鼠李糖脂对污泥自热高温微氧体系有机碳源释放的影响

邢一言,高春娣,刘奕伟,毕豪华,欧家丽,彭永臻(北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室,北京 100124)

随着城市化不断发展和人口的快速增长,生活污水处理量不断增加,产生了大量剩余污泥[1].如何实现污泥的资源化成为研究的焦点.以往的研究表明,污水的处理效果会受进水COD 的影响,而低碳氮比是我国城镇污水普遍存在的特点,这会对后续污水处理带来不利影响[2];在污水处理过程中投加外加碳源能有效解决碳氮比低的问题.朱晓宇等[3]发现污泥消化产生的VFA 可作为生物脱氮除磷的有效碳源;Li 等[4]发现污泥发酵液中丰富的挥发性脂肪酸可有效提高污水脱氮除磷的效果.因此,提高污泥消化液中挥发性脂肪酸的含量对于污泥的资源化利用和脱氮过程中外加碳源的开发具有十分重要的意义.

自热高温微氧消化技术是基于高温好氧消化基本原理,对反应器采取有效保温从而实现系统自热高温的一种好氧消化工艺[5].具有基建成本低、病原菌灭活效果好、污泥停留时间短以及所需曝气量小等优点[6-7].尽管ATMAD 工艺在国外已得到了较快的发展,但在我国还属于全新的污泥消化技术.目前,我国学者正逐渐开展对该工艺的相关的理论研究[8-9].有研究表明相对于厌氧消化,高温好氧消化更有利于VFA 的积累[10].

颗粒有机物的水解是消化过程的限速步骤,有研究表明投加生物表面活性剂可以显著提高颗粒有机物的溶解速率,从而加速污泥的消化进程[11];挥发性脂肪酸的主要来源为蛋白质、多糖及脂类物质的水解[12];生物表面活性剂的高表面活性能够显著提高有机质的增溶和水解,通过扩大与水解细菌的接触面积提高提高消化速率,更快地将蛋白质、多糖等物质释放到发酵液中;并且,生物表面活性剂能够使嵌入或隐藏在胞外聚合物中的胞外酶从表面脱离,与蛋白质、多糖等底物接触,有效促进挥发性脂肪酸的产生[13-14];此外,生物表面活性剂还能够减缓污泥中微生物的代谢,降低其对VFA 的消耗,有利于挥发性脂肪酸的积累[15];鼠李糖脂(RL)作为一种典型的生物表面活性剂,不仅具有增溶水解、使胞外酶脱离胞外聚合物及减缓微生物代谢的相关功能[16-17],其还能够引起微生物表面细胞膜的脂多糖溶解,增加发酵液中的可溶性糖,为挥发性脂肪酸提供更多底物[18];此外,鼠李糖脂具有较为容易获取的优点,可以从包括植物源性油、油渣、淀粉类物质等各种廉价材料中生产[19];因此,依托鼠李糖脂开展探究对在实际工程中外加碳源的开发具有重要意义;目前,鼠李糖脂强化污泥厌氧发酵产酸的报道已有很多,Yi 等[20]研究发现鼠李糖脂可以在污泥发酵过程中不同pH 值条件下促进VFA 的产生;Zhou 等[21]研究表明在污泥厌氧发酵过程中,提高VFA 产量的鼠李糖脂的最佳初始投放量为0.04g/gTSS;但鼠李糖脂在污泥自热高温微氧消化工艺中的作用尚未有人提及,其在自热高温微氧消化工艺中使有机碳源释放最大化的投加剂量也尚未确定.

本研究将模拟自热高温微氧消化过程,通过改变体系内鼠李糖脂的浓度,考察不同鼠李糖脂投加量对挥发性脂肪酸积累量的影响;探究在自热高温微氧系统中能够最大程度促进有机碳源释放的鼠李糖脂的投加量;深入了解表面活性剂在污泥自热微微氧消化过程中对挥发性脂肪酸产生量的影响机质;通过高通量测序对在不同鼠李糖脂浓度下的发酵系统进行微生物种群分析;为自热高温微微氧消化的预处理及外加碳源的开发等提供理论依据.

1 材料和方法

1.1 材料

本实验接种污泥为北京市某污水处理厂中的二沉池污泥,其基本特征如表1所示.

表1 污泥基本特征Table 1 Basic characteristics of sludge

1.2 实验装置

本实验采用可水浴型SBR 作为反应器(图1),有效体积为3.5L,装置可实现完全密封,反应器上部有转口,可伸入搅拌桨及取样,水浴层放有加热棒,由全自动温控器控制启停,温度可控制在25～55℃.反应器装有曝气头,并可以通过空气流量计调节曝气量的大小.反应器装有电动搅拌机,可调节转动速度.利用WTW Multi 3420 型便携式多参数测定仪监控pH值和ORP 值.

图1 污泥自热高温好氧消化(ATMAD)反应器Fig.1 Reactor for sludge digestion by ATMAD

1.3 运行方式及检测项目

1.3.1 运行方式 反应器中加入3L 污泥.设置7 个反应器组,各反应器的RL 投加量如表2所示.

表2 各反应器鼠李糖脂投加量Table 2 Rhamnose lipid dosage in each reactor

表3 主要仪器与设备Table 3 Main instruments and equipment

反应器温度逐步从25℃升至45℃,搅拌速率控制在120r/min,通过改变曝气量来将ORP 控制在-200mV 左右,使其保持微氧环境.定时取样测定相关参数.

1.3.2 检测项目 理化指标测定:本实验对挥发性脂肪酸(VFA)、溶解性化学需氧量(SCOD)、蛋白质、多糖、氨氮等参数进行测定.污泥离心(10min,5000r/min)后取上清液过0.5µm 滤膜,过膜上清液进行理化指标测定,SCOD 采用高锰酸钾法测定;蛋白质、多糖、氨氮采用分光光度计法;VFA 采用气相色谱法进行测定[22];VSS 采用550℃灼烧减量法测定,TSS 采用105℃烘干重量法进行测定.

高通量测序:泥样在冰箱中冷冻48h 并在冻干机中放置72h 后送至上海美吉生物医药科技有限公司完成高通量测序工作,所使用引物为515F 和806R.在对序列进行拼接、质控和去接头后基础上对非重复序列进行OTU 聚类,利用美吉云平台进行α多样性分析,对97%相似水平的OTUs 代表序列进行群落组成分析,在门、纲水平上统计样品的群落组成.

实验过程的主要仪器和设备如图3所示.

2 结果与讨论

2.1 对pH 值的影响

对pH 值进行检测,由图2 可知,投加适量鼠李糖脂后,消化反应初期及中期体系中pH 值皆呈现下降趋势,且投加量越大下降趋势越明显,在0.07g/gTSS体系中下降幅度大,从6.64 下降到5.18,之后维持在5.2±0.1;分析原因为鼠李糖脂显著促进了污泥的破解作用,大量有机物溶出水解,产生小分子有机酸;在反应后期,反应器中的pH 值会呈现上升趋势,这是因为在高温条件下,硝化菌、反硝化菌生长受到抑制,体系中的有机氮会转化为氨氮并积累,而此时,有机酸对pH 值的影响要小于氨氮积累对其产生的影响,因此导致pH 值整体上升.

图2 不同RL 投加量下反应体系的pH 值变化趋势Fig.2 The variation of pH during the ATMAD

2.2 对有机碳源释放的影响

2.2.1 对SCOD 的影响 分析不同RL 投加量对SCOD 浓度的影响(图3).6 个实验组中SCOD 最高浓度分别为1183,1397,1600,1587,460,453mg/L,分别为空白组的 1.97,2.32,2.64,2.63,0.76,0.75 倍.7 组中,SCOD 含量整体皆呈现上升趋势,其中,投加量为0.01～0.07g/gTSS 时,反应进行到216h 时SCOD 含量接近于最大值,之后会略有下降;相较于其他实验组,投加0.04,0.07g/gTSS鼠李糖脂后SCOD含量的增加较为明显,分析原因为适量鼠李糖脂可以促进EPS从污泥表面剥离,而污泥絮凝体的瓦解和胞外聚合物的水解作用可引起可溶性有机物的增加[23];投加量为0.10,0.15g/gTSS 的两组反应器中,SCOD 一直呈现上升趋势,但SCOD 浓度要显著低于其他组,分析为当RL 浓度高于0.10g/gTSS 时,超过其临界胶束浓度,会凝聚产生胶团,将不溶性有机物包裹在胶团里,抑制了有机碳源的释放.

图3 不同RL 投加量上清液中SCOD 浓度Fig.3 The variations of SCOD concentration during the ATMAD

图4 不同RL 投加量下蛋白质(PN,a)和多糖(PS,b)释放量Fig.4 The variations of protein(PN,a)and polysaccharide(PS,b)during the ATMAD

2.2.2 对蛋白质、多糖的影响 RL 对可溶性蛋白质(PN)及对可溶性碳水化合物(PS)的影响效果类似(图 4),6 个实验组中蛋白质最高浓度分别为209,220,313,367,210,201mg/L,分别为空白组的1.05,1.1,1.64,1.83,1.05,1 倍,随着RL 浓度的升高,上清液中蛋白质浓度也随之升高;多糖最高浓度为215,217,232,240,123,97mg/L,分别为空白组的1.54,1.55,1.65,1.71,0.87,0.7 倍,说明加入极少量RL 就能对蛋白质和多糖的溶解有较为明显的促进作用,在RL 浓度达到0.07g/gTSS 左右时促进效果最为明显,分析原因为RL 可以降低污泥的表面张力,从而促进了污泥的溶解,使更多的蛋白质和多糖析出;A.Cadoret 等[24]人研究表明RL 作为一种生物表面活性剂,可以抑制酶的固定,将酶释放到液相中,使蛋白质和多糖的释放量得以提升;当浓度高于0.10g/gTSS 时,蛋白和多糖浓度会有所下降,主要是因为RL浓度超过临界胶束浓度后阻止了两者的释放;蛋白质和多糖达到最高点时会有所下降,分析是蛋白质和多糖已达到饱和,之后被分解为挥发性脂肪酸.

2.2.3 对VFA 的影响 对不同RL 投加量下VFA释放量的影响展开分析(图5),6 个实验组中VFA 最高浓度分别为762,920,902,981,327,293mg/L,分别为空白组的1.27,1.53,1.50,1.63,0.52,0.49 倍,其中在反应进行到96h 时,投加0.07g/gTSS 鼠李糖脂的反应器中VFA 浓度达到572mg/L,为反应进行到264h 的0.6 倍,远远高于其他实验组,说明,当投加量为0.07g/gTSS 时,挥发性脂肪酸累积浓度最高且积累速率最快,判断此时为最佳有机碳源释放浓度,这与赵鹏鹤等[25]研究结果相似;而当RL浓度大于或等于0.10g/gTSS 后,上清液中的VFA 浓度显著低于空白组,此时对VFA 的产生有抑制作用,分析原因为超过临界胶束浓度后,形成的胶束对污泥形成包裹,阻碍了有机物的溶出,使形成VFA 所需底物的浓度降低,从而限制了有机碳源释放进程.

图5 不同RL 投加量下VFA 释放量Fig.5 The variations of VFA concentration during the ATMAD

对不同RL 投加量下VFA 各成分的相对丰度展开分析(图6),在实验测定中,乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸,异戊酸为主要的酸的类型,对各类酸的比例分析,丰度前三的VFA 为乙酸>丙酸>正丁酸,与Yan 等[26]研究结果相近;在0～0.04g/gTSS范围内,随着投加量的增加,乙酸所占比例有较大幅度的增加,当投加量为0.04g/gTSS 时,乙酸占比达到90%以上,分析原因为RL 可抑制三羧酸循环,从而造成乙酸的累计;当投加量大于0.07g/gTSS 时,乙酸的比例会随着RL 浓度的升高呈现明显的下降趋势,说明当RL 过量时,对乙酸产生过程有抑制作用,且浓度越高,抑制越明显.

图6 不同RL 投加量下VFA 各成分相对丰度Fig.6 Relative abundance of VFA components under different RL dosages

对不同RL 投加量下VFA 各成分的浓度展开分析(图7),在试验测定中,乙酸占据了绝大部分总酸的量,相对于其他酸类,乙酸为更优质的外加碳源,发酵液中乙酸含量越高越有利于其作为外加碳源而应用于脱氮除磷过程中,因此,用乙酸的含量来表征污泥发酵液在脱氮除磷过程中的可资源化利用程度.对乙酸含量进行分析可知,6 个实验组中乙酸最大浓度分别为665,762,869,973,265,162mg/L,分别为空白组的1.56,1.79,2.04,2.28,0.62,0.38倍,可以得出,RL的投加量对乙酸的影响非常明显.投加量范围为0.01～0.07g/gTSS 时,发酵体系上清液中乙酸的含量相较于空白组有明显的提升,当投加量为 0.04,0.07g/gTSS 时,乙酸的含量提高了一倍以上,分析原因为鼠李糖脂提高了相关产乙酸功能菌的丰度及活性;而当投加量高于0.10g/gTSS 时,乙酸浓度急剧下降,且RL 投加量越高乙酸含量越低,分析原因为该浓度超出了临界胶束浓度,形成的胶束将污泥包裹,可溶性有机物无法析出,无法为乙酸的形成提供足够的基质,从而对乙酸造成抑制;因此,在使用鼠李糖脂促进污泥发酵液资源化程度的过程中要充分考虑投加量的影响.

图7 不同RL 投加量下VFA 各成分浓度Fig.7 The concentrations of VFA components at different RL dosages

2.3 消化液主要成分鉴定分析

在消化反应进行到第10d 时,对投加量为0.00,0.04,0.07 及0.10g/gTSS 的反应器上清液中的可溶性有机质进行三维荧光扫描如图8,图中皆显示3类特征峰,分别为峰 A(Ex/Em=340/265),峰 B(Ex/Em=258/440),峰C(Ex/Em=220/300),峰A 代表了可溶性微生物的代谢副产物,属于可溶性有机物,峰B 代表着腐殖酸类物质,峰C 代表着芳香类蛋白质物质,说明消化液中有机质的主要成分为微生物代谢副产物,其次为芳香类蛋白质及少量的腐殖酸类物质[27].结果表明,经鼠李糖脂预处理过后峰A 的荧光强度要高于空白组,说明鼠李糖脂可以促进微生物的代谢并使可溶性有机物释放到消化液中.且当鼠李糖脂浓度为0.07g/gTSS 时,荧光强度最高,说明此时消化液中微生物代谢副产物的浓度最高,此时对有机碳源释放的促进效果最强;图8b、c 的峰B 强度略高于空白组,说明鼠李糖脂可促进消化液中腐殖酸类物质的积累,图8d 中的峰B 的强度小于空白组,说明当鼠李糖脂浓度高于胶束浓度时,会导致腐殖酸类物质难以析出,降低消化液中腐殖酸类的浓度;图8b、c、d中峰C 的强度与空白组中无较明显的差异,说明鼠李糖脂预处理对芳香族蛋白质物质的溶出并无显著的影响.

图8 不同RL 投加量3D-EEMFig.8 3D-EEM at different RL dosages during ATMAD

2.4 微生物种群多样性分析

对97%相似水平下的OTU 进行生物信息统计分析,获得的结果如下:检测到的微生物共有46 个门,124 个纲,297 个目,468 个科,811 个属,1393 个种.

2.4.1 α多样性分析 A1、A2、A3、A4 为投加0.00,0.02,0.07,0.10g/gTSS 鼠李糖脂反应开始阶段的样品,B1、B2、B3、B4 为相对应的反应后期阶段的样品.对两组样品进行α多样性分析(表4).两组样品Coverage 指数都达到了较高的水平,说明测定结果可信度较高,可以真实反映样品的群落组成[28];Ace、Chao 指数反映样品微生物种群的丰富度,随着RL投加量的增加,Ace、Chao 均有明显的上升,其中B3组上升最为明显,Ace 指数上升607,Chao 指数上升了633,说明适量RL 可显著提升菌群丰富度[29];Shannon 指数反映了微生物种群的多样性,其中,B3组中该指数上升了0.679,说明当鼠李糖脂投加量为0.07g/gTSS 时可催生大量新的种群;Simpson 指数反映样本的均一性,该指数显示,投加鼠李糖脂之后,样品的均一性呈现下降趋势;分析以上结果得出投加鼠李糖脂会增加产酸功能菌多样性及丰富度,降低样品微生物的均一性.

表4 不同污泥样品的α 多样性分析Table 4 Different sludge samples α Diversity analysis

2.4.2 门水平物种多样性变化 如图9所示,对样品从门水平分析可知,变形菌(Proteobacteria)、 拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)和放线菌门(Actinobacteria)为反应器中的主要优势菌门;对比分析消化初期样品(A1、A2、A3、A4)及消化后期样品(B1、B2、B3、B4)可知,随着反应的进行,拟杆菌门(Bacteroidetes)微生物相对丰度变化较为明显,由11%～13%增加到15%～20%,这是因为适量鼠李糖脂的可以富集拟杆菌门.而绿弯菌门(Chloroflexi)的丰度减少则较为明显,由14%～23%降低为5%～11%,分析原因为大多数绿弯菌门为厌氧菌,不适应曝气环境而死亡[30].相对于空白组,B3、B4 两组中变形菌(Proteobacteria)门相对丰度均有所下降,因为变形菌门会消耗乙酸、丙酸等挥发性脂肪酸,变形菌丰度降低会产生了更多的挥发性脂肪酸[31].厚壁菌门(Firmicutes)可以产生各种胞外酶,可以降解蛋白质、纤维素等复杂有机物,并且以乙酸和丙酸为主要的代谢产物[32];根据图9 得知,厚壁菌门的相对丰度空白组为0.7%,B2、B3、B4 分别为0.7%、1.3%、0.95%,B3、B4 有较为明显的增加,这对于乙酸、丙酸的产生有促进作用.B3、B4 中变形菌丰度下降和厚壁菌门上升会导致挥发性脂肪酸的增加,说明适量鼠李糖脂可以促进VFA 的产生.

图9 消化始末阶段门水平物种相对丰度Fig.9 Relative abundance of phylum-level species at the beginning and end of digestion

图10 纲水平物种相对丰度Fig.10 Relative abundance of species at the class level

2.4.3 纲水平物种多样性分析 从纲水平对反应进行到第10d 的反应器内的微生物群落进行分析(图 10),拟杆菌门(Bacteroidetes)的拟杆菌纲(Bacteroidia)微生物和厚壁菌门(Firmicutes)的梭状芽胞杆菌纲(Clostridia)微生物是普遍存在于发酵产酸过程的微生物类群,主要参与剩余污泥中固体成分的分解和有机酸的积累,其中,拟杆菌纲可以利用蛋白质水解过程中产生的氨基酸产生乙酸盐,能够产生丙酸和乙酸[33-35].相对于B1,B2 和B3 中拟杆菌纲微生物丰度有所增加,由14%分别增加到18%及17%,而B4 反应器中的拟杆菌纲纲微生物丰度则下降到10%,说明适量RL 能有效促拟杆菌纲纲微生物的积累,相对于B1,B3 中梭状芽胞杆菌纲微生物丰度从0.5%增加到1%,说明RL 可以促进Clostridia 纲微生物的积累,但由于Clostridia 纲微生物为嗜热水解菌,反应器温度未达到其最适生长温度,其丰度仍处于较低水平;此外γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)微生物会消耗VFA,B3、B4 反应器中该菌纲微生物相对于空白组,相对丰度均有较大程度减少,有利于VFA的积累[36].

2.5 对VSS 去除率的影响

分析不同RL 投加量对VSS 去除率的影响(图11),7 组中,随着反应的进行,VSS 去除率逐渐升高,在消化进行到288h 时,VSS 最高去除率分别为26%,29%,30%,31%,32%,29%,27%,未有明显差距,当鼠李糖脂投加量为0.02～0.07g/gTSS 时,在反应进行到120h 时去除率达到20%以上,快于其他反应组,说明在污泥微氧消化中,适量鼠李糖脂的投加可显著加快消化的速率.分析原因为鼠李糖脂可以促进污泥的溶解,协助微生物的破碎,加快了水解的过程,因此可加快VSS 去除的速率.

图11 不同RL 投加量下VSS 去除率Fig.11 VSS removal rate under different RL dosages

2.6 对氮、磷释放的影响

2.6.1 对氨氮的影响 上清液中氨氮变化趋势如图12,6 个实验组中氨氮最高浓度分别为83,103,133,112,43,52mg/L,分别为空白组的1.13,1.71,2.14,1.8,0.76,0.83 倍,当鼠李糖脂投加量为0.01～0.07g/gTSS 时对氨氮的释放有促进作用,其中,投加0.04g/gTSS 的反应器氨氮积累量最高,达到133mg/L,其氨氮累计速度较其他实验组也较快,在反应进行到112h 时达到最大值,之后略有下降;而投加0.10,0.15g/gTSS 鼠李糖脂的反应组相对于空白组来说,氨氮浓度降低,分析原因与SCOD 类似,因为氨氮和SCOD 大都来自于胞外聚合物,胞外聚合物被高浓度鼠李糖脂包裹呈现不溶解地状态,致使氨氮和SCOD难以释放,进而导致上清液中两物质含量下降.

图12 不同RL 投加量下NH4+-N 释放量Fig.12 The variations of NH4+-N concentration during the ATMAD

2.6.2 对磷酸根的影响 投加不同浓度RL 对磷酸根的影响如图13所示.6 个实验组中SCOD 最高浓度分别为63,74,82,82,82,83mg/L,分别为空白组的1,1.2,1.4,1.4,1.4,1.4 倍,RL 的投加对磷酸根的积累有明显的促进作用,且随着投加量的增加,上清液中磷酸根的浓度逐渐增加,当鼠李糖脂浓度高于0.10g/gTSS 后,磷酸根的浓度并没有随着鼠李糖脂浓度的提升而提升,反应后期磷酸根浓度稳定在83mg/L 左右,分析磷酸根不再上升的是因为污泥内部的磷酸根已尽数溶解到上清液中,此时提高鼠李糖脂浓度对磷酸根的溶解并无更为明显的作用.

图13 不同RL 投加量下PO43--P 释放量Fig.13 The variations of PO43--P concentration during the ATMAD

此外,高浓度的鼠李糖脂并未像对有机物及氨氮一样对磷酸根产生抑制作用,分析原因为磷酸根与SCOD 及氨氮的来源不同,磷来自于细胞内,溶解不会受到胶束的影响,而氨氮和有机物大部分来自于胞外聚合物,易被形成的胶束束缚.

3 结论

3.1 适量鼠李糖脂对VFA 产生有较为明显的促进作用,当投加量为0.07g/gTSS 时,挥发性脂肪酸累积浓度最高且积累速度最快;浓度过高则会对产酸过程产生抑制.浓度在0～0.04g/gTSS 范围内,乙酸占比升高,有利于内碳源开发,浓度大于0.07g/gTSS 时,乙酸占比下降,当投加量为0.04g/gTSS,0.07g/gTSS 时,乙酸的含量较空白组上升一倍以上,此时污泥发酵液的可资源化程度较高;因此,在进行鼠李糖脂预处理时应注意控制投加量.

3.2 投加适量鼠李糖脂会提升菌群的多样性及丰富度,降低菌群的均一性;投加RL 后,厚壁菌门、拟杆菌纲、梭状芽孢杆菌纲等与产酸发酵相关的微生物的丰度增加,变形菌门中的γ-变形菌等消耗VFA 的微生物相对丰度减少,利于VFA 积累.

3.3 适量鼠李糖脂的投加可显著加快VSS 降解的速率,对有机物溶出促进作用,而投加量过高时则会有明显的抑制作用.