2.4 植物衍生型生物表面活性剂

2.4.1 剩余污泥厌氧水解过程的强化作用

图2-12为皂苷（SB）投加量对水解产物和无机物溶出以及对胞外水解酶活性（0.20gSB/gTSS）的影响。

皂苷预处理对污泥絮体中颗粒性有机物的水解速率有明显的促进作用。随着皂苷投加量的增加，溶解性蛋白质和碳水化合物的浓度也随着增加，直到投加量＞0.20g/gTSS时，增加趋势逐渐变缓［图2-12（a）］。发酵时间48h时，溶解性蛋白质和碳水化合物浓度（0.20gSB/gTSS）分别为（2029±28）mgCOD/L和（343±52）mgCOD/L，是未经皂苷处理试验组的4.77倍和5.87倍。这个结果也跟相应的水解酶活性一致：蛋白酶活［（218±22）Euvs（58±21）Eu］和 α -葡萄糖苷酶［（16±3）Euvs（9±1）Eu］［图2-12（b）］。

皂苷预处理对剩余污泥发酵系统中蛋白质的降解也有明显的促进作用，这也可以间接通过氨氮（蛋白质降解的产物）含量的增加来证实。从图2-12（a）可以看出，氨氮释放量随着皂苷投加量的增加而逐渐增加。以0.20gSB/gTSS试验组为例，释放的氨氮浓度达到29.2mg/L，相比较空白组增加了91.10%。这个趋势也跟蛋白质溶出的趋势相一致。目前发酵系统里测到的蛋白质浓度为溶出和降解后的平衡数值，溶解性蛋白质浓度的增加也说明皂苷预处理导致的实际蛋白溶出量更多。皂苷预处理同样促进了溶解性总磷的释放：酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的酶活在皂苷存在的情况下有明显的提升［图2-12（b）］，这两种酶能够水解磷酸磷脂并释放磷酸集团到液相中。Cadoret等证实污泥絮体中相当部分水解酶关联于松散型胞外聚合物中 ^［106］ 。水解酶活性增加的原因可能是由于皂苷的投入使得胞外聚合物和其他微生物聚合物剥离细胞表面，同时，释放其中固定的水解酶到液相中。该结果也可以用后来的荧光光谱分析来证实。

2.4.2 污泥胞外聚合物的剥离分析

图2-13为皂苷预处理（0.02g/gTSS，48h）污泥发酵系统中各部分的三维荧光光谱图，包括溶解性有机物（DOM）、松散型胞外聚合物（LB-EPS）和紧密型胞外聚合物（TB-EPS）。研究采用平行因子分析法（PARAFAC）用于荧光图谱数据的解析。从图中可以定性地看出，皂苷预处理后溶解性有机物中含荧光信号的物质含量大幅增加，而对于污泥絮体中的胞外聚合物，不管是LB-EPS还是TB-EPS层的含量均明显下降。这也说明皂苷对胞外聚合物有明显的剥离作用。

激发波长和发散波长的残差分析（平均误差和）用于确定PARAFAC分析的最佳组分数，如图2-14所示。从图中可以看出，4个组分下的激发波长和发散波长的残差均小于3个组分和5个组分的残差，因此适用于此荧光光谱的PARAFAC分析最佳组分数为4。

通过采用Matlab软件解析各个组分相互重叠的荧光光谱，获得了四个组分的三维荧光图谱，分别是：色氨酸类蛋白质（Ex/Em270/350，Com.1）、酪氨酸类蛋白质（Ex/Em270/300，Com.2）、其他蛋白类物质（Ex/Em225/300，Com.3）和富里酸类物质（Ex/Em300/440，Com.4），如图2-15所示 ^［28,111］ 。这也说明污泥发酵过程中蛋白类物质为主要的有机质（色氨酸类和酪氨酸类），同时含有少量的富里酸类物质，前期研究显示，这类物质主要存在于死亡的微生物细胞体中。

四个组分的激发和发射图谱载荷分析如图2-16所示。从图中可以看出，载荷曲线中四个组分的激发光谱和发射光谱较光滑且均存在轻微的重叠，而且激发光谱有一个或多个最大峰值，但是发散光谱有且仅有一个最大峰值，这个现象也较好地符合预期荧光光谱特性，说明解析的四个组分均是有效的 ^{［112,113］} 。

从图2-16中可以看出，每个样品均含有相似的峰位置，但是各个物质的光谱强度确有明显的差别。图2-17为DOM和EPSs中各组分的荧光光谱强度。皂苷预处理试验组的溶解性有机物荧光光谱有明显的增强。四个组分中，色氨酸类物质是主要组分，其荧光强度（FI）达到655，是未经皂苷处理样品的11.6倍（FI为52）。其他含荧光信号物质中，酪氨酸类物质和其他蛋白类物质分别位于第二位和第三位。三维荧光光谱的定性分析数据能够很好地与之前实际测得的蛋白质数据吻合（图2-12）。这也进一步证实，皂苷预处理明显使得污泥中胞内和胞外聚合物中吸附的蛋白质大量溶出到液相中。研究进一步发现，不管是在DOM还是EPSs中，富里酸类物质的荧光信号均较低，这是因为这类物质在剩余污泥中主要存在于衰亡有机质的微生物降解过程中 ^［28］ 。

在皂苷预处理试验组中，胞外聚合物中各个组分的荧光信号均明显降低（图2-17）。以色氨酸类物质为例，FI值在LB-EPS和TB-EPS中均有明显的减少，分别从236和590减少到105和237。这也证实，皂苷预处理能够有效剥离污泥絮体的LB-EPS层，进而破碎位于絮体内部的TB-EPS层。此结论也可以从其他三个组分的分析中得出：皂苷预处理明显促进了污泥絮体中胞外聚合物的剥离。

2.4.3 挥发酸产量及组成影响

图2-18为皂素投加量对剩余污泥发酵过程中挥发酸产量及组分的影响。从图中可以看出，皂苷的投加使剩余污泥的酸化性能明显提高。随着厌氧发酵时间的进行，挥发酸产量先明显升高后逐渐平缓。发酵72h时，各组挥发酸产量达到最大，皂素投加量为0.05g/gTSS、0.10g/gTSS、0.20g/gTSS、0.25g/gTSS和0.30g/gTSS时，挥发酸产量分别为未经处理试验组［（1153±28）mgCOD/L］的1.56倍、2.53倍、3.51倍、3.97倍和3.83倍。从图2-22（a）中可以看出，挥发酸含量随着皂素投加量的增加而明显增加，但投加量＞0.20g/gTSS时，增加趋势不明显。进一步研究发现，挥发酸产量与发酵时间呈二次函数关系，以发酵时间72h为例，在皂苷投加量范围0.05～0.30gSB/gTSS内，YVFAs=-65241×2SBdosage+33819×SBdosage+1267， R ² =0.997。皂苷投加量在0～0.05g/gTSS、0.05～0.10g/gTSS、0.10～0.20g/gTSS、0.20～0.25g/gTSS和0.25～0.3g/gTSS区间内，挥发酸增加量分别为1416gCOD/L、884gCOD/L、450gCOD/L、414gCOD/L和0。明显，0～0.05gSB/gTSS区间内挥发酸增加量最高。

通过挥发酸组分分析发现，皂苷预处理使得六种挥发酸均有不同程度的增加。其中，乙酸和丙酸增加程度最大，发酵时间72h时，皂苷投加量为0.05gSB/gTSS时，二者的和达到2752mgCOD/L，而未经处理试验组的仅有763mgCOD/L。皂苷投加量为0.05gSB/gTSS时，三种含量最高的挥发酸为：乙酸（32%±1.4%）、丙酸（23%±0.9%）、正丁酸（17%±1.1%）［图2-22（b）］。显然，预处理方法能够影响产物的组成。Jiang等发现SDBS化学表面活性剂（0.02g/gTSS，6d）处理后，挥发酸顺序为：乙酸＞丙酸＞异戊酸 ^［104］ 。他也研究得出SDS处理后（0.1g/gTSS，6d）挥发酸顺序为乙酸＞异戊酸＞丙酸 ^［105］ 。然而，Luo等研究发现采用微生物衍生型生物表面活性剂鼠李糖脂处理后，挥发酸顺序变为丙酸＞乙酸＞异戊酸（0.3g/gDS，2d） ^［109］ 。挥发酸组分同样也受投加量的影响，皂苷投加量从0增加到0.20/gTSS时，乙酸浓度从436mgCOD/L增加到1434mgCOD/L。相应地，丁酸和戊酸也相较未处理试验组增加了6.7倍和4.4倍。增加的丁酸和戊酸主要由污泥中蛋白质和碳水化合物的降解引起，然而戊酸主要与蛋白质发酵降解相关，通过单氨基酸的降解或通过Stickland降解途径的氨基酸对的氧化降解 ^［114］ 。

2.4.4 皂苷促进污泥厌氧消化速率的机理解析

正如前面所述，皂苷预处理对污泥消化的水解和酸化步骤有明显的促进作用。挥发酸作为酸化的产物，能够在产甲烷过程较易代谢成甲烷。研究发现，皂苷投加量为0.05g/gTSS时对累积产甲烷量有明显的促进作用，而投加量＞0.10g/gTSS对其有一定的一致作用［图2-19（a）］。进一步发现，产甲烷量与发酵时间呈指数增长（ Y _{CH 4} =e ^-kt ）。发酵时间192h（ t ），皂苷投加量为0.05g/gTSS处理下，累积产甲烷率（ Y _CH 4 ）自对照组的46.5mL/gVSS（ k =0.0201 h ^-1 ， R ² =0.9912）增加到63.0mL/gVSS（ k =0.0219 h ^-1 ， R ² =0.9620），而投加量为0.10g/gTSS时，减少到20.3mL/gVSS（ k =0.0154 h ^-1 ， R ² =0.9935）。同样的现象也在以乙酸钠人工配水为底物的试验中发现，而且数据符合线性增长模型（ Y _CH 4 =常数+ kt ）。从图2-19（b）中可以看出，发酵24h时，皂苷投加量0.05g/gAc条件下，甲烷产率自对照组（4.7±0.5）mL/gAc（ k =0.1927h ^-1 ， R ² =0.9401）增加到（6.6±0.3）mL/gAc（ k =0.2745h ^-1 ， R ² =0.9696），而投加量增加到0.20g/gAc时，甲烷产率只有（0.5±0.0）mL/gAc（ k =0.0233h ^-1 ， R ² =0.9865）。产甲烷过程在低皂苷投加预处理下（＜0.10g/gTSS）得到增强，而在高投加（＞0.10g/gTSS）预处理时被抑制。在采用化学表面活性剂预处理的研究中，很多研究者也发现了同样的现象。Jiang等发现当SDS投加量从0.1g/g增加到0.3g/g时，产甲烷抑制率从50%增加到100%。他同样发现在SDBS投加量分别为0.05g/gTSS和0.1g/gTSS时，累积甲烷产率从对照组的65mL/gVSS降低到16mL/gVSS和8mL/gVSS。我们之前的研究也发现采用鼠李糖脂对污泥进行处理时（0.04g/gTSS，192h），累积甲烷产率自对照组的58.8mL/gVSS降低到2.0mL/gVSS ^［115］ 。相反的，产酸菌却并未受到影响，进而导致挥发酸产量的累积。

图2-19（c）显示了皂苷投加量为0.20g/gBu时，丁酸转化成乙酸和后续产甲烷的影响。丁酸的浓度在最开始的发酵10h内迅速的降低，后随着发酵时间的进一步延长，浓度并没有持续降低。作为丙酸通过 ß -氧化途径降解的产物，乙酸的浓度相应的增加然后降解为甲烷。具体的丁酸降解热力学方程见3.2.2部分。显然，皂苷预处理增加了丁酸的降解速率，因为其在发酵2h时很快的转化成乙酸，然而未经皂苷处理的试验组需要8h。乙酸转化成甲烷的结果也证明了这点。经过16h的厌氧发酵，皂苷处理和对照试验组的甲烷产率分别为（2.7±0.1）mL/gBu和（1.5±0.1）mL/gBu。

2.4.5 皂苷预处理的可行性分析

皂苷作为一种表面活性剂在工业中应用范围很广 ^［116］ 。研究成功证实皂苷预处理对于提高污泥厌氧消化性能的可行性。近年来，很多研究者开展从污泥中回收碳源的研究，发现酸化发酵污泥可以作为底物用于生物营养物去除 ^［117］ 、生物聚合物合成 ^［118］ 、微生物电解产氢 ^［29］ 等。表2-6为各种表面活性剂预处理剩余污泥的挥发酸产量的对比。

皂苷投加量0.05gSB/gTSS预处理所得的挥发酸产量［（211±7）mgCOD/gVSS］可以与鼠李糖脂投加量0.30g/gDS预处理时所得的挥发酸产量（222mgCOD/gVSS）相一致，但所需投加量大大降低。Jiang等研究发现SDS和SDBS两种表面活性剂预处理剩余污泥产酸量最高分别为235mgCOD/gVSS和241mgCOD/gVSS。从数据上看，化学表面活性剂对于剩余污泥碳源转化的效率要高于皂苷生物表面活性剂预处理。虽然化学表面活性剂发酵的温度要低于皂苷发酵温度（21℃vs35℃），但是所需的发酵时间却增加了1倍。进一步分析，正如前所述，皂苷投加量0.05g/gTSS预处理污泥发酵系统中，挥发酸代谢产甲烷过程被大大提升。因此，整体污泥碳源转化效率需要包含产甲烷消耗的部分，这里用CODmethane来表示，这部分可以用0.35m ³ 甲烷/kgCOD转化系数来计算 ^［119］ 。发酵时间72h时，皂苷投加量0.05g/gTSS预处理污泥所得甲烷产率为9.2mL/gVSS，折合成CODmethane也就是26mgCOD/gVSS。然而，对于化学表面活性剂SDS和SDBS预处理下的污泥发酵，几乎没有甲烷产生。因此，对于整体污泥碳源转化效率来看，皂苷预处理能够与现行其他表面活性剂预处理效果相一致。更重要的是，作为一种植物衍生型生物表面活性剂，皂苷具有易生产、价格低廉、可持续供应和具有回用的可能性等种种优于化学表面活性剂的优点 ^［120］ ，这些优点应该能够促进皂苷用于污泥的资源化处理。 g4IB/i3QTTwEwcDpXWeWRiEXqVKLUGF0PmH2AicmzlnZeG66jwIIefw4Z9TlR9tR