城市污泥中温厌氧消化中挥发性脂肪酸VFA对肠道病原菌的杀灭机理

第32卷第12期2012年12月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.32,No.12Dec.,2012基金项目:国家自然科学基金项目(No.50978124);中央高校基本科研业务费专项资金(No.JUSRP31105,JUSRP111A10)SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50978124)andtheFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversitiesofChina(No.JUSRP31105,JUSRP111A10)作者简介:符波(1982—),女,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:FUBo(1982—),female,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]符波,陈燕,姜谦,等.2012.城市污泥中温厌氧消化中挥发性脂肪酸(VFA)对肠道病原菌的杀灭机理[J].环境科学学报,32(12):2921-2928FuB,ChenY,JiangQ,etal.2012.Pathogeninactivationbyvolatilefattyacidsinsewagesludgeduringmesophilicanaerobicdigestion[J].ActaScientiaeCircumstantiae,32(12):2921-2928城市污泥中温厌氧消化中挥发性脂肪酸(VFA)对肠道病原菌的杀灭机理符波,陈燕,姜谦,王燕,刘和*江南大学环境与土木工程学院环境生物技术研究室,无锡214122收稿日期:2012-06-21　　　修回日期:2012-08-02　　　录用日期:2012-08-16摘要:为探讨污泥中温厌氧消化(MAD)过程中挥发性脂肪酸(VFA)对肠道病原菌的杀灭机理,在连续流污泥MAD反应器中,研究了两种pH条件下VFA对埃希氏大肠杆菌(E.coli)、沙门氏菌(Salmonellaspp.)和志贺氏菌(Shigellaspp.)杀灭的影响.结果发现,中性条件下(pH≈7),污泥中大肠杆菌和沙门氏菌数量经厌氧消化处理后明显下降,均下降了2个数量级,但VFA浓度为1000~6000mg·L-1时大肠杆菌和沙门氏菌的杀灭效果差别不明显.在pH酸性条件下(pH≈5),高浓度VFA反应器中污泥的大肠杆菌、沙门氏菌和志贺氏菌数量分别下降了3、6和2个数量级,达到污泥A级标准.对于纯培养的大肠杆菌和沙门氏菌,在VFA浓度8000mg·L-1、pH=5条件下培养6d后病原菌浓度低于检测限.结果表明,VFA对污泥厌氧消化中病原菌的杀灭效应与未解离状态的VFA浓度密切相关,高浓度VFA、低pH时,未解离态VFA浓度增加,从而提高病原菌杀灭效率.关键词:污泥;中温厌氧消化(MAD);VFA;病原菌;杀灭文章编号:0253-2468(2012)12-2921-08　　　中图分类号:X703　　　文献标识码:APathogeninactivationbyvolatilefattyacidsinsewagesludgeduringmesophilicanaerobicdigestionFUBo,CHENYan,JIANGQian,WANGYan,LIUHe∗LaboratoryofEnvironmentalBiotechnology,SchoolofEnvironmentalandCivilEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi214122Received21June2012;　　　receivedinrevisedform2August2012;　　　accepted16August2012Abstract:ThechangesinE.coli,Salmonellaspp.andShigellaspp.contentsduringthecontinuousmesophilicanaerobicdigestion(MAD)ofsewagesludgesupplementedwithdifferentVFAconcentrationswereinvestigated.UnderpH7,theMADprocesswasefficienttoreduceE.coliandSalmonellaspp.contentswiththelevelsloweredbymorethan2ordersofmagnitude.However,theincreaseinVFAconcentrationrangingfrom1000to6000mg·L-1hadinsignificanteffectontheinactivationofE.coli.andSalmonellaspp..UnderhighVFAconcentrationwithpH5,theE.coli,Salmonellaspp.andShigellaspp.contentsdecreasedsignificantlywiththereductionsof3,6and2ordersofmagnitude,respectively.ForpureculturesofE.coliandSalmonellaspp,thecontentswerebelowthedetectionlimitsaftertheincubationof8000mg·L-1VFAconcentrationwithpH5for6days.TheresultsconfirmedthathighVFAconcentrationatlowpHcanachieveefficientreductionofbacterialpathogeninsewagesludgeduetotheincreaseinundissociatedVFAconcentration.Keywords:sewagesludge;mesophilicanaerobicdigestion(MAD);volatilefattyacids;pathogen;inactivation1　引言(Introduction)城市污水生物处理过程中会产生大量的剩余污泥,其处理处置给环境带来了巨大的压力.研究发现,剩余污泥中含有大量的病原微生物和寄生虫卵等有害物,直接农业土地利用必将对人体健康和环境、食品安全造成潜在威胁(Baertschetal.,2007).中温厌氧消化(MAD)既可实现良好的污泥稳定化、无害化、减量化效果,还可产沼气进行回收利用,目前已成为国外较常用的污泥处理工艺环　　境　　科　　学　　学　　报32卷(Forster-Carneiroetal.,2010).目前,我国应用厌氧消化方法对城市污泥进行无害化处理的工艺逐渐增多,但对污泥中病原微生物杀灭效应的报道较少.挥发性脂肪酸(VFA)是污泥厌氧消化过程中重要的中间产物,也是病原菌失活的一个重要因素(Barriosetal.,2001).厌氧消化过程中,常由于负荷的急剧变化、温度波动、营养物质缺乏等原因造成VFA积累.污泥发酵产酸反应器(刘和等,2008)或者污泥厌氧消化产酸相(Huyardetal.,2000)也常常出现高浓度VFA的积累.研究表明,VFA浓度高达6000mg·L-1时便足以令病原菌失活或进入不可培养状态(Salsalietal.,2003).Fukushi等(2003)发现序批式实验中pH值低于5.5时,较高的VFA浓度(5000~7000mg·L-1)导致了沙门氏菌的完全杀灭,而pH在5.5~6．0之间不利于沙门氏菌的杀灭,但未对其发生机理进行讨论分析.目前,仅少数研究报道了序批式污泥厌氧消化反应器中VFA浓度对沙门氏菌失活的影响(Salsalietal.,2003;Fukushietal.,2003).总体上,污泥厌氧消化过程中VFA对病原菌的杀灭机理尚未明确,由于VFA和pH都是控制污泥消化性能和病原菌杀灭效应的关键因素,因此,需综合考虑以上两种因素对病原微生物的杀灭机理.因此,本研究在连续流污泥厌氧消化反应器中,检测大肠杆菌、沙门氏菌和志贺氏菌3种典型肠道致病菌的数量变化,研究在pH为中性和酸性条件下VFA浓度对污泥厌氧消化过程中病原菌杀灭的影响.同时,通过病原菌的纯培养实验和测定反应器的气体产量及挥发性有机物(VS)去除率等研究反应器运行性能,探讨VFA对病原微生物的杀灭机理.2　材料与方法(Materialsandmethods)2.1　实验材料实验用剩余活性污泥取自无锡市某污水处理厂污泥浓缩池,污泥性质见表1.表1　实验用污泥性质Table1　CharacteristicsoffeedsludgepHTSVSNH+4-N/(mg·L-1)6.8~7.24.6%~4.8%46.1%~60.1%174~1922.2　污泥厌氧消化装置与实验方法污泥厌氧反应器为不锈钢连续流搅拌反应器(CSTR),其有效容积为5L.反应器上配有进、出料口和出气口各1个,进料口与蠕动泵相连,机械搅拌,转速为160~170r·min-1,反应器内温度采用温控仪自动控制,温度为35℃,误差±1℃.污泥停留时间(SRT)为12d.实验分为两部分,第1部分控制进泥pH中性(pH=7.0),以未投加VFA的反应器(R0)为对照,在反应器进泥中分别添加浓度为3000mg·L-1(R1)和6000mg·L-1(R2)的乙酸;第2部分控制进泥pH酸性(pH=5.0),以未投加VFA的反应器(P1)为对照,添加浓度为6000mg·L-1(P2)的乙酸到反应器进泥,测定各反应器进泥中实际VFA浓度(表2).每2d收集气体和出泥样品,测定气体体积、pH、VFA和挥发性固体(VS)含量.表2　实验条件设计Table2　Designofexperimentalconditions反应器VFA/(mg·L-1)pHR0268±1427.0R12518±3627.0R25518±3417.0P1230±1525.0P25629±2715.02.3　纯培养状态下VFA对病原菌杀灭的影响大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌分别在LB培养基中37℃培养至对数生长中期,10000r·min-1离心10min,收集菌体并经生理盐水清洗后接种至含400mLLB培养基的厌氧摇瓶中,加入乙酸使得LB培养基中VFA浓度(以乙酸计)为8000mg·L-1左右,利用无菌的5mol·L-1NaOH调节pH分别为5.0和7.0.细胞初始浓度约为107~108MPN·mL-1左右,37℃厌氧培养.2.4　化学分析方法pH采用MettlerToledo实验室pH计(FE20)测定;TS、VS含量采用质量法测定(APHA,1998);沼气计量采用排水法;VFA测定采用气相色谱法(岛津GC-2010气象色谱仪)(Liuetal.,2008);为考察VFA对病原菌的杀灭效应,计算了体系中未解率挥发性脂肪酸浓度([HA]),公式如下(Babeletal.,2004):[HA]=CT[H+]Ka+[H+](1)式中,CT为各挥发性脂肪酸浓度(mg·L-1),[H+]为体系中H+浓度(mol·L-1),Ka为各挥发性脂肪酸229212期符波等:城市污泥中温厌氧消化中挥发性脂肪酸(VFA)对肠道病原菌的杀灭机理的解离常数(无量纲).2.5　MPN方法大肠杆菌、沙门氏菌及志贺氏菌的MPN计数方法参照文献(王燕等,2012)方法进行.3　结果(Results)3.1　pH中性条件下VFA对污泥MAD运行性能的影响图1为pH中性条件下进泥中含不同浓度VFA时污泥MAD过程中VFA浓度、pH、产气量和VS去除率的变化情况.在反应初始阶段,3个反应器中都