伴随城镇化的加速，污水处理量不断增加。剩余污泥（ES）是污水生化处理过程中的衍生物，其含有大量有机质、病原体等，若处理不当会对环境造成二次污染，危害生态安全。厌氧发酵能有效处理ES并实现能源回收及污泥减量，因而ES厌氧发酵技术得到广泛关注。ES外侧包裹胞外聚合物（EPS）和细胞壁，水解速率缓慢，导致发酵过程内高价值产物短链脂肪酸（SCFA）积累量较低。因此，污泥破壁是实现高效厌氧发酵产SCFA的前提与保障。

次氯酸钠（SH）可有效破坏细胞结构，SH溶于水后会产生大量氧化性强的自由基（活性氯和活性氧），能有效分解污泥絮体。唐玉霖等证实SH强化二价铁盐混凝能够有效提升含藻污泥的脱水性能，且当SH浓度为1.5~2.0mg/L时，脱水性能达到最佳。SH能有效改变污泥表面特征，提高污泥的黏附性和内聚性。然而关于SH强化ES厌氧发酵积累SCFA的研究有限，且SH强化污泥厌氧产酸的作用机制尚不明确。

基于此，笔者探究SH对污泥厌氧发酵产SCFA的影响，并通过有机质生物转化、营养盐释放特征及关键酶活性表达揭示SH强化ES厌氧发酵积累SCFA的机制，以期为污泥高效资源化利用提供理论依据。

1、材料和方法

1.1 实验材料

实验所用ES取自济南某污水处理厂浓缩污泥，所取污泥首先经2.0mm筛网过滤，静置24h后排出上清液。污泥浓缩后在8000g下离心10min，过0.45μm滤膜后测定相关性质。接种物来自某实验室厌氧发酵污泥，经过滤去掉杂质后备用。实验所用污泥主要特征见表1。

1.2 实验步骤

实验在5组（R1~R5）相同的血清瓶（V=600mL）中进行，每组含有3个血清瓶。首先向各组血清瓶内添加200mL接种物和300mL的ES，然后向各组投加不同剂量的SH，并控制其初始浓度分别为0（空白组）、1%、2%、3%和4%，而在系统发酵过程中未全程控制SH浓度。ES发酵初始pH通过添加4.0mol/L的氢氧化钠或盐酸控制为7.0±0.2，反应过程中不进行调控。待全部物料投加完毕后，向反应器内充入高纯度氮气（纯度>99.9%）排净氧气以保证厌氧条件，最后，将上述血清瓶转移至恒温水浴摇床振荡培养箱进行25d的厌氧发酵。

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）的检测采用标准方法；蛋白质（PN）和多糖（PS）分别采用BCA试剂盒和蒽酮比色法测定；SCFA主要包括乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸，采用气相色谱法测定，色谱仪型号为7890B（美国安捷伦科技公司），配有火焰离子检测器，色谱柱为DB-FFAP毛细管柱（30m×320μm×0.25μm），以N2为载气，流速控制为20mL/min，具体测定方法见文献。

发酵过程涉及的关键酶包括蛋白酶、淀粉酶、乙酸激酶（AK）、磷酸转乙酰酶（PTA）和辅酶F420。蛋白酶测定步骤为：先将5g/L的酪蛋白在37℃的恒温水浴中孵育10min；在离心管中加入3mL消化污泥，于37℃恒温水浴中孵育2min，然后加入1mL预热的酪蛋白，充分搅拌均匀；随后将混合物在37℃恒温水浴中连续培养90min；再向试管中加入2mL浓度为100g/L的三氯乙酸终止反应；取出2mL上清液，加入2mL浓度为2mol/L的NaOH；最后采用分光光度计（UV1810S，上海佑科有限公司）在波长为440nm处进行吸光度测定。淀粉酶测定步骤为：取1mL消化污泥，加入1mL浓度为1g/L的对硝基苯-α-D-吡喃葡萄糖苷，再加入2mLpH=7.6、浓度为0.2mol/L的缓冲溶液，充分搅拌均匀，然后加热5min，最后采用分光光度计在波长为410nm处对上述样品进行吸光度测定。AK和PTA测定步骤为：从反应器中取出25mL污泥，采用pH=7.4、0.3mol/L的Tris/HCl缓冲溶液漂洗3次；然后悬浮于15mL的Tris/HCl溶液中，再于35kHz、4℃条件下超声10min，最后在4℃及10000r/min的条件下离心10min并进行比色测定。辅酶F420采用“预处理-HPLC荧光检测”法进行检测：取5mL污泥进行冰浴超声破碎，加入裂解缓冲液灭菌离心后取上清液，经OasisMAX柱纯化、氮吹浓缩至100μL并过滤；HPLC采用C18柱，流动相为含0.1%甲酸的水/甲醇（梯度洗脱），流速为1mL/min，柱温为40℃，经荧光检测（λEx=420nm、λEm=470nm）后，根据标准曲线（0.1~20μmol/L）定量。

2、结果与讨论

2.1 SH对ES厌氧发酵积累SCFA的影响

图1为SH对ES厌氧发酵积累SCFA的影响。SCFA产量随发酵时间先升高后下降，升高的原因在于大颗粒有机质被产酸微生物消耗转化成SCFA，而后期下降是因为SCFA被产甲烷古菌及异养菌消耗。由图1可知，SH增大了ES厌氧发酵的SCFA积累量。空白组内SCFA的最大产量（以VSS计，下同）为95.6mg/g，对应的发酵时间为11d。当SH浓度由1%提高至3%时，SCFA产量由125.6mg/g升至186.5mg/g，然而进一步提高SH浓度至4%时，SCFA产量却降至135.2mg/g。因此，考虑经济效益和产品价值，SH的最佳浓度为3%，对应SCFA的产量为186.5mg/g，是空白组的1.95倍，对应的发酵时间为13d。尽管研究中SCFA最大发酵时间较空白组略有延迟，但考虑到SH投加量及SCFA产量，SH仍是从ES中获取SCFA的有效策略之一。

图2为SH对ES厌氧发酵积累SCFA最大量时各组分所占比例的影响。可知，各组内乙酸和丙酸占比最高，为53.9%~67.4%，而正戊酸占比最低，仅为3.1%~6.5%。SH同样会影响各组分所占比例，其提高了乙酸在发酵体系内的占比，当SH浓度由1%提高至4%时，乙酸由31.6%升高至42.5%，而戊酸则由17.4%下降至11.3%。SCFA的组成对其后续利用至关重要，研究表明富含乙酸和丙酸的发酵液是生物脱氮除磷的优质碳源。本研究证实，采用SH预处理能有效优化污泥发酵产物的组分，即促进小分子羧酸（如乙酸、丙酸）的形成，同时减少大分子羧酸占比，从而直接提升碳源品质。在实际应用中，若将此类发酵液作为补充碳源，除关注其组分外，还应注意调控投加时的pH，以避免对主流污水生物处理工艺造成冲击。

2.2 SH对ES厌氧发酵水解过程的影响

SCOD变化能侧面反映SH对污泥水解过程的影响，具体如图3所示。可知，各组内SCOD浓度先急剧升高而后缓慢下降。SH会影响ES厌氧发酵过程的SCOD浓度，且SH浓度越高，促进SCOD释放的效果越明显。如发酵5d，SH浓度由0提高至4%时，SCOD由685mg/L升高至2254mg/L。这是因为SH能破坏细胞结构，促进微生物内有机质释放。SCOD升高，产酸微生物可利用的发酵底物增多，从而提高了SCFA的积累量。

SH对溶解性PN的影响与其对SCOD的影响相似，呈现出SH大幅提高溶解性PN浓度的趋势。但各组别中溶解性PS的浓度先略有下降而后逐渐上升，且SH浓度越高，后期溶解性PS浓度也越高。如在SH为3%的组别中，溶解性PN和溶解性PS的最大浓度分别为469和259mg/L，显著高于空白组的395和175mg/L。其他发酵时间内也呈现类似规律。SH的存在促进了有机物裂解，提高了发酵液内溶解性PN和溶解性PS的浓度，从而为酸化微生物代谢提供了充足的可利用物质。在发酵初期，溶解性PS浓度下降的原因可能在于PS的利用与降解较迅速，导致其消耗量大于生成量，降低了发酵液中PS浓度。而在发酵后半期，溶解性PS的生成量大于消耗量，导致其浓度升高。

2.3 SH对ES厌氧发酵过程营养盐释放的影响

NH4+-N是含氮类有机质水解产生的副产物，其浓度能反映有机质水解程度。NH4+-N浓度随发酵时间先急剧升高后缓慢上升，在前7d，ES内有机质被大量分解，NH4+-N浓度急剧升高，空白组内NH4+-N浓度为165.6mg/L，当SH浓度由1%提高至4%时，NH4+-N浓度由189mg/L提高至221mg/L，说明SH促进了ES内含氮有机物的水解过程，这与SCOD的变化规律一致。7d后，NH4+-N浓度仍呈升高趋势，但上升速率略有减缓。空白组在7~25d的NH4+-N增加量为64mg/L，而当SH浓度由1%提高至4%时，NH4+-N增加量由52mg/L提高至77mg/L，相较于前期，NH4+-N增加不明显。上述结果显示SH提高了ES内含氮有机质的水解，促进了有机物释放，进而为产酸微生物提供了充足的物质保障。值得注意的是，尽管ES厌氧发酵过程中大量NH4+-N被释放，但该研究中NH4+-N释放量未达到抑制微生物代谢活性的阈值。

2.4 SH对ES厌氧发酵过程关键酶活性的影响

有机质厌氧发酵过程是微生物介导的生物处理过程，需要关键酶参与。ES厌氧发酵过程中与水解相关的关键酶主要为蛋白酶和淀粉酶，与酸化过程相关的主要为AK和PTA，而与甲烷化密切相关的为辅酶F420。SH对厌氧发酵过程中关键酶活性的影响如图4所示。相较于空白组，SH的存在提高了水解和酸化过程的关键酶活性，从而提高了SCFA的积累量。如当SH浓度为3%时，蛋白酶和淀粉酶的相对活性升高至106.9%和107.6%，AK和PTA的相对活性提高至108.5%和103.5%。水解酶和酸化酶对有机物的生物转化生成SCFA起到关键作用，SH通过强化有机物释放，促进可利用底物的浓度，增加水解酶和底物的接触位点，进而加速水解和酸化过程。但需要注意的是，SH浓度过高时，酸化酶的相对活性略有下降。尽管4%SH组别内溶解性有机质及NH4+-N释放量最大，但高剂量SH抑制了某些微生物的代谢，降低了关键酶活性。如在SH浓度为4%组别内，AK和PTA的相对活性分别为102.5%和101.9%，略低于3%SH组别。SH浓度过高还可能引起某些接种物活性受到抑制，进而导致酸化过程受阻。对于产甲烷过程，SH降低了辅酶F420的活性，产甲烷过程受到抑制，进而减少SCFA的消耗。综上，SH能提高水解和酸化过程中相关酶活性，并抑制辅酶F420的活性，这是其提高SCFA积累量的原因之一。

3、结论

①SH能有效提高ES厌氧发酵过程中SCFA的积累量，且当SH浓度为3%时，SCFA最大产量达186.5mg/g，为空白组的1.95倍；SH提高了SCFA中乙酸和丙酸的比例。

②SH能促进ES厌氧发酵过程中溶解性有机物的释放，提高SCOD浓度，且SH浓度越高，SCOD、溶解性PN和溶解性PS浓度越高。

③SH能提高ES厌氧发酵液中NH4+-N浓度，提高水解和酸化过程的关键酶活性，降低辅酶F420的活性，从而减少SCFA的消耗。