污水处理技术篇：怎样提高污泥水解速率

1引言：厌氧消化因能产生生物气(如甲烷和氢气)等能源物质而被广泛运用于污泥稳定和污泥减量过程，其一般包括水解、酸化和甲烷化3个步骤(Bouškováetal.,2005).目前，研究人员越来越关注污泥水解和酸化过程中短链脂肪酸(SCFAs)的产生，因其不但可以作为生物脱氮除磷过程中微生物所需的碳源物质(Maureretal.,1997)，同时还可以作为合成可降解塑料-聚羟基烷酸的原料(Lemosetal.,2006).颗粒有机物的水解是厌氧消化过程的限速步骤(Guoetal.,2007)，低效率的水解会延长消化时间，最终导致工艺负荷降低、运行不稳定和处理费用增加(Gavalaetal.,2003)，因此，研发提高污泥水解速率的技术具有重要的意义.

Cadoret等(2002)指出，污泥水解效率除受酶活影响外，还取决于酶表面活性部位在污泥基体中的分布，并提出胞外聚合物(EPS)阻隔降低了酶和底物的接触机会，同时降低了底物的扩散效率，故酶在污泥处理过程中的利用效率不高.研究表明，蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等可以加速污泥的水解，但外源性酶一般被束缚、吸附和隐藏在污泥基体中，从而降低了酶的水解活性(Luoetal.,2011).Wawrzynczyk等(2008)指出，增加酶和底物的接触机会和面积，可以提高污泥的水解效率.EPS是污泥絮体的重要组成部分，主要是由碳水化合物、蛋白质、腐殖酸等组成，污泥中的这些有机物主要是由金属离子通过桥接作用结合在一起的.络合剂具有螯合金属离子的作用，其可以通过络合Ca2+、Mg2+、Fe2+等金属离子破坏污泥的网络结构，从而释放出蛋白质、碳水化合物、腐殖酸等物质，原来被束缚、隐藏于污泥基体中的水解酶也得到释放，水解活性得以表达，从而促进有机物的进一步降解(Wawrzynczyketal.,2008).

目前，国内外针对络合剂对剩余污泥酶水解的研究已有相关报道，而对于后续酸化过程的基础研究尚鲜有报道.为此，笔者研究了络合剂柠檬酸钠(SC)对剩余污泥酶水解和后续酸化过程的影响，以期为污泥处理技术的研究和实际运用提供借鉴和参考.

2材料与方法

2.1实验材料

试验所用剩余污泥取自长沙市第二污水处理厂(国桢污水处理厂)二沉池，污泥先经30min沉淀，去除上清液，再经0.71mm的筛网过滤处理去除杂质后，置于4℃的冰箱中保存备用.试验所用污泥基本特性为：pH值6.9，TCOD8700mg-L-1，SCOD100mg-L-1，TSS10.2g-L-1，VSS6.9g-L-1，溶解性蛋白质73.0mg-L-1，溶解性碳水化合物14.2mg-L-1.

络合剂为二水合柠檬酸钠.酶选用由上海杰辉生物科技有限公司提供的中性蛋白酶、α-淀粉酶2种工业酶，其基本特性分别为：中性蛋白酶酶活5000U-g-1，最适pH值7.0~7.8，最适温度40~50℃;α-淀粉酶酶活6000U-g-1，最适pH值5.5~7.5，最适温度50~60℃.

2.2分析项目及方法

TSS/VSS采用重量法测定;COD采用微波密封消解，重铬酸钾法测定，其中，SCOD为离心(转速为10000r-min-1)10min后上清液的化学需氧量，TCOD为污泥悬浮液的总化学需氧量;上清液中的蛋白质采用Folin-酚法测定，以牛血清蛋白为标准物;溶解性糖采用苯酚-硫酸法进行测定，以葡萄糖为标准物;NH+4-N采用纳氏试剂分光光度法测定.上清液中的蛋白酶活力采用Folin-酚试剂比色法测定，以牛血清蛋白为标准物;淀粉酶活力采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定(Pineta1.，1995).

SCFAs采用Agilent6890NGC型气相色谱仪测定，分析条件为：色谱柱型号DB-FFAP(30m×0.25mm×0.25mm)，检测器为氢火焰检测器FID，载气(N2)流速为2.6mL-min-1，进样量为1.0mL，分流比为10∶1，进样器温度为250℃，检测器温度为300℃.整个过程采用程序升温，起始炉温为70℃，持续运行3min，再以20℃-min-1的速度升温5.5min，然后在180℃下停留3min，一个样品的整个运行时间为11.5min.

污泥经过12h的真空干燥，随后进行SEM测定(SEM，JSM-6700F，Japan).

2.3实验方法

SC对污泥酶水解影响：设立2批次实验(每批次包括6个实验组)，各批次均取400mL污泥，分别投加蛋白酶、淀粉酶0.06g-g-1(以TS计，下同)，SC以粉末形式投加，SC的投加量分别为0、0.144、0.288、0.432、0.576、0.864g-g-1，随后向各锥形瓶中通入氮气约4min以完全驱除残留空气，加塞置于50℃水浴振荡器上反应，4h后取样测定水解产物及蛋白酶和淀粉酶的活性，并进行分析.同时设定空白对照组，除不加酶和SC外，其它条件与实验组均相同.

SC对污泥产酸影响：设立4组实验，各组均取400mL污泥，先投加蛋白酶0.06g-g-1，SC以粉末形式投加，每组SC的投加量分别为0、0.144、0.432、0.864g-g-1，随后向各锥形瓶中通入氮气约4min以完全驱除残留空气，加塞置于50℃水浴振荡器上反应，反应装置在此条件下反应12d，每天对酸化产物SCFAs进行测定.同时设定空白对照组，除不加酶和SC外，其它条件与实验组均相同.