草本植物添加对脂肽强化污泥厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸的影响*

江兴龙

(芜湖机械工程学校,安徽 芜湖 241200)

草本植物添加对脂肽强化污泥厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸的影响*

江兴龙

(芜湖机械工程学校,安徽 芜湖 241200)

脂肽可以强化污泥厌氧发酵生产短链挥发性脂肪酸(SCFA)，但污泥本身固有C/N过低限制了SCFA的产生量。向污泥厌氧发酵体系中添加草本植物以提高发酵基质的C/N，结果表明草本植物的添加有助于强化污泥厌氧发酵的水解和酸化过程，发酵基质最佳C/N为20∶1(质量比)，此时厌氧发酵体系溶解性化学需氧量(SCOD)最大值为6 564mg/L，SCFA的最大积累量为423mg/g(以单位干质量挥发性悬浮颗粒物中的COD质量计，下同)，显著高于污泥单独厌氧发酵体系(SCOD最大值为1 352mg/L，SCFA的最大积累量为248mg/g)。机制分析表明，适宜的C/N可以为厌氧微生物提供良好的生长环境进而促进蛋白质和多糖的溶出，强化酸化过程中关键酶的活性，但对甲烷累积产量却没有明显影响，因此有助于SCFA的积累。

厌氧 微生物 草本植物 短链挥发性脂肪酸

Abstract: Lipopeptide can enhance the production of short chain volatile fatty acids (SCFA) from anaerobic fermentation of sludge,but the inherent C/N ratio of sludge limits the amount of produced SCFA. Herbal plant was added into sludge fermentation system to improve the C/N ratio of fermentation substrate. The results showed the addition of herbal plant could help to enhance the hydrolysis and acidification processes of sludge anaerobic fermentation,and the optimum C/N ratio of fermentation substrate was 20∶1 (mass ratio). At this time,the maximum soluble chemical oxygen demand (SCOD) of the anaerobic fermentation system was 6 564 mg/L,and the maximum accumulation of SCFA was 423 mg/g (COD in mass per unit dry mass volatile suspended solids),which were significantly higher than those (SCOD maximum of 1 352 mg/L,SCFA maximum accumulation of 248 mg/g) from sludge anaerobic fermentation system alone. The mechanism analysis showed that the suitable C/N ratio could provide a good growth environment for anaerobic microorganisms and promote the dissolution of proteins and polysaccharides,strengthen the activity of key enzymes in the acidification process,but had no significant impact on the cumulative yield of methane,thus contributing to the accumulation of SCFA.

Keywords: anaerobic; microorganism; herbal plants; short chain volatile fatty acid

污水生物除磷技术是控制水体富营养化的有效措施，该工艺主要依赖污泥中富集的聚磷菌在厌氧期释放磷酸盐并吸收水体中短链挥发性脂肪酸(SCFA)，在随后的好氧期超量吸收磷酸盐并通过排泥的方式实现污水生物除磷[1-2]。水体中碳源含量是影响生物除磷的关键因素，据报道去除1 mg磷酸盐需要6～9 mg SCFA，然而污水处理厂进水中SCFA严重不足，影响生物除磷效率[3]。

污水处理过程中会产生大量污泥，污泥中含有丰富的有机物，如蛋白质和多糖等[4-5]，将污泥厌氧发酵生产SCFA不仅可实现污泥的减量化、资源化，还可解决污水处理厂进水SCFA不足的问题[6]。污泥厌氧发酵一般由3个连续的生物化学反应(水解、酸化和甲烷化)组成。微生物表面富集的胞外聚合物(EPS)和细胞壁严重限制了胞内有机物的释放和利用，进而水解阶段是污泥厌氧发酵的限速步骤[7-8]。因此，很多预处理手段如超声、微波、臭氧氧化、添加表面活性剂等被用于强化污泥EPS的破碎和细胞的溶解，其中生物表面活性剂由于强化效率高，对环境无污染等特性而备受研究学者的关注。脂肽是生物表面活性剂中的一种，脂肽能够促进污泥絮体的溶解并且能够有效抑制产甲烷古菌的活性，进而促进SCFA的积累[9-11]。

表1 污泥的基本性质

污泥中的主要成分为蛋白质和碳水化合物，其C/N(质量比，下同)约为7∶1，而适合厌氧发酵微生物的C/N一般在20∶1～30∶1[12]。鉴于污泥固有C/N过低，污泥单独厌氧发酵的残余中还存在大量蛋白质，因此向污泥发酵体系中添加含碳量较高的有机质是促进污泥厌氧发酵的一种可行方法。餐厨垃圾常被用于强化污泥厌氧发酵，然而餐厨垃圾中含有的高盐度和高油脂会严重抑制厌氧微生物的生长速率和关键酶的活性。草本植物是一种富含碳的物质，在季节性收割后被认为是一种生物固体废物[13]，应用草本植物调质污泥以强化污泥厌氧发酵生产SCFA的研究目前未见报道。因此，本研究在序批式反应器中探究了草本植物对污泥厌氧发酵生产SCFA的影响，并探究了其影响机制。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本研究中所采用的污泥为当地某污水处理厂初沉池和二沉池的混合污泥，该污水处理厂所采用的工艺为氧化沟工艺。污泥取回后在实验室首先过筛(0.6 mm×0.6 mm)，去掉大颗粒无机物后的污泥放置在4 ℃的冰箱内贮存24 h，去掉上清液，污泥的基本性质如表1所示。

脂肽购上海某生物制药有限公司，呈粉末状，易溶于水。

本研究中草本植物为牛尾巴草，秋季收割牛尾巴草后将其晒干用粉碎机粉碎至直径小于1 mm的粉末状。单位干质量草本植物中的基本组成如下：纤维素41.0%±3.2%(质量分数，下同)，半纤维素19.0%±1.8%，木质素17.0%±2.1%。

1.2 草本植物对污泥厌氧发酵产SCFA的影响

在5个有效体积为1.0 L的厌氧反应器(记为1#～5#)中进行污泥厌氧发酵产SCFA实验。先向1#反应器中投加0.8 L污泥，向2#～4#反应器中投加不同比例的污泥和草本植物混合浆液0.8 L，控制混合浆中C/N分别为10∶1、20∶1、30∶1，向5#反应器中投加草本植物与蒸馏水(质量比为2∶1)的混合浆液0.8 L。然后向1#～4#反应器中投加0.2 g/L脂肽以强化污泥的水解过程。通过人工添加2.0 mol/L NaOH或2.0 mol/L HCl的方式控制各反应器初始pH为7.0，反应过程不再控制pH。反应过程中搅拌器的转速为150 r/min，待发酵基质投加完毕后，充氮气15 min排出反应器内的空气，保证严格厌氧环境，反应温度控制在中温环境下(32 ℃)。

1.3 分析方法

TSS、VSS、溶解性COD(SCOD)的测定参照文献[14]；纤维素和半纤维素的检测方法详见文献[15]；蛋白质采用Lowry试剂法测定[16]；碳水化合物采用苯酚硫酸法测定[17]，分别以牛血清白蛋白(BSA)、葡萄糖为标准物质；pH采用Multi340i型便携式多功能水质分析仪测定(德国WTW)；相关酶活性的测定详见文献[18]。SCFA采用7890气相色谱(GC)仪测定(美国Agilent)，操作条件：高纯H2作为载气；进样口气化温度为250 ℃，采用分流模式进样，分流比为1∶1；初始炉温70 ℃，维持0 min，然后以25 ℃/min的速度升温至170 ℃，停留2 min；FID检测器温度300 ℃，载气流量为45 mL/min，空气流量为450 mL/min。实验数据均为3次平行测定的平均值。

2 结果与讨论

2.1 草本植物对水解过程的影响

污泥厌氧发酵首先要经过有机物的水解过程，水解反应是污泥厌氧消化过程的限速步骤，污泥外包裹的EPS和细胞壁限制了胞内有机质的释放。有机物的水解反应一般可以包括2个方面：(1)固态有机物逐步转为液态，提高了SCOD的含量，进而为后续污泥厌氧发酵产酸提高发酵基质；(2)液态中大分子有机物逐渐转化为小分子有机物，如大分子的蛋白质转化为多肽、二肽以及氨基酸，碳水化合物转化为多糖或单糖等。为考查草本植物对水解过程的影响，对各反应器厌氧发酵过程中SCOD含量进行测定，结果见图1。

由图1可见，5个反应器中SCOD的含量随发酵时间的延长呈现出先上升后下降的趋势，1#反应器为污泥单独发酵，SCOD的最大值出现在第5天，为1 352 mg/L。当草本植物添加到污泥中后，污泥厌氧发酵过程中SCOD含量显著提高。2#反应器、3#反应器SCOD的最大值分别提高到4 956、6 564 mg/L。然而继续提高草本植物添加量，SCOD含量开始下降。4#反应器中SCOD的最大值下降至5 510 mg/L，5#反应器中SCOD的最大值不足2 000 mg/L。可见，适当提高发酵基质中C/N有助于强化水解过程，C/N升高能够为厌氧微生物提供适宜的生存环境进而提高了微生物的生长速率和活性，但过高的C/N易造成系统崩溃，导致厌氧发酵过程中SCOD的含量降低。

图1 厌氧发酵过程中SCOD的变化Fig.1 Variation of SCOD during anaerobic fermentation process

2.2 草本植物对溶解蛋白质和溶解性多糖的影响

溶解性蛋白质和溶解性多糖是污泥中重要的有机质，其含量变化同样能够反映污泥的水解过程。表2为各反应器厌氧发酵过程中溶解性蛋白质和溶解性多糖的变化。由表2可见，各反应器中溶解性蛋白质和溶解性多糖均呈现先上升后下降的趋势，这是因为厌氧发酵初期，污泥和草本植物中的蛋白

质和多糖逐渐被溶解，使体系内溶解性蛋白质和溶解性多糖含量增加，而在后期的发酵过程中，体系内的溶解性蛋白质和溶解性多糖被利用生成了SCFA，含量逐渐下降。1#反应器污泥单独发酵时，溶解性蛋白质和溶解性多糖在第5天的质量浓度最高，分别为(692±19)、(269±9) mg/L，而当草本植物添加到厌氧发酵体系后，溶解性蛋白质和溶解性多糖的含量显著上升。2#反应器、3#反应器、4#反应器中溶解性蛋白质的最大值分别为(2 361±235)、(2 514±264)、(2 397±214) mg/L，分别是1#反应器的3.4、3.6、3.5倍。5#反应器溶解性蛋白质的最大值仅为(591±13) mg/L，说明没有微生物作用下，草本植物单独厌氧发酵的水解程度较弱。溶解性多糖在厌氧发酵过程中也呈现出相同的变化趋势。上述实验结果表明，草本植物的添加强化了蛋白质和多糖的溶解过程，溶解性有机物含量的升高为后续产酸菌提供了更多的发酵基质。适宜的C/N有助于提高水解细菌活性，释放水解酶进而促进颗粒状蛋白质和多糖向溶解状态转化。

2.3 草本植物对SCFA积累量的影响

各反应器厌氧发酵过程中SCFA的积累情况如图2所示。由图2可见，C/N对SCFA的积累具有较大影响，1#反应器污泥单独发酵时，SCFA积累量呈现先上升后下降的趋势，并且在第8天达到最大值248 mg/g(以单位干质量VSS中的COD质量计)。5#反应器草本植物单独发酵时，SCFA的积累量较小，最大积累量出现在第6天，为150 mg/g。2#反应器、3#反应器、4#反应器的SCFA最大积累量分别为341、423、382 mg/g，显著高于污泥和草本植物单独发酵时SCFA的积累量。上述实验结果表明，添加草本植物能够提高污泥厌氧发酵生产SCFA，且发酵底物最佳C/N为20∶1。URBANIEC等[19]研究表明，C/N在20∶1至30∶1内有助于产酸菌生长并能够提高酸化细菌的活性。本研究表明在脂肽的作用下，C/N为20∶1时酸化效果更好，产生这种现象的原因可能是由于过高碳含量限制了酸化细菌对发酵底物的利用。

表2 厌氧发酵过程中溶解性蛋白质和溶解性多糖的变化

图2 厌氧发酵过程中的SCFA积累量Fig.2 SCFA accumulation during anaerobic fermentation process

发酵时间是实际工程运行中的一个重要参数，污泥单独发酵达到最大SCFA积累量时的发酵时间为8 d，而投加草本植物后，最佳发酵时间均缩减到6 d，可见草本植物有助于提高混合发酵厌氧产酸的效率，而在实际工程中有助于缩小反应容器体积，减少设备投资。

2.4 草本植物对SCFA组分的影响

本研究中SCFA主要包含乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸6种小分子有机酸。SCFA的组分对SCFA的后续利用有直接关系。研究表明，乙酸有助于生物脱氮，而丙酸有助于生物除磷。图3为各反应器厌氧发酵过程中SCFA组分的变化。由图3可见，各反应器中均为乙酸和丙酸含量最大。1#反应器污泥单独发酵时，乙酸占SCFA的质量分数达45%，这与ZHAO等[20]研究结果相似。当草本植物投加至反应体系后，乙酸质量分数略有下降而丙酸质量分数逐渐提高。2#反应器、3#反应器、4#反应器中，丙酸质量分数分别为34%、36%、39%。5#反应器草本植物单独发酵时，丙酸质量分数最大。可见，草本植物添加量对污泥厌氧发酵产生的SCFA组分具有一定影响。

图3 厌氧发酵后的SCFA组分Fig.3 Composition of SCFA after anaerobic fermentation process

2.5 草本植物对产甲烷过程的影响

在污泥厌氧发酵过程中，酸化积累的SCFA会被产甲烷古菌进一步利用消耗产生甲烷，草本植物添加到污泥中将提高发酵基质中含碳量，故对甲烷产量也有一定影响。草本植物投加量对污泥厌氧发酵甲烷积累量的影响见图4。

图4 草本植物投加量对污泥厌氧发酵甲烷积累量的影响Fig.4 Effect of herb dosage on methane accumulation during anaerobic fermentation of sludge

由图4可见，1#反应器污泥单独发酵时，发酵结束后甲烷的积累量为236 mL，2#反应器、3#反应器、4#反应器中增加了不同比例的草本植物，发酵基质的C/N分别提高到10∶1、20∶1、30∶1，而发酵结束后甲烷积累量分别为245、265、278 mL，与1#反应器相比甲烷积累量稍有提高但提高不显著。分析原因，可能与1#～4#反应器中投加0.2 g/L脂肽有关，脂肽对产甲烷古菌的活性具有一定的抑制作用，可以避免SCFA的消耗。

2.6 关键酶活性检测

污泥厌氧发酵是生物化学作用，整个发酵过程由几种关键酶调控。其中，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶与蛋白质和多糖的水解及乙酸的生成密切相关，乙酸激酶及磷酸转乙酰酶与乙酸的生成有关。以1#反应器污泥单独发酵时各种酶的活性为基准，其他厌氧发酵体系中各种关键酶活性与其对应的比例为相对活性，各反应器厌氧发酵过程中关键酶的相对活性计算结果见图5。

图5 各反应器稳定运行时期关键酶活性的比较Fig.5 Comparison of the key enzyme activities during the stable operation of each reactor

由图5可见，草本植物的添加有助于污泥厌氧发酵体系中关键酶活性的提高，2#反应器、3#反应器、4#反应器中各种关键酶的相对活性均大于100%，其中3#反应器几种关键酶的相对活性均为最高，与图2中SCFA积累量结果相一致，说明污泥厌氧发酵体系基质C/N宜为20∶1。

3 结 论

草本植物的添加有助于提高污泥厌氧发酵机制的C/N，从而在脂肽强化污泥厌氧发酵过程中促进水解和酸化过程，发酵基质最佳C/N为20∶1，此时厌氧发酵体系SCOD最大值为6 564 mg/L，SCFA的最大积累量为423 mg/g，显著高于污泥单独厌氧发酵体系(SCOD最大值为1 352 mg/L，SCFA的最大积累量为248 mg/g)。机制分析表明，适宜的C/N可以为厌氧微生物提供良好的生长环境进而促进蛋白质和多糖的溶出，强化酸化过程中关键酶的活性，但对甲烷累积产量却没有明显影响，因此有助于SCFA的积累。

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Effectsofherbalplantsadditionontheproductionofshortchainvolatilefattyacidsfromsludgeanaerobicfermentationenhancedbylipopeptide

JIANGXinglong.

(WuhuMachineEngineeringSchool,WuhuAnhui241200)

*全国农业职业教育“十三五”科研课题(No.2016-135-Y-181)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.018

2016-12-26)

作者：江兴龙，男，1964年生，本科，副教授，主要从事新农村建设、农村环境污染防治工作。