实验污泥取自污水处理厂二沉池，经重力浓缩，弃去上清液，调节污泥含固率为2.5%~3.5%，污泥置于4℃冰箱中保存待用. 其特征如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 污泥基本特性 Table 1 Characteristics of waste activated sludge pH TSS/g·L-1 SCOD/mg·L-1 SCFAs/mg·L-1 可溶性糖/mg·L-1 蛋白质/mg·L-1 7.6±0.2 28.6±0.3 2748.0±34.0 801.3±11.7 176.3±1.9 680.6±8.2

表 1 污泥基本特性 Table 1 Characteristics of waste activated sludge

实验中生物表面活性剂选用由南京都莱生物技术有限公司提供的质量分数为50%的APG，本药品为乳白色膏体.

TSS采用重量法^[12]测定； 表面张力采用拉脱法^[13]测定，测定仪器为 QBZY-1型自动界面张力仪； 污泥5 000 r ·min^-1离心15 min，上清液过0.45 μm滤膜后测定SCOD、 蛋白质和可溶性糖浓度，SCOD测定采用哈希DRB200消解仪； 蛋白质采用Folin-酚试剂法^[14]测定，以牛血清白蛋白为标准物； 可溶性糖采用苯酚-硫酸法^[15]测定，以葡萄糖为标准物； SCFAs采用戴安ICS-2100离子色谱测定； α-葡萄糖苷酶和蛋白酶的测定方法参见文献^[16].

实验共采用7个250 mL的血清瓶，其中1~5号血清瓶中分别加入0.05、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4 g ·g^-1 的APG(以TSS计，下同)和200 mL污泥； 6号不加APG，仅加入200 mL污泥，作为空白对照； 7号加入10 g ·L^-1的APG190 mL和10 mL的剩余污泥. 向7个血清瓶中通入氮气3 min以驱除空气，然后密闭置于30℃恒温振荡器中进行反应.

在30℃向污泥中投加不同量(0、 0.05、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4 g ·g^-1)APG，污泥表面张力的下降量随时间的变化如图 1所示. 随着APG投加量由0.05 g ·g^-1增大到0.4 g ·g^-1，污泥表面张力下降量分别为38.7、 41.5、 42.7、 43.1、 43.2 mN ·m^-1，可见APG的投加显著降低污泥表面张力，但是当投加量超过0.2 g ·g^-1后，表面张力降幅不大.

图 1

Fig. 1

图 1 不同APG投加量下污泥表面张力随时间的变化 Fig. 1 Variation of surface tension with time at different APG dosages

因为具有两亲结构的表面活性剂进入水中后，疏水基团朝向空气端，亲水基指向水溶液，其能在液体表面形成单分子薄膜，使得原本的液-气界面被表面活性剂-气界面所取代，形成新界面所需要的能量小，则溶液的表面张力降低^[17,18,19]. 而当整个液面都被APG分子覆盖后，表面张力最小，此时APG在污泥中达到饱和.

蛋白质和可溶性糖是污泥的主要成分，也是产生有机酸的主要基质^[20]. 于30℃向污泥中投加不同量(0、 0.05、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4 g ·g^-1)APG，污泥发酵上清液中SCOD随时间的变化如图 2所示，SCOD的溶出量常用来表征污泥的水解效果，即蛋白质和和可溶性糖的释放情况，两者的具体浓度变化如图 3和4所示. 投加量由0增加到0.1 g ·g^-1时，SCOD变化不大，继续增大为0.2 g ·g^-1时SCOD迅速增大，溶出量比空白组增加2倍，而随着投加量继续增加，SCOD涨幅较小.

图 2

Fig. 2

图 2 不同APG投加量下SCOD浓度随时间的变化 Fig. 2 Variation of SCOD concentration with time at different APG dosages

图 3

Fig. 3

图 3 不同APG投加量下蛋白质浓度随时间的变化 Fig. 3 Variation of protein concentration with time at different APG dosages

图 4

Fig. 4

图 4 不同APG投加量下可溶性糖浓度随时间的变化 Fig. 4 Variation of soluble carbonhydrate concentration with time at different APG dosages

由图 3和图 4可见，蛋白质和可溶性糖浓度随APG投加量的变化趋势与SCOD相似，在投加量为0.05、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4 g ·g^-1时，蛋白质浓度均在9 h达到最大值，分别为1 284.5、 1 447.3、 1 639.3、 1 761.7、 1 789.7 mg ·L^-1，空白组仅为1 122.9 mg ·L^-1，维持一段时间动态平衡后缓慢降低； 可溶性糖浓度前9 h变化不大，在9~12 h迅速增加，不同投加量0.05、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4 g ·g^-1下可溶性糖浓度均在12 h达到最大值，分别为374.1、 440.5、 1 205.8、 1 328.9、 1 411.5 mg ·L^-1，而空白对照组仅为246.5 mg ·L^-1. 两者都在短时间达到较高浓度，相对于空白对照组，投加APG的实验组中有机质的释放量显著提高, 这与Ji等^[4]研究结果一致. 初期有机质的释放速率大于降解速率，故在较短时间内暂时积累，表观浓度迅速增加，随着反应时间的延长，蛋白质和可溶性糖被不断转化为小分子有机物，或进一步被利用产SCFAs，或部分转化为NH⁺₄、 CO₂、 H₂ O挥发^[20]，则有机物的表观浓度降低.

图 5给出了APG投加量对剩余污泥水解产酸过程中SCFAs总浓度的影响，从中可以看出，APG的投加明显提高了SCFAs的产量. 在不同投加量0、 0.05、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4 g ·g^-1下，最大SCFAs浓度分别为1 609.9、 1 706.6、 1 888.7、 2 221.6、 2 444.9、 2 485.3 mg ·L^-1，由此可见，在实验所涉及的APG投加量范围内，污泥累积产酸量随着投加量的增加而增大，且污泥达到最大SCFAs浓度所需的酸化时间随着APG投加量的增加而延长，这一现象与Jiang等^[21]利用化学表面活性剂进行实验的研究成果一致.

图 5

Fig. 5

图 5 不同APG投加量下SCFAs浓度随时间的变化 Fig. 5 Variation of SCFAs concentration with time at different APG dosages

图 6给出了空白实验和剩余污泥在0.2 g ·g^-1的APG作用下，产生的各组分SCFA浓度占SCFAs总浓度的比例随时间的变化. 不论APG是否存在，剩余污泥在水解产酸过程中都可以检测到乙酸、 丙酸、 丁酸和戊酸这4种短链脂肪酸. 在水解产酸初期，空白实验中各组分浓度顺序为乙酸>丙酸>丁酸>戊酸，这一SCFAs浓度的排列顺序与文献^[22]中的报道一致，乙酸所占比例随时间延长而增大，丙酸所占比例则减小； 在投加APG后，戊酸浓度超过丁酸，且随时间延长其比例增大，此外，实验过程中有少量甲酸出现，这与化学表面活性剂作用下污泥中SCFA组分分布不同^[23]. 由此可见，APG不仅提高剩余污泥的SCFAs产量，还可以改变SCFA各组分浓度分布，SCFA组分的具体变化情况可能与APG作用下微生物菌群的变化有关.

图 6

Fig. 6

图 6 APG投加量为0.2g ·g-1和空白实验中各组分SCFA与总SCFAs浓度的比例随时间的变化 Fig. 6 Percentage of individual SCFA during fermentation at APG dosage of 0.2g ·g-1 and blank test

脱离污泥表面并溶解到液相中的大分子有机物，先在微生物的体外被微生物产生的水解酶水解为小分子有机物，而后再被微生物吸收同化，酶活性直接影响有机物的降解和污泥的减量^{[24, 25]}. 鉴于本实验污泥所含有机物主要是蛋白质和糖，故讨论蛋白酶和α-葡萄糖苷酶酶活的变化，其中，蛋白酶将蛋白质水解为多肽，α-葡萄糖苷酶专一水解葡萄糖分子中的α-1，4-葡萄糖苷键^{[26, 27]}. 图 7为厌氧发酵12 h时APG的投加量对α-葡萄糖苷酶和蛋白酶酶活的影响(以相对酶活表示，其中将空白实验中两种水解酶的初始活力计为1).

图 7

Fig. 7

图 7 厌氧发酵第12 h不同APG投加量下水解酶的相对活力 Fig. 7 Enzyme activities with different APG dosages at the 12th hour of fermentation

从图 7中可以看出，在APG作用下，α-葡萄糖苷酶酶活明显提高，当APG的投加量从0增加到0.2 g ·g^-1时，α-葡萄糖苷酶相对活力由1.5增加到2.2，蛋白酶相对活力由1.3增大到1.9，当投加量继续增大时，α-葡萄糖苷酶相对活性继续增大到2.5，而蛋白酶相对活性却降为1.5，但其仍高于空白对照组.

水解酶酶活随时间的变化如图 8(以投加量为0.2 g ·g^-1和0.4 g ·g^-1为例，其它投加量下变化趋势与其相同)，并与空白对照组进行对比. 从图 8可以看出，不论APG是否存在, 蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的相对活力都随着时间的延长而逐渐降低. 对于蛋白酶，当投加量较低(如0.2 g ·g^-1)时，发酵36 h蛋白酶活力仍高于空白对照组，但是投加量增高到0.4 g ·g^-1时，原本增强的蛋白酶活性在30 h时已经低于空白对照组[如图 8 (a)]. 同时发现，取样范围内投加了APG的实验组中α-葡萄糖苷酶酶活一直高于空白对照组，且随着APG投加量的增加，酶活越强.

图 8

Fig. 8

图 8 蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的相对活力随时间的变化 Fig. 8 Time course of relative activities of protease and α-glucosidase under different fermentation conditions

本研究中仅考察了APG对两种水解酶活力的影响以及水解酶活力随发酵时间的变化，当然，这并不能代表剩余污泥水解产酸过程中所有参与反应的水解酶的变化规律，但以上实验结果仍可以说明一定剂量APG的存在确实增强了剩余污泥中某些水解酶的活力，从而有利于污泥发酵过程中有机物的水解.

APG对剩余污泥发酵过程中pH的影响如图 9所示，可以看出，不论APG是否存在，剩余污泥的pH都随着时间的延长先降低后升高. 发酵初始SCFAs快速累积，表现为pH的下降，且APG的投加量越大，pH下降越快，间接证明SCFAs浓度随着APG的投加而增大. 随着发酵的进行，SCFAs浓度逐渐降低且NH⁺₄大量累积，导致pH升高，且APG投加量越大，NH⁺₄释放速率越快，则pH升高越快.

图 9

Fig. 9

图 9 不同APG投加量下pH随时间的变化 Fig. 9 Variation of pH with time at different APG dosages

考虑到APG在水解产酸过程中自身可能降解为SCFAs，因此，设置了6号血清瓶进行验证，检测结果如表 2所示，可见实验过程中APG自身对SCFAs的贡献很小，不超过70mg ·L^-1，故可忽略.

表 2(Table 2)

表 2 APG自身降解为SCFAs的浓度变化 Table 2 Amount of SCFAs produced from APG 时间/h 0 3 6 12 24 36 48 SCFAs/mg·L-1 39.2 50.4 63.3 48.7 52.3 36.6 21.5

表 2 APG自身降解为SCFAs的浓度变化 Table 2 Amount of SCFAs produced from APG

生物表面活性剂APG之所以能促进剩余污泥水解产酸，是因为APG的两亲性，使其可以连接污泥表面的大分子有机物与水分子，在搅拌作用下，有机物可脱离污泥进入液相中. APG在污泥中达到饱和后，可通过碳氢链的疏水作用缔合成胶团，缔合作用是自发进行且具有可逆性的，使得原来不溶或微溶于水的有机物被加溶在胶团中，进入胶束内部的有机物通过乳化或假增溶方式而脱附进入水相，从而增加有机物在水中的溶解度，为污泥产酸提供更多底物^[28].

此外，生物膜由大量磷脂分子组成，磷脂与表面活性剂有类似的结构和性能，所以细胞膜对表面活性剂具有较强的吸附作用，这种吸附作用可改变细胞膜的通透性，使有机质和中间代谢物的跨膜速率加快^[29,30，31]. 大量蛋白质和可溶性糖脱离污泥表面溶解于液相中，在微生物的体外被水解酶进一步水解为低分子量的有机物，这一过程反复进行直到水解产物(单糖和氨基酸)足够小，以至于可以被微生物细胞直接吸收同化，被微生物吸收的单糖和氨基酸进入酸化阶段，最终被转化为SCFAs.