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游离亚硝酸偶联生物表面活性剂强化 污泥厌氧发酵产酸

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  • 标签:游离亚硝酸; 鼠李糖脂; 污泥发酵; 水解酸化; 短链脂肪酸
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在中温环境下以剩余污泥为研究对象,在序批式厌氧反应器中探究了游离亚硝酸( FNA) 偶联生物表面活性剂鼠
李糖脂( RL) 对污泥厌氧发酵产酸的影响。实验结果表明: FNA 偶联 RL 能显著提高污泥的水解,当 RL 的投加量由
0. 2 g /g 提高至 0. 4 g /g 时,溶解性 COD( SCOD) 的最大含量由 451 mg /L 提高至 512 mg /L,溶解性蛋白?#23454;?#21547;量由
185 mg /L增加至 210 mg /L,进一?#25945;?#39640; RL 的投加量对 SCOD 和溶解性蛋白?#23454;?#22686;加影响不显著。此外,FNA 偶联
RL 可促进短链脂肪酸( SCFA) 的积累,并?#19994;?RL 的投加量由 0 增加至 0. 4 g /g 时,SCFA 的最大浓度由 361 mg /L 增加
至405 mg /L。FNA 偶联 RL 对 SCFA 的组分影响不显著,丙酸含量最大,占 35% ~ 42%,其次为乙酸,占 20% ~ 26%。微
生物活性分析表 FNA 偶联 RL 能促进水解和酸化酶的活性,而抑制产甲烷酶 F420 的活性。
关键词: 游离亚硝酸; 鼠李糖脂; 污泥发酵; 水解酸化; 短链脂肪酸
DOI: 10. 13205 /j.hjgc.201901011
ENHANCEMENT OF ACID PRODUCTION FROM SLUDGE ANAEROBIC
FERMENTATION BY FREE NITROUS ACID COUPLED BIO-SURFACTANT
ZHANG Xu-guang
1
,CHEN Yu
2
,ZHANG Long
1
( 1. EIA Center,Research Institute No.240 CNNC,Shenyang 110000,China;
2. Teaching and Experimental Center,Liaoning University of Traditional Chinese Medicine,Shenyang 110032,China)
Abstract: The effect of free nitrite ( FNA) coupled bio-surfactant rhamnolipid ( RL) on acid production from sludge anaerobic
fermentation was investigated in a sequencing batch anaerobic reactor at medium temperature with surplus sludge as the study
object. The results showed that FNA coupled RL could significantly increase the hydrolysis of sludge,and when the RL mass
concentration increased from 0. 2 g /g to 0. 4 g /g,the maximum soluble COD ( SCOD) content increased from 451 mg /L to
512 mg /L,and the soluble protein content increased from 185 mg /L to 210 mg /L,and the further increase of the mass
concentration of RL had no significant effect on the increase of SCOD and soluble protein. In addition,FNA coupled RL could
promote accumulation of short chain fatty acid ( SCFA) ,and the maximum concentration of SCFA increased from 361 mg /L to
405 mg /L,when the RL concentration increased from 0 to 0. 4 g /g. FNA coupled RL had no significant effect on the
components of SCFA,and the propionic acid content was the highest,accounting for 35% ~ 42%,followed by acetic acid,
accounting for 20% ~ 26%. Microbial activity analysis showed that FNA coupled RL could promote hydrolysis and acid enzyme
activity but inhibit activity of the methanogenesis enzyme F420.
Keywords: free nitrite acid; rhamnolipid; sludge fermentation; hydrolysis acidification; short chain fatty acid
收稿日期: 2018-06-07
0 引 言
剩余污泥( WAS) 是污水处理过程重要的副产
物。剩余污泥产量高,据报道我国每年的干污泥产量
高达 1120 万 t
[1]
。WAS 含有大量的有毒污染物、病
原体和寄生虫,如果 WAS 处理不当,会对环境和人类
健康造成潜在威胁
[2]
。此外,WAS 管理的成本很高,
约占 WWTP ?#24615;?#33829;成本的 60%
[3]
。WAS 厌氧消化
被认为是最?#34892;?#30340;污泥处理策略,其可?#34892;?#26432;死病原
体和细菌,减少污泥体积,同时可以?#21344;?#20135;生的甲烷第 1 期 张旭光,等: 游离亚硝酸偶联生物表面活性剂强化污泥厌氧发酵产酸
和氢气等作为能源利用。近年来,利用 WAS 厌氧发
酵生产短链挥发性脂肪酸( SCFA) 引起?#25628;?#32773;们的广
泛关注,因为 SCFA 不仅可以作为强化污水处理的优
选碳源,而且可以作为生物降解的原料
[4-5]
污泥厌氧发酵一般经历 3 个连续步骤: 水解、酸
化和甲烷化
[4]
。水解速率是污泥厌氧发酵?#21335;?#21046;步
骤。之前研究多采用超声、酸碱、冷热预处理等技术
强化污泥厌氧水解,然而上述过程需要输入大量能
源,成本较高
[6]
。因此需要开发经?#20204;?#39640;效的污泥
处理技术以强化污泥水解酸化过程。
游离亚硝酸( FNA) 是亚硝酸盐的?#39318;?#21270;形态,其
对细胞具有较强的破坏作用。近年来,应用 FNA 强
化剩余污泥厌氧发酵获取 SCFA 得到学者的关注,一
方面因为 FNA 能够?#28216;?#27877;发酵液中获取具有经济
[7]
; 另 一 方 面,FNA 处理效?#24335;?#29702;想
[6-7]
。Zhao
[8]
利用 FNA 预处理强化剩余污泥碱性发酵,当
ρ( FNA) 为 1. 54 ~ 1. 8 mg /L时,SCFA 的最大积累量
为空白组的 1. 5 ~ 3. 7 倍,此外 FNA 预处理能显著缩
短发酵时间
[8-9]
生物表面活性剂具有毒性低,生物降解性高,在
极端温度和 pH 下具有较好的选择性。鼠李糖脂能
显著?#26723;?#27745;泥水解液的表面张力。易?#36182;?
[10]
报道鼠
李糖脂( RL) 的最佳投加量为 0. 3 g /g,当反应时间为
6 h 时,蛋白质、还原糖及 SCOD 的含量均显著提高,
并且在前 6 h 内符合一级动力学方程。市政污水中
同样含有含量较高的 RL。污水中 RL 经处理后存在
转移至污泥中的可能,从而影响污泥的性质。之前对
FNA 或者对污泥厌氧发酵进行研究
[6,9]
,均为一维,
未能考虑 FNA 和 RL 联合作用对污泥厌氧发酵过程
水解和酸化过程的影响。因此,本研究以剩余污泥为
研究对象探究了 FNA 联合 RL 对污泥厌氧发酵过程
产酸效率、有机物转化及关键酶活性的影响。
1 实验部分
1. 1 实验材料
实验污泥取自当地第一污水处理厂初沉池和二
沉池,污泥取回后两者按照体积比 1 ∶ 1混合,然后过
筛去掉大颗粒不溶物质后静置 24 h,弃去上清液,再
转移至 4 ℃的恒温冰箱中备用。消化污泥的基本性
质如表 1 所示。
接种污泥取自污水处理厂厌氧消化池,取回后的
污泥经过筛分( 1 mm) 去掉不溶颗粒物后?#30772;?10 h
以消耗有机物。接种污泥基本性质如表 1 所示。
表 1 消化污泥与接种污泥的主要特征
Table 1 Main characteristics of digested sludge and
inoculated sludge mg /L( pH 除外)
污泥类型 pH ρ( TSS) ρ( VSS) ρ( SCFA) ρ( SCOD) ρ( NH
+
4 -N)
消化污泥 6. 9 16500 6500 103 206 21
接种污泥 7. 1 8500 5160 150 302 30
1. 2 实验方法
实验采用 5 个平行反应器( 1—5 号) ,反应器外
壁为双 层 水 套,通过恒温循环水控制反应温度为
( 55±1) ℃,反应器内部污泥通过机?#21040;?#25292;器搅拌均
匀,机?#21040;?#25292;器的转速搅拌在 150 r /min。首?#35748;?#21453;
应器中注 入 1. 5 L 污 泥,然后再向反应器?#22411;?#21152;
NaNO2,并控制 FNA 浓度为 1. 52 mg /L。同时,向各
反应器中添加含量分别为 0,0. 2,0. 3,0. 4,0. 5 g /g 的
RL( 以污泥 TSS 计算) 。温度通过水浴加热控制在
20 ~ 22 ℃。发酵过程初始 pH 值调整为 7. 0,在发酵
过程中不控制 pH 值。整个实验重复 3 次。
1. 3 分析方法
TSS 与 VSS 采用重量分析法测定; COD 采用重
铬酸钾 法 测 定; SCOD 为 离 心 机 ( 转 速 为 10000 r /
min) 离心 10 min 后上清液的化学需氧量,TCOD 为污
泥悬浮液的化学需氧量。上清液中多糖采用苯酚-
硫酸法测定,以葡萄糖为标准物
[11]
。蛋白 质 采 用
Folin- 酚 法 测 定,以 牛 血 清 蛋 白 为 标 准 底 物
[12]
SCFA 采用气相色谱法测定,色谱仪型号为 Agilent
6980N,测定前样品首先以 10000 r /min 离心 5 min,
取其上清液后经 0. 45 μm 滤膜进行压滤式过滤
[13]
气相色谱柱的型号为 DB-FFAP,检测器为 FID,分流
比为 10 ∶1,进样量为 1. 0 μL。SCFA 主要包含乙酸、
丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸,其 COD 转化
当量分别为 1. 07,1. 51,1. 82,1. 82,2. 04 和 2. 04 g /g。
2 结果与讨论
2. 1 FNA 联合 RL 对 SCOD 变化的影响
有机质厌氧发酵需要经过水解、酸化和甲烷化
3 个连续过程
[13]
。污泥中有机物多以固态或者半固
态?#38382;?#23384;在,其首先要经过溶解,水解后转化为小分
子有机物以进一步被酸化细菌或产甲烷古菌利用。
生物表面活性剂具?#23567;?#20004;亲”和“增溶”的作用,污泥
絮体表面大分子有机物会不断溶解到液相?#23567;?#22270; 1
所示为 RL 投加量对 SCOD 变化的影响。可知: 在空
白组中 SCOD 的含量随时间呈现?#26412;?#19978;升后平稳变
化 的 趋 势。在 前 5 d 内,空 白 组 中 ρ( SCOD) 由
102 mg /L升高至 215 mg /L,这主要是由于消化底物
75环 境 工 程 第 37 卷
充足,水解、酸化细菌分泌的水解酶能彻底分解有机
物而导致 SCOD 含?#21487;?#21319;; 在 5 d 之后,SCOD 的含量
基本维持在 285 ~ 300 mg /L,说明这期间 SCOD 的生
产量与消耗量基本维?#21046;?#34913;。然而在 RL 添加实验
组中 SOCD 的变化量显著高于空白组。当 RL 投加量
为 0. 2 g /g 时,前 5 d 内,SCOD 的 含 量 迅 速 由
102 mg /L升高至 451 mg /L,在随后的时间内 SCOD
的含量先下降后维?#21046;?#31283;。当 RL 的质量浓度升高
至 0. 3,0. 4 g /g 时,ρ( SCOD) 的最大值?#37319;?#39640;至 459,
512 mg /L; 当 RL 投加量进一步升高至 0. 5 g /g 时,
ρ( SCOD) 的最大值为 526 mg /L,该数值与 0. 4 g /g RL
影响下 SCOD 的最大值含量相近。在 RL 投加实验组
中,SCOD 的含量达到最大值后下降并维持基?#37202;?#34913;
状态。上述实验结果表明,RL 对 FNA 联合 RL 处理
污泥厌氧发酵系统具有促进作用并且 RL 的最佳投
加量为 0. 4 g /g。
—■—空白; — —0. 2 g /g; — —0. 3 g /g;
— —0. 4 g /g; — —0. 5 g /g。
图 1 RL 浓度对污泥厌氧发酵 SCOD 含量变化的影响
Fig.1 Effect of RL concentration on SCOD content in anaerobic
fermentation of sludge
污泥是由许多不同微生物包埋在聚合物组成的
网络?#34892;?#25104;?#27169;?#32858;合物主要为胞外聚合物( EPS) ,其
主要成分为蛋白质、多糖
[10]
。厌氧微生物产生的胞
外酶会作用在 EPS ?#31995;?#33268; EPS 水解。RL 通过两亲
和增溶作用提高了污泥生物可降解性。其次,RL 可
改变污泥絮体形态,引发污泥的絮体形态,减少污泥
的絮体尺寸。如图 2 所示为 RL 的投加对污泥中溶
解性蛋白质?#25237;?#31958;含量的影响。可知: 溶解性蛋白质
及多糖的含量随时间的进行呈现出上升趋势。在消
化第 1 天,溶解性蛋白?#23454;?#21547;量基本维持在 64 ~ 101
mg /L,在消化时间为第 2 ~ 3 天时,投加 RL 的组中溶
解性蛋白质含量显著高于空白组。在实验第 3 天,空
白组中溶解性蛋白?#23454;?#21547;量为 102 mg /L,而在 RL 投
加量为 0. 2,0. 3,0. 4,0. 5 g /g 组中溶解性蛋白?#23454;?
含量分别为 185,196,210,213 mg /L,显著高于空白
组。溶解性多糖实验规?#19978;?#21516;。因此 RL 投加对污
泥厌氧消化溶解性蛋白质?#25237;?#31958;具有促进作用。蛋
白质?#25237;?#31958;是 EPS 的主要成分,占活性污泥中有机
部分的 50% ~ 60%。通常污泥中蛋白质和还原糖吸
附在污泥表面,RL 的增溶作用使大量的蛋白质脱离
污泥表面,并溶解于液相中,同时 RL 对污泥聚合物
溶解性的增强有利于打破污泥基?#23454;?#32039;密连接,从而
释放出更多的蛋白质和糖类。
空白; 0. 2 g /g; 0. 3 g /g;
0. 4 g /g; 0. 5 g /g。
图 2 RL 浓度对污泥厌氧发酵溶解性蛋白质?#25237;?#31958;含量的影响
Fig.2 Effect of RL concentration on the content of soluble protein and
polysaccharide in anaerobic fermentation of sludge
2. 2 FNA 偶联 RL 对污泥厌氧发酵 SCFA 产量及组
分的影响
污泥厌氧发酵过程中溶解性蛋白质及多糖会被
产酸菌转化为 SCFA,并且 SCFA 的组分对其后续利
用至关重要。如图 3 所示为 FNA 偶联 RL 对污泥厌
氧发酵 SCFA 产量的影响。可知: 各反应器中 SCFA
的含量随时间呈现?#26412;?#19978;升后平稳下降再保?#21046;?#34913;
85第 1 期 张旭光,等: 游离亚硝酸偶联生物表面活性剂强化污泥厌氧发酵产酸
的趋势。在空白组中,ρ( SCFA) 由第 1 天的 102 mg /
L 迅速增加至第 9 天的 312 mg /L,在随后?#21335;?#21270;过程
中 SCFA 的含量逐渐下降并最终维持在 304 mg /L。
空白组中 SCFA 的最大含量低于文献[4]的报道,这
可能与本研究中所用污泥有机质所占比重?#31995;?#26377;关。
SCFA 含?#21487;?#39640;主要是由于产酸菌利用水解产物( 主
要为溶解性蛋白质、多糖) 合成 SCFA,SCFA 含量的
下降主要与产甲烷菌消耗有关。在 RL 投加实验组
中,SCFA 的含量增加显著高于空白组。当 RL 投加
量分别为 0. 2,0. 3,0. 4 和 0. 5 g /g 时,SCFA 的最大
含量分别为 361,391,405,409 mg /L,该数值同样小
于文献[13]中的报道值,这同样与本研究中所用污
泥有机质含量?#31995;?#30456;关。因此 RL 投加有助于污泥
厌氧发酵 SCFA 的积累。
—■—空白; — —0. 2 g /g; — —0. 3 g /g;
——0. 4 g /g; — —0. 5 g /g。
图 3 RL 浓度对污泥厌氧发酵 SCFA 的影响
Fig.3 Effect of RL concentration on SCFA production from sludge
anaerobic fermentation
SCFA 的组分主要为乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、
异戊酸和正戊酸,其具有较高的附加值而且应用?#27493;?
广泛。SCFA 可作为污水脱氮除磷过程优质碳源及微
生物?#21058;系?#27744;的原料。图 4 所示为 RL 投加量对 FNA
偶联 RL 反应系统中 SCFA 组分变化的影响。可知: 各
反应器中丙酸的含量最高,占 35% ~ 42%,其次为乙酸,
所占比例为 20% ~ 26%。各反应器中所占比例最小的
为正戊酸,为 1% ~ 7%。RL 质量浓度的提高有助于丙
酸的生成,当 RL 投加量由 0. 2 g /g 增加至0. 5 g /g时,
丙酸的含量由 36%提高至 42%,分析认为这可能是由
于 RL 的主要成分为碳水化合物,RL 与污泥的混合提
高了发酵基质 C/N,从而提高了丙酸的含量。
2. 3 FNA 和 RL 在污泥厌氧发酵过程转化
FNA 在发酵过程中会被污泥体系中反硝化菌利
空白; 0. 2 g /g; 0. 3 g /g;
0. 4 g /g; 0. 5 g /g。
图 4 RL 投加量对污泥厌氧发酵 S
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