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伴隨城鎮化的加速，污水處理量不斷增加。剩余污泥（ES）是污水生化處理過程中的衍生物，其含有大量有機質、病原體等，若處理不當會對環境造成二次污染，危害生態安全。厭氧發酵能有效處理ES并實現能源回收及污泥減量，因而ES厭氧發酵技術得到廣泛關注。ES外側包裹胞外聚合物（EPS）和細胞壁，水解速率緩慢，導致發酵過程內高價值產物短鏈脂肪酸（SCFA）積累量較低。因此，污泥破壁是實現高效厭氧發酵產SCFA的前提與保障。

次氯酸鈉（SH）可有效破壞細胞結構，SH溶于水后會產生大量氧化性強的自由基（活性氯和活性氧），能有效分解污泥絮體。唐玉霖等證實SH強化二價鐵鹽混凝能夠有效提升含藻污泥的脫水性能，且當SH濃度為1.5~2.0mg/L時，脫水性能達到最佳。SH能有效改變污泥表面特征，提高污泥的黏附性和內聚性。然而關于SH強化ES厭氧發酵積累SCFA的研究有限，且SH強化污泥厭氧產酸的作用機制尚不明確。

基于此，筆者探究SH對污泥厭氧發酵產SCFA的影響，并通過有機質生物轉化、營養鹽釋放特征及關鍵酶活性表達揭示SH強化ES厭氧發酵積累SCFA的機制，以期為污泥高效資源化利用提供理論依據。

1、材料和方法

1.1 實驗材料

實驗所用ES取自濟南某污水處理廠濃縮污泥，所取污泥首先經2.0mm篩網過濾，靜置24h后排出上清液。污泥濃縮后在8000g下離心10min，過0.45μm濾膜后測定相關性質。接種物來自某實驗室厭氧發酵污泥，經過濾去掉雜質后備用。實驗所用污泥主要特征見表1。

1.2 實驗步驟

實驗在5組（R1~R5）相同的血清瓶（V=600mL）中進行，每組含有3個血清瓶。首先向各組血清瓶內添加200mL接種物和300mL的ES，然后向各組投加不同劑量的SH，并控制其初始濃度分別為0（空白組）、1%、2%、3%和4%，而在系統發酵過程中未全程控制SH濃度。ES發酵初始pH通過添加4.0mol/L的氫氧化鈉或鹽酸控制為7.0±0.2，反應過程中不進行調控。待全部物料投加完畢后，向反應器內充入高純度氮氣（純度>99.9%）排凈氧氣以保證厭氧條件，最后，將上述血清瓶轉移至恒溫水浴搖床振蕩培養箱進行25d的厭氧發酵。

1.3 分析方法

ES的基本特征如TSS、VSS、pH、氨氮（NH4+-N）、溶解性COD（SCOD）的檢測采用標準方法；蛋白質（PN）和多糖（PS）分別采用BCA試劑盒和蒽酮比色法測定；SCFA主要包括乙酸、丙酸、異丁酸、正丁酸、異戊酸和正戊酸，采用氣相色譜法測定，色譜儀型號為7890B（美國安捷倫科技公司），配有火焰離子檢測器，色譜柱為DB-FFAP毛細管柱（30m×320μm×0.25μm），以N2為載氣，流速控制為20mL/min，具體測定方法見文獻。

發酵過程涉及的關鍵酶包括蛋白酶、淀粉酶、乙酸激酶（AK）、磷酸轉乙酰酶（PTA）和輔酶F420。蛋白酶測定步驟為：先將5g/L的酪蛋白在37℃的恒溫水浴中孵育10min；在離心管中加入3mL消化污泥，于37℃恒溫水浴中孵育2min，然后加入1mL預熱的酪蛋白，充分攪拌均勻；隨后將混合物在37℃恒溫水浴中連續培養90min；再向試管中加入2mL濃度為100g/L的三氯乙酸終止反應；取出2mL上清液，加入2mL濃度為2mol/L的NaOH；最后采用分光光度計（UV1810S，上海佑科有限公司）在波長為440nm處進行吸光度測定。淀粉酶測定步驟為：取1mL消化污泥，加入1mL濃度為1g/L的對硝基苯-α-D-吡喃葡萄糖苷，再加入2mLpH=7.6、濃度為0.2mol/L的緩沖溶液，充分攪拌均勻，然后加熱5min，最后采用分光光度計在波長為410nm處對上述樣品進行吸光度測定。AK和PTA測定步驟為：從反應器中取出25mL污泥，采用pH=7.4、0.3mol/L的Tris/HCl緩沖溶液漂洗3次；然后懸浮于15mL的Tris/HCl溶液中，再于35kHz、4℃條件下超聲10min，最后在4℃及10000r/min的條件下離心10min并進行比色測定。輔酶F420采用“預處理-HPLC熒光檢測”法進行檢測：取5mL污泥進行冰浴超聲破碎，加入裂解緩沖液滅菌離心后取上清液，經OasisMAX柱純化、氮吹濃縮至100μL并過濾；HPLC采用C18柱，流動相為含0.1%甲酸的水/甲醇（梯度洗脫），流速為1mL/min，柱溫為40℃，經熒光檢測（λEx=420nm、λEm=470nm）后，根據標準曲線（0.1~20μmol/L）定量。

2、結果與討論

2.1 SH對ES厭氧發酵積累SCFA的影響

圖1為SH對ES厭氧發酵積累SCFA的影響。SCFA產量隨發酵時間先升高后下降，升高的原因在于大顆粒有機質被產酸微生物消耗轉化成SCFA，而后期下降是因為SCFA被產甲烷古菌及異養菌消耗。由圖1可知，SH增大了ES厭氧發酵的SCFA積累量。空白組內SCFA的最大產量（以VSS計，下同）為95.6mg/g，對應的發酵時間為11d。當SH濃度由1%提高至3%時，SCFA產量由125.6mg/g升至186.5mg/g，然而進一步提高SH濃度至4%時，SCFA產量卻降至135.2mg/g。因此，考慮經濟效益和產品價值，SH的最佳濃度為3%，對應SCFA的產量為186.5mg/g，是空白組的1.95倍，對應的發酵時間為13d。盡管研究中SCFA最大發酵時間較空白組略有延遲，但考慮到SH投加量及SCFA產量，SH仍是從ES中獲取SCFA的有效策略之一。

圖2為SH對ES厭氧發酵積累SCFA最大量時各組分所占比例的影響。可知，各組內乙酸和丙酸占比最高，為53.9%~67.4%，而正戊酸占比最低，僅為3.1%~6.5%。SH同樣會影響各組分所占比例，其提高了乙酸在發酵體系內的占比，當SH濃度由1%提高至4%時，乙酸由31.6%升高至42.5%，而戊酸則由17.4%下降至11.3%。SCFA的組成對其后續利用至關重要，研究表明富含乙酸和丙酸的發酵液是生物脫氮除磷的優質碳源。本研究證實，采用SH預處理能有效優化污泥發酵產物的組分，即促進小分子羧酸（如乙酸、丙酸）的形成，同時減少大分子羧酸占比，從而直接提升碳源品質。在實際應用中，若將此類發酵液作為補充碳源，除關注其組分外，還應注意調控投加時的pH，以避免對主流污水生物處理工藝造成沖擊。

2.2 SH對ES厭氧發酵水解過程的影響

SCOD變化能側面反映SH對污泥水解過程的影響，具體如圖3所示。可知，各組內SCOD濃度先急劇升高而后緩慢下降。SH會影響ES厭氧發酵過程的SCOD濃度，且SH濃度越高，促進SCOD釋放的效果越明顯。如發酵5d，SH濃度由0提高至4%時，SCOD由685mg/L升高至2254mg/L。這是因為SH能破壞細胞結構，促進微生物內有機質釋放。SCOD升高，產酸微生物可利用的發酵底物增多，從而提高了SCFA的積累量。

SH對溶解性PN的影響與其對SCOD的影響相似，呈現出SH大幅提高溶解性PN濃度的趨勢。但各組別中溶解性PS的濃度先略有下降而后逐漸上升，且SH濃度越高，后期溶解性PS濃度也越高。如在SH為3%的組別中，溶解性PN和溶解性PS的最大濃度分別為469和259mg/L，顯著高于空白組的395和175mg/L。其他發酵時間內也呈現類似規律。SH的存在促進了有機物裂解，提高了發酵液內溶解性PN和溶解性PS的濃度，從而為酸化微生物代謝提供了充足的可利用物質。在發酵初期，溶解性PS濃度下降的原因可能在于PS的利用與降解較迅速，導致其消耗量大于生成量，降低了發酵液中PS濃度。而在發酵后半期，溶解性PS的生成量大于消耗量，導致其濃度升高。

2.3 SH對ES厭氧發酵過程營養鹽釋放的影響

NH4+-N是含氮類有機質水解產生的副產物，其濃度能反映有機質水解程度。NH4+-N濃度隨發酵時間先急劇升高后緩慢上升，在前7d，ES內有機質被大量分解，NH4+-N濃度急劇升高，空白組內NH4+-N濃度為165.6mg/L，當SH濃度由1%提高至4%時，NH4+-N濃度由189mg/L提高至221mg/L，說明SH促進了ES內含氮有機物的水解過程，這與SCOD的變化規律一致。7d后，NH4+-N濃度仍呈升高趨勢，但上升速率略有減緩。空白組在7~25d的NH4+-N增加量為64mg/L，而當SH濃度由1%提高至4%時，NH4+-N增加量由52mg/L提高至77mg/L，相較于前期，NH4+-N增加不明顯。上述結果顯示SH提高了ES內含氮有機質的水解，促進了有機物釋放，進而為產酸微生物提供了充足的物質保障。值得注意的是，盡管ES厭氧發酵過程中大量NH4+-N被釋放，但該研究中NH4+-N釋放量未達到抑制微生物代謝活性的閾值。

2.4 SH對ES厭氧發酵過程關鍵酶活性的影響

有機質厭氧發酵過程是微生物介導的生物處理過程，需要關鍵酶參與。ES厭氧發酵過程中與水解相關的關鍵酶主要為蛋白酶和淀粉酶，與酸化過程相關的主要為AK和PTA，而與甲烷化密切相關的為輔酶F420。SH對厭氧發酵過程中關鍵酶活性的影響如圖4所示。相較于空白組，SH的存在提高了水解和酸化過程的關鍵酶活性，從而提高了SCFA的積累量。如當SH濃度為3%時，蛋白酶和淀粉酶的相對活性升高至106.9%和107.6%，AK和PTA的相對活性提高至108.5%和103.5%。水解酶和酸化酶對有機物的生物轉化生成SCFA起到關鍵作用，SH通過強化有機物釋放，促進可利用底物的濃度，增加水解酶和底物的接觸位點，進而加速水解和酸化過程。但需要注意的是，SH濃度過高時，酸化酶的相對活性略有下降。盡管4%SH組別內溶解性有機質及NH4+-N釋放量最大，但高劑量SH抑制了某些微生物的代謝，降低了關鍵酶活性。如在SH濃度為4%組別內，AK和PTA的相對活性分別為102.5%和101.9%，略低于3%SH組別。SH濃度過高還可能引起某些接種物活性受到抑制，進而導致酸化過程受阻。對于產甲烷過程，SH降低了輔酶F420的活性，產甲烷過程受到抑制，進而減少SCFA的消耗。綜上，SH能提高水解和酸化過程中相關酶活性，并抑制輔酶F420的活性，這是其提高SCFA積累量的原因之一。

3、結論

①SH能有效提高ES厭氧發酵過程中SCFA的積累量，且當SH濃度為3%時，SCFA最大產量達186.5mg/g，為空白組的1.95倍；SH提高了SCFA中乙酸和丙酸的比例。

②SH能促進ES厭氧發酵過程中溶解性有機物的釋放，提高SCOD濃度，且SH濃度越高，SCOD、溶解性PN和溶解性PS濃度越高。

③SH能提高ES厭氧發酵液中NH4+-N濃度，提高水解和酸化過程的關鍵酶活性，降低輔酶F420的活性，從而減少SCFA的消耗。