剩余污泥作為污水處理過程中的一種典型副產(chǎn)物，造成的環(huán)境威脅日益嚴峻。厭氧發(fā)酵可以實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化和短鏈脂肪酸（SCFAs）回收，其中水解被認為是最主要的限速步驟，因為生物可利用的有機物存在于微生物細胞和胞外聚合物（EPS）中。EPS和細胞壁的剛性結(jié)構(gòu)阻礙了顆粒有機物的溶解和生物利用，從而影響SCFAs的產(chǎn)生。因此，微生物細胞裂解和EPS破壞是污泥水解和隨后厭氧發(fā)酵過程中SCFAs回收的基礎。研究人員已經(jīng)開發(fā)了許多預處理方法以促進污泥水解，提高厭氧發(fā)酵和SCFAs的積累。然而，這些預處理方法通常只能解決有限的水解問題，水解性能受到限制。同時針對EPS結(jié)構(gòu)分解和微生物細胞裂解的預處理方法可實現(xiàn)更高效的污泥水解和產(chǎn)酸性能，但目前還鮮有報道。
溶菌酶是一種典型的能夠水解黏多糖和裂解微生物細胞壁的生物酶，其對細胞的裂解能夠促進細胞內(nèi)物質(zhì)水解并釋放內(nèi)源性有機物。盡管如此，溶菌酶催化對污泥水解的促進作用還不夠理想。因為微生物細胞通常被EPS包裹，這導致溶菌酶預處理對污泥的水解效果不理想。此外，EPS的緊密結(jié)構(gòu)也不利于細胞內(nèi)有機物的釋放。因此，有必要采用其他預處理方法來破壞EPS結(jié)構(gòu)，從而提高溶菌酶催化水解的效果。
投加陽離子交換樹脂是在厭氧發(fā)酵過程中最大限度地積累SCFAs的一種可行策略。陽離子交換樹脂是一種典型的顆粒狀陽離子交換試劑，能夠從剩余污泥中選擇性地去除金屬離子。在剩余污泥中發(fā)揮結(jié)構(gòu)功能的多價陽離子（Mg2+、Ca2+）可被樹脂去除，從而導致EPS結(jié)構(gòu)分解和胞外有機物溶解。同時，溶菌酶催化的胞內(nèi)有機物釋放也得到了促進。樹脂造成的結(jié)構(gòu)性陽離子缺乏可抑制產(chǎn)甲烷菌，從而避免SCFAs的消耗。此外，樹脂可回收和重復使用的優(yōu)點也有助于厭氧發(fā)酵的可持續(xù)發(fā)展。
根據(jù)上述理論，可以推斷樹脂和溶菌酶耦合處理在污泥水解和增溶方面發(fā)揮了協(xié)同作用。此外，EPS破裂改善了溶菌酶的催化活性，溶菌酶誘導的細胞裂解反過來又促進了EPS的破裂。在這種情況下，細胞內(nèi)和細胞外協(xié)同水解是可以實現(xiàn)的，這大大改善了SCFAs的積累。盡管樹脂和溶菌酶耦合處理剩余污泥的協(xié)同可行性是可以預期的，但很少有人將樹脂和溶菌酶結(jié)合使用以提高剩余污泥中可溶性有機物的溶解度，并促進厭氧發(fā)酵過程中SCFAs的積累，這值得進一步系統(tǒng)性研究和評估。這可能會豐富厭氧發(fā)酵技術(shù)，為剩余污泥的可持續(xù)處理提供工程靈感。
1、材料與方法
1.1 污泥來源
剩余污泥取自西安市某污水處理廠的二沉池，經(jīng)20目濾網(wǎng)過濾去除大顆粒雜質(zhì)后，在4℃冰箱中重力沉降濃縮24h。濃縮后剩余污泥的VSS、SS分別為（11.32±0.13）、（19.43±0.04）g/L，可溶性有機物（SCOD）、總有機物（TCOD）分別為（119.46±11.53）、（13367.32±982.43）mg/L，pH為6.93±0.12。
1.2 樹脂和溶菌酶特性
所使用的樹脂是強酸性苯乙烯基陽離子交換樹脂，初始陽離子形式為Na+，體積交換容量≥1.9mmol/mL，有效粒徑為0.4~0.7mm。溶菌酶從北京博奧拓達科技公司購買，提取自雞蛋清，其最適pH為6.5，酶活性為20000U/mg。
1.3 實驗設計
使用相同的血清瓶（500mL）進行厭氧發(fā)酵。研究中通過三種不同的方法對剩余污泥進行預處理：樹脂、溶菌酶和樹脂+溶菌酶。對于樹脂處理，根據(jù)以往的研究選擇最佳投量為1.75g/g，溶菌酶處理以0.10g/g作為最佳劑量加入到剩余污泥中，樹脂+溶菌酶組樹脂和溶菌酶的投量則采用單獨處理的投量，并將沒有預處理的反應器作為對照組。所有的反應器都用氮氣吹洗5min以達到厭氧狀態(tài)。之后在（37±1）℃的培養(yǎng)箱中以160r/min的速度攪拌進行10d的厭氧發(fā)酵。所有實驗都是一式三份，以確保結(jié)果的準確性。
1.4 分析方法
收集污泥樣品并以10000r/min離心5min，上清液通過0.45μm聚醚砜膜過濾。SS、VSS、SCOD采用標準方法測定。溶解性有機物（DOMs）通過三維熒光光譜（FP-6500）結(jié)合PARAFAC模型進行分析。SCFAs（乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸、正戊酸）通過氣相色譜儀（PEClarus680）按照程序進行分析。用BET分析儀測量污泥位點的特定表面積。污泥的形態(tài)結(jié)構(gòu)通過掃描電子顯微鏡（SEM，德國蔡司Sigma300）進行分析。此外，采用毛細吸水時間（CST）來評估污泥的脫水性，并通過CST儀（P304M）進行測定。
2、結(jié)果與討論
2.1 不同預處理條件對SCFAs產(chǎn)量的影響
厭氧發(fā)酵的目的是從剩余污泥中回收SCFAs。不同條件下SCFAs產(chǎn)量隨發(fā)酵時間的變化見圖1。
由圖1可知，經(jīng)樹脂、溶菌酶和樹脂+溶菌酶處理后SCFAs產(chǎn)量急劇增加，這說明預處理促進了SCFAs的積累。在這種情況下，相比于單獨處理，經(jīng)樹脂+溶菌酶處理后產(chǎn)生了更多的SCFAs。經(jīng)過2d的預處理，樹脂+溶菌酶組的SCFAs產(chǎn)量（以COD計）急劇增加到3715.23mg/L，而在對照、樹脂和溶菌酶組中僅達到512.02~2123.38mg/L。當處理時間超過2d后，SCFAs增長趨勢顯著減緩。這表明樹脂+溶菌酶處理增強SCFAs產(chǎn)量主要發(fā)生在前2d內(nèi)，被認為是最佳發(fā)酵期。此外，隨著發(fā)酵時間的延長（8~10d），對照組和溶菌酶組的SCFAs產(chǎn)量明顯下降，可能是產(chǎn)甲烷細菌在長期厭氧發(fā)酵中消耗了SCFAs。然而，在樹脂和樹脂+溶菌酶處理中沒有觀察到這種現(xiàn)象，推測是因為樹脂處理抑制了產(chǎn)甲烷菌的生長和代謝。陽離子交換樹脂對金屬的去除可能是抑制產(chǎn)甲烷菌的原因。顯然，樹脂耦合溶菌酶處理不僅促進了SCFAs的產(chǎn)生，也抑制了SCFAs的消耗，有利于SCFAs的積累和回收。
2.2 不同預處理后污泥水解表現(xiàn)
一般來說，SCFAs的產(chǎn)生源于污泥水解階段內(nèi)源性有機物的溶解和生物降解。如圖2所示，在1d厭氧發(fā)酵中，經(jīng)過樹脂、溶菌酶和樹脂+溶菌酶處理后SCOD含量急劇增加，隨后上升趨勢減慢。然而，對照組的SCOD含量在整個厭氧發(fā)酵過程中增長趨勢不明顯。這表明預處理促進了SCOD的釋放，且1d是內(nèi)源性有機物增溶和污泥快速水解的最佳時期。經(jīng)過樹脂+溶菌酶處理1d后，SCOD含量增加到5824.16mg/L。然而，在對照組、樹脂組和溶菌酶組中，SCOD含量分別僅為882.13、2720.65和3493.52mg/L。這表明樹脂+溶菌酶的耦合處理比相同劑量的樹脂和溶菌酶單獨處理更能有效地促進污泥水解。
2.3 樹脂+溶菌酶耦合處理的內(nèi)源性有機物特性
利用三維熒光和PARAFAC分析進一步研究內(nèi)源性有機物的組分特性。以Fmax反映各組分的相對含量，結(jié)果見圖3。根據(jù)早期的研究確定存在三種組分，組分1、2、3分別為可溶性微生物副產(chǎn)物、色氨酸類蛋白質(zhì)和酪氨酸類蛋白質(zhì)。樹脂+溶菌酶組三種組分的Fmax都高于對照組，且隨著發(fā)酵時間的延長差距更明顯。顯然，樹脂+溶菌酶處理破壞了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，導致蛋白質(zhì)的緊密結(jié)構(gòu)變得松散無序。因此，大量的色氨酸類蛋白質(zhì)和酪氨酸類蛋白質(zhì)被釋放出來，同時一些大分子有機物被降解為可溶性微生物副產(chǎn)物。據(jù)報道，色氨酸類蛋白質(zhì)和酪氨酸類蛋白質(zhì)能夠被微生物利用并提供大量能量，從而提高污泥厭氧發(fā)酵效率。實際上，組分1、2和3因其較高的生物可降解性被普遍認為是優(yōu)質(zhì)產(chǎn)酸底物。
采用FT-IR光譜分析溶解性有機物的化學官能團特性，結(jié)果如圖4所示。
經(jīng)過樹脂+溶菌酶處理后FT-IR光譜在1193~500cm-1處的吸收峰顯著多于對照組、單獨樹脂組和單獨溶菌酶組，說明樹脂和溶菌酶耦合處理促進污泥增溶而釋放了大量有機物，使上清液中組分更復雜。特別是在1412和1559cm-1波數(shù)處，樹脂+溶菌酶組的吸收峰強度顯著高于其他三組，這些吸收峰分別對應氨基化合物官能團和羧酸化合物官能團。表明蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物的大量降解，說明樹脂+溶菌酶處理后吸收峰形狀和強度的變化可能是因為上清液中溶解性有機物的降解和生物轉(zhuǎn)化等作用。上述結(jié)果均進一步表明，樹脂+溶菌酶處理強化了溶解性有機物的生物可降解性，促進了厭氧發(fā)酵過程中SCFAs的大量積累。
2.4 樹脂+溶菌酶處理后污泥微觀結(jié)構(gòu)變化
樹脂+溶菌酶耦合處理促進了溶解性有機物的大量釋放，通常伴隨著污泥絮體破解和結(jié)構(gòu)瓦解。厭氧發(fā)酵2d后，對照組和樹脂+溶菌酶組污泥位點的BET表面積分別為2.0851和5.6294m2/g。樹脂+溶菌酶處理使污泥位點的比表面積增加了1.70倍，這是微觀結(jié)構(gòu)破壞和表面形貌改變的結(jié)果。在某種程度上，污泥位點表面的這種結(jié)構(gòu)變化可以通過SEM圖像進一步解釋。如圖5所示，相比于對照、單獨樹脂和單獨溶菌酶組，樹脂+溶菌酶耦合處理組的污泥具有更多凹陷的結(jié)構(gòu)和碎片。這些斷裂的碎片很容易從污泥中掉落并溶解到液相中，從而促進SCOD含量的上升。因此樹脂+溶菌酶處理使污泥的絮凝結(jié)構(gòu)變松散，促進了污泥水解從而提高了厭氧發(fā)酵中SCFAs的積累。
2.5 上清液中SCFAs的提取和回收潛力
通過機械脫水可以提取和回收上清液中的SCFAs。然而，預處理后污泥的脫水能力會顯著惡化，因此需要進行化學調(diào)理以提高污泥的脫水能力。測定顯示，隨著發(fā)酵時間的延長，污泥的CST顯著提高。在樹脂+溶菌酶處理4d后，污泥的CST為2345.5s，高于對照組的582.0s；在樹脂+溶菌酶處理10d后污泥的CST升高到3747.1s，而對照組為674.5s，這說明樹脂+溶菌酶處理使得污泥的脫水性能惡化。其原因可能是污泥顆粒變小、比表面積增加和持水能力提高。盡管經(jīng)過樹脂+溶菌酶處理后污泥脫水能力變差，但在用0.35g/g的FeCl3調(diào)理后污泥的CST下降到51.2s，與對照組的CST值相近（41.6s）。顯然，FeCl3調(diào)理顯著提高了發(fā)酵污泥的脫水能力，這意味著可以通過固液分離回收更多的SCFAs。
3、結(jié)論
樹脂耦合溶菌酶預處理能夠顯著提高剩余污泥水解效率和促進SCFAs積累。在1d厭氧發(fā)酵過程中，樹脂+溶菌酶處理使污泥釋放了大量的SCOD（5824.16mg/L）。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)松動引發(fā)了大量內(nèi)源性有機物被釋放，污泥絮體解構(gòu)削弱了基質(zhì)結(jié)構(gòu)對有機物的約束。這為可溶性有機物的增溶開辟了途徑，增強了其可生物降解性，從而實現(xiàn)了卓越的產(chǎn)酸性能。這種出色的有機物溶解能力為隨后的生物轉(zhuǎn)化提供了豐富的底物，實現(xiàn)了3715.23mg/L的SCFAs累積，分別是對照、樹脂和溶菌酶組的7.26、2.41和1.75倍。此外，經(jīng)過FeCl3調(diào)理后顯著提高了發(fā)酵污泥的脫水能力，可以回收更多的SCFAs以進一步利用。（來源：西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，陜西省環(huán)境工程重點實驗室）
