尹福斌，李子富，王冬泠，白晓凤 （北京科技大学环境科学与工程系，北京 100083）

加碱预处理对致病微生物去除效果及动力学研究

尹福斌，李子富*，王冬泠，白晓凤 （北京科技大学环境科学与工程系，北京 100083）

以不同总固体含量（TS）（8%、10%、12%）的粪便污泥为研究对象，采用加碱技术对粪便污泥进行处理，探讨不同pH值（10、12）的碱预处理对4种指示性致病微生物（粪大肠杆菌、沙门氏菌、粪链球菌、蛔虫卵）的灭活效果并对致病微生物的去除过程进行动力学分析，同时通过分析预处理过程中粪便污泥pH值、SCOD和溶解性蛋白质的含量来表征碱预处理对粪便污泥水解的影响.结果表明，加碱预处理初始pH值分别为10、12时，预处理3d后各TS粪便污泥中4种致病微生物均被完全去除，且Weibull动力学模型对微生物去除过程的描述优于一级动力学模型；pH值为10时，粪便污泥SCOD增加了1.84～1.89倍，溶解性蛋白质增加了8.25～9.39倍；pH12时，粪便污泥SCOD值增加了1.90～1.97倍，溶解性蛋白质增加了8.62～9.89倍.

碱预处理；致病微生物；动力学分析；厌氧消化；粪便污泥

厌氧消化技术由于能够在降解有机物的同时回收生物质能（沼气），实现污泥处理的减量化、稳定化与资源化，因此在国内外有着广泛的应用［1-2］.人粪便是污染源的同时也是一种资源，人粪便中也含有丰富的有机物和氮、磷、钾成分，可作为厌氧消化原料［3］.但是新鲜粪便含有多种肠道致病菌、寄生虫卵和病毒，是人类某些疾病的传播途径，发展中国家70%的疾病与粪便的生物性传染有关［4］，粪便只能经过无害化处理后作为肥料使用.根据我国《粪便无害化卫生标准》沼气发酵的无害化卫生要求:高温发酵（53±2）℃以上持续2d；寄生虫卵沉降率95%以上；粪大肠菌值10-1～10-2MPN/g TS.美国环境保护署（USEPA）根据病原菌的含量，将土地利用的污泥产品分为A、B两级［5］:A级要求污泥中的粪大肠菌浓度＜103MPN/g TS或沙门氏菌浓度＜3MPN/g TS；B级要求粪便大肠菌浓度平均值＜2×106MPN/gTS.欧洲国家对污泥土地利用的沙门氏菌作了相关规定，法国标准要求＜8MPN/ 10g TS［6］，意大利标准要求＜1000MPN/g TS［7］.

目前，针对预处理促进污泥水解并提高厌氧消化效率开展了大量研究，主要预处理方法有加热预处理、酸碱预处理、超声预处理或联合处理等，与其他预处理方式相比，酸碱预处理具有操作简单、方便等优点.但是，关于加碱预处理对粪便污泥厌氧消化中致病微生物去除效果的研究鲜见报道.符波等［8］探讨了城市污泥中温厌氧消化过程中挥发性脂肪酸（VFA）对肠道病原菌的杀灭机理，结果表明，pH=7时VFA浓度对肠道病菌的杀灭效果影响不大，pH=5时VFA浓度对肠道病菌的杀灭效果影响较大.Popat等［9］研究了高温厌氧消化对蛔虫卵和大肠杆菌的杀灭作用，结果表明，经过两个小时高温厌氧后，蛔虫卵和大肠杆菌分别减少了2个对数值和3个对数值，可以达到美国A级污泥标准.Ziemba等［10］研究表明，70 ℃1h和60℃5h的预处理对污泥中粪大肠杆菌和粪链球菌的去除效果优于高、中温厌氧消化15d的去除效果.

已报道的文献中，仅针对某种微生物的灭活情况进行的研究，因此，本研究以粪便污泥为对象，探讨不同加碱预处理（初始pH值分别为10、12）对粪便污泥无害化标准中所有指示性致病微生物（粪大肠杆菌、沙门氏菌、粪链球菌、沙门氏菌）去除效果进行研究并对致病微生物去除过程进行动力学分析，同时通过测试加碱预处理过程中粪便污泥pH值、SCOD和溶解性蛋白质的变化来表征加碱预处理对粪便污泥水解的影响作用.

1 材料与方法

1.1 材料与测试方法

实验基质用泥来自北京科技大学某三格化粪池，总固体含量（TS）为12%，挥发性有机质含量（VS）为81.6%.污泥取回实验室后通过添加去离子水将TS分别调节至10%、8%，该过程中未添加任何试剂，然后置于4℃冰箱中保存直至使用，以减少温度对样品的影响.试验用泥的主要性质如表1所示.

TS与VS采用重量法测定；pH值采用便携式酸度计（HI 9125N）测定；化学需氧量（COD）采用重铬酸钾法测定，SCOD是粪便污泥经过0.45μm过滤后，滤液的COD值；总有机碳（TOC）采用重铬酸钾容量-外加热法；总氮（TN）采用凯氏定氮法测定；VFA采用比色测定法；总蛋白质采用Lowry法测定，溶解性蛋白质是粪便污泥经过0.45μm过滤后，滤液的蛋白质值；粪大肠杆菌、沙门氏菌、粪链球菌采用平板计数法测定，蛔虫卵采用粪便生理盐水涂片法测定.所有指标测试均做3个平行样进行测试，最终结果取其平均值.

表1 粪便污泥各指标值Table 1 Main parameters of faecal sludge

在粪便污泥中检测到了高浓度的致病微生物，其中粪大肠杆菌2.79×107CFU/g TS、沙门氏菌1.1×107CFU/g TS、粪链球菌1.24×107CFU/g TS.所有样品中均未检测到蛔虫卵，分析其可能的原因有:国内存在强制预防蛔虫卵的措施，因此化粪池污泥中没有蛔虫卵；另外，在中国北方天气也不适合蛔虫卵生长，粪便污泥取自学校化粪池，也有可能是蛔虫卵在化粪池长时间存储过程中死亡.

1.2 试验方法

图1 加碱预处理试验装置示意Fig.1 Alkaline pretreatment equipments

取200g不同TS浓度（8%、10%、12%）的粪便污泥加入到500mL锥形瓶中，每个TS浓度各准备3组，其中1组不进行加碱处理，作为空白试验，另外两组用4mol/L的氢氧化钠溶液将不同TS浓度粪便污泥的pH值分别调节到10和12，然后将三组试样放入摇床内震荡，每12h取1次样，并进行相关指标测试，试验装置如图1所示.

1.3 微生物去除动力学分析方法

本试验选取一级动力学和Weibull两种动力学模型与致病微生物去除试验结果进行动力学分析，从而了解加碱预处理过程中致病微生物的去除过程.

一级动力学模型［11］:

式中:S（t）是指维持一段时间t后的微生物存活率，S（t）=C（t）/C0；C（t）是指维持一段时间后的微生物数量；C0是指微生物的原始数量；D值指的是去除一个对数单位微生物所需要的时间.

现在有大量的试验研究证明微生物的存活曲线不全是直线型的.一些微生物去除动力学模型都是对数形式的，比如Fermi方程［12］，修正的Gompertz方程［13］和Weibull模型［14］.Weibull模型已经被成功的应用到描述各种条件下不同微生物的非线性灭活过程中.

Weibull模型方程［11］:

式中:α和β是分布规律参数:α是规模参数，β和n是形状参数；n=β，b=（1/2.303）α-n.

通过对比相关系数R2的数值，进而验证以上两种模型对试验数据的匹配度.

2 结果与讨论

2.1 加碱处理对致病微生物的去除效果

在TS为8%、10%、12%的粪便污泥中粪大肠杆菌的含量分别为2.59×107，2.69×107，2.79× 107cfu/g TS，粪链球菌的含量分别为1.04×107，1.14×107，1.24×107cfu/g TS，沙门氏菌的含量分别为1.05×107，1.09×107，1.10×107cfu/g TS.加碱预处理（pH=10、pH=12）对致病微生物的去除过程及空白试验3.5d时致病微生物量如图2及图3所示.由图2和图3可知，空白样中致病微生物量与初始粪便污泥中基本相同，致病微生物量没有明显变化；在加碱预处理过程中，粪大肠杆菌、沙门氏菌和粪链球菌的去除效果与粪便污泥的固体含量无关，只是前期调节不同TS粪便污泥pH值时碱的用量不同.由于调节后不同TS粪便污泥的pH值均相同，所以TS浓度对致病微生物的去除过程没有显著影响.

图2 pH=10时碱度对不同致病微生物灭活的影响Fig.2 Effect of alkaline on different pathogens inactivation （pH=10）

图3 pH=12时碱度对不同致病微生物灭活的影响Fig.3 Effect of alkaline on different pathogens inactivation （pH=12）

不同TS浓度粪便污泥中，粪大肠杆菌、沙门氏菌和粪链球菌在预处理后0.5d时去除速率缓慢，之后去除速率增加，致病微生物被大量去除，粪大肠杆菌和沙门氏菌在预处理后2.5d时，完全被去除，粪链球菌在预处理后3d时完全被去除.说明粪便污泥的初始TS浓度对致病微生物加碱去除过程基本没有影响，只是在加碱预处理时，不同TS浓度粪便污泥调节pH所用的碱量不同.

在粪便污泥的加碱预处理中，碱度对致病微生物的去除效果较好.强碱一方面使微生物细胞内外的渗透压失去平衡而导致细胞壁破裂，与细胞膜上的脂类物质发生皂化反应，导致细胞膜的破裂，使胞内物质进入水相.另一方面强碱能水解蛋白质及核酸，使细胞的酶系和结构受到损害，还可以分解菌体中的糖类，使细胞失活［15］.Katsiris等［16］在研究中发现，随着污泥pH值的增加，细菌表面的负电荷性增强，这使细菌表面产生很高的静电排斥力，从而更容易与胞外聚合物脱离进入水相.此外，碱类物质还可与污泥细胞壁中的脂类物质发生皂化反应，导致细胞膜的破裂，使胞内物质溶出［17］.

图4 初始pH为10和12时不同总固体含量组pH值随时间的变化Fig.4 Changes of pH values with time for different TS contents （initial pH=10， 12）

加碱处理过程中粪便污泥pH值的变化，可以间接表示碱的消耗.预处理由于强碱对致病微生物的杀灭作用，以及有很强缓冲能力的两性物质蛋白质的融出，造成了pH值不同程度地降低.在加碱预处理初始pH值为10时，TS为8%、10%、12%的粪便污泥在预处理后4d各组pH值分别变为9.17、9.12、9.07；在加碱预处理初始pH为12时，TS为8%、10%、12%的粪便污泥在预处理后4d各组pH分别变为9.55、9.81、9.71.由图4可知，粪便污泥经加碱调节pH=10、pH=12的情况下，粪便污泥的pH值在前2d下降速度较快，2d后下降缓慢，这是由于致病微生物基本被完全杀灭，消耗了部分OH-，以及各种物质的溶出水解趋于稳定，在一些具有缓冲能力物质的共同作用下，pH值下降趋于平缓，这与前面关于加碱预处理去除致病微生物的研究结果是相吻合的.这部分消耗的碱主要用于杀灭致病微生物，溶解污泥胞外聚合物和细胞壁脂类物质，破坏絮凝体和细胞壁结构，促进蛋白质、脂类和碳水化合物等的水解.

2.2 致病微生物去除动力学分析

剩余致病微生物浓度与原始浓度比的对数值与预处理时间的关系如图5和图6所示，图中没有考虑完全去除时的数据，是由于完全去除时剩余致病微生物浓度与原始浓度比值为0，0的对数值没有意义.

一级动力学和Weibull模型中的参数b、n、D和R2的值如表2所示.虽然本质上来说，Weibull模型是一个经验模型，但是Weibull模型可以用于分析微生物的灭活过程［11］.由表2可知，粪便污泥TS浓度对3种致病微生物去除过程动力学模型拟合情况没有影响，对于每种致病微生物的去除过程，不同TS组分拟合得到的R2值基本相同.在加碱预处理过程中，无论初始pH值为10还是12，Weibull模型对3种致病微生物去除情况的匹配度优于一级动力学模型，可以更好的表示致病微生物的去除过程，Buzrul［11］针对其他微生物灭活的研究也得到了相似的结论.

一级动力学模型中，参数D指的是灭活一个对数单位微生物所需要的时间.根据本试验得到的D值可知，3种致病微生物中，粪链球菌的抗强碱性最强，粪大肠杆菌的抗强碱性最弱，也就是说去除一个对数单位的粪链球菌需要的时间最长，去除一个对数单位的粪大肠杆菌需要的时间是最短的；另外在初始pH值为12时的D值略低于对应于初始pH值为10时的D值，也就说明碱度较高时对这三种致病微生物的去除效果要稍微好些，但效果不是非常明显.

Weibull模型中，参数n是形状系数，n＜1代表的是凹面曲线，也就是说随着加碱预处理的进行，剩余微生物抵抗加碱处理的能力越来越强；n＞1代表的是凸面曲线，也就是说随着加碱预处理的进行，微生物对外界的抵抗力越来越低［18］.在加碱预处理过程中，无论初始pH值为10还是12，本试验用Weibull模型拟合3种致病微生物的去除情况得到的n值均大于1，拟合曲线为凸面曲线（图5和图6），从而可以证明随着加碱预处理的进行，碱被逐渐消耗，碱度越来越弱，碱度对致病微生物的去除作用也就越来越弱，也就是说开始阶段加碱预处理可以使大部分致病微生物在相对比较高的速率下灭活.

图5 致病微生物去除动力学拟合曲线（pH=10）Fig.5 Kinetic curves of pathogenic inactivation fitted with two kinetic models （initial pH=10）

图6 致病微生物去除动力学拟合曲线（pH=12）Fig.6 Kinetic curves of pathogenic inactivation fitted with two kinetic models （initial pH=12）

2.3 加碱处理对粪便污泥水解效果的影响

强碱可将粪便污泥中的固体结构破坏并分解成可溶性物质，将脂类，碳水化合物和蛋白等降解成小分子物质［19］，例如，脂肪酸、多糖和氨基酸等.随着投碱量的增加污泥的可生物降解性也在增加.SCOD和溶解性蛋白质融出量的多少可以表征污泥加碱水解效果的优劣.在加碱的作用下，不仅可以破坏污泥的絮凝结构，还可以使污泥细胞内的蛋白质、多糖、脂类及其他胞内高分子物质大量溶出，成为溶解性物质，从而提高液相中COD和蛋白质的浓度［20］.因此，用强碱预处理可以提高污泥后续处理过程中的水解速率及厌氧消化性能.

表2 动力学模型拟合参数Table 2 Parameters of the first-order and Weibull kinetic models

加碱预处理后，SCOD和溶解性蛋白质的含量都有所提高，如图7所示，在加碱预处理初始pH值为10时，粪便污泥TS为8%，10%，12%各组的SCOD值分别从初始的15150，29550，39250mg/L增加到28070，55960，72370mg/L，分别增加了1.85，1.89，1.84倍，各组溶解性蛋白质的值分别从初始的1.233，1.340，1.563g/L增加到11.580，12.371，12.902g/L，分别增加了9.39，9.23，8.25倍；在加碱预处理初始pH值为12时，粪便污泥TS为8%，10%，12%各组的SCOD值分别从初始的15150，29550，39250mg/L增加到29120，58210，74380mg/L，分别增加了1.92，1.97，1.90倍，各组溶解性蛋白质的值分别从初始的1.233，1.340，1.563g/L增加到12.210，12.601，13.481mg/L，分别增加了9.89，9.40，8.62倍.对于加碱预处理，在同一pH值下，TS浓度对加碱预处理后粪便污泥中SCOD和溶解性蛋白质的增加量没有明显的影响；对于同一TS浓度的粪便污泥而言，加碱预处理的初始pH值越高，处理后粪便污泥中SCOD和溶解性蛋白质的增加量越大.

图7 加碱预处理过程中SCOD和溶解性蛋白质的变化（pH=10、12）Fig.7 Changes of SCOD and soluble protein contents during alkaline pretreatment （pH=10， 12）

较强的pH值可使粪便污泥细胞壁膨胀失去平衡而破裂，进而释放原来溶解在胞内的蛋白质、碳水化合物和DNA，导致SCOD的溶出较多；而较低pH值仅能破坏污泥的絮凝结构，不能破坏微生物的细胞结构，因此，SCOD的增加较少［21］.

蛋白质是污泥当中易降解有机物的主要组成成分，同时也是构成污泥胞外聚合物的主要成分，它的溶出浓度代表着污泥当中整个有机物的溶出效果.图7为不同pH值预处理条件对蛋白质溶出的影响，由图可知，加碱预处理对蛋白质的溶出规律与SCOD的溶出规律相似，即在碱性条件下，相同TS浓度的粪便污泥随着pH值的升高，其溶出浓度也不断增加.

3 结论

3.1 对于TS浓度分别为8%、10%、12%的各组，加碱预处理初始pH分别为10和12时，预处理后3d后各组指示性致病微生物（粪大肠杆菌、粪链球菌、沙门氏菌）均被完全杀灭去除，且加碱预处理可以促使SCOD和溶解性蛋白质分别增加1.84～1.97和8.25～9.89倍.

3.2 由微生物去除动力学分析结果可知，对于加碱预处理来说，Weibull模型与本试验数据的相关性优于一级动力学模型，可以较好的表示致病微生物的去除过程.

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Inactivation of pathogenic microorganisms by alkaline pretreatment and kinetic analysis.

YIN Fu-bin， LI Zi-fu*，WANG Dong-ling， BAI Xiao-feng （Department of Civil and Environmental Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：196～203

The alkaline pretreatment effect for different TS of faecal sludge （8%， 10%， 12%） to inactive the pathogens（fecal coliforms， Salmonella spp.， fecal streptococcus， and helminth eggs） and disintegrate the faecal sludge （SCOD and soluble protein） was studied. The resulting microbial inactivation curves were either described by the Weibull or first-order model and goodness fit of two models was investigated. The results showed that when the pH was 10or 12 at the beginning， four kinds of pathogens were completely removed after three days， and the Weibull model exhibited data of pathogen inactivation more efficiently than the first-order model. When the pH was 10， the SCOD of faecal sludge increased 1.84～1.89times， soluble protein increased 8.25～9.39times. When the pH was 12， the SCOD of faecal sludge increased 1.90～1.97times， soluble protein increased 8.62～9.89times.

alkaline pretreatment；pathogenic microorganisms；kinetic analysis；anaerobic digestion；faecal sludge

X703.5

A

1000-6923（2015）01-0196-08

尹福斌（1986-），男，河北衡水人，北京科技大学博士研究生，主要从事生物质、沼气利用技术及污泥无害化研究和沼气贮气膜透过性研究.发表论文10余篇.

2014-03-31

中央高校基本科研业务费专项资金（FRF-IC-11-001），科技部国际合作项目（2013DFG92620）

* 责任作者， 教授， zifulee@aliyun.com