污泥中含有大量有害物质，需要进行适当处理处置，污泥厌氧发酵产甲烷、产氢和产酸的资源化利用成为污泥处理主流趋势。污泥厌氧发酵过程可以产生挥发性脂肪酸（VFAs），VFAs不仅可以作为微生物脱氮除磷的碳源，还可以作为生物法合成聚羟基烷酸酯的碳源。污泥细胞溶解和胞外聚合物（EPS）的水解是污泥厌氧发酵产酸过程的限速步骤。游离氨（FA）是一种可再生的直接从厌氧发酵罐原位生成的化学物质，其可有效促进污泥溶解、抑制产甲烷菌过程。Zhang等的研究表明，FA浓度在53.5~176.5mg/L时，VFAs的最大产量是空白组的2.3~3.2倍，不足之处是发酵时间长。过氧乙酸（PAA）是一种价格低廉、不会产生有毒副产物的氧化剂，能有效促进污泥增溶和水解。Zhang等指出，PAA在酸性条件下能将污泥中结合态EPS转化为可溶性EPS，同时降解蛋白质类有机物。笔者采用PAA+FA预处理低浓度污泥，旨在开发一种绿色、经济的污泥资源化技术，从而为污水厂污泥处理提供技术指导。

1、材料和方法

1.1 污泥来源与性质

污泥取自杨家堡污水处理厂二沉池回流污泥，在4℃条件下保存，根据实验需要，对污泥进行适当稀释，并测定相关指标。其中，pH为7.10±0.10，总悬浮固体（TSS）为（10.00±0.05）g/L，挥发性悬浮固体（VSS）为（5.89±0.04）g/L，总化学需氧量（TCOD）为（6930.28±300.04）mg/L，溶解性化学需氧量（SCOD）为（127.3±6.4）mg/L，VFAs为（94.32±0.27）mg/L（以COD计），PO43--P为（12.58±0.09）mg/L，NH4+-N为（13.10±0.26）mg/L，TN为（544.46±11.62）mg/L。

1.2 实验方法

实验在4个相同的血清瓶中进行，向每个反应器中加入450mL污泥。1号瓶作为空白组；2号瓶采用2.5mol/L的HCl调节污泥初始pH为6，再加入一定量15%左右的PAA水溶液，使PAA投加量为0.1g/gVSS，并在30℃恒温水浴条件下搅拌2h，记作PAA预处理组；3号瓶先添加一定量2mol/L的NH4Cl溶液，再采用2.5mol/LNaOH调节pH至9，使FA浓度在温度为30℃、pH为9条件下达到40mg/L，具体计算方法见文献，并在30℃恒温水浴条件下搅拌1d，其间维持pH为9，记作FA预处理组；4号瓶污泥先采用PAA预处理再进行FA预处理，记作PAA+FA预处理组。每个血清瓶按照1∶9（体积比）添加50mL原污泥以提高厌氧发酵性能。将所有血清瓶在30℃恒温空气浴条件下振荡发酵10d，其间不调pH，转速为200r/min。厌氧发酵期间每天取样测定VFAs和NH4+-N浓度。发酵2d时，测定甲烷气体的含量。对经过不同预处理后的污泥进行取样，并提取EPS，用于三维激发-发射矩阵荧光光谱（3D-EEM）分析。

1.3 分析项目及方法

采用《水和废水监测分析方法》（第4版）测定TSS、VSS、TCOD、SCOD、PO43--P、NH4+-N、TN以及TP，参照相关文献测定可溶性蛋白质和溶解性糖类浓度。VFAs采用气相色谱仪测定，检测器为氢火焰离子化检测器（FID）。将检测到的VFAs、溶解性糖类和蛋白质浓度均转化为COD浓度，转化系数参照文献。甲烷气体的测定采用气相色谱法。以N2作为载气，参比流量和尾吹气流量分别为45和5mL/min，阀箱、检测器和柱箱温度分别为120、200和260℃。EPS参照相关文献进行提取和3D-EEM分析。

将经过不同预处理的污泥分别在血清瓶中发酵2d后取样，并委托生工生物工程（上海）股份有限公司进行微生物群落结构分析。

2、结果与讨论

2.1 挥发性脂肪酸的产生

污泥厌氧发酵产酸效果一般用污泥产酸量衡量，在温度为30℃、PAA为0.1g/gVSS、FA为40mg/L条件下，以空白作为对照组，分析了PAA预处理、FA预处理、PAA+FA预处理对污泥厌氧发酵产酸过程的影响，结果如图1所示。

从图1可以看出，各组反应器中的污泥产酸量均随发酵时间的延长呈现先增大后减小趋势。PAA+FA组发酵2d时，污泥产酸量达到了最大值434.76mg/gVSS，分别是空白组、PAA组、FA组的15.31、1.59和3.99倍。这可能因为PAA+FA预处理强化了污泥细胞和EPS的破解，大量污泥中的有机物进入液相，经水解酸化菌转化为VFAs，污泥产酸量显著提高。

4组反应器发酵2d时的VFAs组分情况如图2所示。可知，相比空白组，PAA组、FA组、PAA+FA组的VFAs中乙酸比例显著增加，且乙酸比例顺序为PAA组（93.15%）>PAA+FA组（78.74%）>FA组（49.58%）>空白组（34.30%）。PAA组乙酸比例最大，这可能是由于PAA预处理影响了污泥中产酸菌群的生长和分布。PAA+FA组其他酸相对含量的顺序为：丙酸（7.08%）>异戊酸（5.27%）>正丁酸（3.76%）>异丁酸（3.55%）>正戊酸（1.60%）。而空白组中正丁酸（15.39%）>丙酸（14.88%）>异丁酸（14.29%）>异戊酸（13.38%）>正戊酸（7.77%）。乙酸和丙酸是生物脱氮除磷过程的优质碳源，PAA+FA组乙酸和丙酸比例之和达到85.82%，较碱处理、FA预处理等方法要高，有利于后续利用其作为碳源以强化生物脱氮除磷效果。

2.2 有机物的释放

蛋白质和多糖是污泥颗粒有机物的主要成分。污泥溶解过程实质是将污泥颗粒转化成碳水化合物、蛋白质和脂类。因此，污泥溶解效果可通过溶出的溶解性糖类和可溶性蛋白质来表征。不同预处理下溶解性糖类和可溶性蛋白质（均以COD计）的变化如图3所示。可以看出，经过不同预处理后，污泥厌氧发酵36h时，PAA+FA组的溶解性糖类浓度最大为885.73mg/L，是空白组、PAA组、FA组的14.52、1.33、4.21倍；同时可溶性蛋白质浓度也达到最大值414.13mg/L，分别是空白组、PAA组和FA组的27.21、1.40和5.01倍。这表明与单一预处理相比，PAA+FA预处理促进了污泥中有机物的释放。分析原因，PAA+FA预处理可以破坏EPS结构，使溶解性糖类转移到液相中，导致上清液中溶解性糖类浓度增加。同时PAA+FA预处理过程中微生物的细胞壁和细胞膜受到破坏，使更多胞内和胞外有机物从固相转化进入液相，导致液相中蛋白质浓度增加。故PAA+FA组释放的溶解性糖类和可溶性蛋白质较多。

2.3 NH4+-N的释放

NH4+-N的释放可侧面反映污泥中有机物的水解效果。图4为不同预处理下各组发酵反应器中NH4+-N浓度的变化。4个实验组中NH4+-N浓度整体呈现上升的趋势。空白组NH4+-N浓度由22.64mg/L增加到67.00mg/L，PAA组NH4+-N浓度从17.73mg/L增加到121.13mg/L，FA组NH4+-N浓度从106.00mg/L增加到155.50mg/L，PAA+FA组NH4+-N浓度由186.20mg/L增加到249.63mg/L。发酵10d时，PAA+FA组NH4+-N浓度最大，是空白组、PAA组、FA组的3.73、2.06、1.61倍，该结果与可溶性蛋白质的变化规律相近，表明可溶性蛋白质水解过程会释放NH4+-N。

2.4 PAA+FA预处理对EPS的影响

根据与颗粒的束缚和附着程度，EPS分为黏液层EPS（S-EPS）、松散结合的EPS（LB-SEPS）和紧密结合的EPS（TB-BPS）。EPS主要由蛋白质和糖类组成，这些物质具有激发荧光特性，可以通过预处理方式释放。污泥厌氧发酵产酸过程中，EPS的3D-EEM可评价PAA+FA预处理污泥时污泥破解的情况。根据荧光区域积分法（FRI），将3D-EEM图谱分为Ⅰ区（酪氨酸类蛋白质）、Ⅱ区（色氨酸类蛋白质）、Ⅲ区（富里酸类物质）、Ⅳ区（溶解性微生物代谢产物）和Ⅴ区（腐殖酸类物质）。Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ区属于易生物降解物质，Ⅲ和Ⅴ区属于难生物降解物质。对3D-EEM图谱进行FRI分析，得到不同预处理条件下EPS各区域分布情况，见表1。

3D-EEM图谱表明，空白组、PAA组、FA组、PAA+FA组的S-EPS荧光强度依次增强。由表1可知，空白组、PAA组、FA组、PAA+FA组Ⅰ区酪氨酸类蛋白质比例依次增加，表明PAA+FA组释放了更多的蛋白质。与有机物释放规律相吻合，证明PAA+FA预处理对污泥中溶解性有机物释放的效果优于FA和PAA预处理。酪氨酸类蛋白质和可溶性微生物代谢产物易于生物降解，故将Ⅰ区和Ⅳ区的荧光响应百分比（PⅠ，n+PⅣ，n）进行加和，以代表污泥中底物的可生物降解性。在S-EPS中，PAA+FA组的PⅠ，n+PⅣ，n最大，表明PAA+FA预处理能有效提高污泥液相中可生物降解有机物的比例，可为后续VFAs的产生提供更多可利用底物。

空白组、PAA组、FA组、PAA+FA组LB-EPS的荧光强度依次增强。由表1可知，在污泥LB-EPS中，PAA+FA组的PⅠ，n+PⅣ，n最高，可能是PAA+FA预处理导致TB-EPS层紧密附着的大分子有机物脱落，可生物降解有机物释放到L-EPS层。

空白组TB-EPS的荧光强度最强，PAA+FA组的最弱。这可能是因为PAA+FA预处理使TB-EPS上紧密附着的大分子有机物（酪氨酸类蛋白质、色氨酸类蛋白质等）脱落，进而释放到L-EPS和S-EPS层中，导致发酵液中溶解性有机物增加，有利于后续厌氧发酵产酸。值得注意的是，经过PAA处理后，TB-EPS的荧光强度显著减弱，这可能是因为FA预处理确实能对污泥EPS造成一定程度的破解，但是在PAA+FA预处理破解污泥TB-EPS的过程中，贡献较大的还是PAA预处理。在污泥TB-EPS中，与空白组相比，PAA+FA组Ⅱ区和Ⅲ区的比例显著下降，这表明色氨酸类蛋白质和富里酸类物质从TB-EPS层释放出来，并进入液相中。这可能是因为PAA+FA预处理使T-EPS变得松散破裂，释放出较多的色氨酸类蛋白质等物质，从而提高了其可生物降解性。

综上所述，PAA+FA预处理可以破解污泥，使TB-EPS上紧密附着的大分子有机物脱落，释放到L-EPS和S-EPS层中，显著提高了污泥中S-EPS的可生化性，从而为污泥中产酸微生物创造了更为充足的底物环境。

2.5 甲烷的产生

考察不同污泥预处理对产甲烷过程的影响十分必要。空白组的相对甲烷产量为100%，而PAA组、FA组和PAA+FA组分别为0、37.09%和0.21%。可见，三种预处理都严重抑制了污泥厌氧发酵的产甲烷过程。其中FA组的抑制程度约60%，这是因为FA能通过破坏细胞膜使产甲烷菌失活。而PAA组和PAA+FA组却几乎检测不到甲烷，这可能是因为PAA破解污泥时其中的氧化性物质发生了反应，伴随产生了大量氧气，抑制了产甲烷菌的生长。

2.6 微生物群落结构分析

厌氧发酵反应器中产酸效果与微生物的种类及丰度密不可分。图5反映了不同预处理反应器中功能菌群在门、纲和属水平的相对丰度。

从图5（a）可以明显看出，4组样品中微生物主要分布在5个门，即厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、变形菌门（Proteobacteria）、浮霉菌门（Planctomycetes）和绿弯菌门（Chloroflexi）。其中Firmicute、Bacteroidetes在PAA+FA组的相对丰度最高，分别为38.2%和32.2%；而Proteobacteria相对丰度在PAA+FA组最低，为18.0%。Firmicutes是碱性发酵系统中普遍存在的细菌群落，在厌氧发酵产VFAs方面发挥着重要作用。Bacteroidetes能产生纤维素酶、蛋白酶等，并利用纤维素、蛋白质和淀粉等大分子有机物产生乙酸。Proteobacteria在厌氧发酵中主要消耗乙酸、丙酸和丁酸等VFAs。可见，PAA+FA预处理富集了Firmicutes和Bacteroidetes，同时削减了Proteobacteria，这有利于厌氧发酵产酸过程中VFAs的不断积累。

从图5（b）可以明显看出，在纲水平上，PAA+FA组的梭菌纲（Clostridia）相对丰度（36.72%）最高，Clostridia可将不溶性有机物水解成较小的可溶性分子，如醋酸盐和丁酸盐。拟杆菌纲（Bacteroidia）的相对丰度在PAA+FA组为29.10%，远高于空白组（2.29%）、PAA组（2.14%）、FA组（4.31%），Bacteroidia能以蛋白质水解释放的氨基酸为基质产生乙酸盐。可见，PAA+FA预处理促进了有利于发酵的Clostridia和Bacteroidia富集，并成为优势菌群。

由图5（c）可知，在属水平上，PAA+FA组污泥中的优势菌属包括屠场杆菌属（Macellibacteroides，17.98%）、蛋白质菌属（Proteiniclasticum，12.05%）、变形菌属（Proteocatella，6.22%）、岩石单胞菌属（Petrimonas，3.82%）、梭菌属（Clostridium_sensu_stricto，3.17%）、厌氧醋菌属（Acetoanaerobium，3.16%）和嗜碱菌属（Alkaliphilus，2.60%）。这些菌属均有利于发酵产酸，其中Macellibacteroides可代谢碳水化合物产生乳酸盐、乙酸盐和丁酸。Proteiniclasticum为水解细菌，可分泌水解酶，将蛋白质转化为乙酸和丙酸等VFAs。Proteocatella也具有水解蛋白质、几丁质和淀粉的能力。

综上所述，PAA+FA预处理能显著提高水解酸化功能菌的相对丰度，从而促进VFAs积累。

3、结论

①PAA+FA组发酵2d时污泥产酸量最大为434.76mg/gVSS，分别是空白组、PAA组和FA组的15.31、1.59和3.99倍。

②PAA+FA预处理促进了污泥中可溶性有机物释放和NH4+-N溶出，厌氧发酵36h时PAA+FA组溶解性糖类和可溶性蛋白质浓度最大，分别为885.73和414.13mg/L，远高于空白组、PAA组和FA组。发酵10d后，PAA+FA组溶出的NH4+-N浓度最大为249.63mg/L，是空白组、PAA组和FA组的3.73、2.06、1.61倍。PAA+FA预处理抑制了产甲烷过程。

③3D-EEM分析表明，PAA+FA预处理将污泥TB-EPS中有机物剥离、脱落，使其进入LB-EPS和S-EPS中，提高了污泥S-EPS的可生物降解性，有利于后续发酵产酸过程。

④PAA+FA预处理有利于Macellibacteroides、Proteiniclasticum和Proteocatella等水解酸化功能菌的生长富集，其相对丰度分别为17.98%、12.05%和6.22%，均远高于空白组、PAA组和FA组。