在实验室规模下，利用消化后的污水污泥进行固态发酵以生产苏云金芽孢杆菌：消化产物特性的影响

《Journal of Environmental Management》：Bench-scale solid-state fermentation of digested sewage sludge to produce Bacillus thuringiensis: influence of digestate characteristics

　　本研究利用固态发酵（SSF）将四种污水处理厂厌氧消化后的污泥固体部分转化为苏云金芽孢杆菌（Bt）生物农药。通过热解气相色谱-质谱联用（Py-GC-MS）分析发现，不同污泥的碳氮结构、脂肪酸及芳香族化合物含量差异显著，直接影响Bt的活菌数（最高达45.8倍）和孢子产量（最高2.3×10^8孢子/g干物质）。实验室和 bench-scale实验表明，SSF过程在扩大规模时仍保持高效，但需注意温度梯度（最大温差达5℃）和氧气分布。研究证实污泥固体经适当预处理后可作为Bt生物农药的可持续原料，为循环经济中的污泥资源化提供了新路径。

　　### 固体消化污泥在固态发酵中的应用潜力

随着全球对可持续发展和循环经济的重视，污水处理产生的污泥经过厌氧消化后，其固体部分作为一种富含营养和有机物的资源，正逐渐成为研究的热点。传统的处理方式包括直接施用于土壤、堆肥或处置，但这些方法往往未能充分利用其潜在价值。因此，探索新的利用途径显得尤为重要。固态发酵（SSF）作为一种有前景的生物技术，能够将这些固体消化污泥转化为有价值的生物产品，如生物农药。本研究通过综合分析四种不同来源的消化污泥固体，揭示了其在SSF过程中对**苏云金芽孢杆菌**（*Bacillus thuringiensis*，简称Bt）生长和孢子形成的影响，为未来开发高效、可持续的资源化利用策略提供了科学依据。

### 消化污泥的特性分析

消化污泥固体的特性因原料、操作条件和固液分离过程的不同而有所差异。因此，对这些特性进行系统的分析对于理解其在SSF中的行为至关重要。本研究采用多种分析方法，包括热解气相色谱-质谱联用技术（Py-GC-MS）、物理化学方法以及生物降解性评估。这些分析揭示了污泥固体的干物质（DM）含量、有机物（OM）含量和pH值等关键参数的变化范围。例如，DM含量在19.6%到26.2%之间，OM含量在60%到69%之间，pH值均高于8。这些结果表明，污泥固体具有一定的生物降解潜力，但其降解速率和稳定性存在显著差异。

通过Py-GC-MS分析，进一步揭示了不同污泥固体的组成差异。结果显示，MCC（单链烷烃、烯烃、脂肪酸等）是主要的化合物类别，占总信号的24.9%左右。其中，SD4（样品编号为4的污泥固体）的脂肪酸含量较高，可能与其较低的微生物转化率有关。相比之下，SD1、SD2和SD3的碳水化合物衍生产物和氮化合物含量较高，这可能促进了Bt的生长和孢子形成。此外，SD2和SD3中含有较高比例的胆固醇类化合物，这可能表明其含有较多的粪便来源物质。

### 固态发酵过程的评估

为了评估这些污泥固体作为Bt培养基的适用性，研究团队在实验室规模和中试规模（22-L）下进行了SSF实验。在实验室规模下，Bt的生长和孢子形成受到污泥固体特性的显著影响。例如，SD1、SD2和SD3在72小时内实现了较高的孢子产量，分别达到5.0至11.3（以初始活细胞数为基准），而SD4的孢子产量较低，仅为0.4。这表明，某些污泥固体可能更适合用于Bt的生产，而另一些则可能需要进一步的处理或改良。

在中试规模下，研究团队选择了SD1和SD2进行实验，因为它们在实验室规模中表现出较高的孢子产量和活细胞数。实验结果显示，SD1在72小时内达到了2.3×10?个孢子/克干物质（DM），孢子形成率为64%。而SD2在96小时内达到了78%的孢子形成率，但孢子产量较低。这表明，尽管SD2的孢子形成率较高，其孢子产量可能受到多种因素的影响，如空气流动、温度分布和微生物活动的差异。

### 温度与氧气消耗的动态变化

在SSF过程中，温度和氧气消耗是重要的过程参数。实验中使用了按钮式温度传感器来监测反应器内部的温度变化。结果显示，SD1在反应器中心的最高温度达到了35°C，而SD2的最高温度仅为30°C。这表明，SD1的代谢活动更为活跃，导致更高的热量产生。然而，SD2的反应器内部温度波动较小，且在发酵初期由于环境温度较低，可能影响了Bt的生长速率。

氧气消耗（sOUR）是衡量微生物活性的重要指标。实验中发现，SD1和SD2在实验室规模下的氧气消耗曲线相似，峰值出现在24小时内。然而，在中试规模下，SD2的氧气消耗曲线出现了较长的滞后期，直到54小时才达到峰值，且峰值较低。这可能与SD2的结构特性有关，例如其较高的水分含量或较差的通气性，这些因素可能影响了氧气的传递效率。

### 实验设计与结果分析

在实验室规模的SSF实验中，每个污泥固体样品均进行了三次独立实验，以评估其对Bt生长和孢子形成的影响。实验中，初始活细胞浓度约为10?个/克DM，最终的活细胞浓度和孢子产量则因样品的不同而有所变化。例如，SD1的活细胞产量为9.0，孢子产量为5.0，而SD2的活细胞产量为13.8，孢子产量为11.3。这表明，SD2的生物转化能力更强，可能更适合用于Bt的生产。

在中试规模实验中，反应器的工作体积约为85%，装载了4.4千克的污泥固体。实验过程中，通过定时采样监测了Bt的生长和孢子形成情况。结果显示，SD1在72小时内达到了较高的孢子产量，而SD2则在96小时内达到了较高的孢子形成率。此外，SD1在反应器中心的孢子产量较高，而SD2的孢子产量在反应器的不同区域存在差异，这可能与温度分布和空气流动的不均匀性有关。

### 应用前景与未来研究方向

本研究的结果表明，消化污泥固体在SSF过程中具有一定的可行性，能够支持Bt的生长和孢子形成。然而，不同污泥固体的特性差异显著，这可能影响其在实际应用中的表现。因此，未来的研究应进一步探讨不同污泥固体的特性对其在SSF中的表现的影响，以及如何通过优化工艺参数（如空气流量、通气性、温度控制等）来提高孢子产量和生长效率。

此外，研究还指出，SSF过程的规模化存在一定的挑战，特别是在热传递和空气流动方面。为了确保过程的稳定性和可重复性，需要选择合适的固体基质，并合理控制反应器的运行条件。同时，考虑到环境温度的变化对SSF过程的影响，未来的研究应关注如何在不同环境条件下保持稳定的发酵效果。

### 结论与意义

本研究通过系统的分析和实验，揭示了消化污泥固体在SSF过程中对Bt生长和孢子形成的影响。结果表明，某些污泥固体（如SD1和SD2）在实验室和中试规模下均表现出较高的生物转化能力，而其他污泥固体（如SD4）则可能需要进一步的处理或优化。这些发现为消化污泥固体的资源化利用提供了新的思路，特别是在生物农药的生产方面。

综上所述，本研究不仅为消化污泥固体的可持续利用提供了科学依据，还强调了对污泥固体进行深入分析的重要性。通过先进的分析技术，如Py-GC-MS，可以更准确地评估其作为SSF基质的适用性，从而为开发高效的生物转化工艺奠定基础。未来的研究应进一步探讨如何优化SSF工艺参数，以提高孢子产量和生长效率，并验证其在实际应用中的效果。