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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.
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