底物对厌氧消化系统EPS产生及起泡的影响.pdf

中国环境科学 2023,43(8)：40464056 China Environmental Science 周滢月,张 智,李 蕾,等.底物对厌氧消化系统 EPS 产生及起泡的影响 J.2023,43(8):4046-4056.Zhou Y Y,Zhang Z,Li L,et al.Influence of substrate composition on the production characteristics of extracellular polymers and foaming performance in anaerobic digestion systems J.China Environmental Science,2023,43(8):4046-4056.底物对厌氧消化系统 EPS 产生及起泡的影响 周滢月,张 智,李 蕾*,杨屏锦,王小铭,彭绪亚(重庆大学,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400045)摘要：为明确底物成分对厌氧消化系统胞外聚合物(EPS)生成及起泡性能的影响,在批次实验中引入高碳水、高蛋白和高油脂 3 种厨余垃圾,检测了不同试验组 EPS 的产生特性(浓度、组成、结构、官能团等),及各类 EPS 和污泥的起泡特性参数(粘度、表面张力和相对疏水性)和起泡潜能参数(起泡趋势、泡沫稳定性、泡沫直径和液膜厚度),并分析了 EPS 特性与污泥特性的相关性.结果表明,底物不同的试验组产生了性质各异的 EPS.底物组分越均衡越倾向于产气利用,而高碳水及对照组因碳水化合物含量过多,EPS 总浓度显著高于其余实验组.碳水化合物、蛋白质和油脂分别会通过改变中间代谢产物、影响微生物产酶情况和增殖情况而改变 EPS 形态及组分.EPS 结构方面,碳水组和对照组在高碳水化合物条件下,产生的 EPS 类腐殖质更多.官能团方面,高碳水底物下烷基含量减少,高蛋白底物下会产生更多亲水性含氮官能团,高油脂下羧酸含量增加,且 3 个试验组的 EPS 相对疏水性较对照组均有不同程度降低.相关性分析发现,污泥起泡能力与 EPS 类指标的相关性明显强于底物类别.污泥起泡趋势(FP)与松散结合型 EPS(P0.01,r=0.979)和溶解型 EPS(P0.05,r=0.678)相关性最强;EPS 粘度对 FP 与泡沫稳定性(FS)也均具有积极作用(P0.05),EPS 表面张力增加有利于 FS(P0.05).底物对起泡的作用方面,碳水化合物可能是通过提高 EPS 粘度和亲水性,使污泥产生直径更大、稳定性更强的泡沫.蛋白质利用酶作用 EPS 表面张力下降,由此产生直径更小稳定性更差的泡沫,起泡现象得以缓解.油脂使松散结合型 EPS 减少(P0.05,r=-0.649),同时分解产生的 LCFA 改变了紧密结合型 EPS 粘度(P0.01,r=0.788)共同提高了 FP.关键词：厌氧消化；厨余垃圾；起泡；胞外聚合物 中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2023)08-4046-11 Influence of substrate composition on the production characteristics of extracellular polymers and foaming performance in anaerobic digestion systems.ZHOU Ying-yue,ZHANG Zhi,LI Lei*,YANG Ping-jin,WANG Xiao-ming,PENG Xu-ya(Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Regions Eco-Environment,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,China).China Environmental Science,2023,43(8)：40464056 Abstract：To clarify the influence of substrates composition on the production characteristics and foaming performance of extracellular polymer(EPS)in anaerobic digestion system,three types of food waste,namely high-carbohydrate,high-protein and high-fat,were tested in batch experiments.The EPS production characteristics(concentration,composition,structure,functional groups,etc.),and parameters characterizing the foaming properties(viscosity,surface tension and relative hydrophobicity)and potential(foaming tendency,foam stability,foam diameter and liquid film thickness)of various types of EPS and sludge,were examined in different test groups.The correlation between EPS characteristics and sludge characteristics was also analyzed.The test groups with different substrates produced EPS with different properties.Specifically,the more balanced the substrate composition,the more it tended to be used for gas production,while the high carbohydrate and control groups had significantly higher total EPS concentrations than the rest experimental groups due to the excess carbohydrate content.Carbohydrates,proteins and oils influenced EPS morphology and composition by altering intermediate metabolites,affecting enzyme production and proliferation of microorganisms,respectively.In terms of EPS structure,more humic-like substances were produced under high carbohydrate conditions in the high-carbohydrate and control groups.In terms of functional groups,the alkyl group was reduced in the high-carbohydrate group,the high-protein group produced more hydrophilic nitrogenous functional groups,and the carboxylic acid content increased in the high-fat group.In addition,the relative hydrophobicity of EPS was reduced to varying degrees in all three experimental groups compared to the control group.The correlation analysis revealed that the sludge foaming capacity was significantly more correlated with EPS-related parameters than with substrate categories.Sludge foaming tendency(FP)was strongly correlated with loosely bound EPS(P 0.01,r=0.979)and soluble EPS(P 0.05,r=0.678).EPS viscosity also had a positive effect on both FP and foam stability(FS)(P 0.05),and increased EPS surface tension favored the FS(P 0.05).In terms of the 收稿日期：2022-12-21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52170124)*责任作者,副教授, 8 期 周滢月等：底物对厌氧消化系统 EPS 产生及起泡的影响 4047 role of substrates on foaming,carbohydrates may be responsible for the production of larger diameter,more stable foams from the sludge by increasing EPS viscosity and hydrophilicity.Proteins use enzymes to reduce the surface tension of EPS,resulting in smaller diameter and less stable foams,and thus alleviated the foaming phenomenon.Fat reduced the loosely bound EPS(P 0.05,r=-0.649)and its intermediate metabolite LCFA altered the viscosity of tightly bound EPS(P 0.01,r=0.788),both contributing to increase the FP.Key words：anaerobic digestion；food waste；foaming；EPS 厨余垃圾(FW)是生活垃圾的重要组成部分,具有含水率高、焚烧效率低、有机物含量丰富等特点 1-2,厌氧消化(AD)技术可通过厌氧微生物将其降解并生成生物质沼气能源,实现厨余垃圾减量化、资源化、无害化3.目前 AD 已广泛应用于我国厨余垃圾的处理4.然而,AD 系统中常发生起泡现象,在厨余垃圾 AD 系统中该现象尤为严重5.早前研究发现工程中很多起泡案例都是底物结构变化造成的,其中大多情况源于高蛋白/高油脂底物的引入6,也有少量因碳水底物引起起泡的案例7.但底物成分与起泡的相关性难以界定,因为特定成分的引入并不一定会引起起泡.本团队近期在厨余垃圾 AD 系统中发现不同扰动引起的起泡现象都与胞外聚合物(EPS)相关,即 EPS 总量与系统泡沫高度具有极显著的相关性5,可见 EPS 可能是决定起泡现象的关键因素.EPS 是复杂高分子量聚合物的混合物质,主要由胞外多糖(PS)、胞外蛋白(PN)、腐殖质(HU)和核酸(DNA)构成.其中,DNA 是细胞裂解后胞内核酸释放到胞外被 EPS 絮体捕捉吸附而来,其余三类组分则由微生物降解底物产生.如 PS 和 PN 分别是底物中碳水化合物和蛋白质被微生物转化为高聚糖和结构功能性蛋白后分泌至胞外生成;HU 是有机物水解产物.由此可见,EPS 的产生与底物息息相关8,底物组分的改变很可能会影响 EPS 的产生特性,进而引发消化液起泡性能的变化.目前已有研究探索过底物对 EPS 浓度与组成的影响,一方面,底物类型变化将影响微生物代谢活动,在不同碳源或氮源下产生的 EPS 浓度和组成均有所差异9.另一方面,底物中某一组分波动也将影响 EPS 产生过程.例如,当底物中碳水化合物减少时,PS 倾向于为形成新细胞供能而不是储存在 EPS 中,导致 EPS PS 的减少10;底物蛋白质过高时,微生物遭到迫胁,生产更多 EPS 以抵抗不利环境11.然而,在改变起泡性能方面,EPS 可能更多的是作为生物表面活性剂影响消化液起泡特征,因此其官能团、结构、流体特性以及自身起泡潜能也是消化液起泡性能评价中需关注的参数,但前期尚未有研究探索过底物对 EPS 上述特性及起泡潜能的影响,更未有研究基于此探索底物对消化液起泡性能的影响.基于此,本文将碳水化合物、蛋白质和油脂引入模化垃圾中,模拟不同成分的厨余垃圾进行厌氧消化,分析底物差异对 EPS 浓度、组成、结构等特性的影响,并开展 EPS 特性参数与消化液起泡特性参数的相关性分析,以探究不同底物组成对 EPS 衍生规律及其起泡性能的影响.1 材料与方法 1.1 接种物与底物 接种污泥取自重庆市某农村户用沼气池,使用前首先过 10 目筛以去除其中的无机大颗粒物、秸秆等,并在 37下预孵化 2 周,消耗残留于其中的底物,待观察到产气停止后完成预孵化.随后投入厨余垃圾,在 2.5gVS/(Ld)的有机负荷(OLR)及 30d的水力停留时间(HRT)下驯化 60d 得到接种污泥.此时接种物 pH 值为(7.490.2),含固率(TS)为(9.680.03)%,挥发性固体含量(VS)为(5.440.05)%,挥发性脂肪酸(VFAs)为(1254.15)mg/L,总氨氮(TAN)为(2690.007.93)mg/L,总 碱 度(TA)为(13622.951662.45)mg/L.结合文献中厨余垃圾的组分报道14,按照蔬菜:果皮:肉:米饭的湿重比例 40%:20%:5%:25%来配制模化垃圾,用粉碎机粉碎并混合均匀后分装于密封袋中于20冰箱中冷冻保存,用前 1d 于 4冰箱中解冻.为避免底物剧烈波动对反应器造成严重胁迫而导致其运行彻底失败,结合前期研究中各组分对反应器造成抑制的阈值15,按质量比将 95%模化垃圾和 5%淀粉、蛋白胨或油脂混合均匀后依次作为高碳水、高蛋白和高油脂的底物,各组底物理化指标见表 1.4048 中 国 环 境 科 学 43 卷 表 1 消化底物理化指标 Table 1 Physicochemical properties of substrates 指标 模化垃圾 高碳水 FW 高蛋白 FW 高油脂 FW TS(%)22.690.25 26.560.25 26.560.25 26.560.25 VS(%)22.220.17 26.110.17 26.110.17 26.110.17 VS/TS(%)98.320.28 98.000.22 98.320.28 98.320.28 碳水化合物(mg/g 干基)869.360.35 889.080.19 700.800.21 700.800.21 油脂(mg/g 干基)55.700.18 45.210.24 45.210.24 233.500.37 蛋白质(mg/g 干基)60.230.025 48.890.28 237.170.37 48.890.28 理论甲烷产率(mLCH4/g VS)351.040.41 360.260.32 377.210.44 436.330.35 1.2 实验设计 采用模化垃圾、高碳水、高蛋白质和高油脂厨余垃圾为底物进行批次厌氧消化,4个实验组分别命名为对照组(MG)、碳水组(CG)、蛋白组(PG)和油脂组(LG),以探究不同组分对厨余垃圾厌氧消化系统中 EPS 衍生规律以及污泥起泡性能的影响.实验选用 1L 血清瓶作为反应容器,按照 0.5 的食微比(S/I)向血清瓶中添加底物和接种污泥,再加入纯水将 TS调至 15%,最后充入氮气以保证血清瓶内的厌氧环境,并放置于(371)C 的恒温水浴锅中,反应器每日手动摇晃 2 次.在累积产甲烷量达到理论产甲烷量20%、40%、60%和 80%时采样测定 VFAs 和 EPS组成成分.考虑到产气量达到理论产气的 80%时反应器内的底物已被大量消化降解,产生并累积了丰富的 EPS,而后若厌氧消化继续进行,微生物将逐渐分解 EPS 作为营养来源,导致 EPS 损耗,不利于后续分析测试,因此此时停止实验.实验停止后立即进行污泥起泡潜能实验,测定污泥粘度和表面张力,并将所剩污泥至于-4冷冻以备其余污泥特性指标的测定以及 EPS 的分类提取和其结构、官能团、起泡潜能等的测定.1.3 理化指标分析方法 日甲烷产量采用排氢氧化钠法测定.pH 值、TS、VS、TA、TAN 采用标准方法测定,VFAs 采用气象色谱仪(7890A,Agilent,美国)测定,底物的脂肪和蛋白质含量分别采用索氏提取法和凯氏定氮法测定,碳水化合物用 VS 与前两者差减得出.表面张力采用全自动表面张力仪(美国 Kino,A101Plus)测定,粘 度 采 用 旋 转 数 字 式 粘 度 计(上 海 尼 润LDV-2+Pro)测定,测定时剪切速率为 100s-1.EPS 的提取采用热提法12,采取修正 Lowry 法测定 EPS 中的蛋白质和腐殖质 13,多糖和核酸分别采取苯酚-硫 酸 法 和 二 苯 胺 法 测 定14,相 对 疏 水 性 采 用DAX-8树脂吸附法15.EPS结构采用荧光分光光度计(日立 F-7000)测定,官能团检测利用傅里叶红外变换光谱法(Nicolet iS50).起泡趋势与泡沫稳定性的测定采用泡腾片法16,泡沫直径与液膜厚度采用体视显微镜(SZX16)进行观测.1.4 统计与分析 单个泡沫尺寸采用等容粒径(Dep)表征,泡沫群直径采用索特尔平均直径(D32)表示,计算公式如下17:123ep21()DF F=(1)3ep132N2ep1()()NDDD=(2)式中:F1和 F2分别代表气泡的最小经线直径和最大经线直径,mm.基础数据采用 Excel、Orign 进行整理和绘图,利用 SPSS 进行 Duncan 显著性分析.采用 OMNIC进行红外光谱基线校正与官能团峰面积测量.各参数间交互作用采用 R Studio 进行 Spearman 相关性分析计算,P 值小于 0.05 时为显著相关,P 小于 0.01时为极显著相关,利用Gephi绘制污泥与EPS参数间的网络关系图.2 结果与讨论 2.1 产气情况及污泥特性 2.1.1 产气情况 如图 1 所示,MG 组累积甲烷产率最低,达到理论产甲烷量 80%所用的时间最长,其VFAs含量随着AD进程逐渐减少.CG组中淀粉被水解酸化产生了更多 VFAs,使碳水组在消化末期VFAs 仍保持在(6243.75375.69)mg/L,酸积累现象较明显.PG组在AD前期VFAs浓度高达21078mg/L,8 期 周滢月等：底物对厌氧消化系统 EPS 产生及起泡的影响 4049 这可能是由于模化垃圾 C/N 仅为 12.50,低于 AD 适宜 C/N 范围(2030)18,底物蛋白质的增加导致 C/N进 一 步 下 降,PG 组 氨 氮 浓 度 达 到(2848.34 176.59)mg/L,造成系统氨抑制,加剧了 VFAs 积累.然而,后期PG组VFAs浓度急剧下降,产甲烷速率提高,仅 19d 便到达反应终点.LG 组累积甲烷产率远超其余组,这是由于油脂本身的甲烷产率远高于碳水化合物和蛋白质19.图 1 厌氧消化过程累积甲烷产率、VFAs 和 TAN 的变化情况 Fig.1 Changes of cumulative methane yield,VFAs and TAN during the anaerobic digestion 2.1.2 污泥特性 由表 2 可见,起泡趋势和泡沫稳定性分别代表产生泡沫的难易程度和稳定程度,可表征污泥起泡潜能.起泡趋势越高污泥能够产生的泡沫体积越大;泡沫稳定性越强意味着泡沫越不易破裂消失,易积聚引起起泡事件.LG 组起泡趋势最高,表明油脂可以促使污泥产生更多泡沫,部分学者也观察到了同样的现象5,但这也与部分研究指出的油脂可用于消泡截然相反20.CG和MG组起泡趋势次于 LG 组,但泡沫稳定性显著高于其余组,指示高碳水化合物也可能在维持泡沫稳定中发挥重要作用.前期Stoyanova等21也发现甜菜厌氧消化系统中所产生的高粘性果胶是起泡的主要原因.意外的是,PG组的起泡趋势和泡沫稳定都处于较低状态,显著小于其余组(P0.05).这与前期研究指出的蛋白质加剧了 AD 系统起泡现象存在矛盾22.本研究与前期部分研究的不一致性可能恰恰说明底物本身并不是影响污泥起泡性能的关键.泡沫直径可代表泡沫的大小,液膜厚度表示相邻气泡间存在的流动液相的厚度,均可作为起泡潜能的参数指标.理论上泡沫直径越大、液膜越厚,泡沫受到的挤压力越大,稳定性越弱23.由表 2 可以看出,CG 组泡沫直径显著大于其余组(P0.05),液膜厚度最小,表明碳水化合物能够改变泡沫结构,产生更稳定的泡沫.PG组泡沫液膜最厚,所产生的挤压力使泡沫更容易破裂.这些现象与起泡趋势和泡沫稳定性完全一致.表面张力和污泥粘度常用于表征污泥的表面特性和流动特性,两者均是起泡特征最常见的表征指标.从表 2 可知,各组表面张力无显著性差异,说明底物的小幅差异可能不足以改变污泥的表面特性.但 PG 组和 MG组的污泥粘度显著高于另外两组,这与 PG 组最小的起泡趋势和泡沫稳定性存在矛盾,指示底物对起泡性能的影响可能不是通过简单的改变表面或流动特性造成的.鉴于此,本研究进一步解析底物成分对 EPS 产生特性的影响,以期明确底物变化引发起泡现象改变的作用机制.表 2 污泥起泡特征与起泡潜能参数 Table 2 Foaming properties and foaming potential parameters of sludge 实验组别 起泡趋势(mL)泡沫稳定性(mL)泡沫直径(m)液膜厚度(m)污泥表面张力(mN/m)污泥粘度(mPas)MG 4.40.28c 42.580.39a 2484.68138.85b 186.355.69ab 50.511.41a 412.0956.97a CG 5.80.8b 61.049.74a 4797.722.55a 161.9434.67b 55.131.18a 105.10.24b PG 2.20.1d 12.50.3c 2682.18231.82b 257.7422.97a 51.821.14a 429121.05a LG 9.20.85a 18.0613.75b 3453.74105.62b 207.0481.19ab 52.691.55a 92.269.04b 注:采用Duncan多重比较分析,同列标有小写字母表示组间存在显著性差异(P0.05,n=3)4050 中 国 环 境 科 学 43 卷 2.2 底物对 EPS 衍生规律的影响 2.2.1 EPS 浓度及组分 由图 2 可见,EPS 整体含量呈上升趋势,这与前期研究指出的微生物在营养物质充足的环境下会快速生长繁殖代谢,不断分泌代谢产物至胞外,使 EPS 浓度不断增加是一致的8.尽管整体变化趋势相同,在不同底物下 EPS 总浓度显现出明显的差距.具体而言,MG 组 EPS 总含量一直保持在最高水平,CG 和 PG 组次之,LG 组 EPS 总含量最低.前期不少研究指出蛋白质和油脂引入会引起氨氮和长链脂肪酸(LCFA)胁迫,恶化微生物生境,使 EPS 含量增加5.但本研究结果并不支持这一论断,可能是因为尽管添加了蛋白质或油脂,但各组S/I 仅维持在 0.5,由此随底物引入的抑制物有限,使得各类抑制的程度都不高,甚至是可逆的.以 PG 组为 例,前 期 张 虹 等24就 在 类 似 的 氨 氮 浓 度(3000mg/L)下发现氨胁迫可通过长期运行而缓解.相比之下,碳水化合物含量更高、底物成分更单一的 MG 和 CG 组 EPS 浓度更高,这也许意味着更均衡的底物成分倾向于产气利用,而底物的不均衡会造成微生物代谢物即 EPS 的增长.各组产气规律也支持这一推论.图 2 厌氧消化过程中不同试验组的 EPS 的变化情况 Fig.2 Evolution of EPS in the different test groups during the anaerobic digestion 从不同 EPS 形态上分析,溶解型 EPS(S-EPS)浓度在消化过程中一直维持在最高水平且呈不断上升趋势,占比最高可达(66.814.14)%,松散结合型EPS(LB-EPS)含量最低,紧密结合型 EPS(TB-EPS)浓度处于两者之间,且LB-EPS和TB-EPS的浓度呈上下波动状态.各形态 EPS 的差异可能与其生成先后顺序相关.微生物分泌聚合物至胞外首先生成与细胞紧密黏附的 TB-EPS,TB-EPS 被新产生的聚合物挤至外层并逐渐演化为结构松散的 LB-EPS25,LB-EPS 在溶解、水解或剪切力作用下生成 S-EPS26.S-EPS 的逐渐累积致使其浓度远高于结合型EPS(B-EPS),而B-EPS不断地被分解转化则导致了其浓度的上下起伏状态.以反应末期的样品作为代表,比较不同底物中的 EPS 形态差异可知,MG 组S-EPS 与 TB-EPS 浓度高于其余组,LB-EPS 浓度低于 PG 和 CG 组,这表明相较于 CG 和 PG 组,MG 组LB-EPS 能更快向 S-EPS 转化.PG 组 TB-EPS 浓度最低,LB-EPS 浓度却最高,意味着蛋白质可以促进TB-EPS 向 LB-EPS 的演化.LG 组各形态 EPS 浓度均维持在低水平,这与其总 EPS 的规律相一致.从组成成分上看,PS 总含量在各组的产气过程中总体呈下降趋势,这是由于碳水化合物能够被微生物优先降解并生成胞外 PS,当微生物快速增长时,PS 又将被分解利用为微生物提供能量.PN、HU和 DNA 组分含量则在 EPS 中不断增加,在营养物质丰富的条件下微生物不会将功能性与结构性蛋白作为营养物质消化分解,因此 PN 在 EPS 中逐渐累积.HU 因具有难降解性进而在 EPS 中不断的堆积.AD 系统中细胞不断死亡裂解并将胞内物质释放至胞外,因此 EPS 中 DNA 含量也呈逐渐上升趋势.同样以末期样品为代表比较不同底物对 EPS 组分的影响可知,MG 和 CG 组 PN 含量较 PG 组有小幅度提高,这可能与PG组含氮量高导致其C/N更低有关.前期诸多研究也证实了在高氮条件下 EPS PN 含量更低27.还有学者指出这是因为高 C/N 下微生物对碳源的利用和同化大于氮源,而低 C/N 下微生物倾向于利用多余的氮合成蛋白质和核酸等物质,而非储存于EPS中10.PG组PS总量明显低于其余组,这是由于氮源丰富的环境下微生物的产酶能力提高17,28,其中的多糖裂解酶在细胞裂解时被释放到胞外促进PS分解29.LG组PN含量为4组内最低,PS和DNA含量却为4组中最高.DNA含量的上升可能是由于微生物总量增加,有理论认为当微生物快速增殖时 EPS 的产量会减少26,因此高油脂底物可能促进了微生物增长繁殖,从而使 EPS 产量下降.同时,PS 的代谢过程受到抑制导致系统中 PS 的累积;8 期 周滢月等：底物对厌氧消化系统 EPS 产生及起泡的影响 4051 微生物增长繁殖加快氮源被用于合成新细胞导致EPS 中 PN 减少.图 3 厌氧消化末期 EPS 三维荧光光谱图 Fig.3 Three dimensional fluorescence spectra of EPS at the end of anaerobic digestion 进一步分析各形态 EPS 组分变化可知,厌氧消化前期 PS 在 S-EPS 中占比最高可达(50.02 4.61)%,LB-EPS和TB-EPS中PS占比远低于S-EPS,这是碳水化合物优先降解,生成更多溶解性产物的结果,但当微生物快速繁殖时,PS 又将作为能源物质被分解利用,导致 PS 在不同形态 EPS 中含量均出现波动或下降.DNA 也在 S-EPS 中有最高含量,可达(188.4413.22)mg/L,而 TB-EPS 中 低 至(38.89 6.03)mg/L,这可能是因为细胞裂解释放的胞内 DNA等物质将溶于S-EPS,而TB-EPS多为完整或有活性的细胞.尽管随着消化的进行,S-EPS PS 浓度出现下降,但 PN、HU 和 DNA 的累积使 S-EPS 整体仍呈上升趋势,B-EPS 的浓度波动主要归因于其中 PN 和PS 含量的变化.具体看不同组间的差异可知,CG 组TB-EPS 和 S-EPS 中 PS 含量均低于 MG 组,而LB-EPS PS却高于CG组,这表明MG组LB-EPS PS能更快的转化为 S-EPS.Ye 等30分别以乙酸、葡萄糖和淀粉作为底物探究不同碳水化合物对 EPS 的影响,发现乙酸可直接进入三羧酸循环,而淀粉和葡萄糖则需要先降解为丙酮酸,氧化形成乙酰辅酶 A才能进入三羧酸循环.因此底物中淀粉的增加产生了更多中间代谢产物,直接导致 LB-EPS 中 PS 的累4052 中 国 环 境 科 学 43 卷 积.PG 组 S-EPS 和 LB-EPS 的 PN/PS 分别为(2.03 0.05)和(2.450.11),MG 组 分 别 为(1.520.03)和(1.140.06),与之相反的是 PG 组 TB-EPS 的 PN/PS仅 为(0.900.03),而 MG 组 则 高 达(1.630.17).TB-EPS PN 快速转化为 LB-EPS 和 S-EPS 的 PN,导致 PG 组 S-EPS 和 LB-EPS 的 PN 含量增加,TB-EPS PN含量骤减,这同样是由于PG组酶含量更丰富,加速了聚合物的裂解.LG 组各形态 EPS 的PN/PS 均为最低,这也再次证明油脂导致 PN 分泌减少,与总 EPS 规律一致.2.2.2 EPS的结构特征 EPS中含有大量的荧光特性物质,图 3 展示了在厌氧消化反应产气达到理论产甲烷量80%时采样测得的各形态EPS三维荧光光谱图.Peak A 为产甲烷菌特有的辅酶 F420的荧光峰Ex/Em=(420nm/475nm),可用于衡量污泥产甲烷活性 31,各组都有着明显的辅酶 F420荧光峰,说明在甲烷实际产量达到理论产量 80%时污泥中的产甲烷菌仍有着较强的活性.TB-EPS辅酶F420荧光峰最弱,表明在 TB-EPS 中产甲烷菌的活性弱于 S-EPS 和LB-EPS,这可能是由于 TB-EPS 的主要成分是微生物直接分泌的高聚合物,需进一步分解和乙酸化才能被产甲烷菌利用32,因此其产甲烷活性低.Peak C表示类色氨酸(Ex/Em=275280nm/335345nm)33,该峰荧光强度在 S-EPS 中最弱,目前已有研究也证实了类色氨酸在 B-EPS 中的累积具有明显优势34.Peak B 为类腐殖质荧光(Ex/Em=220400nm/380 500nm)35,该峰在 MG 组与 CG 组中的荧光强度明显高于 PG 组与 LG 组.关于腐殖质的形成,目前主流观点认为木质素和氨基酸是构成腐殖质的核心36,在 PG 和 LG 组中,微生物利用蛋白质合成更多结构与功能性蛋白,因此所生成的类腐殖质更少.2.2.3 EPS的官能团和疏水性 EPS官能团的变化情况可进一步明确不同底物和不同形态下 EPS 组成结构的差异.EPS 官能团分布情况见图 4,对各官能团峰面积进行测量,结果如表 3 所示.EPS 中-OH 与 N-H 峰面积最大,其中-OH 主要来自 PS,N-H 主要为 PN 的官能团.C=C 的峰面积仅次于-OH 与 N-H,有研究认为 C=C 主要来源于PN37.C-O-C 主要对应 PS 与 DNA,C-H 主要对应PS.进一步分析各形态 EPS 官能团分布差异可知,S-EPS官能团种类更加多样,这可能是由于VFAs等物质多以溶解态形式存在,使得 S-EPS 含有大量烷基.TB-EPS疏水性官能团的峰面积大于S-EPS和LB-EPS,表明 TB-EPS 拥有更多疏水性官能团,亲/疏水官能团在各形态 EPS 中分布存在差异性.图 4 厌氧消化末期 EPS 红外光谱图 Fig.4 Infrared spectrum of EPS at the end of anaerobic digestion 特征峰 A 和 B 对应的氮氢键(N-H),特征峰 A 和 D 对应的羟基(-OH),特征峰 C 和 L 对应碳 X 氢键(C-H),特征峰 E 和 F 对应的碳碳双键(C=C),特征峰 G 和 K 对应的碳氮键(C-N),H 特征峰对应的烷基(-CH2、-CH3),I 特征峰对应羧基(COO-),J 峰对应醚键(C-O-C),M 特征峰对应(-NH2)从不同底物角度分析,图 4 可观察到 MG 与 CG组的特征峰数量低于 PG 和 LG 组,CG 组烷基数量最低,且不含有-NH2,表明在高碳水底物中 EPS 的组成结构更加单一.MG 组-OH 与 N-H 峰面积在LB-EPS中高于其余组,在TB-EPS中最低,意味着底物能够影响官能团在各形态中的分布情况.LG 组中COO-和 C=C 特征峰总面积远高于其余组,并主要8 期 周滢月等：底物对厌氧消化系统 EPS 产生及起泡的影响 4053 集中在 B-EPS,大量 COO-和 C=C 可能源于底物中油脂分解产生的 LCFA.PG 组 S-EPS 和 LB-EPS 在880cm-1和 705cm-1出现了 C-N 和-NH2的振动特征峰,在高蛋白底物下 EPS 具有更多含氮官能团且集中分布在 S-EPS 和 LB-EPS,这与 PG 组不同形态EPS PN 分布情况相符.表 3 EPS 官能团峰面积 Table 3 EPS functional group peak area MG CG PG LG 官能团 S-EPS LB-EPS TB-EPSS-EPSLB-EPSTB-EPSS-EPS LB-EPSTB-EPS S-EPS LB-EPS TB-EPS-OH N-H 303.59 265.43 108.55 276.65111.914260.4249.09150.22356.53 218.91 172.85373.58COO-2.32 7.33 7.16 5.36 19.556.726.0195.624.88 3.84 44.05 5.61-NH2 5.67 0 0 0 0 0 6.21 4.430 7.56 0 0 亲水性 C-N 0 19.74 0.33 11.52 0 0 29.9317.230 1.67 4.9 1.17 C-H-CH2-CH3 6.12 1.87 0.74 1.36 0 0 18.674.7120 10.241 0.24 1.19 C=C 6.28 0 45.44 20.9 15.628.864.36 3.09530.78 6.9 13.78 65.28疏水性 C-O-C 0.32 0.27 2.88 0.26 1.1921.091.54 2.5711.11 0.45 0.07 8.83 表 4 胞外聚合物起泡特征与起泡潜能参数 Table 4 Foaming properties and foaming potential p