鼠李糖脂對(duì)污泥自熱高溫微氧體系有機(jī)碳源釋放的影響

邢一言,高春娣,劉奕偉,畢豪華,歐家麗,彭永臻(北京工業(yè)大學(xué)城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

隨著城市化不斷發(fā)展和人口的快速增長(zhǎng),生活污水處理量不斷增加,產(chǎn)生了大量剩余污泥[1].如何實(shí)現(xiàn)污泥的資源化成為研究的焦點(diǎn).以往的研究表明,污水的處理效果會(huì)受進(jìn)水COD 的影響,而低碳氮比是我國(guó)城鎮(zhèn)污水普遍存在的特點(diǎn),這會(huì)對(duì)后續(xù)污水處理帶來(lái)不利影響[2];在污水處理過(guò)程中投加外加碳源能有效解決碳氮比低的問(wèn)題.朱曉宇等[3]發(fā)現(xiàn)污泥消化產(chǎn)生的VFA 可作為生物脫氮除磷的有效碳源;Li 等[4]發(fā)現(xiàn)污泥發(fā)酵液中豐富的揮發(fā)性脂肪酸可有效提高污水脫氮除磷的效果.因此,提高污泥消化液中揮發(fā)性脂肪酸的含量對(duì)于污泥的資源化利用和脫氮過(guò)程中外加碳源的開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義.

自熱高溫微氧消化技術(shù)是基于高溫好氧消化基本原理,對(duì)反應(yīng)器采取有效保溫從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自熱高溫的一種好氧消化工藝[5].具有基建成本低、病原菌滅活效果好、污泥停留時(shí)間短以及所需曝氣量小等優(yōu)點(diǎn)[6-7].盡管ATMAD 工藝在國(guó)外已得到了較快的發(fā)展,但在我國(guó)還屬于全新的污泥消化技術(shù).目前,我國(guó)學(xué)者正逐漸開(kāi)展對(duì)該工藝的相關(guān)的理論研究[8-9].有研究表明相對(duì)于厭氧消化,高溫好氧消化更有利于VFA 的積累[10].

顆粒有機(jī)物的水解是消化過(guò)程的限速步驟,有研究表明投加生物表面活性劑可以顯著提高顆粒有機(jī)物的溶解速率,從而加速污泥的消化進(jìn)程[11];揮發(fā)性脂肪酸的主要來(lái)源為蛋白質(zhì)、多糖及脂類物質(zhì)的水解[12];生物表面活性劑的高表面活性能夠顯著提高有機(jī)質(zhì)的增溶和水解,通過(guò)擴(kuò)大與水解細(xì)菌的接觸面積提高提高消化速率,更快地將蛋白質(zhì)、多糖等物質(zhì)釋放到發(fā)酵液中;并且,生物表面活性劑能夠使嵌入或隱藏在胞外聚合物中的胞外酶從表面脫離,與蛋白質(zhì)、多糖等底物接觸,有效促進(jìn)揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生[13-14];此外,生物表面活性劑還能夠減緩污泥中微生物的代謝,降低其對(duì)VFA 的消耗,有利于揮發(fā)性脂肪酸的積累[15];鼠李糖脂(RL)作為一種典型的生物表面活性劑,不僅具有增溶水解、使胞外酶脫離胞外聚合物及減緩微生物代謝的相關(guān)功能[16-17],其還能夠引起微生物表面細(xì)胞膜的脂多糖溶解,增加發(fā)酵液中的可溶性糖,為揮發(fā)性脂肪酸提供更多底物[18];此外,鼠李糖脂具有較為容易獲取的優(yōu)點(diǎn),可以從包括植物源性油、油渣、淀粉類物質(zhì)等各種廉價(jià)材料中生產(chǎn)[19];因此,依托鼠李糖脂開(kāi)展探究對(duì)在實(shí)際工程中外加碳源的開(kāi)發(fā)具有重要意義;目前,鼠李糖脂強(qiáng)化污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的報(bào)道已有很多,Yi 等[20]研究發(fā)現(xiàn)鼠李糖脂可以在污泥發(fā)酵過(guò)程中不同pH 值條件下促進(jìn)VFA 的產(chǎn)生;Zhou 等[21]研究表明在污泥厭氧發(fā)酵過(guò)程中,提高VFA 產(chǎn)量的鼠李糖脂的最佳初始投放量為0.04g/gTSS;但鼠李糖脂在污泥自熱高溫微氧消化工藝中的作用尚未有人提及,其在自熱高溫微氧消化工藝中使有機(jī)碳源釋放最大化的投加劑量也尚未確定.

本研究將模擬自熱高溫微氧消化過(guò)程,通過(guò)改變體系內(nèi)鼠李糖脂的濃度,考察不同鼠李糖脂投加量對(duì)揮發(fā)性脂肪酸積累量的影響;探究在自熱高溫微氧系統(tǒng)中能夠最大程度促進(jìn)有機(jī)碳源釋放的鼠李糖脂的投加量;深入了解表面活性劑在污泥自熱微微氧消化過(guò)程中對(duì)揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)生量的影響機(jī)質(zhì);通過(guò)高通量測(cè)序?qū)υ诓煌罄钐侵瑵舛认碌陌l(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行微生物種群分析;為自熱高溫微微氧消化的預(yù)處理及外加碳源的開(kāi)發(fā)等提供理論依據(jù).

1 材料和方法

1.1 材料

本實(shí)驗(yàn)接種污泥為北京市某污水處理廠中的二沉池污泥,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 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用可水浴型SBR 作為反應(yīng)器(圖1),有效體積為3.5L,裝置可實(shí)現(xiàn)完全密封,反應(yīng)器上部有轉(zhuǎn)口,可伸入攪拌槳及取樣,水浴層放有加熱棒,由全自動(dòng)溫控器控制啟停,溫度可控制在25～55℃.反應(yīng)器裝有曝氣頭,并可以通過(guò)空氣流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量的大小.反應(yīng)器裝有電動(dòng)攪拌機(jī),可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度.利用WTW Multi 3420 型便攜式多參數(shù)測(cè)定儀監(jiān)控pH值和ORP 值.

圖1 污泥自熱高溫好氧消化(ATMAD)反應(yīng)器Fig.1 Reactor for sludge digestion by ATMAD

1.3 運(yùn)行方式及檢測(cè)項(xiàng)目

1.3.1 運(yùn)行方式 反應(yīng)器中加入3L 污泥.設(shè)置7 個(gè)反應(yīng)器組,各反應(yīng)器的RL 投加量如表2所示.

表2 各反應(yīng)器鼠李糖脂投加量Table 2 Rhamnose lipid dosage in each reactor

表3 主要儀器與設(shè)備Table 3 Main instruments and equipment

反應(yīng)器溫度逐步從25℃升至45℃,攪拌速率控制在120r/min,通過(guò)改變曝氣量來(lái)將ORP 控制在-200mV 左右,使其保持微氧環(huán)境.定時(shí)取樣測(cè)定相關(guān)參數(shù).

1.3.2 檢測(cè)項(xiàng)目 理化指標(biāo)測(cè)定:本實(shí)驗(yàn)對(duì)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)、蛋白質(zhì)、多糖、氨氮等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定.污泥離心(10min,5000r/min)后取上清液過(guò)0.5μm 濾膜,過(guò)膜上清液進(jìn)行理化指標(biāo)測(cè)定,SCOD 采用高錳酸鉀法測(cè)定;蛋白質(zhì)、多糖、氨氮采用分光光度計(jì)法;VFA 采用氣相色譜法進(jìn)行測(cè)定[22];VSS 采用550℃灼燒減量法測(cè)定,TSS 采用105℃烘干重量法進(jìn)行測(cè)定.

高通量測(cè)序:泥樣在冰箱中冷凍48h 并在凍干機(jī)中放置72h 后送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成高通量測(cè)序工作,所使用引物為515F 和806R.在對(duì)序列進(jìn)行拼接、質(zhì)控和去接頭后基礎(chǔ)上對(duì)非重復(fù)序列進(jìn)行OTU 聚類,利用美吉云平臺(tái)進(jìn)行α多樣性分析,對(duì)97%相似水平的OTUs 代表序列進(jìn)行群落組成分析,在門(mén)、綱水平上統(tǒng)計(jì)樣品的群落組成.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程的主要儀器和設(shè)備如圖3所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)pH 值的影響

對(duì)pH 值進(jìn)行檢測(cè),由圖2 可知,投加適量鼠李糖脂后,消化反應(yīng)初期及中期體系中pH 值皆呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且投加量越大下降趨勢(shì)越明顯,在0.07g/gTSS體系中下降幅度大,從6.64 下降到5.18,之后維持在5.2±0.1;分析原因?yàn)槭罄钐侵@著促進(jìn)了污泥的破解作用,大量有機(jī)物溶出水解,產(chǎn)生小分子有機(jī)酸;在反應(yīng)后期,反應(yīng)器中的pH 值會(huì)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),這是因?yàn)樵诟邷貤l件下,硝化菌、反硝化菌生長(zhǎng)受到抑制,體系中的有機(jī)氮會(huì)轉(zhuǎn)化為氨氮并積累,而此時(shí),有機(jī)酸對(duì)pH 值的影響要小于氨氮積累對(duì)其產(chǎn)生的影響,因此導(dǎo)致pH 值整體上升.

圖2 不同RL 投加量下反應(yīng)體系的pH 值變化趨勢(shì)Fig.2 The variation of pH during the ATMAD

2.2 對(duì)有機(jī)碳源釋放的影響

2.2.1 對(duì)SCOD 的影響 分析不同RL 投加量對(duì)SCOD 濃度的影響(圖3).6 個(gè)實(shí)驗(yàn)組中SCOD 最高濃度分別為1183,1397,1600,1587,460,453mg/L,分別為空白組的 1.97,2.32,2.64,2.63,0.76,0.75 倍.7 組中,SCOD 含量整體皆呈現(xiàn)上升趨勢(shì),其中,投加量為0.01～0.07g/gTSS 時(shí),反應(yīng)進(jìn)行到216h 時(shí)SCOD 含量接近于最大值,之后會(huì)略有下降;相較于其他實(shí)驗(yàn)組,投加0.04,0.07g/gTSS鼠李糖脂后SCOD含量的增加較為明顯,分析原因?yàn)檫m量鼠李糖脂可以促進(jìn)EPS從污泥表面剝離,而污泥絮凝體的瓦解和胞外聚合物的水解作用可引起可溶性有機(jī)物的增加[23];投加量為0.10,0.15g/gTSS 的兩組反應(yīng)器中,SCOD 一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但SCOD 濃度要顯著低于其他組,分析為當(dāng)RL 濃度高于0.10g/gTSS 時(shí),超過(guò)其臨界膠束濃度,會(huì)凝聚產(chǎn)生膠團(tuán),將不溶性有機(jī)物包裹在膠團(tuán)里,抑制了有機(jī)碳源的釋放.

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

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

2.2.2 對(duì)蛋白質(zhì)、多糖的影響 RL 對(duì)可溶性蛋白質(zhì)(PN)及對(duì)可溶性碳水化合物(PS)的影響效果類似(圖 4),6 個(gè)實(shí)驗(yàn)組中蛋白質(zhì)最高濃度分別為209,220,313,367,210,201mg/L,分別為空白組的1.05,1.1,1.64,1.83,1.05,1 倍,隨著RL 濃度的升高,上清液中蛋白質(zhì)濃度也隨之升高;多糖最高濃度為215,217,232,240,123,97mg/L,分別為空白組的1.54,1.55,1.65,1.71,0.87,0.7 倍,說(shuō)明加入極少量RL 就能對(duì)蛋白質(zhì)和多糖的溶解有較為明顯的促進(jìn)作用,在RL 濃度達(dá)到0.07g/gTSS 左右時(shí)促進(jìn)效果最為明顯,分析原因?yàn)镽L 可以降低污泥的表面張力,從而促進(jìn)了污泥的溶解,使更多的蛋白質(zhì)和多糖析出;A.Cadoret 等[24]人研究表明RL 作為一種生物表面活性劑,可以抑制酶的固定,將酶釋放到液相中,使蛋白質(zhì)和多糖的釋放量得以提升;當(dāng)濃度高于0.10g/gTSS 時(shí),蛋白和多糖濃度會(huì)有所下降,主要是因?yàn)镽L濃度超過(guò)臨界膠束濃度后阻止了兩者的釋放;蛋白質(zhì)和多糖達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)會(huì)有所下降,分析是蛋白質(zhì)和多糖已達(dá)到飽和,之后被分解為揮發(fā)性脂肪酸.

2.2.3 對(duì)VFA 的影響 對(duì)不同RL 投加量下VFA釋放量的影響展開(kāi)分析(圖5),6 個(gè)實(shí)驗(yàn)組中VFA 最高濃度分別為762,920,902,981,327,293mg/L,分別為空白組的1.27,1.53,1.50,1.63,0.52,0.49 倍,其中在反應(yīng)進(jìn)行到96h 時(shí),投加0.07g/gTSS 鼠李糖脂的反應(yīng)器中VFA 濃度達(dá)到572mg/L,為反應(yīng)進(jìn)行到264h 的0.6 倍,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他實(shí)驗(yàn)組,說(shuō)明,當(dāng)投加量為0.07g/gTSS 時(shí),揮發(fā)性脂肪酸累積濃度最高且積累速率最快,判斷此時(shí)為最佳有機(jī)碳源釋放濃度,這與趙鵬鶴等[25]研究結(jié)果相似;而當(dāng)RL濃度大于或等于0.10g/gTSS 后,上清液中的VFA 濃度顯著低于空白組,此時(shí)對(duì)VFA 的產(chǎn)生有抑制作用,分析原因?yàn)槌^(guò)臨界膠束濃度后,形成的膠束對(duì)污泥形成包裹,阻礙了有機(jī)物的溶出,使形成VFA 所需底物的濃度降低,從而限制了有機(jī)碳源釋放進(jìn)程.

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

對(duì)不同RL 投加量下VFA 各成分的相對(duì)豐度展開(kāi)分析(圖6),在實(shí)驗(yàn)測(cè)定中,乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸,異戊酸為主要的酸的類型,對(duì)各類酸的比例分析,豐度前三的VFA 為乙酸>丙酸>正丁酸,與Yan 等[26]研究結(jié)果相近;在0～0.04g/gTSS范圍內(nèi),隨著投加量的增加,乙酸所占比例有較大幅度的增加,當(dāng)投加量為0.04g/gTSS 時(shí),乙酸占比達(dá)到90%以上,分析原因?yàn)镽L 可抑制三羧酸循環(huán),從而造成乙酸的累計(jì);當(dāng)投加量大于0.07g/gTSS 時(shí),乙酸的比例會(huì)隨著RL 濃度的升高呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),說(shuō)明當(dāng)RL 過(guò)量時(shí),對(duì)乙酸產(chǎn)生過(guò)程有抑制作用,且濃度越高,抑制越明顯.

圖6 不同RL 投加量下VFA 各成分相對(duì)豐度Fig.6 Relative abundance of VFA components under different RL dosages

對(duì)不同RL 投加量下VFA 各成分的濃度展開(kāi)分析(圖7),在試驗(yàn)測(cè)定中,乙酸占據(jù)了絕大部分總酸的量,相對(duì)于其他酸類,乙酸為更優(yōu)質(zhì)的外加碳源,發(fā)酵液中乙酸含量越高越有利于其作為外加碳源而應(yīng)用于脫氮除磷過(guò)程中,因此,用乙酸的含量來(lái)表征污泥發(fā)酵液在脫氮除磷過(guò)程中的可資源化利用程度.對(duì)乙酸含量進(jìn)行分析可知,6 個(gè)實(shí)驗(yàn)組中乙酸最大濃度分別為665,762,869,973,265,162mg/L,分別為空白組的1.56,1.79,2.04,2.28,0.62,0.38倍,可以得出,RL的投加量對(duì)乙酸的影響非常明顯.投加量范圍為0.01～0.07g/gTSS 時(shí),發(fā)酵體系上清液中乙酸的含量相較于空白組有明顯的提升,當(dāng)投加量為 0.04,0.07g/gTSS 時(shí),乙酸的含量提高了一倍以上,分析原因?yàn)槭罄钐侵岣吡讼嚓P(guān)產(chǎn)乙酸功能菌的豐度及活性;而當(dāng)投加量高于0.10g/gTSS 時(shí),乙酸濃度急劇下降,且RL 投加量越高乙酸含量越低,分析原因?yàn)樵摑舛瘸隽伺R界膠束濃度,形成的膠束將污泥包裹,可溶性有機(jī)物無(wú)法析出,無(wú)法為乙酸的形成提供足夠的基質(zhì),從而對(duì)乙酸造成抑制;因此,在使用鼠李糖脂促進(jìn)污泥發(fā)酵液資源化程度的過(guò)程中要充分考慮投加量的影響.

圖7 不同RL 投加量下VFA 各成分濃度Fig.7 The concentrations of VFA components at different RL dosages

2.3 消化液主要成分鑒定分析

在消化反應(yīng)進(jìn)行到第10d 時(shí),對(duì)投加量為0.00,0.04,0.07 及0.10g/gTSS 的反應(yīng)器上清液中的可溶性有機(jī)質(zhì)進(jìn)行三維熒光掃描如圖8,圖中皆顯示3類特征峰,分別為峰 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謝副產(chǎn)物,屬于可溶性有機(jī)物,峰B 代表著腐殖酸類物質(zhì),峰C 代表著芳香類蛋白質(zhì)物質(zhì),說(shuō)明消化液中有機(jī)質(zhì)的主要成分為微生物代謝副產(chǎn)物,其次為芳香類蛋白質(zhì)及少量的腐殖酸類物質(zhì)[27].結(jié)果表明,經(jīng)鼠李糖脂預(yù)處理過(guò)后峰A 的熒光強(qiáng)度要高于空白組,說(shuō)明鼠李糖脂可以促進(jìn)微生物的代謝并使可溶性有機(jī)物釋放到消化液中.且當(dāng)鼠李糖脂濃度為0.07g/gTSS 時(shí),熒光強(qiáng)度最高,說(shuō)明此時(shí)消化液中微生物代謝副產(chǎn)物的濃度最高,此時(shí)對(duì)有機(jī)碳源釋放的促進(jìn)效果最強(qiáng);圖8b、c 的峰B 強(qiáng)度略高于空白組,說(shuō)明鼠李糖脂可促進(jìn)消化液中腐殖酸類物質(zhì)的積累,圖8d 中的峰B 的強(qiáng)度小于空白組,說(shuō)明當(dāng)鼠李糖脂濃度高于膠束濃度時(shí),會(huì)導(dǎo)致腐殖酸類物質(zhì)難以析出,降低消化液中腐殖酸類的濃度;圖8b、c、d中峰C 的強(qiáng)度與空白組中無(wú)較明顯的差異,說(shuō)明鼠李糖脂預(yù)處理對(duì)芳香族蛋白質(zhì)物質(zhì)的溶出并無(wú)顯著的影響.

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

2.4 微生物種群多樣性分析

對(duì)97%相似水平下的OTU 進(jìn)行生物信息統(tǒng)計(jì)分析,獲得的結(jié)果如下:檢測(cè)到的微生物共有46 個(gè)門(mén),124 個(gè)綱,297 個(gè)目,468 個(gè)科,811 個(gè)屬,1393 個(gè)種.

2.4.1 α多樣性分析 A1、A2、A3、A4 為投加0.00,0.02,0.07,0.10g/gTSS 鼠李糖脂反應(yīng)開(kāi)始階段的樣品,B1、B2、B3、B4 為相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)后期階段的樣品.對(duì)兩組樣品進(jìn)行α多樣性分析(表4).兩組樣品Coverage 指數(shù)都達(dá)到了較高的水平,說(shuō)明測(cè)定結(jié)果可信度較高,可以真實(shí)反映樣品的群落組成[28];Ace、Chao 指數(shù)反映樣品微生物種群的豐富度,隨著RL投加量的增加,Ace、Chao 均有明顯的上升,其中B3組上升最為明顯,Ace 指數(shù)上升607,Chao 指數(shù)上升了633,說(shuō)明適量RL 可顯著提升菌群豐富度[29];Shannon 指數(shù)反映了微生物種群的多樣性,其中,B3組中該指數(shù)上升了0.679,說(shuō)明當(dāng)鼠李糖脂投加量為0.07g/gTSS 時(shí)可催生大量新的種群;Simpson 指數(shù)反映樣本的均一性,該指數(shù)顯示,投加鼠李糖脂之后,樣品的均一性呈現(xiàn)下降趨勢(shì);分析以上結(jié)果得出投加鼠李糖脂會(huì)增加產(chǎn)酸功能菌多樣性及豐富度,降低樣品微生物的均一性.

表4 不同污泥樣品的α 多樣性分析Table 4 Different sludge samples α Diversity analysis

2.4.2 門(mén)水平物種多樣性變化 如圖9所示,對(duì)樣品從門(mén)水平分析可知,變形菌(Proteobacteria)、 擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)和放線菌門(mén)(Actinobacteria)為反應(yīng)器中的主要優(yōu)勢(shì)菌門(mén);對(duì)比分析消化初期樣品(A1、A2、A3、A4)及消化后期樣品(B1、B2、B3、B4)可知,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)微生物相對(duì)豐度變化較為明顯,由11%～13%增加到15%～20%,這是因?yàn)檫m量鼠李糖脂的可以富集擬桿菌門(mén).而綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)的豐度減少則較為明顯,由14%～23%降低為5%～11%,分析原因?yàn)榇蠖鄶?shù)綠彎菌門(mén)為厭氧菌,不適應(yīng)曝氣環(huán)境而死亡[30].相對(duì)于空白組,B3、B4 兩組中變形菌(Proteobacteria)門(mén)相對(duì)豐度均有所下降,因?yàn)樽冃尉T(mén)會(huì)消耗乙酸、丙酸等揮發(fā)性脂肪酸,變形菌豐度降低會(huì)產(chǎn)生了更多的揮發(fā)性脂肪酸[31].厚壁菌門(mén)(Firmicutes)可以產(chǎn)生各種胞外酶,可以降解蛋白質(zhì)、纖維素等復(fù)雜有機(jī)物,并且以乙酸和丙酸為主要的代謝產(chǎn)物[32];根據(jù)圖9 得知,厚壁菌門(mén)的相對(duì)豐度空白組為0.7%,B2、B3、B4 分別為0.7%、1.3%、0.95%,B3、B4 有較為明顯的增加,這對(duì)于乙酸、丙酸的產(chǎn)生有促進(jìn)作用.B3、B4 中變形菌豐度下降和厚壁菌門(mén)上升會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸的增加,說(shuō)明適量鼠李糖脂可以促進(jìn)VFA 的產(chǎn)生.

圖9 消化始末階段門(mén)水平物種相對(duì)豐度Fig.9 Relative abundance of phylum-level species at the beginning and end of digestion

圖10 綱水平物種相對(duì)豐度Fig.10 Relative abundance of species at the class level

2.4.3 綱水平物種多樣性分析 從綱水平對(duì)反應(yīng)進(jìn)行到第10d 的反應(yīng)器內(nèi)的微生物群落進(jìn)行分析(圖 10),擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)的擬桿菌綱(Bacteroidia)微生物和厚壁菌門(mén)(Firmicutes)的梭狀芽胞桿菌綱(Clostridia)微生物是普遍存在于發(fā)酵產(chǎn)酸過(guò)程的微生物類群,主要參與剩余污泥中固體成分的分解和有機(jī)酸的積累,其中,擬桿菌綱可以利用蛋白質(zhì)水解過(guò)程中產(chǎn)生的氨基酸產(chǎn)生乙酸鹽,能夠產(chǎn)生丙酸和乙酸[33-35].相對(duì)于B1,B2 和B3 中擬桿菌綱微生物豐度有所增加,由14%分別增加到18%及17%,而B(niǎo)4 反應(yīng)器中的擬桿菌綱綱微生物豐度則下降到10%,說(shuō)明適量RL 能有效促擬桿菌綱綱微生物的積累,相對(duì)于B1,B3 中梭狀芽胞桿菌綱微生物豐度從0.5%增加到1%,說(shuō)明RL 可以促進(jìn)Clostridia 綱微生物的積累,但由于Clostridia 綱微生物為嗜熱水解菌,反應(yīng)器溫度未達(dá)到其最適生長(zhǎng)溫度,其豐度仍處于較低水平;此外γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)微生物會(huì)消耗VFA,B3、B4 反應(yīng)器中該菌綱微生物相對(duì)于空白組,相對(duì)豐度均有較大程度減少,有利于VFA的積累[36].

2.5 對(duì)VSS 去除率的影響

分析不同RL 投加量對(duì)VSS 去除率的影響(圖11),7 組中,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,VSS 去除率逐漸升高,在消化進(jìn)行到288h 時(shí),VSS 最高去除率分別為26%,29%,30%,31%,32%,29%,27%,未有明顯差距,當(dāng)鼠李糖脂投加量為0.02～0.07g/gTSS 時(shí),在反應(yīng)進(jìn)行到120h 時(shí)去除率達(dá)到20%以上,快于其他反應(yīng)組,說(shuō)明在污泥微氧消化中,適量鼠李糖脂的投加可顯著加快消化的速率.分析原因?yàn)槭罄钐侵梢源龠M(jìn)污泥的溶解,協(xié)助微生物的破碎,加快了水解的過(guò)程,因此可加快VSS 去除的速率.

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

2.6 對(duì)氮、磷釋放的影響

2.6.1 對(duì)氨氮的影響 上清液中氨氮變化趨勢(shì)如圖12,6 個(gè)實(shí)驗(yàn)組中氨氮最高濃度分別為83,103,133,112,43,52mg/L,分別為空白組的1.13,1.71,2.14,1.8,0.76,0.83 倍,當(dāng)鼠李糖脂投加量為0.01～0.07g/gTSS 時(shí)對(duì)氨氮的釋放有促進(jìn)作用,其中,投加0.04g/gTSS 的反應(yīng)器氨氮積累量最高,達(dá)到133mg/L,其氨氮累計(jì)速度較其他實(shí)驗(yàn)組也較快,在反應(yīng)進(jìn)行到112h 時(shí)達(dá)到最大值,之后略有下降;而投加0.10,0.15g/gTSS 鼠李糖脂的反應(yīng)組相對(duì)于空白組來(lái)說(shuō),氨氮濃度降低,分析原因與SCOD 類似,因?yàn)榘钡蚐COD 大都來(lái)自于胞外聚合物,胞外聚合物被高濃度鼠李糖脂包裹呈現(xiàn)不溶解地狀態(tài),致使氨氮和SCOD難以釋放,進(jìn)而導(dǎo)致上清液中兩物質(zhì)含量下降.

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

2.6.2 對(duì)磷酸根的影響 投加不同濃度RL 對(duì)磷酸根的影響如圖13所示.6 個(gè)實(shí)驗(yàn)組中SCOD 最高濃度分別為63,74,82,82,82,83mg/L,分別為空白組的1,1.2,1.4,1.4,1.4,1.4 倍,RL 的投加對(duì)磷酸根的積累有明顯的促進(jìn)作用,且隨著投加量的增加,上清液中磷酸根的濃度逐漸增加,當(dāng)鼠李糖脂濃度高于0.10g/gTSS 后,磷酸根的濃度并沒(méi)有隨著鼠李糖脂濃度的提升而提升,反應(yīng)后期磷酸根濃度穩(wěn)定在83mg/L 左右,分析磷酸根不再上升的是因?yàn)槲勰鄡?nèi)部的磷酸根已盡數(shù)溶解到上清液中,此時(shí)提高鼠李糖脂濃度對(duì)磷酸根的溶解并無(wú)更為明顯的作用.

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

此外,高濃度的鼠李糖脂并未像對(duì)有機(jī)物及氨氮一樣對(duì)磷酸根產(chǎn)生抑制作用,分析原因?yàn)榱姿岣cSCOD 及氨氮的來(lái)源不同,磷來(lái)自于細(xì)胞內(nèi),溶解不會(huì)受到膠束的影響,而氨氮和有機(jī)物大部分來(lái)自于胞外聚合物,易被形成的膠束束縛.

3 結(jié)論

3.1 適量鼠李糖脂對(duì)VFA 產(chǎn)生有較為明顯的促進(jìn)作用,當(dāng)投加量為0.07g/gTSS 時(shí),揮發(fā)性脂肪酸累積濃度最高且積累速度最快;濃度過(guò)高則會(huì)對(duì)產(chǎn)酸過(guò)程產(chǎn)生抑制.濃度在0～0.04g/gTSS 范圍內(nèi),乙酸占比升高,有利于內(nèi)碳源開(kāi)發(fā),濃度大于0.07g/gTSS 時(shí),乙酸占比下降,當(dāng)投加量為0.04g/gTSS,0.07g/gTSS 時(shí),乙酸的含量較空白組上升一倍以上,此時(shí)污泥發(fā)酵液的可資源化程度較高;因此,在進(jìn)行鼠李糖脂預(yù)處理時(shí)應(yīng)注意控制投加量.

3.2 投加適量鼠李糖脂會(huì)提升菌群的多樣性及豐富度,降低菌群的均一性;投加RL 后,厚壁菌門(mén)、擬桿菌綱、梭狀芽孢桿菌綱等與產(chǎn)酸發(fā)酵相關(guān)的微生物的豐度增加,變形菌門(mén)中的γ-變形菌等消耗VFA 的微生物相對(duì)豐度減少,利于VFA 積累.

3.3 適量鼠李糖脂的投加可顯著加快VSS 降解的速率,對(duì)有機(jī)物溶出促進(jìn)作用,而投加量過(guò)高時(shí)則會(huì)有明顯的抑制作用.