劉建新 楊遠(yuǎn)秀 黃弦

摘要 [目的]研究稻稈與剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸性能。[方法]在總固體濃度為20 g/L條件下，用一定比例的稻稈代替部分剩余污泥，構(gòu)建共發(fā)酵產(chǎn)酸系統(tǒng)，探討其有機(jī)物組分變化及其產(chǎn)酸特性。[結(jié)果]稻稈的投加能夠促進(jìn)多糖和蛋白溶出，提高SCOD含量，在發(fā)酵進(jìn)行到第4天時(shí)，10%預(yù)處理稻稈處理和10%稻稈處理發(fā)酵體系中SCOD達(dá)到最高，分別為3 440和2 810 mgCOD/L，與污泥對(duì)照相比，分別升高了72.0%和40.5%。與此同時(shí)，在發(fā)酵結(jié)束時(shí)，稻稈的投加雖沒有增加VFAs積累量，但其在短期內(nèi)能夠促進(jìn)VFAs轉(zhuǎn)化，縮短發(fā)酵時(shí)間，在發(fā)酵進(jìn)行到第6天時(shí)，與污泥對(duì)照組相比，10%預(yù)處理稻稈處理中VFAs積累量提升了70.1%。當(dāng)VFAs積累量趨于穩(wěn)定時(shí)，乙酸和丙酸占總酸的比例和從大到小依次為10%預(yù)處理稻稈處理、10%稻稈處理、污泥對(duì)照。[結(jié)論]稻稈的投加能夠改善污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸性能，可為農(nóng)業(yè)廢物的資源化利用提供一種有效途徑。

關(guān)鍵詞 稻稈；剩余污泥；共發(fā)酵；揮發(fā)性脂肪酸；產(chǎn)酸性能

中圖分類號(hào) X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）34-0056-03

Abstract [Objective]To analyze the acidproducing properties of anaerobic fermentation of rice straw and sewage sludge.[Method]Under the condition of total solid concentration of 20 g/L for experiment beginning，the cofermentation system which part of sewage sludge was replaced by a certain proportion of rice straw was constructed.[Result]The change of organic components and acidproducing properties during fermentation process was explored，when 10% rice straw dosing （rice straw mass/mass of rice straw and sludge mixture=1：10） and 10% pretreated rice straw added in the fermentation system，respectively.The results showed that the addition of rice straw could promote the dissolution of polysaccharides and protein content and increase the SCOD content.At the 4th day of fermentation，the highest SCOD was achieved in the cofermentation system.The SCOD content in 10% pretreated rice straw experiment group and 10% rice straw experiment was 3 440 mg COD/L and 2 810 mg COD/L，which increased by 72.0% and 40.5%，respectively，compared with the sludge control.Meanwhile，at the end of fermentation，the addition of rice straw did not increase the accumulation of VFAs，but it could promote the conversion of VFAs in the short term and decrease the fermentation period.Compared with the sludge control group at the 6th day of fermentation，the accumulation of VFAs in pretreated rice straw experiment group increased by 70.1%.When amount of VFAs accumulation stabilized，the ratio of acetic acid and propionic acid to total acid and from large to small were as follows 10% pretreated rice straw experiment group，10% rice straw experiment group，sludge control group.[Conclusion]The addition of rice straw could improve anaerobic fermentation performance of sewage sludge and provide a effective way in utilization of waste resource of agriculture.

Key words Rice straw；Sewage sludge；Cofermentation；VFAs；Anaerobic acidification performance

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)和人口的不斷增加，剩余污泥是城鎮(zhèn)污水處理過程中不可避免的產(chǎn)物，其產(chǎn)量也相應(yīng)地增大。而剩余污泥成分復(fù)雜，含有大量有機(jī)物和重金屬等。當(dāng)前剩余污泥處理存在處置效率低、處理效果差及處理成本高等問題，剩余污泥合理有效的處置一直以來是棘手的問題[1-3]。

剩余污泥主要由微生物細(xì)胞等可被生物降解的有機(jī)組分構(gòu)成，基于其組分特點(diǎn)，可利用剩余污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs，為生物脫氮除磷系統(tǒng)補(bǔ)充碳源，但剩余污泥中C/N 比對(duì)于厭氧發(fā)酵而言并不理想，其一般C/N只有6.0左右，嚴(yán)重低于理論上厭氧發(fā)酵所需要的C/N（15～70左右）[4-5]。且南方地區(qū)剩余污泥有機(jī)質(zhì)含量低，這導(dǎo)致單獨(dú)污泥產(chǎn)酸系統(tǒng)的效能不高，產(chǎn)酸系統(tǒng)的溶解性有機(jī)物量（如VFAs等）不夠。因此，如何解決該問題是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[6-7]。

我國(guó)是以糧食生產(chǎn)為主的農(nóng)業(yè)大國(guó)，其中水稻產(chǎn)量大，而隨之產(chǎn)生的秸稈大部分進(jìn)行直接燃燒處理，不僅使得資源浪費(fèi)，甚至?xí)斐纱髿馕廴綶8]。水稻秸稈中含有豐富的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等碳水化合物，其本身也可以作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的底物，且在發(fā)酵產(chǎn)酸過程中稻稈與剩余污泥可能會(huì)互相起到促進(jìn)作用，彌補(bǔ)單獨(dú)剩余污泥發(fā)酵過程中SCOD低的缺陷，因此二者可構(gòu)成一個(gè)共發(fā)酵體系。而當(dāng)前已有文獻(xiàn)研究小麥秸稈-污泥[9]、食物垃圾-污泥[10]共發(fā)酵等，結(jié)果均表明，共基質(zhì)可優(yōu)化底物C/N，促進(jìn)發(fā)酵。但目前關(guān)于稻稈聯(lián)合剩余污泥共發(fā)酵及對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酸性能研究較少。筆者以剩余污泥及稻稈作為厭氧發(fā)酵的原料，研究不同處理?xiàng)l件下，稻稈聯(lián)合剩余污泥發(fā)酵體系中多糖、可溶性蛋白質(zhì)及VFAs含量及其組分的變化，以期在進(jìn)一步提高剩余污泥和稻稈的資源化利用率的同時(shí)能夠改善發(fā)酵產(chǎn)酸性能，為優(yōu)化發(fā)酵產(chǎn)酸參數(shù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與裝置

試驗(yàn)所用污泥取自廣州某污水處理廠二沉池，除去雜質(zhì)，于4 ℃儲(chǔ)存；所用秸稈為稻稈，自然風(fēng)干后用粉碎機(jī)粉碎，置于通風(fēng)干燥處，備用；試驗(yàn)裝置為自制靜態(tài)發(fā)酵裝置（圖1），由攪拌器、5 L塑制杯及封蓋構(gòu)成，其中，攪拌器可以控制污泥攪拌速率，以保證試驗(yàn)在厭氧條件下進(jìn)行。

1.2 共發(fā)酵試驗(yàn) 為研究外加碳源-水稻秸稈對(duì)剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)酸效能的影響，設(shè)置在總固體濃度不變的條件下，選取20 g/L污泥濃度為共發(fā)酵總固體濃度，發(fā)酵體積為4 L。試驗(yàn)共運(yùn)行9個(gè)靜態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，設(shè)置空白污泥對(duì)照（CK）、10%稻稈試驗(yàn)組（稻稈質(zhì)量：稻稈污泥混合物質(zhì)量=1∶10）及10%預(yù)處理稻稈（以3%NaOH溶液室溫下攪拌12 h）3個(gè)試驗(yàn)組。每處理3次重復(fù)，結(jié)果取其平均值。試驗(yàn)設(shè)pH為10～11，攪拌器轉(zhuǎn)速90 r/min，室溫下靜態(tài)發(fā)酵12 d，每隔48 h取污泥混合液，在10 000 r/min下離心10 min，取上清液過0.45 μm濾膜，測(cè)定其中溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）、可溶性蛋白、多糖含量及VFAs組分及其含量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法 SCOD含量測(cè)定采用國(guó)標(biāo)重鉻酸鉀法?？扇苄缘鞍缀扛鶕?jù)考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定[11]。多糖含量采用苯酚-硫酸法測(cè)定，以葡萄糖做標(biāo)準(zhǔn)曲線[12]。

通過氣相色譜法，采用保留時(shí)間對(duì)VFAs中的乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、異戊酸和正戊酸進(jìn)行測(cè)定，并以外標(biāo)法對(duì)VFAs各種組分進(jìn)行定量分析[13]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

為了方便進(jìn)行比較，試驗(yàn)測(cè)得可溶性蛋白、多糖及VFAs含量都轉(zhuǎn)化為以COD為單位[14]，利用Origin 8.5進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理?xiàng)l件對(duì)共發(fā)酵系統(tǒng)中SCOD含量的影響

SCOD主要是由固體顆粒物（污泥細(xì)胞和外源碳）水解后產(chǎn)生的多糖、可溶性蛋白等水解產(chǎn)物及后期被發(fā)酵產(chǎn)酸菌轉(zhuǎn)化形成的VFAs等發(fā)酵產(chǎn)物構(gòu)成。因此，SCOD可以在一定程度上用來表征共發(fā)酵過程中溶解性有機(jī)物總量的變化，反映發(fā)酵體系中有機(jī)質(zhì)釋放水平。對(duì)不同處理?xiàng)l件下發(fā)酵體系中SCOD進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見圖2。

由圖2可見，與污泥對(duì)照相比，隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，稻稈的投加在整體上均可不同程度地促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的溶出，使得SCOD含量升高，且10%預(yù)處理稻稈處理在發(fā)酵初期（第2天）就高于污泥對(duì)照和10%稻稈處理，這主要是由于經(jīng)過3%NaOH預(yù)處理后稻稈溶出的纖維素、半纖維素等物質(zhì)部分被微生物利用，形成了可溶性有機(jī)物，使得體系中SCOD含量升高。在發(fā)酵過程中，各處理中的SCOD含量均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，對(duì)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)釋放的能力從大到小依次為10%預(yù)處理稻稈處理、10%稻稈處理、污泥對(duì)照。此外，在發(fā)酵進(jìn)行到第4天時(shí)，10%預(yù)處理稻稈處理和10%稻稈處理發(fā)酵體系中SCOD達(dá)到最高，分別為3 440和2 810 mgCOD/L，與污泥對(duì)照相比，分別升高了72.0%和40.5%。由此說明，稻稈的投加能夠改善剩余污泥發(fā)酵效果，且經(jīng)過堿預(yù)處理后的稻稈較未處理的稻稈效果更佳，更能促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的溶出，為后續(xù)產(chǎn)酸提供豐富的底物。

2.2 不同處理?xiàng)l件對(duì)共發(fā)酵系統(tǒng)中可溶性蛋白含量的影響

蛋白質(zhì)是污泥的主要組成成分之一，而產(chǎn)酸菌只能利用液相中可溶性有機(jī)成分，因此，發(fā)酵過程中可溶性蛋白含量的變化對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酸的順利進(jìn)行有著重要影響。對(duì)不同處理?xiàng)l件下發(fā)酵體系中可溶性蛋白含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，與污泥對(duì)照相比，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，稻稈的投加在整體上均可不同程度地促進(jìn)可溶性蛋白的溶出。在發(fā)酵進(jìn)行到第2天時(shí)，與污泥對(duì)照和10%稻稈處理相比，10%預(yù)處理稻稈處理中可溶性蛋白含量升高，比污泥對(duì)照增加了53.0%。在整個(gè)發(fā)酵過程中各處理的可溶性蛋白含量均表現(xiàn)出先升高后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，且10%預(yù)處理稻稈處理在12 d的發(fā)酵過程中可溶性蛋白含量一直高于污泥對(duì)照，在第8天達(dá)到最大值，為174.18 mgCOD/L，較污染對(duì)照升高了71.9%。稻稈的主要成分為半纖維素、纖維素和木質(zhì)素，蛋白質(zhì)含量很少，其投加對(duì)體系中的可溶性蛋白含量沒有直接影響，但10%預(yù)處理稻稈與污泥共發(fā)酵體系中可溶性蛋白含量升高，這可能是由于預(yù)處理稻稈補(bǔ)充了碳源等物質(zhì)，使得厭氧消化菌的代謝活性加強(qiáng)，胞外水解酶分泌量增加，促進(jìn)了污泥顆粒的分解，增加了可溶性蛋白含量，這與Feng等[15]的研究結(jié)果一致。

2.3 不同處理?xiàng)l件對(duì)共發(fā)酵系統(tǒng)中多糖含量的影響

多糖是污泥另一主要組成部分，其含量的變化也對(duì)發(fā)酵產(chǎn)酸效能起著重要作用。對(duì)不同處理?xiàng)l件下發(fā)酵體系中多糖含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，不同處理?xiàng)l件下多糖含量的變化與可溶性蛋白含量的變化趨勢(shì)相似。與污泥對(duì)照相比，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，稻稈的投加在整體上均可不同程度地促進(jìn)多糖的溶出，在發(fā)酵起始第2天時(shí)，10%預(yù)處理稻稈處理中多糖濃度為207.55 mg COD/L，而污泥對(duì)照和10%稻稈處理多糖含量分別為117.75和120.36 mg COD/L。污泥對(duì)照在第4天時(shí)，多糖含量已達(dá)到平衡，為160.40 mg COD/L，10%稻稈處理中的多糖在第6天達(dá)最大值，為190.20 mg COD/L，相比污泥對(duì)照升高15.8%；10%預(yù)處理稻稈處理隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，多糖含量不斷增大，在第8天達(dá)到最大值，為258.00 mg COD/L，較污泥對(duì)照升高61.50%。由此說明，NaOH預(yù)處理對(duì)污泥細(xì)胞水解多糖溶出具有一定的促進(jìn)作用。

2.4 不同處理?xiàng)l件對(duì)共發(fā)酵系統(tǒng)中VFAs積累量的影響

污泥厭氧發(fā)酵過程中，溶解性有機(jī)物能夠被酸化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為以VFAs為主的有機(jī)酸，而VFAs可為生物脫氮除磷工藝提供碳源[16]。對(duì)不同處理?xiàng)l件下發(fā)酵體系中VFAs積累量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出，發(fā)酵前6 d，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理組的VFAs積累量整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且在第6天時(shí)積累量達(dá)到最大，其中10%稻稈處理的VFAs積累量為1 001.29 mg COD/L，10%預(yù)處理稻稈處理VFAs積累量為1 269.14 mg COD/L，分別較污泥對(duì)照高出34.2%和70.1%。由此說明，在短期內(nèi)稻稈的加入能夠促進(jìn)發(fā)酵產(chǎn)酸菌利用可溶性蛋白和多糖，將其轉(zhuǎn)化為VFAs，縮短了發(fā)酵時(shí)間，且預(yù)處理后稻稈共發(fā)酵試驗(yàn)組產(chǎn)VFAs效果強(qiáng)于未處理稻稈共發(fā)酵試驗(yàn)組。

從第6天起，隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，污泥對(duì)照的VFAs仍表現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)并最終趨于穩(wěn)定，而10%稻稈和10%預(yù)處理稻稈處理表現(xiàn)為先降低后緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這可能是由于發(fā)酵前期稻稈溶出的蛋白和多糖促進(jìn)VFAs轉(zhuǎn)化，但稻稈中蛋白和多糖含量少，其主要是由纖維素及半纖維等構(gòu)成，而該類物質(zhì)難以被產(chǎn)酸菌利用，且在SCOD含量升高的結(jié)果中得到證實(shí)。因此，稻稈的投加能夠提高共發(fā)酵體系中VFAs的轉(zhuǎn)化速率，且10%預(yù)處理稻稈處理強(qiáng)于10%稻稈處理，但與污泥對(duì)照相比，在發(fā)酵結(jié)束后VFAs積累量沒有增加。

2.5 不同處理?xiàng)l件對(duì)共發(fā)酵系統(tǒng)中VFAs組分結(jié)構(gòu)的影響

試驗(yàn)中稻稈的投加，不僅對(duì)VFAs積累量有顯著影響，且對(duì)所產(chǎn)VFAs組分結(jié)構(gòu)有重要影響。對(duì)不同處理?xiàng)l件下隨發(fā)酵過程進(jìn)行的各種揮發(fā)酸產(chǎn)量占總酸比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，在發(fā)酵剛開始時(shí)，VFAs的組分主要是正戊酸，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，各處理中VFAs組分基本相似，在VFAs積累量趨于穩(wěn)定時(shí)，各組分的占比從大到小依次為乙酸、丙酸、正戊酸、正丁酸、異丁酸、異戊酸，且均以乙酸占比值最大。在發(fā)酵第4天時(shí)，污泥對(duì)照中乙酸的占比值為64.0%，而10%稻稈和10%預(yù)處理稻稈處理中乙酸的占比值分別為91.8%和93.7%。且在發(fā)酵進(jìn)行到第6天時(shí)，10%預(yù)處理稻稈處理中VFAs組分以乙酸和丙酸為主，其占比值分別為94.4%和3.49%；10%稻稈處理中乙酸和丙酸的占比值分別為91.5%和0.43%；而污泥對(duì)照的乙酸占比值為93.5%，丙酸未檢出。由此說明，稻稈的投加能夠促進(jìn)大分子有機(jī)物向小分子有機(jī)物（乙酸、丙酸）轉(zhuǎn)化，在短期內(nèi)能夠提升轉(zhuǎn)化速率，且10%預(yù)處理稻稈處理大于10%稻稈處理，而該類小分子有機(jī)物可以用于補(bǔ)充生物處理系統(tǒng)所需碳源來強(qiáng)化氮、磷去除，這與其他共發(fā)酵研究結(jié)果一致[17-18]。

3 結(jié)論

（1）在總固體濃度不變的條件下，稻稈的投加能夠改善污泥發(fā)酵效果，促進(jìn)多糖、可溶性蛋白等溶解性有機(jī)質(zhì)釋放，使得發(fā)酵體系中SCOD含量升高，且對(duì)有機(jī)質(zhì)釋放水平從大到小依次為10%預(yù)處理稻稈處理、10%稻稈處理、污泥對(duì)照。

（2）稻稈的投加能夠提高共發(fā)酵體系中VFAs的轉(zhuǎn)化速率，縮短發(fā)酵時(shí)間，且10%預(yù)處理稻稈處理強(qiáng)于10%稻稈處理，但發(fā)酵結(jié)束后VFAs積累量沒有增加。

（3）相比于污泥對(duì)照，稻稈的投加能夠在短期內(nèi)促進(jìn)大分子有機(jī)物向小分子有機(jī)物（主要是乙酸、丙酸）轉(zhuǎn)化，且小分子有機(jī)物的占比值表現(xiàn)為10%預(yù)處理稻稈處理大于10%稻稈處理。

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