活性污泥法是城镇污水处理厂常用的水处理工艺，具有运行简单、成本低、处理效率高的特点。但污水处理过程会产生大量含有丰富的蛋白质、多糖及脂类的剩余污泥，常规的填埋、焚烧等处理方式不仅引起环境二次污染，同时造成资源浪费，因此，剩余污泥如何妥善处置已成为当今环保领域亟待解决的问题。

污泥厌氧发酵技术利用厌氧微生物将大分子有机物转化成小分子物质，发酵产物之一短链脂肪酸(SCFAs)不仅是生产聚羟基脂肪酸(PHAs)的工业原料，同时也是微生物的优选碳源，可作为内碳源用于低碳氮比污水处理厂脱氮除磷，因其巨大的潜在价值使污泥厌氧发酵产酸技术受到众多学者的关注。研究发现，利用碱、酸或其联合方法处理剩余污泥均能实现SCFAs积累。近年来，高级氧化法也被尝试用于污泥处理，高活性物质不仅能够促进污泥水解释放蛋白质和多糖等酸化基质，同时有效控制产甲烷菌活性，促进SCFAs高效积累。高铁酸钾(PF)是一种强氧化剂，通过单电子或双电子转移机制可与有机物反应，已广泛用于苯酚、砷酸盐等的处理。YE等研究发现，PF能够提高污泥溶解性；WU等将PF用于污泥脱水和溶解处理；张彦平等将PF与碱耦合处理剩余污泥，实现污泥减量，但是对于发酵系统中产酸及生物酶活性未进行深入研究。本研究将系统分析PF对污泥厌氧发酵性能的影响，结合生物酶的变化进一步分析PF在污泥厌氧发酵过程中作用机理。

1、材料与方法

1.1 污泥来源及实验装置

本实验所用剩余污泥取自郑州市某城市污水处理厂好氧池，使用前用自来水清洗3次，再进行浓缩，污泥和滤液性质见表1。反应器材料为有机玻璃，容积为2.5L，有效容积为2.0L，反应过程中进行匀速搅拌。

1.2 实验方法

分别取2L污泥投加至1#~5#反应器，分别向反应器中投加PF，控制PF投加量为0、20、40、80、160mg/mg（基于MLSS计算），隔天取样测定各项理化指标。

1.3 分析方法

COD、氨氮、磷酸盐、MLSS及MLVSS根据文献测定；脱氧核糖核酸（DNA)采用痕量分光光度计（NAN（ODROP2000）测定；PH用水质测定仪（PHS-3E）测定；SCFAs采用气相色谱仪（GC6890B）测定；胞外聚合物(EPS)采用离心法提取，其中多糖和蛋白质采用紫外一可见分光光度法测定；蛋白酶、α-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶（ALP）、酸性磷酸酶(ACP)和脱氢酶（DH)采用分光光度法测定；污泥粒径利用激光粒度测定仪（MICROTRACS3500）测定。所有项目检测试剂均为分析纯。

污泥厌氧发酵是污泥中微生物细胞解体、有机物释放过程，而污泥溶液化率（SCOD)和污泥分解率（DDCOD)可表征污泥中微生物细胞解体程度，也可表征污泥水解性能，计算公式分别见式(1)和式(2)：

式中：ηSCOD为SCOD，%；CCOD，s为溶解性COD质量浓度，mg/L；CCOD.so为原始溶液中溶解性COD质量浓度，mg/L；CCOD.po为污泥原始颗粒中COD质量浓度，mg/L；ηDDCOD为DDCOD，%；CCOD.NaoH为1mol/LNaOH处理剩余污泥24h后的COD质量浓度，mg/L。

2、结果与讨论

2.1 污泥水解性能

2.1.1 PF对污泥溶解的影响污

泥溶解是污泥细胞破碎并释放可溶性有机物的过程，伴有部分DNA释放，包括污泥溶液化和污泥分解两个过程。由图1可知，不同浓度的PF对污泥溶液化和污泥分解具有明显的影响。分析数据可知，SCOD、DDCOD具有相同的趋势，均随着PF的投加量增加而增大，当PF为160mg/mg时，SCOD和DDCOD分别为57.95%和78.54%，均约为0mg/mg发酵系统的1.6倍，可见，PF能够促进污泥溶解。同时发现，PF发酵系统的剩余污泥溶解性能高于单过硫酸氢钾（SCOD为30.51%），但是与碱性发酵系统相似（SCOD为53.8%）。这是因为PF水解后能够产生大量的FeO42-，FeO42-具有极强的氧化性能，直接破坏细胞壁，氧化分解污泥絮体，促进有机物分解，而单过硫酸氢钾是通过高活性分子破坏微生物细胞膜的通透性屏障，产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对污泥的作用更加剧烈，使其发酵系统的污泥溶解性能高于单过硫酸氢钾污泥厌氧发酵系统。本研究发酵系统中DNA浓度也随着PF投加量的增加而增大，证明PF能促进污泥中细胞的溶解，造成胞内有机质大量释放。

2.1.2 污泥中蛋白质和多糖的释放

蛋白质和多糖是污泥EPS的主要成分，是污泥厌氧发酵系统中产酸菌的作用基质，因此，蛋白质和多糖的产量是影响污泥厌氧发酵产酸的关键因素。由图2可知，发酵过程中蛋白质和多糖与DDCOD和SCOD趋势相近，也基本随着PF的增加而增大，160mg/mg发酵系统中发酵末期蛋白质和多糖分别为552.17、355.39mg/L，分别为0mg/mg发酵系统的2.7、4.6倍，说明PF能够促进剩余污泥分解，提高蛋白质和多糖的释放。这是因为PF有效成分FeO42-能够有效氧化有机物，破坏活性污泥中EPS结构，使蛋白质和多糖释放至发酵系统，而副产物OH-大幅度提高发酵系统pH，强化PF的破壁作用，导致蛋白质和多糖随着PF浓度的增加而增大。同时结果表明，发酵系统中蛋白质和多糖质量比（1.5~2.0）与单过硫酸氢钾发酵系统相似，低于碱性发酵系统(7～8）及酸性发酵系统(10~16)，这是因为与多糖相比，蛋白质中的色氨酸、酪氨酸等更加容易被氧化，造成蛋白质含量明显降低。

2.2 污泥酸化性能

2.2.1 PF对SCFAs的影响

剩余污泥发酵系统SCFAs是由产酸菌利用污泥水解产物蛋白质和多糖通过新陈代谢生成，SCFAs可直接反映污泥发酵系统的性能。分析图3（a）可知，COD产量随着PF投加量的增加而增大，160mg/mg发酵系统中COD质量浓度最高达3985mg/L，这与发酵系统中污泥溶解性相关。同时由图3（b）可知，SCFAs产量也随着PF投加量的增加而增大，160mg/mg发酵系统中SCFAs质量浓度末期达914.30mg/L，是同时段0mg/mg发酵系统的8.3倍。这是因为高浓度PF污泥厌氧发酵系统含有丰富的蛋白质和多糖等水解产物，能为产酸菌提供丰富的反应基质，且PF溶于水后产生一定量的OH-，使发酵系统pH升至9.1~9.6，处于碱性环境，与LI等的研究结果相似，该环境对产甲烷菌活性具有较强的抑制作用，降低产甲烷菌对SCFAs的消耗，使160mg/mg发酵系统中SCFAs产量最大。HE等研究发现，PF的强氧化性和高pH使发酵系统中SCFAs得到有效积累。本研究中的SCFAs产量略低于WANG等的研究结果，可能是因为本研究的实验温度（10~15℃)明显低于文献的实验温度（30～40℃），属于低温发酵反应，同时本研究的PF投加量也远低于其他实验，因此SCFAs产量相对较低。

由图3(c)可知，PF对SCFAs成分具有明显影响，其中乙酸随着PF的增加而增多，160mg/mg发酵系统中乙酸质量分数最高，为57.81%，与WANG等的研究结果相似。丙酸、正丁酸、异丁酸随着PF的增加而降低，其中0mg/mg发酵系统中丙酸、正丁酸和异丁酸质量分数分别为16.86%、21.55%、26.74%，分别是160mg/mg发酵系统的1.7、1.7、3.6倍，正戊酸和异戊酸随PF投加量变化较小。这是因为微生物在污泥厌氧发酵过程中发挥了重要作用。PF促进梭状芽孢杆菌(Clostridia)和拟杆菌（Bacteroidia)生长，以上两者能分解复杂有机物为乙酸，造成乙酸大量积累。

2.2.2 PF对氨氮和磷酸盐的影响

氨氮和磷酸盐是污泥中有机氮和有机磷水解酸化后的副产物，也是衡量污泥厌氧发酵性能的指标。由图4可知，氨氮浓度随着PF投加量增加而增大，这是因为PF溶于水后产生大量强氧化性的FeO42-，提高污泥水解酸化性能，因此大量的有机氮被分解成氨氮，发酵末期160mg/mg发酵系统中氨氮为471.53mg/L。与氨氮不同，磷酸盐大体上随着PF投加量的增加而降低，这是因为PF释放的Fe3+在发酵系统中被还原成Fe2+，Fe2+可与磷酸盐进一步合成蓝铁矿（Fe4（PO4)2·8H2O)，进而降低系统中磷酸盐浓度，可见，PF不仅能够提高SCFAs产量，同时原位形成蓝铁矿，实现磷酸盐回收。

2.3 PF对生物酶活性影响

蛋白质和多糖是剩余污泥中EPS的主要成分，也是产酸菌重要的反应基质，但是产酸菌无法直接利用蛋白质和多糖进行产酸反应，需要生物酶将蛋白质和多糖分解为小分子物质。其中，蛋白酶破坏大分子蛋白质的肽链为氨基酸，α-葡萄糖苷酶破坏麦芽糖内的α-1，4糖苷键并释放单糖，达到水解蛋白质和多糖的目的，所以蛋白酶和α-葡萄糖苷酶在污泥厌氧发酵过程中起着重要作用。由图5(a)和图5(b)可知，蛋白酶和a-葡萄糖苷酶活性随着PF投加量先增加后降低，其中，80mg/mg发酵系统中蛋白酶活性最高，为234.89U/mg，是0mg/mg发酵系统的2.6倍，同时80mg/mg发酵系统中α-葡萄糖苷酶活性最高，为0.064U/mg，是0mg/mg发酵系统的3.6倍，可见，PF能够提高发酵系统蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性，但是高浓度PF抑制蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性，这是因为高浓度PF释放大量的FeO3，不仅破坏细胞结构同时灭活生物酶。蛋白酶活性远高于α-葡萄糖苷酶，这是因为α-葡萄糖苷酶位于球体层，蛋白酶位于悬浮层（SB)，当反应底物从细胞内向细胞外转移时，生物酶也随之向外转移，因此，底物越丰富，相关生物酶活性越高。

微生物体内含有丰富的有机磷，磷酸酶对有机磷的分解具有重要的作用，磷酸酶将有机磷水解成无机磷并参与细胞质合成。由图5(c)和图5(d)可知，与蛋白酶和α-葡萄糖苷酶相同，碱性磷酸酶活性随着PF的增加先增加后降低，80mg/mg发酵系统中碱性磷酸酶活性最高，为0.028U/mg；但是酸性磷酸酶随着PF增加而降低，160mg/mg发酵系统中活性最低，为0.051U/mg。可见，过高PF浓度抑制磷酸酶活性。

脱氢酶是一种能氧化底物的氧化还原酶，由图5(e)可知，脱氢酶随着PF投加量的活性先增加后降低，80mg/mg发酵系统中脱氢酶活性为0.72U/mg，但160mg/mg发酵系统中脱氢酶活性降低，为0.62U/mg，但是仍高于0~40mg/mg发酵系统（0.25～0.41U/mg）。可见PF能够有效提高磷酸酶和脱氢酶活性，为分解和氧化有机物起着重要的作用。

2.4 PF对发酵污泥性质的影响

EPS对维持微生物的结构和细胞间的聚集作用至关重要，同时有利于维持污泥絮体的稳定性。PF对EPS结构具有显著的影响，其中SB和疏松层(LB)中的蛋白质和多糖随着PF的增加而增大，而紧致层(TB)中蛋白质和多糖随着PF的增加而降低(见图6)。这是因为，微生物对于恶劣环境具有应急保护机制，在不利环境下会在细胞表面分泌大量的蛋白质和多糖，TB的EPS向SB和LB转移，造成TB的EPS含量随着PF投加量的增加而降低，而SB和LB中蛋白质和多糖随着PF投加量增加而增大。研究发现，LB中的蛋白质和多糖含量的增加会降低细胞附着性和恶化絮体结构，造成污泥解体，进而改变污泥粒径。0～160mg/mg发酵系统中分配率为50%的污泥粒径依次为38.39、40.95、38.77、38.13、19.60μm，可见高浓度的PF使污泥絮体受到极大的破坏，降低污泥粒径，这与MLSS和MLVSS均随着PF投加量的增加而降低的现象一致，说明PF能够有效破坏污泥絮体结构。

3、结论

(1)PF能够有效促进污泥水解酸化性能，蛋白质、多糖和SCFAs随着其浓度的增加而增大。PF能够优化污泥厌氧发酵系统产酸类型，提高乙酸比例。

(2)适当浓度的PF促进蛋白质、α-葡萄糖苷酶和碱性磷酸酶活性，但高浓度PF抑制生物酶活性。