城市污泥厌氧发酵产酸条件优化及其机理研究

1 城市污泥厌氧发酵产酸条件优化及其机理研究

主要研究内容：

确立了合适的底物污泥及最佳预处理技术，对厌氧发酵产酸的pH和底物初始C/N控制策略开展了研究，通过结合末端限制性片断长度多样性分子技术和荧光原位杂交技术对发酵产酸过程中的微生物种群结构和促使乙酸累积的微生物学机理进行了解析，并在检测形成挥发性脂肪酸的代谢途径中的关键酶的活性基础上，进一步探讨了促使不同单酸累积的主要代谢途径。

主要结果：

（1）直接利用污泥厌氧发酵产酸，发酵结束时蛋白质、碳水化合物和挥发性有机质三者的含量均超过67%。有机质转化率较低，导致挥发性短链脂肪酸的产率难以提高。

（2）通过考察热-碱、超声波-碱、热-酸和超声波-酸预处理技术对污泥融胞效果的影响，发现两种碱处理方法能够显著改善高固体浓度的污泥有机质融出效率。污泥中有机质和蛋白类物质融出率分别达到60.2%～61.6%和66.8%～67.5%。此外，在热-碱和超声波-碱预处理后，液相中STOC和STN浓度相对于未处理样增加倍数分别为7.62和4.97。两种碱处理技术不仅分解污泥最外层的絮状结构，而且能够破坏微生物的细胞结构，促使污泥颗粒粒径急剧变小，粒径小于17μm 的污泥颗粒占总数50%以上。然而在超声波-酸和热-酸作用下，仅有部分的污泥絮状结构分解，污泥的颗粒粒径变化并不明显。

（3）研究了污泥预处理后对厌氧发酵产酸效率的影响。热-碱和超声

波-碱预处理后的污泥厌氧发酵生成的总酸分别比未预处理污泥提高59.1%和68.2%，均显著高于两种酸预处理技术。可溶性蛋白质为两种碱处理污泥中VFAs产生的主要来源。此外，分析固相中有机质的含量在发酵过程中的变化，发现超声波-碱和热-碱预处理阶段未融出的有机质在随后的厌氧发酵过程并未进一步水解酸化。不同于两种碱处理技术，热-酸和超声波-酸预处理后污泥的脂肪酸产率却低于未处理污泥。综合考虑预处理成本和产酸效率，确定热-碱为最佳的预处理技术。

（4）研究了pH对污泥预处理液中可溶性的蛋白质的沉降影响。结果发现，当pH值从12.0调节到3.0时，可溶性蛋白质的浓度在碱性条件下减小比较缓慢，在酸性条件下则转为迅速。此外，在pH值调节过程中沉降下来的大部分蛋白质在厌氧发酵产酸过程中并未被转化形成VFAs。

（5）当调控厌氧发酵过程pH在3.0～12.0时，促使液相VFAs分布特征发生变化的原因是由于pH的调控改变了厌氧微生物的种群结构。厌氧发酵过程pH条件不同，优势菌群也不相同。在pH值为12.0时，优势菌为颗粒链菌属；pH为10.0时则演变为消化链球菌属（Peptostreptococcus）；当发酵过程pH降为7.0和5.0时，梭菌属（Clostridium）却成为优势产酸菌；而pH值为3.0时优势菌则为芽孢杆菌属（Bacillus）。

（6）控制厌氧发酵产酸过程pH为10.0时，通过FISH技术检测发现产氢产乙酸菌的数量及其微少，相对丰度仅为总细菌的0.01%。乙酸

的累积主要是消化链球菌属通过氨基酸之间的Stickland反应形成的。pH为10.0的条件不仅能够抑制产甲烷菌的活性，而且能够抑制硫酸盐还原菌的生长。同其它pH值条件下厌氧发酵产酸相比，控制厌氧发酵过程在pH值为10.0，可以显著改善污泥预处理的产酸效率，并维持稳定的酸产量。

（7）调控发酵底物的初始C/N可实现不同发酵产酸类型。初始C/N 在12～44时，形成的是乙酸型发酵类型；当初始C/N在56～69范围内时，可实现丙酸型发酵类型；而当C/N处于156～256时，则形成丁酸型发酵。不同发酵产酸类型的形成是由优势产酸菌群的改变导致的。C/N值在12~69范围内，H2和CO2的增长都较为缓慢，但当C/N 值提高到156～256时，二者的产率迅速提高。初始C/N值影响VFAs 累积的主要代谢途径。在低C/N值条件下，乙酸的累积主要是通过氨基酸之间的Stickland反应形成，而随着C/N值的增大，导致丙酸和丁酸累积的主要代谢途径转变为糖酵解的丙酮酸途径。

主要词句：

Kim等[58]比较了几种不同的碱及碱量对污泥预处理的效率，认为NaOH在提高液相中可溶性化学需氧量（SCOD）方面效果最佳。