活性污泥法是城鎮污水處理廠常用的水處理工藝，具有運行簡單、成本低、處理效率高的特點。但污水處理過程會產生大量含有豐富的蛋白質、多糖及脂類的剩余污泥，常規的填埋、焚燒等處理方式不僅引起環境二次污染，同時造成資源浪費，因此，剩余污泥如何妥善處置已成為當今環保領域亟待解決的問題。

污泥厭氧發酵技術利用厭氧微生物將大分子有機物轉化成小分子物質，發酵產物之一短鏈脂肪酸(SCFAs)不僅是生產聚羥基脂肪酸(PHAs)的工業原料，同時也是微生物的優選碳源，可作為內碳源用于低碳氮比污水處理廠脫氮除磷，因其巨大的潛在價值使污泥厭氧發酵產酸技術受到眾多學者的關注。研究發現，利用堿、酸或其聯合方法處理剩余污泥均能實現SCFAs積累。近年來，高級氧化法也被嘗試用于污泥處理，高活性物質不僅能夠促進污泥水解釋放蛋白質和多糖等酸化基質，同時有效控制產甲烷菌活性，促進SCFAs高效積累。高鐵酸鉀(PF)是一種強氧化劑，通過單電子或雙電子轉移機制可與有機物反應，已廣泛用于苯酚、砷酸鹽等的處理。YE等研究發現，PF能夠提高污泥溶解性；WU等將PF用于污泥脫水和溶解處理；張彥平等將PF與堿耦合處理剩余污泥，實現污泥減量，但是對于發酵系統中產酸及生物酶活性未進行深入研究。本研究將系統分析PF對污泥厭氧發酵性能的影響，結合生物酶的變化進一步分析PF在污泥厭氧發酵過程中作用機理。

1、材料與方法

1.1 污泥來源及實驗裝置

本實驗所用剩余污泥取自鄭州市某城市污水處理廠好氧池，使用前用自來水清洗3次，再進行濃縮，污泥和濾液性質見表1。反應器材料為有機玻璃，容積為2.5L，有效容積為2.0L，反應過程中進行勻速攪拌。

1.2 實驗方法

分別取2L污泥投加至1#~5#反應器，分別向反應器中投加PF，控制PF投加量為0、20、40、80、160mg/mg（基于MLSS計算），隔天取樣測定各項理化指標。

1.3 分析方法

COD、氨氮、磷酸鹽、MLSS及MLVSS根據文獻測定；脫氧核糖核酸（DNA)采用痕量分光光度計（NAN（ODROP2000）測定；PH用水質測定儀（PHS-3E）測定；SCFAs采用氣相色譜儀（GC6890B）測定；胞外聚合物(EPS)采用離心法提取，其中多糖和蛋白質采用紫外一可見分光光度法測定；蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、堿性磷酸酶（ALP）、酸性磷酸酶(ACP)和脫氫酶（DH)采用分光光度法測定；污泥粒徑利用激光粒度測定儀（MICROTRACS3500）測定。所有項目檢測試劑均為分析純。

污泥厭氧發酵是污泥中微生物細胞解體、有機物釋放過程，而污泥溶液化率（SCOD)和污泥分解率（DDCOD)可表征污泥中微生物細胞解體程度，也可表征污泥水解性能，計算公式分別見式(1)和式(2)：

式中：ηSCOD為SCOD，%；CCOD，s為溶解性COD質量濃度，mg/L；CCOD.so為原始溶液中溶解性COD質量濃度，mg/L；CCOD.po為污泥原始顆粒中COD質量濃度，mg/L；ηDDCOD為DDCOD，%；CCOD.NaoH為1mol/LNaOH處理剩余污泥24h后的COD質量濃度，mg/L。

2、結果與討論

2.1 污泥水解性能

2.1.1 PF對污泥溶解的影響污

泥溶解是污泥細胞破碎并釋放可溶性有機物的過程，伴有部分DNA釋放，包括污泥溶液化和污泥分解兩個過程。由圖1可知，不同濃度的PF對污泥溶液化和污泥分解具有明顯的影響。分析數據可知，SCOD、DDCOD具有相同的趨勢，均隨著PF的投加量增加而增大，當PF為160mg/mg時，SCOD和DDCOD分別為57.95%和78.54%，均約為0mg/mg發酵系統的1.6倍，可見，PF能夠促進污泥溶解。同時發現，PF發酵系統的剩余污泥溶解性能高于單過硫酸氫鉀（SCOD為30.51%），但是與堿性發酵系統相似（SCOD為53.8%）。這是因為PF水解后能夠產生大量的FeO42-，FeO42-具有極強的氧化性能，直接破壞細胞壁，氧化分解污泥絮體，促進有機物分解，而單過硫酸氫鉀是通過高活性分子破壞微生物細胞膜的通透性屏障，產生的自由基作用于磷酸二酯和核糖核酸（RNA)，造成微生物死亡，因此，PF對污泥的作用更加劇烈，使其發酵系統的污泥溶解性能高于單過硫酸氫鉀污泥厭氧發酵系統。本研究發酵系統中DNA濃度也隨著PF投加量的增加而增大，證明PF能促進污泥中細胞的溶解，造成胞內有機質大量釋放。

2.1.2 污泥中蛋白質和多糖的釋放

蛋白質和多糖是污泥EPS的主要成分，是污泥厭氧發酵系統中產酸菌的作用基質，因此，蛋白質和多糖的產量是影響污泥厭氧發酵產酸的關鍵因素。由圖2可知，發酵過程中蛋白質和多糖與DDCOD和SCOD趨勢相近，也基本隨著PF的增加而增大，160mg/mg發酵系統中發酵末期蛋白質和多糖分別為552.17、355.39mg/L，分別為0mg/mg發酵系統的2.7、4.6倍，說明PF能夠促進剩余污泥分解，提高蛋白質和多糖的釋放。這是因為PF有效成分FeO42-能夠有效氧化有機物，破壞活性污泥中EPS結構，使蛋白質和多糖釋放至發酵系統，而副產物OH-大幅度提高發酵系統pH，強化PF的破壁作用，導致蛋白質和多糖隨著PF濃度的增加而增大。同時結果表明，發酵系統中蛋白質和多糖質量比（1.5~2.0）與單過硫酸氫鉀發酵系統相似，低于堿性發酵系統(7～8）及酸性發酵系統(10~16)，這是因為與多糖相比，蛋白質中的色氨酸、酪氨酸等更加容易被氧化，造成蛋白質含量明顯降低。

2.2 污泥酸化性能

2.2.1 PF對SCFAs的影響

剩余污泥發酵系統SCFAs是由產酸菌利用污泥水解產物蛋白質和多糖通過新陳代謝生成，SCFAs可直接反映污泥發酵系統的性能。分析圖3（a）可知，COD產量隨著PF投加量的增加而增大，160mg/mg發酵系統中COD質量濃度最高達3985mg/L，這與發酵系統中污泥溶解性相關。同時由圖3（b）可知，SCFAs產量也隨著PF投加量的增加而增大，160mg/mg發酵系統中SCFAs質量濃度末期達914.30mg/L，是同時段0mg/mg發酵系統的8.3倍。這是因為高濃度PF污泥厭氧發酵系統含有豐富的蛋白質和多糖等水解產物，能為產酸菌提供豐富的反應基質，且PF溶于水后產生一定量的OH-，使發酵系統pH升至9.1~9.6，處于堿性環境，與LI等的研究結果相似，該環境對產甲烷菌活性具有較強的抑制作用，降低產甲烷菌對SCFAs的消耗，使160mg/mg發酵系統中SCFAs產量最大。HE等研究發現，PF的強氧化性和高pH使發酵系統中SCFAs得到有效積累。本研究中的SCFAs產量略低于WANG等的研究結果，可能是因為本研究的實驗溫度（10~15℃)明顯低于文獻的實驗溫度（30～40℃），屬于低溫發酵反應，同時本研究的PF投加量也遠低于其他實驗，因此SCFAs產量相對較低。

由圖3(c)可知，PF對SCFAs成分具有明顯影響，其中乙酸隨著PF的增加而增多，160mg/mg發酵系統中乙酸質量分數最高，為57.81%，與WANG等的研究結果相似。丙酸、正丁酸、異丁酸隨著PF的增加而降低，其中0mg/mg發酵系統中丙酸、正丁酸和異丁酸質量分數分別為16.86%、21.55%、26.74%，分別是160mg/mg發酵系統的1.7、1.7、3.6倍，正戊酸和異戊酸隨PF投加量變化較小。這是因為微生物在污泥厭氧發酵過程中發揮了重要作用。PF促進梭狀芽孢桿菌(Clostridia)和擬桿菌（Bacteroidia)生長，以上兩者能分解復雜有機物為乙酸，造成乙酸大量積累。

2.2.2 PF對氨氮和磷酸鹽的影響

氨氮和磷酸鹽是污泥中有機氮和有機磷水解酸化后的副產物，也是衡量污泥厭氧發酵性能的指標。由圖4可知，氨氮濃度隨著PF投加量增加而增大，這是因為PF溶于水后產生大量強氧化性的FeO42-，提高污泥水解酸化性能，因此大量的有機氮被分解成氨氮，發酵末期160mg/mg發酵系統中氨氮為471.53mg/L。與氨氮不同，磷酸鹽大體上隨著PF投加量的增加而降低，這是因為PF釋放的Fe3+在發酵系統中被還原成Fe2+，Fe2+可與磷酸鹽進一步合成藍鐵礦（Fe4（PO4)2·8H2O)，進而降低系統中磷酸鹽濃度，可見，PF不僅能夠提高SCFAs產量，同時原位形成藍鐵礦，實現磷酸鹽回收。

2.3 PF對生物酶活性影響

蛋白質和多糖是剩余污泥中EPS的主要成分，也是產酸菌重要的反應基質，但是產酸菌無法直接利用蛋白質和多糖進行產酸反應，需要生物酶將蛋白質和多糖分解為小分子物質。其中，蛋白酶破壞大分子蛋白質的肽鏈為氨基酸，α-葡萄糖苷酶破壞麥芽糖內的α-1，4糖苷鍵并釋放單糖，達到水解蛋白質和多糖的目的，所以蛋白酶和α-葡萄糖苷酶在污泥厭氧發酵過程中起著重要作用。由圖5(a)和圖5(b)可知，蛋白酶和a-葡萄糖苷酶活性隨著PF投加量先增加后降低，其中，80mg/mg發酵系統中蛋白酶活性最高，為234.89U/mg，是0mg/mg發酵系統的2.6倍，同時80mg/mg發酵系統中α-葡萄糖苷酶活性最高，為0.064U/mg，是0mg/mg發酵系統的3.6倍，可見，PF能夠提高發酵系統蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性，但是高濃度PF抑制蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性，這是因為高濃度PF釋放大量的FeO3，不僅破壞細胞結構同時滅活生物酶。蛋白酶活性遠高于α-葡萄糖苷酶，這是因為α-葡萄糖苷酶位于球體層，蛋白酶位于懸浮層（SB)，當反應底物從細胞內向細胞外轉移時，生物酶也隨之向外轉移，因此，底物越豐富，相關生物酶活性越高。

微生物體內含有豐富的有機磷，磷酸酶對有機磷的分解具有重要的作用，磷酸酶將有機磷水解成無機磷并參與細胞質合成。由圖5(c)和圖5(d)可知，與蛋白酶和α-葡萄糖苷酶相同，堿性磷酸酶活性隨著PF的增加先增加后降低，80mg/mg發酵系統中堿性磷酸酶活性最高，為0.028U/mg；但是酸性磷酸酶隨著PF增加而降低，160mg/mg發酵系統中活性最低，為0.051U/mg。可見，過高PF濃度抑制磷酸酶活性。

脫氫酶是一種能氧化底物的氧化還原酶，由圖5(e)可知，脫氫酶隨著PF投加量的活性先增加后降低，80mg/mg發酵系統中脫氫酶活性為0.72U/mg，但160mg/mg發酵系統中脫氫酶活性降低，為0.62U/mg，但是仍高于0~40mg/mg發酵系統（0.25～0.41U/mg）。可見PF能夠有效提高磷酸酶和脫氫酶活性，為分解和氧化有機物起著重要的作用。

2.4 PF對發酵污泥性質的影響

EPS對維持微生物的結構和細胞間的聚集作用至關重要，同時有利于維持污泥絮體的穩定性。PF對EPS結構具有顯著的影響，其中SB和疏松層(LB)中的蛋白質和多糖隨著PF的增加而增大，而緊致層(TB)中蛋白質和多糖隨著PF的增加而降低(見圖6)。這是因為，微生物對于惡劣環境具有應急保護機制，在不利環境下會在細胞表面分泌大量的蛋白質和多糖，TB的EPS向SB和LB轉移，造成TB的EPS含量隨著PF投加量的增加而降低，而SB和LB中蛋白質和多糖隨著PF投加量增加而增大。研究發現，LB中的蛋白質和多糖含量的增加會降低細胞附著性和惡化絮體結構，造成污泥解體，進而改變污泥粒徑。0～160mg/mg發酵系統中分配率為50%的污泥粒徑依次為38.39、40.95、38.77、38.13、19.60μm，可見高濃度的PF使污泥絮體受到極大的破壞，降低污泥粒徑，這與MLSS和MLVSS均隨著PF投加量的增加而降低的現象一致，說明PF能夠有效破壞污泥絮體結構。

3、結論

(1)PF能夠有效促進污泥水解酸化性能，蛋白質、多糖和SCFAs隨著其濃度的增加而增大。PF能夠優化污泥厭氧發酵系統產酸類型，提高乙酸比例。

(2)適當濃度的PF促進蛋白質、α-葡萄糖苷酶和堿性磷酸酶活性，但高濃度PF抑制生物酶活性。