatile Fatty Acid by anaerobic digestion using municipal sludge combined with multiple organics
Li Jiyan
(ChongqingYucaiMiddleSchool,Chongqing400050,China)
This paper studied the process of three main organic components(carbohydrates, proteins, lipids) anaerobic digestion with municipal sludge to inhancing Volatile Fatty Acid(VFA) product. According to the text, VFA achieves maximum production when anaerobic digestion combined with protein, the maximum yield reaches 14.52 g/L and 43.47% productivity, increasing 218% and 59% respectively compared to sludge solo anaerobic digestion. Sludge combined with lipid produce only 39% yield of VFA compared to sludge solo anaerobic digestion.
combined anaerobic digestion, Volatile Fatty Acid, municipal sludge, carbon source
1009-6825(2016)08-0215-03
2016-01-09
李骥延(1998- )，女，高中生
X705
A
