pH值对水产养殖固体颗粒物水解酸化产挥发性脂肪酸的影响

罗国芝+孙文婧+杜军+等

摘要：挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs）易被微生物利用，是异养反硝化作用最有效的碳源。水产养殖固体颗粒物水解酸化可产生大量VFAs，但水解速率缓慢使VFAs的利用受到限制。本试验就pH值对水产养殖固体颗粒物水解酸化产VFAs的影响进行研究，结果证明，pH值调节为7时，水解酸化至6 d时效果最佳，此时VFAs产量为 5 397.03 mg/L，铵态氮浓度也最高，为0.155 mg/L，溶解性化学需氧量也最高，为103 400 mg/L；同时，pH值调为7时，水产养殖固体颗粒物水解率最高，为65.74%。

关键词：挥发性脂肪酸；水解酸化；pH值；养殖固体颗粒物

中图分类号：X714文献标志码：A文章编号：1002-1302（2014）06-0307-03

收稿日期：2013-09-29

基金项目：国家科技支撑计划（编号：2012BAD25B03）；上海工程技术中心能力提升项目（编号：13DZ2280500）。

作者简介：罗国芝（1974—），女，湖北襄樊人，博士，副教授，研究方向为循环水养殖系统与工程及水产养殖水处理。Tel：（021）61900413；E-mail：gzhluo@shou.edu.cn。

通信作者：谭洪新，博士，教授。Tel：（021）61900402；E-mail：hxtan@shou.edu.cn。我国水产养殖业近年来发展迅速，农业部统计2010年全国水产品总产量达到0.38亿t[1]，每生产1 kg养殖对象生物量估计可产生162 g有机物粪便，包括50 g蛋白质、31 g脂肪和81 g碳水化合物[2]。由此推算，我国水产养殖2010年产生固体颗粒物为615.6万t。水产养殖固体颗粒物的处理形势日益严峻，是水处理工程的重要技术环节[3]。现有的处理方法有外排处理[4]、人工湿地[5]、生物絮凝[6]和厌氧消化（别称厌氧发酵）[7]等。但外排处理存在臭味问题、运输费用以及焚烧等问题[8]；人工湿地[9]占地大，易受天气、季节等因素影响；生物絮凝很难定量分析；而厌氧消化可以将固体废弃物富含的可降解物质转化为挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs），已有学者采用厌氧消化法来处理水产养殖固体颗粒物，并取得了良好的效果，达到减量化、稳定化且环境友好的目的。

同时，水产养殖的高含氮废水处理也备受关注，各种方式中生物处理被认为是最经济可行的办法[10]，异养反硝化脱氮是最有前景的脱氮方法。在脱氮过程中，反硝化细菌需要足够的有机碳源作为电子供体[11]。但传统的反硝化过程中，外加的碳源会引起二次污染，危害环境。同时，水产养殖固体颗粒物厌氧消化可产生VFAs，VFAs被认为是微生物可直接利用的有机物[12]。因此，利用固体颗粒物水解酸化产生的VFAs作为反硝化反应的碳源既安全又可以减少污染。固体颗粒物厌氧消化一般分成水解、酸化、乙酸化和甲烷化4个阶段[13]，其中水解被认为是颗粒态有机物厌氧消化的主要限速步骤[14]。

固体颗粒物的水解效果受pH值影响显著，Zhang等在研究活性污泥水解酸化试验中发现pH值控制在碱性时污泥水解酸化效果好于pH值控制在酸性，pH值控制在酸性时污泥水解酸化效果又好于pH值不进行控制[15]；Babel等则认为食品固体废物的酸化的最适pH值为5.0～6.0[16]；VFAs本身具有酸性，高浓度会抑制微生物，降低pH值，最终导致微生物死亡[17]。通过控制pH值、底物浓度、对水解酸化产VFAs进行研究得出温度为35 ℃、pH值6.5～7.0时VFAs的产量为15.2 g/L（底物负荷为50 g/L）[18]。Elefsiniotis等认为pH值在4.3～7.0对于初沉污泥的发酵产酸影响不大，但是当pH值高于7.0时酸化反应会受到抑制[19]。

本试验就pH值对固体颗粒物厌氧消化效果影响进行研究，寻找出厌氧消化的最佳pH值条件，为水产养殖固体颗粒物的去除提供基础。

1材料与方法

1.1材料

本试验所用水产养殖固体颗粒物为通威海水鱼配合饲料8912，其组成主要包括：进口鱼粉、面粉、次粉、饼粕、乌贼膏、鱼油、矿物质元素、微量元素、维生素等。饲料组成成分含粗蛋白41.6%～43.9%、粗灰分17.3%～18.2%、钙1.0%～28%、食盐0.5%～2.7%、磷0.9%～1.3%、水分9.5%～11.6%。

1.2试验设计

1.2.1试验条件下固体颗粒物最佳水解时间确定试验模拟序批式反应器。试验在72个250 mL的锥形瓶中进行。锥形瓶用橡胶塞和乳胶圈进行密封处理，锥形瓶置于35 ℃的恒温培养箱中的摇床上。每个锥形瓶内放置质量为23 g磨碎的饲料和150 mL的蒸馏水，试验共进行18 d。每天定时取3个锥形瓶的发酵上清液，检测水温、DO（溶氧量）、pH值、ORP（氧化还原电位）、VFAs的浓度、SCOD（溶解性化学需氧量）、DOC（化学需氧量）等指标。

1.2.2pH值影响试验pH值影响试验在90个250mL的锥形瓶中进行。在水解过程中，pH值分别调节为5、6、7、8、9，以水解过程中不调节pH值为对照，每个处理18个锥形瓶，放置于35 ℃的恒温培养箱中的摇床上，每24 h利用 5 mol/L 的NaOH调节pH值到设定值。试验共进行6 d。每天定时取3个锥形瓶的发酵上清液，检测水温、DO、pH值、ORP、VFAs的浓度、SCOD、DOC等指标。

1.3检测方法

水温、pH值、DO、ORP采用YSI水质测量仪（556MPS，美国）测定；VFAs浓度采用蒸馏滴定法测定；SCOD采用 0.45 μm 滤膜液的重铬酸钾法测定；TCOD采用标准重铬酸钾法测定；铵态氮采用次溴酸钠比色法测定；亚硝态氮采用磺胺-盐酸萘乙二胺比色法测定；硝态氮采用盐酸-氨基磺酸比色法测定。endprint

2结果与分析

2.1VFAs产量

为各组试验的VFAs产量。试验进行1 d后，6个处理都进行了不同程度的产酸，pH值7处理产酸量为766.35 mg/L，pH值5处理为734.49 mg/L，pH值6处理为749.44 mg/L，而pH值8、pH值9处理分别为741.33、739.35 mg/L。随着试验的进行，不同pH值处理的产酸量逐渐上升，且基本呈线性增加。pH值未调节对照与其他pH值调节处理相比，VFAs的产量明显低得多。6 d时，pH值未调节对照产酸量为 2 609.18 mg/L，这与Zhang等的研究结果[15]相符。pH值5、pH值6、pH值8、pH值9处理产酸量分别为3 824.23、4 157.23、4 221.26、3 994.54 mg/L，而pH值7处理产酸量为 5 397.03 mg/L，明显高于其他处理的产酸量。表明对pH值进行调节可以提高厌氧消化中VFAs的产量，将pH值调节到7时效果最为理想。

2.2溶解氧

通过6 d的试验结果得知，6个处理的DO均呈下降趋势，由于系统内进行水解发酵反应，氧气被兼性微生物利用，氧气被逐渐消耗，pH值7处理的DO下降明显低于其他5个处理。而其他4个pH值调节处理的DO虽然比pH值7处理的高，但均比pH值未调节对照低，这说明pH值7处理水解产酸的程度较彻底。

2.3铵态氮

铵态氮的产生是水产养殖固体颗粒物厌氧消化的主要特

征，水产养殖固体颗粒物中富含大量的蛋白质，蛋白质水解会产生铵态氮。铵态氮浓度间接表明固体颗粒物中有机物（尤其是蛋白质）水解程度的高低，图3显示试验中各处理铵态氮浓度逐渐上升，pH值未调节对照铵态氮浓度上升比较缓慢，由1 d时的0.01 mg/L上升到6 d时的0.03 mg/L。pH值7处理6 d时铵态氮浓度为0.155 mg/L，而pH值5、pH值6、pH值8、pH值9处理的铵态氮浓度分别为0.074、0.099、0105、0081 mg/L。说明pH值7处理水解程度最高。

2.4SCOD、TCOD和水解率

随着水解时间的增加，5个pH值调节处理的SCOD均呈现上升趋势，6 d时，pH值7处理的水解酸化液中SCOD最高，为103 400 mg/L，明显高于其他4个pH值调节处理。5个pH值调节处理的TCOD逐渐上升，6 d时pH值7处理的TCOD最高，达到157 286.5 mg/L，其他各处理的TCOD均低于pH值7处理。

各处理的水解率均呈上升趋势。pH值7处理水解6 d时水解率最高，为65.74%，pH值未调节对照水解率最低，为36.90%。pH值5、pH值6、pH值8、pH值9处理的水解率低于pH值7处理。

2.5VFAs/SCOD

随着水解天数的增加，5个pH值调解处理中VFAs占SCOD的比例逐渐升高，pH值7处理的VFAs占SCOD的比例明显高于其他4个pH值调节处理。但是总体来说，各处理VFAs占SCOD的比例都很低，pH值为7时最高也仅为589%，表明固体颗粒物中被利用的部分少。

3结论

pH值对水产养殖固体颗粒物水解发酵有较大的影响，与pH值5、6、8、9处理和pH值未调节对照相比，水产养殖固体颗粒物水解发酵6 d，pH值7处理的产酸量、NH+4-N浓度、水解率均最高，分别为5 397.03 mg/L、0.155 mg/L和6574%。说明在水产养殖固体颗粒物水解发酵过程中，pH值调节为7时，水解最佳，产生的VFAs最多。

参考文献：

[1]李明爽. 量价齐升 结构更优 渔民增收 2010 年我国水产养殖业发展平稳[J]. 中国水产，2011（1）：29-30.

[2]刘长发，綦志仁，何洁，等. 环境友好的水产养殖业——零污水排放循环水产养殖系统[J]. 大连水产学院学报，2002，17（3）：220-226.

[3]李平. 循环水养殖系统固体废弃物厌氧消化处理技术与分析[J]. 渔业现代化，2009，36（6）：16-20.

[4]Cripps S J，Bergheim A. Solids management and removal for intensive land-based on aquaculture production systems[J]. Aquacultural Engineering，2000，22：33-56.

[5]Summerfelt S T，Adler P R，Glenn D M，et al，Aquaculture sludge removal and stabilization within created wetlands[J]. Aquacultural Engineering，1999，19（2）：81-92.

[6]Lu L，Tan H X，Luo G Z，et al，The effects of Bacillus subtilis on nitrogen recycling from aquaculture solid waste using heterotrophic nitrogen assimilation in sequencing batch reactors[J]. Bioresource Technology，2012，124：180-185.

[7]Dinopoulou G，Rudd T，Lester J N. Anaerobic acidogenesis of a complex wastewater：Ⅰ. The influence of operational parameters on reactor performance[J]. Biotechnology and Bioengineering，1988，31（9）：958-968.endprint

[8]Cripps S J. Serial particle size fractionation and characterisation of an aquacultural effluent[J]. Aquaculture，1995，133（3/4）：323-339.

[9]赵艳锋，朱琨，李伟. 人工湿地净化处理废水的机理探讨与效果研究[J]. 环境科学与管理，2007，32（4）：87-91.

[10]van Rijn J. The potential for integrated biological treatment systems in recirculating fish culture-a review[J]. Aquaculture，1996，139（3/4）：181-201.

[11]van Rijn J，Tal Y. Schreierh H J. Denitrification in recircu-lating systems：theory and applications[J]. Aquacultural Engineering，2006，34：364-376.

[12]Lim S J，Choi D W，Lee W G，et al.Volatile fatty acids production from food wastes and its application to biological nutrient removal[J]. Bioprocess Engineering，2000，22（6）：543-545.

[13]Wang G，Mu Y，Yu H Q. Response surface analysis to evaluate the influence of pH，temperature and substrate concentration on the acidogenesis of sucrose-rich wastewater[J]. Biochemical Engineering Journal，2005，23（2）：175-184.

[14]何品晶，潘修疆，吕凡，等. pH值对有机垃圾厌氧水解和酸化速率的影响[J]. 中国环境科学，2006，26（1）：57-61.

[15]Zhang P，Chen Y，Zhou Q. Waste activated sludge hydrolysis and short-chain fatty acids accumulation under mesophilic and thermophilic conditions：effect of pH[J]. Water Research，2009，43（15）：3735.

[16]Babel S，Fukushi K，Sitanrassamee B. Effect of acid speciation on solid waste liquefaction in an anaerobic acid digester[J]. Water Research，2004，38（9）：2417-2423.

[17]Wang Q，Kuninobu M，Ogawa H I，et al. Degradation of volatile fatty acids in highly efficient anaerobic digestion[J]. Biomass & Bioenergy，1999，16（6）：407-416.

[18]Thi N P，Nam W J，Jeon Y J，et al. Volatile fatty acids production from marine macroalgae by anaerobic fermentation[J]. Bioresource Technology，2012，124：500-503.

[19]Elefsiniotis P，Oldham W K. Influence of pH on the acid-phase anaerobic digestion of primary sludge[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology，1994，60（1）：89-96.endprint

[8]Cripps S J. Serial particle size fractionation and characterisation of an aquacultural effluent[J]. Aquaculture，1995，133（3/4）：323-339.

[9]赵艳锋，朱琨，李伟. 人工湿地净化处理废水的机理探讨与效果研究[J]. 环境科学与管理，2007，32（4）：87-91.

[10]van Rijn J. The potential for integrated biological treatment systems in recirculating fish culture-a review[J]. Aquaculture，1996，139（3/4）：181-201.

[11]van Rijn J，Tal Y. Schreierh H J. Denitrification in recircu-lating systems：theory and applications[J]. Aquacultural Engineering，2006，34：364-376.

[12]Lim S J，Choi D W，Lee W G，et al.Volatile fatty acids production from food wastes and its application to biological nutrient removal[J]. Bioprocess Engineering，2000，22（6）：543-545.

[13]Wang G，Mu Y，Yu H Q. Response surface analysis to evaluate the influence of pH，temperature and substrate concentration on the acidogenesis of sucrose-rich wastewater[J]. Biochemical Engineering Journal，2005，23（2）：175-184.

[14]何品晶，潘修疆，吕凡，等. pH值对有机垃圾厌氧水解和酸化速率的影响[J]. 中国环境科学，2006，26（1）：57-61.

[15]Zhang P，Chen Y，Zhou Q. Waste activated sludge hydrolysis and short-chain fatty acids accumulation under mesophilic and thermophilic conditions：effect of pH[J]. Water Research，2009，43（15）：3735.

[16]Babel S，Fukushi K，Sitanrassamee B. Effect of acid speciation on solid waste liquefaction in an anaerobic acid digester[J]. Water Research，2004，38（9）：2417-2423.

[17]Wang Q，Kuninobu M，Ogawa H I，et al. Degradation of volatile fatty acids in highly efficient anaerobic digestion[J]. Biomass & Bioenergy，1999，16（6）：407-416.

[18]Thi N P，Nam W J，Jeon Y J，et al. Volatile fatty acids production from marine macroalgae by anaerobic fermentation[J]. Bioresource Technology，2012，124：500-503.

[19]Elefsiniotis P，Oldham W K. Influence of pH on the acid-phase anaerobic digestion of primary sludge[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology，1994，60（1）：89-96.endprint

[8]Cripps S J. Serial particle size fractionation and characterisation of an aquacultural effluent[J]. Aquaculture，1995，133（3/4）：323-339.

[9]赵艳锋，朱琨，李伟. 人工湿地净化处理废水的机理探讨与效果研究[J]. 环境科学与管理，2007，32（4）：87-91.

[10]van Rijn J. The potential for integrated biological treatment systems in recirculating fish culture-a review[J]. Aquaculture，1996，139（3/4）：181-201.

[11]van Rijn J，Tal Y. Schreierh H J. Denitrification in recircu-lating systems：theory and applications[J]. Aquacultural Engineering，2006，34：364-376.

[12]Lim S J，Choi D W，Lee W G，et al.Volatile fatty acids production from food wastes and its application to biological nutrient removal[J]. Bioprocess Engineering，2000，22（6）：543-545.

[13]Wang G，Mu Y，Yu H Q. Response surface analysis to evaluate the influence of pH，temperature and substrate concentration on the acidogenesis of sucrose-rich wastewater[J]. Biochemical Engineering Journal，2005，23（2）：175-184.

[14]何品晶，潘修疆，吕凡，等. pH值对有机垃圾厌氧水解和酸化速率的影响[J]. 中国环境科学，2006，26（1）：57-61.

[15]Zhang P，Chen Y，Zhou Q. Waste activated sludge hydrolysis and short-chain fatty acids accumulation under mesophilic and thermophilic conditions：effect of pH[J]. Water Research，2009，43（15）：3735.

[16]Babel S，Fukushi K，Sitanrassamee B. Effect of acid speciation on solid waste liquefaction in an anaerobic acid digester[J]. Water Research，2004，38（9）：2417-2423.

[17]Wang Q，Kuninobu M，Ogawa H I，et al. Degradation of volatile fatty acids in highly efficient anaerobic digestion[J]. Biomass & Bioenergy，1999，16（6）：407-416.

[18]Thi N P，Nam W J，Jeon Y J，et al. Volatile fatty acids production from marine macroalgae by anaerobic fermentation[J]. Bioresource Technology，2012，124：500-503.

[19]Elefsiniotis P，Oldham W K. Influence of pH on the acid-phase anaerobic digestion of primary sludge[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology，1994，60（1）：89-96.endprint