淀粉酶促进剩余污泥热水解的研究

中国环境科学2011,31(3)：396~401ChinaEnvironmentalScience淀粉酶促进剩余污泥热水解的研究陈小粉1,李小明1,2*,杨麒1,罗琨1,谢冰心1(1.湖南大学环境科学与工程学院,环境生物与控制教育部重点实验室,湖南长沙410082；2.广西大学环境学院,广西南宁530004)摘要：考察了微好氧条件下,外加淀粉酶对污水处理剩余污泥热水解的影响,以及水解过程中污泥上清液各成分的变化情况,并对酶水解过程的动力学进行了分析.结果表明,淀粉酶的加入对剩余污泥的热水解有促进作用.在最适温度50℃,酶投加量0.5g/L条件下,水解4h后,污泥中SCOD/TCOD达到30.98%,比未加酶时高7.68%.在淀粉酶催化作用和热水解的共同作用下,污泥固体溶解,大分子碳水化合物被水解成小分子糖类,固相蛋白质溶出,并进一步水解.污泥水解过程中,上清液糖、蛋白质浓度均呈现先增加后降低趋势.加酶后污泥上清液中糖、蛋白质浓度分别于4h、6h达到最大值271.43mg/L和1437.37mg/L.污泥水解反应前4h内,VSS溶解率和SCOD/TCOD增加迅速,符合一级反应动力学,4h后反应趋于平衡.4h时VSS溶解率达到22.01%.关键词：剩余污泥；淀粉酶；热水解；微好氧；一级反应中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2011)03-0396-06Promotingthermalhydrolysisofexcesssludgewithexternalamylase.CHENXiao-fen1,LIXiao-ming1,2*,YANGQi1,LUOKun1,XIEBing-xin1(1.KeyLaboratoryofEnvironmentalBiologyandPollutionControl,CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China；2.CollegeofEnvironment,GuangxiUniversity,Nanning530004,China).ChinaEnvironmentalScience,2011,31(3)：396~401Abstract：Theeffectsofα-amylaseonexcesssludgethermalhydrolysisunderaerobicconditionswereinvestigated.Itwasfoundthatsludgehydrolysisefficiencycouldbeenhancedbyamylase.Whentreatedatthedosageof0.5g/Lofamylase,SCOD/TCODinsludgecouldreach30.98%undertheoptimaltemperature50℃,whichwas7.68%higherthanthecontrolexperiment.Asaresultoftheinteractionofamylaseandthermalhydrolysis,sludgesolidsdissolvedfirstandsubsequentlymacromolecularcarbohydratewashydrolyzedintosmall-molecularsugar,andtheproteininsolid-phasereleasedandfurtherwashydrolyzed.Theconcentrationsofbothsugarandproteininsupernatantshowedanincreaseintheinitialstageandthendecreaselater.Aftertheadditionofamylase,thehighestconcentrationofsugarinsupernatantcouldreach271.43mg/Lat4h,whiletheproteinreach1437.37mg/Lat6hunder50℃respectively.Furthermore,VSSdissolutionrateandSCOD/TCODwereprovedtobeconsistentwithfirst-orderreactiondynamicwithinprior4hat50℃andreachedbalanceafter4h,atwhichtheVSSdissolutionratereached22.01%.Keywords：excesssludge；amylase；thermalhydrolysis；micro-aerobic；first-orderreaction活性污泥法是目前应用最广泛的污水处理技术,其剩余污泥量约占总处理污水量的0.3%~0.5%(按含水率97%计),如进行深度处理,污泥量还可能增加0.5~1.0倍[1].大量的剩余污泥如果不经处理,不仅会对环境造成二次污染,更造成了资源的浪费.传统的污泥处理工艺好氧消化时间长,动力消耗大;其中水解是污泥厌氧消化的限速步骤,剩余污泥的可降解性差又是制约其厌氧消化的瓶颈问题[2].相对于物理法(热处理、超声波等)、化学法(臭氧氧化、碱处理等)和生物法[3-7],外加水解酶(如淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等)的污泥处理方法,不但可以缩短污泥水解时间,改善污泥性能,有利于污泥的后续处理,且对环境无二次污染[8].Kim等[9]在厌氧条件下,外加酶水解餐厨垃圾,取得了良好的减量效果.Yang等[10]实验研究表明,外加酶可以强化污泥的厌氧水解,4h内收稿日期：2010-07-29基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划(NCENT-0770);国际科技合作重点项目(2004DFA06200)*责任作者,教授,[e-mail]3期陈小粉等：淀粉酶促进剩余污泥热水解的研究397水解可趋于平衡.然而污泥厌氧水解反应条件不易控制,易产生H2S等有害气体.相对于厌氧水解,微好氧条件则操作简单,反应后污泥没有臭味.有氧条件下,外加酶可以促进污泥的水解,污泥中嗜热菌可以通过隐性生长实现污泥减量化.本研究在微好氧条件下,通过向污泥中投加工业级淀粉酶,考察了淀粉酶对污泥热水解的影响,以及污泥水解过程中各指标的变化情况,为污泥酶处理技术提供参考和依据.1材料与方法1.1污泥性质实验所用剩余污泥取自长沙市第二污水处理厂二沉池污泥.污泥先经过30min沉淀,弃去上清液,再经1×1mm的筛网过滤去除杂质后,于4℃冰箱中保存备用.pH值6.7~7.1,总化学需氧量(TCOD)8341~8898mg/L,可溶解性化学需氧量(SCOD)52~268mg/L,TSS9.93~10.75g/L,VSS6.67~7.35g/L,蛋白质浓度0~70mg/L,总糖浓度0~19.28mg/L.1.2实验所用酶本实验选用的工业级α-淀粉酶是由上海杰辉生物科技有限公司提供.酶活力6000U/g,最适pH值为5.5~7.5,最适温度50~60.℃1.3实验方法确定酶最佳投加量实验:取100mL污泥加入到250mL锥形瓶中,将不同量淀粉酶(0,0.25,0.50,1.00,1.50g酶/L)分别加入污泥中,同时设空白对照组,分别于40,50,60℃恒温水浴振荡器中反应,4h后平行取样分析.污泥水解过程分析实验:取400mL污泥加入到500mL锥形瓶中,控制淀粉酶投加量0.5g/L(以污泥体积计),分别置于50,60℃恒温水浴振荡器中反应,同时设空白对照,定时平行取样分析.动力学实验:取400mL污泥加入到500mL锥形瓶中,控制淀粉酶投加量0.5g/L,反应温度为50℃,定时平行取样分析.微好氧条件的控制:将反应器锥形瓶置于恒温水浴振荡器中,调节反应所需的温度及转速,保证污泥液能够完全混合而不沉降.氧的供给是靠污泥液振荡混合时的自然溶氧,即该反应为被动供氧方式.1.4分析项目和方法TSS、VSS采用重量法测定;COD采用微波密封消解,重铬酸钾法测定,其中SCOD为离心机(转速为10000r/min)离心10min后上清液的化学需氧量,TCOD为污泥悬浮液的总化学需氧量;上清液中的还原糖采用苯酚-硫酸法进行测定,以葡萄糖为标准物[11];上清液中的蛋白质采用Folin-酚法测定,以酪蛋白为标准物[12].COD和蛋白质的实际浓度分别为测定值减去外加淀粉酶所增加的值(淀粉酶投加量为1.0g/L时,COD和蛋白质的增加值分别为500mg/L和140mg/L).2结果与讨论2.1淀粉酶投加量对污泥水解的效果在酶的作用下,随着污泥的水解,污泥中的固相有机物,如碳水化合物、蛋白质和脂肪等逐渐释放,由固相转移至液相,使污泥中SCOD浓度升高.分别于40,50,60℃下向污泥中投加不同量的淀粉酶,投加量分别为0,0.25,0.50,1.00,1.50g/L,反应4h后,污泥中的SCOD/TCOD随酶投加量的变化如图1所示.由图1可知,3种温度条件下,反应后污泥中SCOD/TCOD均随酶投加量的增加而升高.然而当酶投加量超过0.5g/L时,SCOD/TCOD变化不明显,这可以用酶的反应动力学来解释.酶浓度较小时,底物浓度远高于酶浓度,此时酶浓度与反应速度成正比,表现为一级反应;然而随着酶浓度的继续增加,反应速度逐渐减缓,此时为混合级反应;当酶浓度增加到一定值时,底物浓度对反应速度影响逐渐变小,最后反应速度几乎与底物浓度无关,表现为零级反应.因此考虑到污泥处理的经济性,本研究确定酶的最佳投加量为每L污泥中投加0.5g淀粉酶.由图1还可以看出,水解反应后污泥的SCOD/TCOD随温度的升高而增加.酶投加量相同的情况下,40℃时污泥的SCOD/TCOD明显低于50,60℃.一方面是由于该淀粉酶的最适活性温度为50~60℃,在40℃下,酶的活性没有得到充分表现.另一方面,在有氧条件下,污泥中的兼氧性嗜热菌398中国环境科学31卷会以液相中的有机质为碳源,进行生长繁殖,从而使溶解性有机物返回至固相.40℃时污泥中的活性微生物较50,60℃时多,后者的影响也就较明显.在酶最佳投量0.5g/L下,反应4h后,60℃和50℃污泥中SCOD/TCOD分别为33.83%和27.71%.根据修正后的Arrhenius公式:γ(T)=γ(20)·℃θ(T-20)可知,反应速率随着温度的提高而加快,在最适温度范围内,温度每升高10℃,酶促反应速度可相应提高1~2倍[13].然而该反应中60℃时比50℃时仅提高了6.12%.这可能是由于该反应系统为开放系统,液相中的有机物在高温下挥发至气相,使污泥的SCOD减小.在60℃下,有机物的挥发量比50℃下要高,从而使60℃时SCOD减小得更多.此外,本研究的污泥水解反应是在有氧条件下进行的,从而抑制了厌氧条件下硫酸盐的还原过程,避免了H2S恶臭气体的产生.00.51.01.51020304060℃50℃40℃SCOD/TCOD(%)淀粉酶投加量(g/L)图1不同温度下污泥中SCOD/TCOD随淀粉酶投加量的变化Fig.1SCOD/TCODofsludgewithdosageofenzymeunderdifferenttemperature2.2淀粉酶投加对污泥水解作用的过程分析2.2.1污泥水解过程中SCOD/TCOD的变化图2为温度50,60℃时,淀粉酶投加量固定为0.5g/L,污泥酶水解实验中污泥SCOD/TCOD随时间的变化.加酶后污泥的SCOD/TCOD比不加酶时均有一定增加.污泥水解反应前4h,50、60℃加酶和50℃空白实验中,污泥的SCOD/TCOD均随反应时间的增加而升高,4h后50℃时曲线趋于平缓,60℃加酶曲线则开始下降;60℃空白实验中污泥的SCOD/TCOD在3h达到最大值27.8%,之后迅速下降.0246810203040SCOD/TCOD(%)时间(h)60℃加酶60℃空白50℃加酶50℃空白图2不同条件下污泥