CaO₂对城市污水处理中剩余污泥厌氧发酵产酸性能与生物酶活性的影响

钮劲涛 金宝丹 周萍 牛佳慧 张局 张钟方 陶泓帆 马志刚 代菁雯 李诺楠

摘要：将CaO2添加至城市污水处理剩余污泥厌氧发酵系统中，研究CaO2添加量对剩余污泥水解酸化和厌氧发酵性能的影响，结果表明：CaO2的添加能够促进污泥溶液化和分解，提高污泥水解性能，发酵系统中的蛋白质和多糖质量浓度随着CaO2添加量的增加而增大;适当添加CaO2能够促进污泥厌氧发酵产酸，且产酸过程具有延迟性，也能促进蛋白酶、α-葡萄糖苷酶和脱氢酶的活性，但会严重抑制碱性磷酸酶和酸性磷酸酶的活性;随着CaO2添加量的增加，NH4+-N释放量先增大后降低，而PO43--P释放量则呈降低趋势.从机理角度分析，CaO2溶于水后生成OH-，O2-，H2O2等强氧化物质，能够有效破坏微生物细胞壁，强化污泥水解，OH-形成的碱性环境可抑制产甲烷菌的活性，降低SCFAs的消耗，OH-，Ca2+与发酵系统中的NH4+-N和PO43--P形成鸟粪石沉淀，有利于氮和磷物质的有效回收.

Abstract：The different dose CaO2 was added into the waste activated sludge anaerobic fermentation system which studied the effect of CaO2 on the WAS anaerobic fermentation performance.The results showed that CaO2 could enhance the WAS solubilization and sludge decomposition，and increase the WAS hydrolysis performance，the mass concentration of protein and polysaccharide increased with the CaO2 addition.At the same time，appropriate concentration of CaO2 could promote sludge anaerobic fermentation to produce acid and it was delayed，and also could

promote the activity of protease，α|glucosidase and dehydrogenase，but suppressed alkaline phosphatase and acid phosphatase.The release amountof NH4+|N increased first then declinedwith the increase of CaO2 addition，but the release amount of PO43-|P declined with the increase of CaO2 addition.From the analysis of mechanism perspective，CaO2 dissolved in water to form strong oxidizing substances such as OH-， O2-， H2O2， which could effectively destroy the microbial cell wall and strengthen the hydrolysis of sludge. The alkaline environment formed by OH- inhibited the activity of methanogens and reduced the consumption of SCFAs， a struvite precipitate was formed by the action of OH- and Ca2+with NH4+|N and PO43-|P in the fermentation system， which was beneficial to the effective recovery of nitrogen and phosphorus substances.

關键词：剩余污泥;厌氧发酵;CaO2;水解酸化;短链脂肪酸;生物酶活性

Key words：waste activated sludge;anaerobic fermentation;Calcium peroxide;hydrolytic acidification;short volatile fatty acids;biological enzyme activity

中图分类号：X703文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.04.010

文章编号：2096-1553（2019）04-0064-10

0 引言

目前，活性污泥法是应用最广泛的污水处理方法，具有处理效果好、成本低等特点.然而运用活性污泥法处理城市污水会产生大量副产物——剩余污泥，其处理问题成为当前污水处理工作面临的新挑战.据统计，至2017年，我国城市污泥年产生量约为7000万吨，而且污水处理厂约60%的运行费用于污泥处理[1].污泥中含有丰富的有机资源（如蛋白质、糖类、脂类等）和无机资源（如氮、磷等），可回收利用，但其中还含有大量的病菌、病毒等微生物，如果不能妥善处理，将造成环境污染，严重影响环境安全.

污泥厌氧发酵是目前高效且低成本的一种污泥处理技术，其处理过程分为水解、酸化和产甲烷3个阶段：污泥水解将微生物体内蛋白质和多糖释放至发酵系统，水解酶能够将蛋白质和多糖分解成氨基酸、单糖等小分子物质;酸化菌则利用水解产物生成可挥发性短链脂肪酸（SCFAs）;产甲烷菌再利用SCFAs生成甲烷.污泥水解是污泥厌氧发酵的关键步骤，而产生于酸化阶段的SCFAs是污水生物处理过程的优质碳源[2]，SCFAs中的乙酸、丙酸、异丁酸等也是重要的工业生产原料，因此污泥厌氧发酵产酸研究受到了广泛关注.研究发现，在NaOH，KOH，Ca（OH）2等碱性条件下，产甲烷菌活性受到抑制，水解酸化菌将污泥中大部分有机物转化为SCFAs，蛋白质，多糖等，其中Ca（OH）2型发酵系统中乙酸含量最高[3].刘常青等[4]发现，用Ca（OH）2，CaCl2等联合热水解法预处理污泥有助于有机物的溶出.由此可见，钙制品化学药剂对于污泥厌氧发酵有较好的促进作用，但是经Ca（OH）2处理的发酵污泥中仍含有大量的有机物未提取、未利用.

CaO2是一种安全、多功能的氧化剂，有“固体”双氧水之称，溶于水后能够生成·OH，H2O2，Ca（OH）2等[5]，已广泛用于水产养殖业、农业、制药业和水处理行业.近期研究发现，CaO2能够提高污泥脱水性[6]，与游离氨联合可提高污泥厌氧发酵产酸性能[7]，但是对于其作用机理研究不够深入.鉴于此，本文拟以CaO2作为剩余污泥处理药剂，研究不同添加量的CaO2对剩余污泥水解酸化性能的影响，考察其对污泥厌氧发酵系统中生物酶活性的影响，探索CaO2在污泥厌氧发酵过程中的作用机理，以期为污水处理厂剩余污泥资源化研究提供参考.

1 材料与方法

1.1 污泥来源与实验装置

本实验使用的污泥取自郑州市某城市污水处理厂的曝气池，将其用自来水清洗3次后进行浓缩，得实验用污泥，即后文称剩余污泥，其性质如表1所示.

实验反应器材质为有机玻璃，总体积为2.5 L，有效容积为2.0 L，采用磁力搅拌器进行匀速搅拌.

主要试剂：CaO2，浓H2SO4，CuSO4，酒石酸钾钠，天津市大茂化学试剂厂产;吡喃葡萄糖苷、硝基-a-d-吡喃葡萄糖苷、对硝基苯磷酸二钠、碘硝基四唑紫、Folin试剂，阿拉丁试剂有限公司产.以上试剂均为分析纯.

主要仪器：754紫外-可见分光光度计，FA2004电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司产;TG16-WS离心机，湘仪离心机仪器有限公司产;5B-1F（V8）COD快速检测仪，连华科技有限公司产;GC6890B气相色谱仪，安捷伦科技有限公司产;PHS-25雷磁水质测定仪，上海仪电科学仪器股份有限公司产.

1.2 取样方法

分别取2 L剩余污泥投加至1#—4#反应器，再向反应器中投加CaO2，控制其添加量分别为0.1 mg/mg SS（该单位指每mg悬浮污泥中添加CaO2的質量，下同），0.2 mg/mg SS，0.3 mg/mg SS，0.4 mg/mg SS.启动磁力搅拌器，隔天取样测定理化指标.

1.3 测定方法

化学需氧量（COD），悬浮污泥质量浓度（MLSS）和可挥发性污泥质量浓度（MLVSS）根据国标方法测定[8];DNA质量浓度用分光光度计测定;pH值用雷磁水质测定仪测定.

在污泥发酵过程中部分有机氮和有机磷以NH4+-N和PO43--P的形式释放，其释放量是表征污泥厌氧发酵效果的指标之一，根据国标方法测定[8].

污泥在厌氧发酵过程中释放大量的蛋白质、多糖等物质，但是酸化菌不能直接利用这些物质进行产酸活动.水解菌先利用自身水解酶（如蛋白酶）和α-葡萄糖苷酶将大分子的蛋白质和多糖水解生成氨基酸、单糖等[9]，而酸化菌则利用水解产物生成SCFAs.所以，蛋白酶和 α-葡萄糖苷酶，在污泥厌氧发酵过程中有重要作用.SCFAs的产量用气相色谱仪测定[10]，发酵系统中的多糖和蛋白质质量浓度采用分光光度法测定[8-9]，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶含量采用分光光度法测定[10-11].

剩余污泥发酵系统中含有大量的有机磷，碱性磷酸酶（ALP）和酸性磷酸酶（ACP）可以将其水解成无机磷（PO43--P）并随着有机物的水解酸化而释放，ALP和ACP活性采用分光光度法测定[10-11].

乳酸脱氢酶（LDH）是脱氢酶（DH）的一种，是催化乳酸与丙酮酸之间氧化还原反应的重要生物酶.因此，DH可以代表发酵过程中的LDH.与LDH一样，由于膜的损伤，DH也可能被释放[11-12].因此，可利用DH研究微生物细胞膜与不同添加量CaO2的相互作用，揭示CaO2在厌氧发酵过程中可能存在的毒性机制，DH的活性采用分光光度法测定[10-11].

1.4 计算方法

污泥厌氧发酵的过程，是污泥中微生物解体、有机物释放的过程，而污泥溶液化率（SCOD）和污泥分解性率（DDCOD）可表征污泥中微生物解体程度，计算公式分别如下[13-14]：

2 结果与讨论

2.1 CaO2对污泥水解性能的影响

2.1.1 不同添加量的CaO2对污泥溶解的影响

图1为不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵系统中pH值、DNA质量浓度、SCOD值和DDCOD值的影响.

由图1可以看出，CaO2对系统中SCOD值和DDCOD值均具有显著影响，两者均随着CaO2添加量的增加而增大，SCOD值由8.84%增至41.37%，DDCOD值由11.84%增至 55.42%.其中，0.4 mg/mg SS发酵系统中的SCOD值和DDCOD值是0.1 mg/mg SS发酵系统的 4～5倍.该结果与X.Li等[15]研究的污泥碱性发酵过程中SCOD值的变化（23.2%～53.8%，15～55 ℃）相似，但是高于Naddeo超声破碎处理污泥中SCOD值的变化（22%，19 000 kJ/kg）[16]，这说明CaO2能够有效地促进污泥溶液化和分解.这是因为CaO2溶于水后生成的OH-能够破坏微生物细胞壁，促进有机质释放[17]，随着CaO2添加量的增加，系统内pH值升高至12（如图1a）所示），直接破坏了微生物细胞壁.同时CaO2作用发酵系统后生成大量的活性物质如H2O2，·OH和·O2-等，这些活性物质能够破坏微生物细胞膜，使细胞内容物流失[18]，从而使剩余污泥有效溶解.在溶解过程中，DNA随着细胞质的溶出而释放（如图1b）所示），DNA质量浓度随着CaO2添加量的增加而增大，发酵末期（17 d）其值为 8.5～193.3 mg/L.

2.1.2 不同添加量的CaO2对可溶性蛋白质和多糖质量浓度的影响

不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵过程中蛋白质和多糖质量浓度的影响如图2所示.

由图2可以看出，发酵过程中蛋白质和多糖质量浓度均随着CaO2添加量的增加而增大，发酵后期蛋白质质量浓度显著下降，而多糖质量浓度相对较为稳定.反应至第5～6 d时，0.4 mg/mgSS发酵系统中蛋白质和多糖质量浓度最大，分别为931.12 mg/L和343.62 mg/L，是0.1 mg/mg SS发酵系统（150.83 mg/L和34.56 mg/L）的6.17倍和9.94倍，即使发酵末期蛋白质和多糖质量浓度（514.47 mg/L和392.44 mg/L）下降，仍为0.1 mg/mg SS发酵系统（55.03 mg/L和15.95 mg/L）的9.35倍和24.60倍，说明CaO2能够有效提高剩余污泥的水解性能.同时还发现，

发酵末期0.4 mg/mg SS发酵系统中

蛋白质质量浓度是多糖质量浓度的1.31倍，低于其他碱性发酵（NaOH，KOH，Ca（OH）2）方式[3]，但是高于单过硫酸氢钾、高铁酸钾等发酵方式[19-20].CaO2溶于水后形成大量的OH-，这些OH-和CaO2对细胞壁均有破坏作用，使大量的蛋白质和多糖类释放至系统，但是其水解过程中形成的H2O2，·OH，·O2-能够氧化蛋白质，减少系统中蛋白质的质量浓度.由于CaO2氧化性低于·SO4-（单过硫酸氢钾溶于水后的产物），因此，该发酵过程产生的蛋白质和多糖的比例高于单过硫酸氢钾发酵方式.

2.2 不同添加量的CaO2对污泥酸化的影响

图3为不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵过程中污泥酸化的影响.

由图3a）可以看出，系统中SCFAs的产量随着CaO2添加量的增加基本呈先增大后降低的趋势，发酵至第5 d时，0.2 mg/mg SS发酵系统中SCFAs产量最大（876.12 mg/L），是0.1 mg/mg SS发酵系统（35.00 mg/L）的25.03倍;发酵至第9 d时，0.3 mg/mgSS发酵系统中 SCFAs的产量迅速增至最大，但是0.2 mg/mg SS发酵系统中SCFAs产量迅速下降.该结果表明，当CaO2添加量为0.3 mg/mg SS时，能够显著提高发酵系统中SCFAs的产量，这是因为该发酵系统中含有丰富的蛋白质和多糖等物质，且系统pH值为9～10（见图1a）），该环境下较适合产酸菌的生长，但严重抑制产甲烷菌活性.在0.3 mg/mg SS发酵系统中，随着发酵时间的延长，SCFAs产量升高，其原因可能是，在发酵后期，系统内的pH值下降，产酸菌活性得到恢复，能够有效利用系统内丰富的蛋白质和多糖生成SCFAs.而发酵后期0.2 mg/mgSS发酵系统中SCFAs产量迅速降低是因为系统中pH值迅速下降至7～8，导致系统中产甲烷菌活性恢复，SCFAs被大量消耗.由图3b）可以看出，在0.4 mg/mg SS发酵系统中，蛋白质和多糖的质量浓度较其他发酵系统均升高，但当发酵系统中pH值增至12，不仅抑制产甲烷菌生长，同时也影响产酸菌的活性.邢立群等[21]也发现，发酵系统经强碱（pH=10～12）处理后，产酸菌活性受到严重抑制，SCFAs产量显著下降.而且CaO2发酵系统中较高的·OH，·O2-等强氧化物质对系统内微生物的生长存在抑制作用，所以，CaO2添加量过高时不利于剩余污泥厌氧发酵产酸.

表2为不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵系统中酸成分的影响.由表2可以看出，发酵系统中SCFAs乙酸占比差别较显著，随着CaO2添加量的增加呈先增大后降低的趋势，分别为52.85%，66.96%，63.94%和48.72%.高于作者前期研究的Ca（OH）2污泥厌氧发酵系统中的乙酸占比（62.27%）[3]，但是低于单过硫酸钾氢钾污泥厌氧发酵系统中的乙酸占比（75.55%）[19-22].可见，CaO2，Ca（OH）2与单过硫酸氢钾在污泥发酵过程中的化学性质相似，其水解过程中释放的高氧化物质会强化乙酸的积累.SCFAs中的丙酸占比随着CaO2添加量的增加而降低，分别为7.41%，5.09%，5.18%和 3.63%，均低于Ca（OH）2型污泥发酵系统的丙酸占比（10%～15%）[3]和单过硫酸氢钾发酵系统的丙酸占比（3.42%～11.29%）[22].这说明CaO2能够提高微生物对丙酸的利用率，进而提高发酵系统中乙酸占比.此外，系统中可能含有大量的Erysipelothrix，Tissierella，Peptostreptococcaceaeincertae_sedis等產乙酸微生物[3].在系统中，SCFAs中正丁酸和正戊酸的占比与丙酸相似，均随着CaO2添加量的增大而降低;异丁酸的占比随着CaO2添加量的增加先降低后升高;异戊酸的占比随着CaO2添加量的增加先增加后降低.这是因为，正丁酸和正戊酸属于直链酸，更容易被微生物利用，故二者在系统中的占比低于异丁酸和异戊酸.

2.3 不同添加量的CaO2对NH4+-N和PO43--P释放量的影响

图4为不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵系统中NH4+-N和PO43--P释放量的影响.

由图4可以看出， CaO2对剩余污泥发酵系统中NH4+-N和PO43--P的释放量具有显著的影响.NH4+-N释放量随着CaO2添加量的增加先增大后降低，反应末期各系统中NH4+-N释放量分别为211.91 mg/L（0.1 mg/mg SS），344.26 mg/L（0.2 mg/mg SS），294.48 mg/L（0.3 mg/mg SS），190.78 mg/L（0.4 mg/mg SS），在添加量较高的CaO2污泥厌氧发酵系统中，NH4+-N的释放量最低.然而PO43--P释放量随着CaO2添加量的增加而降低，反应末期各系统中PO43--P释放量分别为13.37 mg/L（0.1 mg/mg SS），11.71 mg/L（0.2 mg/mg SS），5.08 mg/L（0.3 mg/mg SS），1.60 mg/L（0.4 mg/mg SS）.这与SCFAs产量变化趋势基本相同，高添加量的CaO2虽然强化了污泥水解，但是抑制了污泥产酸，影响了有机质中NH4+-N和PO43--P的释放.同时CaO2发酵系统中含有大量的Ca2+和OH-，能够形成Ca（NH4）PO4·6H2O沉淀，因此系统中的PO43--P释放量随着CaO2添加量的增加而降低.

2.4 不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵系统中生物酶活性的影响

萄糖苷酶的活性随着CaO2添加量的增加呈先升高后降低趋势，其中在0.2 mg/mg SS发酵系统中二者的活性最大，分别为 69.84 EU/mg VSS（该单位指每mg可挥发性污泥中生物酶的活性，下同）和0.005 1 EU/mg VSS，是0.1 mg/mg SS发酵系统（24.81 EU/mg VSS和0.001 2 EU/mg VSS）中的2.81倍和4.25倍.虽然在0.4 mg/mg SS发酵系统中，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的活性均有所降低，但是仍高于0.1 mg/mg SS系统，这说明适当添加CaO2能够提高蛋白酶和 α-葡萄糖苷酶活性.同时发现，蛋白酶活性显著高于α-葡萄糖苷酶活性，这与其在微生物细胞内的位置有关，胞外聚合物（EPS）中含有约23%的蛋白酶和仅为5%的α-葡萄糖苷酶，而大部分水解酶位于球体层[23]，当底物和酶同时向外转移时，蛋白酶的转移快于α-葡萄糖苷酶，从而使溶液中的蛋白酶活性远高于α-葡萄糖苷酶活性.

由图5c）和d）可以看出，ALP和ACP的活性均随着CaO2添加量的增加而降低，在0.1 mg/mg SS系统中，二者的活性最高，分别为0.11 EU/mg VSS，0.20 EU/mg VSS;在0.4 mg/mg SS系统中，二者的活性最低，分别为0.07 EU/mg VSS和0.06 EU/mg VSS.这说明碱性且含有氧化物质的发酵环境严重抑制了ALP和ACP的活性.同时发现，ALP和ACP的活性变化趋势与PO43--P释放量变化不相符，可能因为有机磷分布在活体微生物和碎屑中，如核苷酸-p，脂质-p，核酸-p，蛋白质-p，其分解需要不同种类的磷酸酶作用[24].

由图5e）可以看出，DH的活性随着CaO2添加量的增加呈先升高后降低趋势，其活性分别为0.01 EU/mg VSS，0.51 EU/mg VSS，0.40 EU/mgVSS和 0.25 EU/mg VSS.DH活性较高时，发酵系统中丙酮酸会快速降解生成SCFAs，但是CaO2释放的活性物质如·OH，OH-，HO2·和·O2-不仅破坏生物膜，同时也使DH活性受损，所以高添加量的CaO2会使DH活性降低，阻碍丙酮酸的快速转化.

2.5 CaO2在污泥发酵系统中的作用机理分析

作为二价盐，CaO2不仅具有较强的氧化能力，水解后还能产生Ca（OH）2，H2O2和O2，H2O2继续水解成为·OH，OH-，HO2·和·O2-，其反应方程式如下：

其中，OH-的存在使发酵环境成为碱性，较高的pH值不仅破坏微生物的细胞壁，加速污泥溶解，同时会抑制产甲烷菌的活性.而且CaO2溶于水后生成的·OH，HO2·和·O2-具有较高的氧化还原电位，分别为2.4 V（·OH），1.77 V（HO2·），2.07 V（O2-），这些氧化物质破坏微生物细胞膜的通透性屏障，使细胞内容物流失，损伤RNA，干扰微生物新生代谢活动，最后导致微生物死亡溶解.高活性物质会氧化蛋白质，使系统中多糖占比升高，从而使微生物更加趋向利用多糖生成SCFAs，更易生成乙酸.适当地添加CaO2及其衍生物，能够提高水解酶及其脱氢酶活性，促进发酵系统中的产酸活动.发酵系统的Ca2+与NH4+-N和PO43--P在碱性条件下合成鸟粪石沉淀，可降低发酵系统中的氮负荷，减少发酵液中NH4+-N和PO43--P的释放量，为发酵液的再利用提供保障.

3 结论

本文以CaO2作为城市污水处理中剩余污泥处理药剂，研究了不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵性能的影响，并探索了CaO2在剩余污泥厌氧发酵过程中的作用机理，得到了如下结论：

1）CaO2能够显著促进厌氧发酵系统中污泥的溶解和分解，提高剩余污泥厌氧发酵水解性能，SCOD值、DDCOD值、可溶性蛋白质和多糖质量浓度均随着CaO2添加量的增加而增大.

2）适当添加CaO2能够提高剩余污泥厌氧发酵产酸能力，优化产酸类型，提高乙酸占比，最高可達63.94%，降低丙酸占比，最低可达3.63%.0.2 mg/mg SS和0.3 mg/mg SS发酵系统中最佳产酸时间分别为第5 d和第9 d，产酸过程具有延迟性.

3）CaO2对剩余污泥发酵系统中NH4+-N和PO43--P的释放量具有显著的影响，NH4+-N的释放量随着CaO2添加量的增加先增大后降低，PO43--P的释放量随着CaO2添加量的增加而降低.

4）适当添加CaO2能够促进剩余污泥发酵系统中蛋白酶、α-葡萄糖苷酶和脱氢酶的活性，其最佳添加量为0.2 mg/mg SS，但CaO2中的氧化物质严重抑制碱性磷酸酶和酸性磷酸酶的活性.

5）CaO2溶于水后生成OH-，O2-，H2O2等强氧化物质，能够有效破坏微生物细胞壁，强化污泥水解，OH-形成的碱性环境抑制产甲烷菌活性，降低SCFAs的消耗，OH-，Ca2+与发酵系统中的NH4+-N和PO43--P形成鸟粪石沉淀，有利于氮和磷物质的有效回收.

利用CaO2溶于水后产生的大量活性物质和OH-，可调控剩余污泥发酵系统中的pH值，改变微生物的生存环境，从而促进剩余污泥水解酸化性能，并抑制产甲烷菌的活性，使SCFAs得到优化积累和富集，且从生物酶角度深入探讨发酵机理，为后续进一步提高剩余污泥发酵产酸性能提供理论基础.

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