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生物资源技术 168 (2014) 159–166
生物资源技术
表面活性剂介导的生物预处理提高废弃活性污泥厌氧生物降解性
文章亮点：
●0.02 g/g十二烷基硫酸钠有效溶解悬浮液。
●表面活性剂介导的细菌预处理是一种新型的预处理方法。
●表面活性剂介导的生物预处理增强细胞溶解。
●动态平衡参数赋予污泥高效降解速率。
●表面活性剂介导的生物预处理将沼气产量提高到0.467 L/（g VS）。
关键词：胞外聚合物 细胞破碎 酶活性 厌氧生物可降解性 废弃活性污泥 (WAS)
摘要：本研究探索了十二烷基硫酸钠( SDS )对废活性污泥( WAS )胞外多聚体( EPS )的去除作用，并对其进行了酶法预处理，以增强后续生物降解性。 用0.02 g / g的悬浮固体SDS去除EPS。预处理结果中，絮凝污泥(未除EPS和细菌预处理)和对照污泥(原污泥)的悬浮物还原率和化学需氧量增溶率分别为25.7 %和19.79 %，絮凝污泥(未除EPS和细菌预处理)分别为15.7 %和11 %，对照污泥(原污泥)分别为7.85 %和6 %。通过对厌氧生物降解性的考察发现，经解絮和细菌预处理、絮凝、单独解絮和对照污泥的产气潜力分别为0.467 L / ( g VS )、0.355 L / ( g VS )、0.315 L / ( g VS )和0.212 L / ( g VS )。因此，絮凝和细菌预处理能有效提高厌氧生物降解性。
- 引言
污水处理工艺主要副产品的WAS量随着城市和工业废水处理数量的扩大而增加，已成为严重的环境问题。因此，需要一种高效的污泥减量方法。
厌氧消化被广泛应用于污泥的有效稳定化和沼气的生产，它包括水解、酸化和产甲烷三个步骤。污泥水解的第一步得到了更多的考虑，因为颗粒有机物水解成可溶性物质被认为是厌氧消化的限速步骤。生物固体的厌氧消化被证明是一种有价值的处理方法，可减少污泥体积、破坏病原生物、稳定污泥并产生富含能量的沼气。
BMP（产甲烷潜力）测试是一种常用的垃圾表征参数，用于确定废弃污泥在厌氧条件下可能产生的甲烷量。WAS主要由微生物细胞组成，细胞壁形成物理和化学屏障，防止细胞内有机物通过消化易被生物降解。因此，EPS和微生物生物量的缓慢和不完全水解共同限制了厌氧消化降解的速率和程度。为了提高消化效率，人们开发了不同的分解方法。因此，人们研究了各种污泥分解方法作为预处理方法。这些分解方法破坏细胞壁，导致污泥细胞溶解或解体。可缓慢降解的颗粒有机材料被转化为低分子量易生物降解的化合物，从而绕过了限速水解阶段。
污泥分解方法包括机械分解法、热分解法、化学和生物处理。其中，生物污泥处理被认为是降低污泥中有机物的最有效方法之一，并被认为是环境友好型。利用嗜热菌分泌的胞外酶快速有效地解聚和破解污泥，可改善污泥的降解，提高厌氧消化产甲烷能力。本研究旨在探讨嗜中温酶分泌菌的分解效率。为了改善污泥的分解，这些菌株被培养并用作混合培养物以减少WAS，因为商业上可获得的酶是昂贵的。在活性污泥过程中，细菌聚集形成污泥絮体，这些絮体被EPS保持在一起。EPS由碳水化合物、蛋白质、核酸、脂类等多种有机物质组成，在生物絮凝过程中发挥着重要作用。因此，在预处理前必须去除EPS，以降低有机物的含量。在此基础上，采用SDS表面活性剂去除EPS，以提高细菌预处理的效果。用SDS去除EPS后，污泥基质上吸附的蛋白质、碳水化合物和有机物被释放出来，用作产酶菌的底物。EPS去除后再进行产酶细菌预处理的研究非常有限。本研究的首要目标是用合适的SDS表面活性剂去除EPS，高效去除细胞裂解受限的EPS，并在较低浓度下加快污泥的酶活性，以探讨解絮污泥( EPS去除)对细菌预处理的影响和解絮污泥厌氧生物降解能力潜力的增强，并通过细菌预处理提高沼气产量。
2.方法
2.1 样本的收集
废弃活性污泥采自喀拉拉州特里万德鲁姆市的一家城市污水处理厂的二级澄清池，污泥在4℃下沉淀24小时进行浓缩。WAS的初始特性为：pH = 6.5，TCOD = 10500 mg / L，SCOD = 100 mg / L，TSS = 7000 mg / L，VS = 5600 mg / L。
2.2细菌菌株
本研究中使用的细菌培养物包含两个菌株——芽孢杆菌jerish03登录号-KC597266和芽孢杆菌jerish04登录号-KC597267，这两个菌株是从市政分离出来的，并在以前的工作中得到鉴定。这些菌株通过融合它们分泌的蛋白酶和淀粉酶来促进污泥的分解。细菌生长的最适温度、最适pH值和最适时间分别为40℃、6.5和42h。在装有500 mL营养液的1 L罐式发酵罐中，在pH 6.5、40 ℃、150 rpm的搅拌速度下培养42 h。培养结束后，在指数早期(42 h)收获培养细胞，作为接种物用于WAS增溶。
2.3 SDS去除EPS用量的优化
在装有100 mL污泥和0.002 ~ 0.05 g / g SS的9个250 mL锥形瓶中进行SDS用量优化。将锥形烧瓶培养1小时后，以10000xg离心15 min。去除沉淀，上清液通过0.45mu;m的醋酸纤维素膜过滤，获得无细胞可溶性EPS。对所得可溶性EPS进行了生化表征。
2.4 细菌预处理
将100ml絮凝污泥与2g干细胞重量/L的细菌接种物接种在250ml锥形培养皿中，并在40°C和120rpm下培养42h。同样，保持2个烧瓶，一个对照和另一个不去除EPS的烧瓶单独接种细菌(絮凝)，研究细菌预处理中EPS的去除效率。
2.5 接种菌株的生长动态
在250 mL锥形瓶中取100 mL絮凝污泥，污泥用无菌蒸馏水洗涤10次。然后，将污泥接种到分泌酶的细菌菌株中。细胞接种浓度为 CFU / mL 。通过活菌平板计数技术，将混合液置于选择性培养基（甘露醇盐琼脂培养基）上，定期监测接种菌株的生长。同样，保留100 mL未接种细菌的污泥作为对照，并通过在甘露醇盐琼脂培养基上的平板对菌落进行定量，以确保与接种菌株的生长进行比较。
2.6 厌氧生物降解性试验
采用生物化学甲烷电位（BMP）法对污泥经细菌预处理后的沼气回收率进行了实验。在35°C条件下，在四个反应器（A、B、C和D）中进行分批实验，以研究解絮和细菌预处理、单独絮凝、单独解絮和原污泥的沼气生产效率。在反应器A中，将50 mL的解絮污泥和细菌预处理污泥与150 mL的牛瘤胃液体混合，并将其送入300 mL反应器中。在反应器B中，将50毫升絮凝污泥与150毫升牛瘤胃液体混合，并送入300毫升反应器。在反应器C中，将50毫升解絮污泥与150毫升牛瘤胃液体混合，并送入300毫升反应器。将反应器D作为对照运行，其中将50 mL原污泥与150 mL接种物（牛瘤胃液）混合，并送入300 mL反应器中。以牛消化道的瘤胃细菌为接种物。瘤胃是反刍动物特有的器官，通过特定微生物群的活动，消化多糖分子。这些动物的消化能力与瘤胃中厌氧微生物的存在有关，厌氧微生物将葡萄糖聚合物链分解为醋酸盐。网织瘤胃中的微生物包括细菌、原生动物、真菌和病毒。它们被分为几个功能组，如纤维分解型、淀粉分解型和蛋白分解型，分别优先消化结构性碳水化合物、非结构性碳水化合物和蛋白质。瘤胃古菌约占微生物总数的3%，主要是自养产甲烷菌，通过无氧呼吸产生甲烷。这些产甲烷菌利用细菌、原生动物和真菌产生的大部分氢气将二氧化碳还原为甲烷。瘤胃液体含有大量的厌氧菌。数量更多种类更多的瘤胃液中的厌氧菌能够降解更多种类的底物。接种在生物消化器中的瘤胃液体对累积沼气产量和沼气产量有显著影响。此外，在厌氧生物降解性的情况下，使用高活性动物接种物废物将显著缩短实验时间。
在添加底物和接种物后，用30%的二氧化碳和70%的氮气吹扫反应器中液体上方的顶部空间，以彻底清除系统中的氧气，确保厌氧条件。将混合气体以1 L/min的速率引入反应器5 min。然后，用橡胶隔片密封反应器使其气密，并用铝箔包裹反应器，为微生物生长提供理想的黑暗环境。每天使用轨道振动筛（150–200 rpm）进行混合。通过在隔膜中插入一根针来测量沼气。使用注射器收集培养过程中产生的气体积聚。当产生气体时，由于瓶内压力增加，注射器活塞被推上，并记录置换体积。间歇式反应器的停留时间为35天。沼气中的甲烷含量用气相色谱仪测定。利用修正的Gompertz方程计算沼气的累积产气和生物产气动态平衡：
其中Bt为随时随地( t )产生的累积沼气量( mL )，B为产气潜力( L/(g VS ) )，Rb为最大产气速率( L/( g VS d ) )，lambda;为滞后期( d )，即产生沼气所需的最小时间，或细菌适应新环境所需的时间。借助Polymath软件，采用非线性回归方法测定常数B、Rb、lambda;。
2.7 分析方法
根据标准方法（APHA，2005）测量SS、TCOD和SCOD。以牛血清白蛋白为各自标准，采用Lowryrsquo;s法对蛋白质进行定量。碳水化合物通过蒽酮-硫酸法定量，葡萄糖作为各自的标准。以大肠杆菌DNA为标准，用二苯胺比色法定量DNA。提取的EPS总量通过蛋白质和多糖的总和进行测量。蛋白酶、淀粉酶等酶的检测按前期工作进行。
3. 结果和讨论
3.1 优化去除EPS的SDS用量，增强细菌预处理
EPS是污泥絮体基质的组成部分。各种研究报告表明，污泥絮体占有机组分的60–70%。因此，去除EPS基质可以提高污泥在厌氧生物降解过程中的降解速率和增强降解程度，并提高沼气产量，因此选择在预处理前去除污泥中的EPS。此外，水解酶的分布主要与污泥絮体有关。酶与EPS之间静电作用的形成导致EPS -酶复合物的形成，从而防止酶被洗出。因此，独特的机制胞外酶与胞外多糖（EPS）的复合降低了污泥的酶促反应。因此，EPS所络合的胞外酶的独特作用机制降低了对污泥的酶促反应。
蛋白酶和淀粉酶被污泥包埋或吸附，或固定在其上。包埋降低了酶对污泥的作用，从而降低了预处理的效率。EPS的主要有机组分由蛋白质和多糖组成。因为表面活性剂具有增溶的特性，通过用表面活性剂除去EPS，这些生物聚合物可以被增溶后再液化成水相。表面活性剂可以引起水溶性的明显增大，从而加快非水相物质向水相的溶解速度，这可能会破坏絮体的完整性，释放被捕获的酶(絮体基质内部和细胞表面)，暴露更多的底物。这些增溶的底物反过来又可以被接种的产酶细菌利用。表面活性剂降低了表面张力，导致泡沫的产生，这可能在一定程度上降低了细菌的预处理过程。实验初步表明，在SDS用量为0.02 g / g SS时，泡沫对细菌预处理没有负面影响。在本研究中，可通过接种分泌酶的菌株（以SDS为生长底物）降解EPS。以十二烷基硫酸钠（SDS）为碳源，在极小化的培养基中，通过电镀技术对其进行实验。因此，从污泥中去除EPS后，SDS不会累积。因此，SDS浓度为0.02g/g ss对环境无不良影响，且使用安全。
可溶性EPS的量与絮凝作用存在相关性。因此，为了使污泥解絮，可溶的EPS被去除。对滤液中的可溶性EPS进行生化表征，以确定EPS的去除量。测定滤液中EPS总量和DNA含量。严格提取EPS诱导细胞裂解，因此，可以期待更大的核酸材料释放。因此，EPS的核酸含量可以作为一个很好的标记物，对细胞的破坏有惊人的指示作用。
在图1a中，当SDS剂量达到0.02 g/g SS时，EPS和DNA释放量逐渐增加。在0.02 g/g SDS剂量下，其浓度分别为48mg/L和
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