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关键词：剩余污泥;厌氧发酵;CaO2;水解酸化;短链脂肪酸;生物酶活性
0引言
目前，活性污泥法是应用最广泛的污水处理方法，具有处理效果好、成本低等特点.然而运用活性污泥法处理城市污水会产生大量副产物———剩余污泥，其处理问题成为当前污水处理工作面临的新挑战.据统计，至2017年，我国城市污泥年产生量约为7000万吨，而且污水处理厂约60%的运行费用于污泥处理[1].污泥中含有丰富的有机资源（如蛋白质、糖类、脂类等）和无机资源（如氮、磷等），可回收利用，但其中还含有大量的病菌、病毒等微生物，如果不能妥善处理，将造成环境污染，严重影响环境安全.
污泥厌氧发酵是目前高效且低成本的一种污泥处理技术，其处理过程分为水解、酸化和产甲烷3个阶段：污泥水解将微生物体内蛋白质和多糖释放至发酵系统，水解酶能够将蛋白质和多糖分解成氨基酸、单糖等小分子物质;酸化菌则利用水解产物生成可挥发性短链脂肪酸（SCFAs）;产甲烷菌再利用SCFAs生成甲烷.污泥水解是污泥厌氧发酵的关键步骤，而产生于酸化阶段的SCFAs是污水生物处理过程的优质碳源[2]，SCFAs中的乙酸、丙酸、异丁酸等也是重要的工业生产原料，因此污泥厌氧发酵产酸研究受到了广泛关注.研究发现，在NaOH，KOH，Ca（OH）2 等碱性条件下，产甲烷菌活性受到抑制，水解酸化菌将污泥中大部分有机物转化为SCFAs，蛋白质，多糖等，其中Ca（OH）2型发酵系统中乙酸含量最高[3].刘常青等[4]发现，用Ca（OH）2，CaCl2等联合热水解法预处理污泥有助于有机物的溶出.由此可见，钙制品化学药剂对于污泥厌氧发酵有较好的促进作用，但是经Ca（OH）2 处理的发酵污泥中仍含有大量的有机物未提取、未利用.
CaO2是一种安全、多功能的氧化剂，有“固体”双氧水之称，溶于水后能够生成·OH，H2O2，Ca（OH）2等[5]，已广泛用于水产养殖业、农业、制药业和水处理行业.近期研究发现，CaO2能够提高污泥脱水性[6]，与游离氨联合可提高污泥厌氧发酵产酸性能[7]，但是对于其作用机理研究不够深入.鉴于此，本文拟以CaO2作为剩余污泥处理药剂，研究不同添加量的CaO2 对剩余污泥水解酸化性能的影响，考察其对污泥厌氧发酵系统中生物酶活性的影响，探索CaO2 在污泥厌氧发酵过程中的作用机理，以期为污水处理厂剩余污泥资源化研究提供参考.
1材料与方法
1.1污泥来源与实验装置
本实验使用的污泥取自郑州市某城市污水处理厂的曝气池，将其用自来水清洗3次后进行浓缩，得实验用污泥，即后文称剩余污泥，其性质如表1所示.
实验反应器材质为有机玻璃，总体积为2.5L，有效容积为2.0L，采用磁力搅拌器进行匀速搅拌.
主要试剂：CaO2，浓H2SO4，CuSO4，酒石酸钾钠，天津市大茂化学试剂厂产;吡喃葡萄糖苷、硝基-a-d-吡喃葡萄糖苷、对硝基苯磷酸二钠、碘硝基四唑紫、Folin试剂，阿拉丁试剂有限公司产.以上试剂均为分析纯.
主要仪器：754紫外-可见分光光度计，FA2004电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司产;TG16-WS离心机，湘仪离心机仪器有限公司产;5B-1F（V8）COD快速检测仪，连华科技有限公司产;GC6890B气相色谱仪，安捷伦科技有限公司产;PHS-25雷磁水质测定仪，上海仪电科学仪器股份有限公司产.
1.2取样方法
分别取2L剩余污泥投加至1#—4#反应器，再向反应器中投加CaO2，控制其添加量分别为0.1mg/mgSS（该单位指每mg悬浮污泥中添加CaO2 的质量，下同），0.2mg/mgSS，0.3mg/mgSS，0.4mg/mgSS.启动磁力搅拌器，隔天取樣测定理化指标.
1.3测定方法
化学需氧量（COD），悬浮污泥质量浓度（MLSS）和可挥发性污泥质量浓度（MLVSS）根据国标方法测定[8];DNA质量浓度用分光光度计测定;pH值用雷磁水质测定仪测定.
在污泥发酵过程中部分有机氮和有机磷以NH4+ -N和PO43- -P的形式释放，其释放量是表征污泥厌氧发酵效果的指标之一，根据国标方法测定[8].
污泥在厌氧发酵过程中释放大量的蛋白质、多糖等物质，但是酸化菌不能直接利用这些物质进行产酸活动.水解菌先利用自身水解酶（如蛋白酶）和α-葡萄糖苷酶将大分子的蛋白质和多糖水解生成氨基酸、单糖等[9]，而酸化菌则利用水解产物生成SCFAs.所以，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶，在污泥厌氧发酵过程中有重要作用.SCFAs的产量用气相色谱仪测定[10]，发酵系统中的多糖和蛋白质质量浓度采用分光光度法测定[8-9]，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶含量采用分光光度法测定[10-11].
剩余污泥发酵系统中含有大量的有机磷，碱性磷酸酶（ALP）和酸性磷酸酶（ACP）可以将其水解成无机磷（PO43- -P）并随着有机物的水解酸化而释放，ALP和ACP活性采用分光光度法测定[10-11].
乳酸脱氢酶（LDH）是脱氢酶（DH）的一种，是催化乳酸与丙酮酸之间氧化还原反应的重要生物酶.因此，DH可以代表发酵过程中的LDH.与LDH一样，由于膜的损伤，DH也可能被释放[11-12].因此，可利用DH研究微生物细胞膜与不同添加量CaO2 的相互作用，揭示CaO2在厌氧发酵过程中可能存在的毒性机制，DH的活性采用分光光度法测定[10-11].
1.4计算方法
污泥厌氧发酵的过程，是污泥中微生物解体、有机物释放的过程，而污泥溶液化率（SCOD）和污泥分解性率（DDCOD）可表征污泥中微生物解体程度，计算公式分别如下[13-14]：
式中，CODs 为溶解性COD 值/（mg·L-1）;CODs0为原始溶液中溶解性COD值/（mg·L-1）;CODp0为污泥原始颗粒COD值/（mg· L-1）;CODNaOH为实验温度下，1mol/LNaOH 处理剩余污泥24 h后的COD 值/（mg·L-1）. 2结果与讨论
2.1CaO2对污泥水解性能的影响
2.1.1不同添加量的CaO2对污泥溶解的影响
图1为不同添加量的CaO2 对剩余污泥厌氧发酵系统中pH值、DNA质量浓度、SCOD值和DDCOD值的影响.
由图1可以看出，CaO2对系统中SCOD值和DDCOD值均具有显著影响，两者均随着CaO2添加量的增加而增大，SCOD值由8.84%增至41.37%，DDCOD 值由11.84% 增至55.42%.其中，0.4mg/mgSS发酵系统中的SCOD值和DDCOD值是0.1mg/mgSS发酵系统的4～5倍.该结果与X.Li等[15]研究的污泥碱性发酵过程中SCOD值的变化（23.2% ～53.8%，15～55℃）相似，但是高于Naddeo超声破碎处理污泥中SCOD值的变化（22%，19000kJ/kg）[16]，这说明CaO2 能够有效地促进污泥溶液化和分解.这是因为CaO2溶于水后生成的OH-能够破坏微生物细胞壁，促进有机质释放[17]，随着CaO2 添加量的增加，系统内pH值升高至12（如图1a）所示），直接破坏了微生物细胞壁.同时CaO2作用发酵系统后生成大量的活性物质如H2O2，·OH和·O2-等，这些活性物质能够破坏微生物细胞膜，使细胞内容物流失[18]，从而使剩余污泥有效溶解.在溶解过程中，DNA随着细胞质的溶出而释放（如图1b）所示），DNA质量浓度随着CaO2添加量的增加而增大，发酵末期（17d）其值为8.5～193.3mg/L.
2.1.2不同添加量的CaO2对可溶性蛋白质和多糖质量浓度的影响 不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵过程中蛋白质和多糖质量浓度的影响如图2所示.
由图2可以看出，发酵过程中蛋白质和多糖质量浓度均随着CaO2添加量的增加而增大，发酵后期蛋白质质量浓度显著下降，而多糖质量浓度相对较为稳定.反应至第5～6d时，0.4mg/mgSS发酵系统中蛋白质和多糖质量浓度最大，分别为931.12mg/L和343.62mg/L，是0.1mg/mgSS发酵系统（150.83 mg/L 和34.56mg/L）的6.17倍和9.94倍，即使发酵末期蛋白质和多糖质量浓度（514.47mg/L和392.44mg/L）下降，仍为0.1mg/mgSS发酵系统（55.03mg/L和15.95mg/L）的9.35倍和24.60倍，说明CaO2能够有效提高剩余污泥的水解性能.同时还发现，发酵末期0.4mg/mgSS发酵系统中蛋白质质量浓度是多糖质量浓度的1.31倍，低于其他碱性发酵（NaOH，KOH，Ca（OH）2）方式[3]，但是高于单过硫酸氢钾、高铁酸钾等发酵方式[19-20].CaO2 溶于水后形成大量的OH-，这些OH-和CaO2对细胞壁均有破坏作用，使大量的蛋白质和多糖类释放至系统，但是其水解过程中形成的H2O2，· OH，·O2-能够氧化蛋白质，减少系统中蛋白质的質量浓度.由于CaO2氧化性低于·SO4-（单过硫酸氢钾溶于水后的产物），因此，该发酵过程产生的蛋白质和多糖的比例高于单过硫酸氢钾发酵方式.
2.2不同添加量的CaO2对污泥酸化的影响
图3为不同添加量的CaO2 对剩余污泥厌氧发酵过程中污泥酸化的影响.
由图3a）可以看出，系统中SCFAs的产量随着CaO2添加量的增加基本呈先增大后降低的趋势，发酵至第5d时，0.2mg/mgSS发酵系统中SCFAs产量最大（876.12mg/L），是0.1mg/mgSS发酵系统（35.00 mg/L）的25.03倍;发酵至第9d时，0.3mg/mgSS发酵系统中SCFAs的产量迅速增至最大，但是0.2mg/mgSS发酵系统中SCFAs产量迅速下降.该结果表明，当CaO2添加量为0.3mg/mgSS时，能够显著提高发酵系统中SCFAs的产量，这是因为该发酵系统中含有丰富的蛋白质和多糖等物质，且系统pH值为9～10（见图1a）），该环境下较适合产酸菌的生长，但严重抑制产甲烷菌活性.在0.3mg/mgSS发酵系统中，随着发酵时间的延长，SCFAs产量升高，其原因可能是，在发酵后期，系统内的pH值下降，产酸菌活性得到恢复，能够有效利用系统内丰富的蛋白质和多糖生成SCFAs.而发酵后期0.2mg/mgSS发酵系统中SCFAs产量迅速降低是因为系统中pH值迅速下降至7～8，导致系统中产甲烷菌活性恢复，SCFAs被大量消耗.由图3b）可以看出，在0.4mg/mgSS发酵系统中，蛋白质和多糖的质量浓度较其他发酵系统均升高，但当发酵系统中pH值增至12，不仅抑制产甲烷菌生长，同时也影响产酸菌的活性.邢立群等[21]也发现，发酵系统经强碱（pH=10～12）处理后，产酸菌活性受到严重抑制，SCFAs产量显著下降.而且CaO2 发酵系统中较高的·OH，·O2-等强氧化物质对系统内微生物的生长存在抑制作用，所以，CaO2 添加量过高时不利于剩余污泥厌氧发酵产酸.
表2为不同添加量的CaO2 对剩余污泥厌氧发酵系统中酸成分的影响.由表2可以看出，发酵系统中SCFAs乙酸占比差别较显著，随着CaO2添加量的增加呈先增大后降低的趋势，分别为52.85%，66.96%，63.94%和48.72%.高于作者前期研究的Ca（OH）2 污泥厌氧发酵系统中的乙酸占比（62.27%）[3]，但是低于单过硫酸钾氢钾污泥厌氧发酵系统中的乙酸占比（75.55%）[19-22].可见，CaO2，Ca（OH）2与单过硫酸氢钾在污泥发酵过程中的化学性质相似，其水解过程中释放的高氧化物质会强化乙酸的积累.SCFAs中的丙酸占比随着CaO2添加量的增加而降低，分别为7.41%，5.09%，5.18%和3.63%，均低于Ca（OH）2型污泥发酵系统的丙酸占比（10% ～15%）[3]和单过硫酸氢钾发酵系统的丙酸占比（3.42% ～11.29%）[22].这说明CaO2能够提高微生物对丙酸的利用率，进而提高发酵系统中乙酸占比.此外，系统中可能含有大量的Erysipelothrix，Tissierella，Peptostreptococcaceaeincertae_sedis等产乙酸微生物[3].在系统中，SCFAs中正丁酸和正戊酸的占比与丙酸相似，均随着CaO2添加量的增大而降低;异丁酸的占比随着CaO2添加量的增加先降低后升高;异戊酸的占比随着CaO2添加量的增加先增加后降低.这是因为，正丁酸和正戊酸属于直链酸，更容易被微生物利用，故二者在系统中的占比低于异丁酸和异戊酸. 2.3不同添加量的CaO2 对NH4+ -N和PO43-P释放量的影响
图4为不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵系统中NH4+ -N和PO43- -P释放量的影响.
由图4可以看出，CaO2对剩余污泥发酵系统中NH4+ -N和PO43- -P的释放量具有显著的影响.NH4+ -N释放量随着CaO2添加量的增加先增大后降低，反应末期各系统中NH4+ -N 释放量分别为211.91 mg/L（0.1mg/mgSS），344.26mg/L（0.2mg/mgSS），294.48mg/L（0.3mg/mgSS），190.78mg/L（0.4mg/mgSS），在添加量较高的CaO2 污泥厌氧发酵系统中，NH4+ -N的释放量最低.然而PO43- -P释放量随着CaO2添加量的增加而降低，反应末期各系统中PO43- -P释放量分别为13.37mg/L（0.1mg/mgSS），11.71mg/L（0.2mg/mgSS），5.08mg/L（0.3mg/mgSS），1.60mg/L（0.4mg/mgSS）.这与SCFAs产量变化趋势基本相同，高添加量的CaO2虽然强化了污泥水解，但是抑制了污泥产酸，影響了有机质中NH4+ -N和PO43- -P的释放.同时CaO2发酵系统中含有大量的Ca2+ 和OH-，能够形成Ca（NH4）PO4· 6H2O 沉淀，因此系统中的PO43- -P释放量随着CaO2添加量的增加而降低.
2.4不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵系统中生物酶活性的影响
图5为CaO2对剩余污泥厌氧发酵系统中生物酶活性的影响.
由图5a）和b）可以看出，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的活性随着CaO2添加量的增加呈先升高后降低趋势，其中在0.2mg/mgSS发酵系统中二者的活性最大，分别为69.84EU/mgVSS（该单位指每mg可挥发性污泥中生物酶的活性，下同）和0.005 1 EU/mg VSS，是0.1mg/mgSS发酵系统（24.81EU/mgVSS和0.0012EU/mgVSS）中的2.81倍和4.25倍.虽然在0.4mg/mgSS发酵系统中，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的活性均有所降低，但是仍高于0.1mg/mgSS系统，这说明适当添加CaO2能够提高蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性.同时发现，蛋白酶活性显著高于α-葡萄糖苷酶活性，这与其在微生物细胞内的位置有关，胞外聚合物（EPS）中含有约23%的蛋白酶和仅为5%的α-葡萄糖苷酶，而大部分水解酶位于球体层[23]，当底物和酶同时向外转移时，蛋白酶的转移快于α-葡萄糖苷酶，从而使溶液中的蛋白酶活性远高于α-葡萄糖苷酶活性.
由图5c）和d）可以看出，ALP和ACP的活性均随着CaO2 添加量的增加而降低，在0.1mg/mgSS系统中，二者的活性最高，分别为0.11EU/mgVSS，0.20 EU/mgVSS;在0.4mg/mgSS系统中，二者的活性最低，分别为0.07EU/mgVSS和0.06EU/mgVSS.这说明碱性且含有氧化物质的发酵环境严重抑制了ALP和ACP的活性.同时发现，ALP和ACP的活性变化趋势与PO43- -P释放量变化不相符，可能因为有机磷分布在活体微生物和碎屑中，如核苷酸-p，脂质-p，核酸-p，蛋白质-p，其分解需要不同种类的磷酸酶作用[24].
由图5e）可以看出，DH的活性随着CaO2添加量的增加呈先升高后降低趋势，其活性分别为0.01 EU/mgVSS，0.51 EU/mgVSS，0.40EU/mgVSS和0.25EU/mgVSS.DH活性较高时，发酵系统中丙酮酸会快速降解生成SCFAs，但是CaO2 释放的活性物质如·OH，OH-，HO2· 和·O2-不仅破坏生物膜，同时也使DH活性受损，所以高添加量的CaO2 会使DH活性降低，阻碍丙酮酸的快速转化.
2.5CaO2在污泥发酵系统中的作用机理分析
作为二价盐，CaO2不仅具有较强的氧化能力，水解后还能产生Ca（OH）2，H2O2 和O2，H2O2 继续水解成为· OH，OH-，HO2· 和·O2-，其反应方程式如下：
其中，OH-的存在使发酵环境成为碱性，较高的pH值不仅破坏微生物的细胞壁，加速污泥溶解，同时会抑制产甲烷菌的活性.而且CaO2溶于水后生成的·OH，HO2·和·O2-具有较高的氧化还原电位，分别为2.4 V（·OH），1.77V（HO2·），2.07V（O2-），这些氧化物质破坏微生物细胞膜的通透性屏障，使细胞内容物流失，损伤RNA，干扰微生物新生代谢活动，最后导致微生物死亡溶解.高活性物质会氧化蛋白质，使系统中多糖占比升高，从而使微生物更加趋向利用多糖生成SCFAs，更易生成乙酸.适当地添加CaO2及其衍生物，能够提高水解酶及其脱氢酶活性，促进发酵系统中的产酸活动.发酵系统的Ca2+与NH4+ -N和PO43- -P在碱性条件下合成鸟粪石沉淀，可降低发酵系统中的氮负荷，减少发酵液中NH4+ -N和PO43- -P的释放量，为发酵液的再利用提供保障.
3结论
本文以CaO2作为城市污水处理中剩余污泥处理药剂，研究了不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵性能的影响，并探索了CaO2在剩余污泥厌氧发酵过程中的作用机理，得到了如下结论：
1）CaO2能够显著促进厌氧发酵系统中污泥的溶解和分解，提高剩余污泥厌氧发酵水解性能，SCOD值、DDCOD值、可溶性蛋白质和多糖质量浓度均随着CaO2添加量的增加而增大.
2）适当添加CaO2能够提高剩余污泥厌氧发酵产酸能力，优化产酸类型，提高乙酸占比，最高可达63.94%，降低丙酸占比，最低可达3.63%.0.2mg/mgSS和0.3mg/mgSS发酵系统中最佳产酸时间分别为第5d和第9d，产酸过程具有延迟性.
3）CaO2对剩余污泥发酵系统中NH4+ -N和PO43- -P的释放量具有显著的影响，NH4+ -N的释放量随着CaO2添加量的增加先增大后降低，PO43- -P的释放量随着CaO2 添加量的增加而降低.
4）适当添加CaO2能够促进剩余污泥发酵系统中蛋白酶、α-葡萄糖苷酶和脱氢酶的活性，其最佳添加量为0.2mg/mgSS，但CaO2中的氧化物质严重抑制碱性磷酸酶和酸性磷酸酶的活性.
5）CaO2溶于水后生成OH-，O2-，H2O2等强氧化物质，能够有效破坏微生物细胞壁，强化污泥水解，OH-形成的碱性环境抑制产甲烷菌活性，降低SCFAs的消耗，OH-，Ca2+与发酵系统中的NH4+ -N和PO43- -P形成鸟粪石沉淀，有利于氮和磷物质的有效回收.
利用CaO2溶于水后产生的大量活性物质和OH-，可调控剩余污泥发酵系统中的pH值，改变微生物的生存环境，从而促进剩余污泥水解酸化性能，并抑制产甲烷菌的活性，使SCFAs得到优化积累和富集，且从生物酶角度深入探讨发酵机理，为后续进一步提高剩余污泥发酵产酸性能提供理论基础.
0引言
目前，活性污泥法是应用最广泛的污水处理方法，具有处理效果好、成本低等特点.然而运用活性污泥法处理城市污水会产生大量副产物———剩余污泥，其处理问题成为当前污水处理工作面临的新挑战.据统计，至2017年，我国城市污泥年产生量约为7000万吨，而且污水处理厂约60%的运行费用于污泥处理[1].污泥中含有丰富的有机资源（如蛋白质、糖类、脂类等）和无机资源（如氮、磷等），可回收利用，但其中还含有大量的病菌、病毒等微生物，如果不能妥善处理，将造成环境污染，严重影响环境安全.
污泥厌氧发酵是目前高效且低成本的一种污泥处理技术，其处理过程分为水解、酸化和产甲烷3个阶段：污泥水解将微生物体内蛋白质和多糖释放至发酵系统，水解酶能够将蛋白质和多糖分解成氨基酸、单糖等小分子物质;酸化菌则利用水解产物生成可挥发性短链脂肪酸（SCFAs）;产甲烷菌再利用SCFAs生成甲烷.污泥水解是污泥厌氧发酵的关键步骤，而产生于酸化阶段的SCFAs是污水生物处理过程的优质碳源[2]，SCFAs中的乙酸、丙酸、异丁酸等也是重要的工业生产原料，因此污泥厌氧发酵产酸研究受到了广泛关注.研究发现，在NaOH，KOH，Ca（OH）2 等碱性条件下，产甲烷菌活性受到抑制，水解酸化菌将污泥中大部分有机物转化为SCFAs，蛋白质，多糖等，其中Ca（OH）2型发酵系统中乙酸含量最高[3].刘常青等[4]发现，用Ca（OH）2，CaCl2等联合热水解法预处理污泥有助于有机物的溶出.由此可见，钙制品化学药剂对于污泥厌氧发酵有较好的促进作用，但是经Ca（OH）2 处理的发酵污泥中仍含有大量的有机物未提取、未利用.
CaO2是一种安全、多功能的氧化剂，有“固体”双氧水之称，溶于水后能够生成·OH，H2O2，Ca（OH）2等[5]，已广泛用于水产养殖业、农业、制药业和水处理行业.近期研究发现，CaO2能够提高污泥脱水性[6]，与游离氨联合可提高污泥厌氧发酵产酸性能[7]，但是对于其作用机理研究不够深入.鉴于此，本文拟以CaO2作为剩余污泥处理药剂，研究不同添加量的CaO2 对剩余污泥水解酸化性能的影响，考察其对污泥厌氧发酵系统中生物酶活性的影响，探索CaO2 在污泥厌氧发酵过程中的作用机理，以期为污水处理厂剩余污泥资源化研究提供参考.
1材料与方法
1.1污泥来源与实验装置
本实验使用的污泥取自郑州市某城市污水处理厂的曝气池，将其用自来水清洗3次后进行浓缩，得实验用污泥，即后文称剩余污泥，其性质如表1所示.
实验反应器材质为有机玻璃，总体积为2.5L，有效容积为2.0L，采用磁力搅拌器进行匀速搅拌.
主要试剂：CaO2，浓H2SO4，CuSO4，酒石酸钾钠，天津市大茂化学试剂厂产;吡喃葡萄糖苷、硝基-a-d-吡喃葡萄糖苷、对硝基苯磷酸二钠、碘硝基四唑紫、Folin试剂，阿拉丁试剂有限公司产.以上试剂均为分析纯.
主要仪器：754紫外-可见分光光度计，FA2004电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司产;TG16-WS离心机，湘仪离心机仪器有限公司产;5B-1F（V8）COD快速检测仪，连华科技有限公司产;GC6890B气相色谱仪，安捷伦科技有限公司产;PHS-25雷磁水质测定仪，上海仪电科学仪器股份有限公司产.
1.2取样方法
分别取2L剩余污泥投加至1#—4#反应器，再向反应器中投加CaO2，控制其添加量分别为0.1mg/mgSS（该单位指每mg悬浮污泥中添加CaO2 的质量，下同），0.2mg/mgSS，0.3mg/mgSS，0.4mg/mgSS.启动磁力搅拌器，隔天取樣测定理化指标.
1.3测定方法
化学需氧量（COD），悬浮污泥质量浓度（MLSS）和可挥发性污泥质量浓度（MLVSS）根据国标方法测定[8];DNA质量浓度用分光光度计测定;pH值用雷磁水质测定仪测定.
在污泥发酵过程中部分有机氮和有机磷以NH4+ -N和PO43- -P的形式释放，其释放量是表征污泥厌氧发酵效果的指标之一，根据国标方法测定[8].
污泥在厌氧发酵过程中释放大量的蛋白质、多糖等物质，但是酸化菌不能直接利用这些物质进行产酸活动.水解菌先利用自身水解酶（如蛋白酶）和α-葡萄糖苷酶将大分子的蛋白质和多糖水解生成氨基酸、单糖等[9]，而酸化菌则利用水解产物生成SCFAs.所以，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶，在污泥厌氧发酵过程中有重要作用.SCFAs的产量用气相色谱仪测定[10]，发酵系统中的多糖和蛋白质质量浓度采用分光光度法测定[8-9]，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶含量采用分光光度法测定[10-11].
剩余污泥发酵系统中含有大量的有机磷，碱性磷酸酶（ALP）和酸性磷酸酶（ACP）可以将其水解成无机磷（PO43- -P）并随着有机物的水解酸化而释放，ALP和ACP活性采用分光光度法测定[10-11].
乳酸脱氢酶（LDH）是脱氢酶（DH）的一种，是催化乳酸与丙酮酸之间氧化还原反应的重要生物酶.因此，DH可以代表发酵过程中的LDH.与LDH一样，由于膜的损伤，DH也可能被释放[11-12].因此，可利用DH研究微生物细胞膜与不同添加量CaO2 的相互作用，揭示CaO2在厌氧发酵过程中可能存在的毒性机制，DH的活性采用分光光度法测定[10-11].
1.4计算方法
污泥厌氧发酵的过程，是污泥中微生物解体、有机物释放的过程，而污泥溶液化率（SCOD）和污泥分解性率（DDCOD）可表征污泥中微生物解体程度，计算公式分别如下[13-14]：
式中，CODs 为溶解性COD 值/（mg·L-1）;CODs0为原始溶液中溶解性COD值/（mg·L-1）;CODp0为污泥原始颗粒COD值/（mg· L-1）;CODNaOH为实验温度下，1mol/LNaOH 处理剩余污泥24 h后的COD 值/（mg·L-1）. 2结果与讨论
2.1CaO2对污泥水解性能的影响
2.1.1不同添加量的CaO2对污泥溶解的影响
图1为不同添加量的CaO2 对剩余污泥厌氧发酵系统中pH值、DNA质量浓度、SCOD值和DDCOD值的影响.
由图1可以看出，CaO2对系统中SCOD值和DDCOD值均具有显著影响，两者均随着CaO2添加量的增加而增大，SCOD值由8.84%增至41.37%，DDCOD 值由11.84% 增至55.42%.其中，0.4mg/mgSS发酵系统中的SCOD值和DDCOD值是0.1mg/mgSS发酵系统的4～5倍.该结果与X.Li等[15]研究的污泥碱性发酵过程中SCOD值的变化（23.2% ～53.8%，15～55℃）相似，但是高于Naddeo超声破碎处理污泥中SCOD值的变化（22%，19000kJ/kg）[16]，这说明CaO2 能够有效地促进污泥溶液化和分解.这是因为CaO2溶于水后生成的OH-能够破坏微生物细胞壁，促进有机质释放[17]，随着CaO2 添加量的增加，系统内pH值升高至12（如图1a）所示），直接破坏了微生物细胞壁.同时CaO2作用发酵系统后生成大量的活性物质如H2O2，·OH和·O2-等，这些活性物质能够破坏微生物细胞膜，使细胞内容物流失[18]，从而使剩余污泥有效溶解.在溶解过程中，DNA随着细胞质的溶出而释放（如图1b）所示），DNA质量浓度随着CaO2添加量的增加而增大，发酵末期（17d）其值为8.5～193.3mg/L.
2.1.2不同添加量的CaO2对可溶性蛋白质和多糖质量浓度的影响 不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵过程中蛋白质和多糖质量浓度的影响如图2所示.
由图2可以看出，发酵过程中蛋白质和多糖质量浓度均随着CaO2添加量的增加而增大，发酵后期蛋白质质量浓度显著下降，而多糖质量浓度相对较为稳定.反应至第5～6d时，0.4mg/mgSS发酵系统中蛋白质和多糖质量浓度最大，分别为931.12mg/L和343.62mg/L，是0.1mg/mgSS发酵系统（150.83 mg/L 和34.56mg/L）的6.17倍和9.94倍，即使发酵末期蛋白质和多糖质量浓度（514.47mg/L和392.44mg/L）下降，仍为0.1mg/mgSS发酵系统（55.03mg/L和15.95mg/L）的9.35倍和24.60倍，说明CaO2能够有效提高剩余污泥的水解性能.同时还发现，发酵末期0.4mg/mgSS发酵系统中蛋白质质量浓度是多糖质量浓度的1.31倍，低于其他碱性发酵（NaOH，KOH，Ca（OH）2）方式[3]，但是高于单过硫酸氢钾、高铁酸钾等发酵方式[19-20].CaO2 溶于水后形成大量的OH-，这些OH-和CaO2对细胞壁均有破坏作用，使大量的蛋白质和多糖类释放至系统，但是其水解过程中形成的H2O2，· OH，·O2-能够氧化蛋白质，减少系统中蛋白质的質量浓度.由于CaO2氧化性低于·SO4-（单过硫酸氢钾溶于水后的产物），因此，该发酵过程产生的蛋白质和多糖的比例高于单过硫酸氢钾发酵方式.
2.2不同添加量的CaO2对污泥酸化的影响
图3为不同添加量的CaO2 对剩余污泥厌氧发酵过程中污泥酸化的影响.
由图3a）可以看出，系统中SCFAs的产量随着CaO2添加量的增加基本呈先增大后降低的趋势，发酵至第5d时，0.2mg/mgSS发酵系统中SCFAs产量最大（876.12mg/L），是0.1mg/mgSS发酵系统（35.00 mg/L）的25.03倍;发酵至第9d时，0.3mg/mgSS发酵系统中SCFAs的产量迅速增至最大，但是0.2mg/mgSS发酵系统中SCFAs产量迅速下降.该结果表明，当CaO2添加量为0.3mg/mgSS时，能够显著提高发酵系统中SCFAs的产量，这是因为该发酵系统中含有丰富的蛋白质和多糖等物质，且系统pH值为9～10（见图1a）），该环境下较适合产酸菌的生长，但严重抑制产甲烷菌活性.在0.3mg/mgSS发酵系统中，随着发酵时间的延长，SCFAs产量升高，其原因可能是，在发酵后期，系统内的pH值下降，产酸菌活性得到恢复，能够有效利用系统内丰富的蛋白质和多糖生成SCFAs.而发酵后期0.2mg/mgSS发酵系统中SCFAs产量迅速降低是因为系统中pH值迅速下降至7～8，导致系统中产甲烷菌活性恢复，SCFAs被大量消耗.由图3b）可以看出，在0.4mg/mgSS发酵系统中，蛋白质和多糖的质量浓度较其他发酵系统均升高，但当发酵系统中pH值增至12，不仅抑制产甲烷菌生长，同时也影响产酸菌的活性.邢立群等[21]也发现，发酵系统经强碱（pH=10～12）处理后，产酸菌活性受到严重抑制，SCFAs产量显著下降.而且CaO2 发酵系统中较高的·OH，·O2-等强氧化物质对系统内微生物的生长存在抑制作用，所以，CaO2 添加量过高时不利于剩余污泥厌氧发酵产酸.
表2为不同添加量的CaO2 对剩余污泥厌氧发酵系统中酸成分的影响.由表2可以看出，发酵系统中SCFAs乙酸占比差别较显著，随着CaO2添加量的增加呈先增大后降低的趋势，分别为52.85%，66.96%，63.94%和48.72%.高于作者前期研究的Ca（OH）2 污泥厌氧发酵系统中的乙酸占比（62.27%）[3]，但是低于单过硫酸钾氢钾污泥厌氧发酵系统中的乙酸占比（75.55%）[19-22].可见，CaO2，Ca（OH）2与单过硫酸氢钾在污泥发酵过程中的化学性质相似，其水解过程中释放的高氧化物质会强化乙酸的积累.SCFAs中的丙酸占比随着CaO2添加量的增加而降低，分别为7.41%，5.09%，5.18%和3.63%，均低于Ca（OH）2型污泥发酵系统的丙酸占比（10% ～15%）[3]和单过硫酸氢钾发酵系统的丙酸占比（3.42% ～11.29%）[22].这说明CaO2能够提高微生物对丙酸的利用率，进而提高发酵系统中乙酸占比.此外，系统中可能含有大量的Erysipelothrix，Tissierella，Peptostreptococcaceaeincertae_sedis等产乙酸微生物[3].在系统中，SCFAs中正丁酸和正戊酸的占比与丙酸相似，均随着CaO2添加量的增大而降低;异丁酸的占比随着CaO2添加量的增加先降低后升高;异戊酸的占比随着CaO2添加量的增加先增加后降低.这是因为，正丁酸和正戊酸属于直链酸，更容易被微生物利用，故二者在系统中的占比低于异丁酸和异戊酸. 2.3不同添加量的CaO2 对NH4+ -N和PO43-P释放量的影响
图4为不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵系统中NH4+ -N和PO43- -P释放量的影响.
由图4可以看出，CaO2对剩余污泥发酵系统中NH4+ -N和PO43- -P的释放量具有显著的影响.NH4+ -N释放量随着CaO2添加量的增加先增大后降低，反应末期各系统中NH4+ -N 释放量分别为211.91 mg/L（0.1mg/mgSS），344.26mg/L（0.2mg/mgSS），294.48mg/L（0.3mg/mgSS），190.78mg/L（0.4mg/mgSS），在添加量较高的CaO2 污泥厌氧发酵系统中，NH4+ -N的释放量最低.然而PO43- -P释放量随着CaO2添加量的增加而降低，反应末期各系统中PO43- -P释放量分别为13.37mg/L（0.1mg/mgSS），11.71mg/L（0.2mg/mgSS），5.08mg/L（0.3mg/mgSS），1.60mg/L（0.4mg/mgSS）.这与SCFAs产量变化趋势基本相同，高添加量的CaO2虽然强化了污泥水解，但是抑制了污泥产酸，影響了有机质中NH4+ -N和PO43- -P的释放.同时CaO2发酵系统中含有大量的Ca2+ 和OH-，能够形成Ca（NH4）PO4· 6H2O 沉淀，因此系统中的PO43- -P释放量随着CaO2添加量的增加而降低.
2.4不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵系统中生物酶活性的影响
图5为CaO2对剩余污泥厌氧发酵系统中生物酶活性的影响.
由图5a）和b）可以看出，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的活性随着CaO2添加量的增加呈先升高后降低趋势，其中在0.2mg/mgSS发酵系统中二者的活性最大，分别为69.84EU/mgVSS（该单位指每mg可挥发性污泥中生物酶的活性，下同）和0.005 1 EU/mg VSS，是0.1mg/mgSS发酵系统（24.81EU/mgVSS和0.0012EU/mgVSS）中的2.81倍和4.25倍.虽然在0.4mg/mgSS发酵系统中，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的活性均有所降低，但是仍高于0.1mg/mgSS系统，这说明适当添加CaO2能够提高蛋白酶和α-葡萄糖苷酶活性.同时发现，蛋白酶活性显著高于α-葡萄糖苷酶活性，这与其在微生物细胞内的位置有关，胞外聚合物（EPS）中含有约23%的蛋白酶和仅为5%的α-葡萄糖苷酶，而大部分水解酶位于球体层[23]，当底物和酶同时向外转移时，蛋白酶的转移快于α-葡萄糖苷酶，从而使溶液中的蛋白酶活性远高于α-葡萄糖苷酶活性.
由图5c）和d）可以看出，ALP和ACP的活性均随着CaO2 添加量的增加而降低，在0.1mg/mgSS系统中，二者的活性最高，分别为0.11EU/mgVSS，0.20 EU/mgVSS;在0.4mg/mgSS系统中，二者的活性最低，分别为0.07EU/mgVSS和0.06EU/mgVSS.这说明碱性且含有氧化物质的发酵环境严重抑制了ALP和ACP的活性.同时发现，ALP和ACP的活性变化趋势与PO43- -P释放量变化不相符，可能因为有机磷分布在活体微生物和碎屑中，如核苷酸-p，脂质-p，核酸-p，蛋白质-p，其分解需要不同种类的磷酸酶作用[24].
由图5e）可以看出，DH的活性随着CaO2添加量的增加呈先升高后降低趋势，其活性分别为0.01 EU/mgVSS，0.51 EU/mgVSS，0.40EU/mgVSS和0.25EU/mgVSS.DH活性较高时，发酵系统中丙酮酸会快速降解生成SCFAs，但是CaO2 释放的活性物质如·OH，OH-，HO2· 和·O2-不仅破坏生物膜，同时也使DH活性受损，所以高添加量的CaO2 会使DH活性降低，阻碍丙酮酸的快速转化.
2.5CaO2在污泥发酵系统中的作用机理分析
作为二价盐，CaO2不仅具有较强的氧化能力，水解后还能产生Ca（OH）2，H2O2 和O2，H2O2 继续水解成为· OH，OH-，HO2· 和·O2-，其反应方程式如下：
其中，OH-的存在使发酵环境成为碱性，较高的pH值不仅破坏微生物的细胞壁，加速污泥溶解，同时会抑制产甲烷菌的活性.而且CaO2溶于水后生成的·OH，HO2·和·O2-具有较高的氧化还原电位，分别为2.4 V（·OH），1.77V（HO2·），2.07V（O2-），这些氧化物质破坏微生物细胞膜的通透性屏障，使细胞内容物流失，损伤RNA，干扰微生物新生代谢活动，最后导致微生物死亡溶解.高活性物质会氧化蛋白质，使系统中多糖占比升高，从而使微生物更加趋向利用多糖生成SCFAs，更易生成乙酸.适当地添加CaO2及其衍生物，能够提高水解酶及其脱氢酶活性，促进发酵系统中的产酸活动.发酵系统的Ca2+与NH4+ -N和PO43- -P在碱性条件下合成鸟粪石沉淀，可降低发酵系统中的氮负荷，减少发酵液中NH4+ -N和PO43- -P的释放量，为发酵液的再利用提供保障.
3结论
本文以CaO2作为城市污水处理中剩余污泥处理药剂，研究了不同添加量的CaO2对剩余污泥厌氧发酵性能的影响，并探索了CaO2在剩余污泥厌氧发酵过程中的作用机理，得到了如下结论：
1）CaO2能够显著促进厌氧发酵系统中污泥的溶解和分解，提高剩余污泥厌氧发酵水解性能，SCOD值、DDCOD值、可溶性蛋白质和多糖质量浓度均随着CaO2添加量的增加而增大.
2）适当添加CaO2能够提高剩余污泥厌氧发酵产酸能力，优化产酸类型，提高乙酸占比，最高可达63.94%，降低丙酸占比，最低可达3.63%.0.2mg/mgSS和0.3mg/mgSS发酵系统中最佳产酸时间分别为第5d和第9d，产酸过程具有延迟性.
3）CaO2对剩余污泥发酵系统中NH4+ -N和PO43- -P的释放量具有显著的影响，NH4+ -N的释放量随着CaO2添加量的增加先增大后降低，PO43- -P的释放量随着CaO2 添加量的增加而降低.
4）适当添加CaO2能够促进剩余污泥发酵系统中蛋白酶、α-葡萄糖苷酶和脱氢酶的活性，其最佳添加量为0.2mg/mgSS，但CaO2中的氧化物质严重抑制碱性磷酸酶和酸性磷酸酶的活性.
5）CaO2溶于水后生成OH-，O2-，H2O2等强氧化物质，能够有效破坏微生物细胞壁，强化污泥水解，OH-形成的碱性环境抑制产甲烷菌活性，降低SCFAs的消耗，OH-，Ca2+与发酵系统中的NH4+ -N和PO43- -P形成鸟粪石沉淀，有利于氮和磷物质的有效回收.
利用CaO2溶于水后产生的大量活性物质和OH-，可调控剩余污泥发酵系统中的pH值，改变微生物的生存环境，从而促进剩余污泥水解酸化性能，并抑制产甲烷菌的活性，使SCFAs得到优化积累和富集，且从生物酶角度深入探讨发酵机理，为后续进一步提高剩余污泥发酵产酸性能提供理论基础.