強化生物除磷系統中胞外聚合物的特性

王然登,程戰利,彭永臻,*,王淑瑩(.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 50090；.北京工業大學,北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京市脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心,北京 004)

強化生物除磷系統中胞外聚合物的特性

王然登1,程戰利1,彭永臻1,2*,王淑瑩2(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090；2.北京工業大學,北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京市脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心,北京 100124)

胞外聚合物(EPS)在生物除磷過程中具有蓄磷能力,為進一步明確生物除磷系統中的EPS特性,以不具有明顯除磷能力的全程好氧活性污泥系統(R1)的EPS作為對比,考察了具有良好除磷效果的厭氧/好氧交替下的強化生物除磷系統(R2)中EPS的理化特性.結果表明,相對于R1中的EPS主成分在一個周期內的不固定,R2中的蛋白質含量一直明顯高于多糖含量;兩者的主要熒光物質均為類蛋白質和類富里酸,但在好氧末期R2中類蛋白質的熒光強度高于R1; R1的EPS中Ca2+> Mg2+,而在R2中, Mg2+>Ca2+,同時R1中的Ca2+含量平均值為8.67mg/gMLSS,大于R2中Ca2+的平均值2.40mg/gMLSS;在好氧末期,R2中的TP為21.65mg/gMLSS,明顯高于R1中的TP含量(13.83mg/g-MLSS).此外,R1和R2的zeta電位平均值分別為-36mV和-25mV.由此可見, EBPR系統中的EPS具有與全程好氧活性污泥中的EPS不同的特征.

強化生物除磷；胞外聚合物；三維熒光激發-發射光譜；金屬離子；zeta電位

強化生物除磷(EBPR)工藝采用厭氧/好氧的方式運行,以系統中富集的聚磷菌(PAOs)所具有的“超量”吸磷特性來達到將污水中磷去除的目的,因其經濟性和高效性在污水處理廠得到了廣泛的應用[1].PAOs的生化反應過程包括:1)厭氧條件下,PAOs利用體內多聚磷酸鹽(Me-polyP, Me主要為K+,Mg2+,Ca2+)分解所釋放的能量及糖原所提供的還原力吸收溶液中的揮發酸(VFA)并將其轉化為聚羥基丁酸鹽(PHA),同時MepolyP分解所產生的MeHPO4/MeH2PO4被轉移到體外,表現為,溶液中的COD降低,正磷酸鹽(Pi)和K+,Mg2+,Ca2+含量增加;2)好氧條件下, PAOs體內儲存的PHA氧化分解產生能量,將污水中的Pi及K+,Mg2+,Ca2+吸收到體內并合成Me-polyP,從而去除污水中磷[2].

細菌的胞外聚合物(EPS)作為污水生物處理系統污泥中的重要組成部分,具有維持絮體污泥及顆粒污泥結構的穩定性,對系統的處理效果具有重要的作用[3].通常關于EPS特性的研究主要集中在EPS的組成成分及含量比例、熒光光譜特性和帶電性,以及這些特性的改變對絮體污泥的沉降性,顆粒污泥的形成情況及膜組件的污染情況的影響[4].研究發現EPS中主要以多糖和蛋白質為主,多糖和蛋白質的比例變化可能會影響到EPS的疏水性及帶電性,改變污泥的物理特性[5].近年來一些研究發現在生物除磷系統中污泥的EPS中貯存有一定量的磷,認為除PAOs對P的去除作用外, EPS對P也有一定的去除[6-7].目前針對EBPR系統中EPS特性的研究較少, 鑒于生物除磷獨特的生化反應過程,其中的EPS特性也會有所不同,因此有必要對生物除磷系統中EPS的理化特性進行深入研究.本研究以不具有明顯除磷能力的全程好氧活性污泥系統為參照,考察了具有良好除磷效果的EBPR系統中的EPS的理化特性,以期為EBPR系統中EPS的特性研究提供更全面的信息.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行方式

采用兩個相同構型的小試SBR反應器(R1,R2),反應器為有機玻璃圓柱體,高400mm,直徑150mm,總容積為6L.兩個反應器每周期6h,每天運行4個周期,每周期進水3L,周期末排水3L.R1的運行方式為全程好氧(295min),R2以厭氧(85min)/好氧(210min)交替的方式運行,進水時間均為5min,沉淀30min、排水10min、靜置10min.由時間控制器控制反應器具體的運行程序.每天在第二個周期末排出泥水混合物100mL.全程采用攪拌器進行混合攪拌,轉速為150～180r/min.曝氣采用微孔曝氣砂頭進行,曝氣量控制在0.16m3/h.溫度控制在(23±2)℃.

1.2 試驗用水及接種污泥

采用人工模擬廢水作為反應器進水.進水以丙酸鈉和乙酸鈉作為碳源,氯化銨作為氮源,磷酸二氫鉀作為磷源,硫酸鎂和無水氯化鈣分別作為鎂源和鈣源.每升配水中各個成分的投加量及相應的指標濃度如表1所示.同時每升水中加入1mL的微量元素液[8].接種污泥取自哈爾濱市某城市污水處理廠.

表1 試驗模擬廢水成分含量及指標濃度Table 1 Quantity and concentration of synthetic wastewater in the experiment

1.3 檢測指標及分析方法

1.3.1 常規指標的測定 MLSS、SVI 及水溶液中PO43--P的測定采用國家標準測定方法[9].

1.3.2 EPS的提取及測定 EPS的提取采用熱提取法,具體方法參考蔡春光等[10]的研究,在一個周期的不同反應階段取10mL污泥混合液,在 4℃,2000g下離心10min,棄去上清液后,加入去離子水至原體積,混合均勻后將混合液80℃恒溫水浴中60min,每隔一段時間搖晃一下.加熱結束后12000g離心10min.離心后的上清液經0.45μm的濾膜過濾,過濾后的上清液作為提取后的EPS溶液進行成分測定分析.

EPS中多糖的測定采用苯酚-硫酸法[11],蛋白質的測定采用修訂的Lowery法[12].

1.3.3 離子的測定 EPS溶液中Ca2+、Mg2+及TP的測定采用電感耦合等離子體發射光譜儀(Perkin Elmer, Wellesley, MA, USA, Optima2000).

1.3.4 三維熒光光譜分析 對于EPS中熒光物質的測定采用日立FP-6500三維熒光光譜儀進行,激發光以5nm為間隔在220～450nm光譜范圍內進行掃描,發射光以1nm為間隔在250～ 600nm的光譜范圍內進行掃描.

1.3.5 Zeta電位的測定 Zeta電位的測定采用zeta電位測定儀(Zetasizer 2000, Malvern, UK).

2 結果與討論

2.1 反應器的運行情況

如圖1所示,一個穩定周期內R1溶液中的PO43--P的濃度一直在12mg/L左右波動,反應末期出水中的PO43--P的濃度為11.63mg/L,系統幾乎沒有除磷能力,這是因為R1全程好氧,不具有富集PAOs的優勢運行條件.而R2中厭氧/好氧的運行方式與PAOs的代謝特性相符,有利于富集PAOs,溶液中的PO43--P的濃度表現為厭氧段增加,好氧段減少的趨勢.厭氧末溶液中PO43--P達到了75.47mg/L,好氧90min后溶液中的PO43--P含量降低為0.3mg/L,好氧末期出水中幾乎沒有PO43--P的存在.R1和R2系統分別具有了全程好氧的活性污泥特征和良好的EBPR污泥特征,具備了本研究所需要的條件.

圖1 一個周期內R1和R2溶液中的PO43--P的變化情況Fig.1 Variations of PO43--P concentration in R1 and R2 solution during one cycle

2.2 EPS中多糖和蛋白質含量的對比

圖2 R1和R2中一個周期內EPS中多糖和蛋白質的變化情況Fig.2 Variations of protein and polysaccharides in EPS from R1and R2 during one cycle

為對比研究R1和R2系統中的EPS特征,對R1和R2兩個系統穩定周期內污泥中EPS的變化情況進行了測定.如圖2所示,整體上R1中的EPS主成分(多糖和蛋白質)不固定,而R2中EPS的蛋白質含量明顯高于多糖含量.一個周期內的具體變化情況為,在R1的反應初期,EPS中的蛋白質含量(54.95mg/gMLSS)低于多糖含量(62.22mg/gMLSS),在40min時多糖的含量稍有增加,在85min時,多糖和蛋白質的含量均明顯增加,分別為77.90,92.17mg/gMLSS,此時,蛋白質的含量高于了多糖的含量.此后兩者的含量均有所減少,到反應末期,蛋白質的含量為59.08mg/ gMLSS,略低于多糖的量60.42mg/gMLSS. R1中整個周期內EPS變化情況可能與微生物在飽食情況下分泌EPS,而在饑餓條件下消耗EPS有關.而在整個周期內R2中蛋白質的含量一直高于多糖含量,厭氧末期(85min),多糖和蛋白質的含量分別為31.75,50.58mg/gMLSS,相對于反應初期只有少量的增加,此后好氧段的多糖和蛋白質含量有了明顯的增加,反應末期多糖和蛋白質的含量分別為47.93,62.89mg/gMLSS.由此可見,R1和R2兩個系統中的EPS在一個周期內的變化情況不同.由于R2系統具有良好的生物除磷效果,而EBPR過程EPS作為細胞體與水溶液進行離子(Ca2+,Mg2+,K+,各種形態的磷)傳遞的通道,離子的轉移過程需要更多轉移蛋白,或需要一些酶參與聚磷酸鹽在體外的后期的分解或初步合成反應等,故而會有更多的蛋白質分泌到體外EPS中參與轉移過程.

2.3 EPS的三維熒光特性的對比

圖3 R1和R2中EPS的三維熒光光譜特性對比Fig.3 3D EEM spectra of EPS from R1 and R2

由圖3可知, R1和R2反應末期的EPS三維熒光光譜中都有3個明顯的熒光峰,其中,Peak A: Ex/Em=225～240/340～350(類蛋白熒光峰), Peak B: Ex/Em=260～290/300～350(色氨酸類熒光峰),這兩種熒光峰與胞外聚合物中的芳環氨基酸結構有關; Peak C: Ex/Em=240～300/420～470(類富里酸熒光峰),Peak D:Ex/Em=330～360/400～450(類胡敏酸熒光峰),與EPS中的羧基和羰基結構有關[13].這說明,雖然R1和R2的運行情況不同,但其EPS中的組分和物質結構是基本相同的.從各熒光峰的熒光強度看,兩者中的熒光物質主要成分均為類蛋白質物質,其次為類富里酸.但R2中類蛋白質熒光峰所對應的熒光強度要高于R1中EPS所對應的熒光強度,說明R2中EPS所含有的熒光物質濃度更高.這與上文R1和R2在好氧末期EPS中的蛋白質含量大小相符合.此外在強化生物除磷系統的EPS中的富里酸熒光峰的強度低于全程好氧系統中EPS的熒光強度,關于這一現象還沒有相關的報道,至于富里酸在強化生物除磷系統中的作用還有待進一步深入研究.

2.4 EPS中Ca2+,Mg2+和TP含量的對比

由圖4可見,在整個周期內R1的EPS中的Mg2+變化并不明顯,而Ca2+在反應前期逐漸增加,在85min時達到最高(Ca2+=13.31mg/gMLSS, Mg2+=3.05mg/gMLSS),此時也是EPS含量最多的時期(圖2),也就是說Ca2+會隨著EPS含量的增加而增加,而Mg2+只有微弱的增加.在此后的反應過程中Ca2+和Mg2+的濃度逐漸降低,分別為5.78,2.16mg/gMLSS,TP的含量為13.83mg/ gMLSS.在整個變化過程中Ca2+的含量一直高于Mg2+.這可能與進水中的Ca2+濃度大于Mg2+濃度有關,因為EPS對金屬離子具有一定的吸附作用,且金屬離子在EPS具有架橋作用可維持EPS的三維空間結構構型.在R2中前85min內(厭氧段),EPS中的Ca2+, Mg2+和TP的含量幾乎沒有變化,厭氧末它們的含量分別為2.02,2.34, 12.13mg/gMLSS.在接下來的好氧段,EPS中的Ca2+,Mg2+的量均有所增加,分別為2.89,4.28mg/ gMLSS, TP的含量可達到21.65mg/gMLSS.在整個變化過程中Ca2+的含量始終低于Mg2+的含量.通常,活性污泥系統的EPS中的Ca2+濃度高于Mg2+[14-15],而該EBPR系統EPS中的Mg2+含量卻高于Ca2+,其背后的原因可能與PAOs的代謝過程有關,PAOs代謝過程中Mg2+的需要量大于Ca2+[16],而MeHPO4的釋放及吸收都要經過EPS轉移到細胞外或進入到細胞內,此過程中可能會有部分Me被截留在了EPS中,由于MgHPO4的量大于CaHPO4,那么Mg2+的截留量可能會高于Ca2+.同時這也可能與EBPR系統中EPS的特性有關,如EBPR系統中EPS的主成分為蛋白質,其含量明顯高于多糖,而全程好氧的活性污泥系統中EPS以多糖為主.另外,R1中的Ca2+含量平均值為8.67mg/gMLSS,大于R2中Ca2+含量的平均值2.40mg/gMLSS,這表明Ca2+在兩個系統中的作用有所不同,或由于兩個系統中的EPS的成分含量不同,其對Ca2+的吸附量也不同.確切原因還需后期進一步的研究.同時,在好氧末期EPS中儲存的P含量為21.65mg/gMLSS,明顯高于R1中的TP含量(13.83mg/gMLSS).由此表明,EBPR系統中好氧段有一部分P聚集在了EPS中,而不是完全轉移到聚磷菌細胞體內.

圖4 R1和R2中EPS內的Ca2+,Mg2+和P的情況Fig.4 The contents of Ca2+, Mg2+and P in the EPS matrix from R1 and R2

2.5 EPS的zeta電位在一個周期內的變化情況

EPS是包裹在微生物表面的一種黏性物質,其zeta電位的高低會改變微生物之間的靜電斥力,影響到微生物之間的聚集特性[17].由圖5可以看出,兩個系統中的zeta電位均呈負值, R1的zeta電位平均值為-35mV,明顯低于R2的 zeta電位平均值(-23mV).由于蛋白質中氨基基團帶有正電荷,可以中和一些多糖中的羥基和磷酸根基團所帶的負電荷[18],王浩宇等[19]研究也發現zeta電位與EPS中的蛋白質/多糖的比值呈正相關.而本研究中R2的蛋白質/多糖比值大于R1中的蛋白質/多糖比值,這與R2的zeta電位高于R1的測定結果相一致.由于電位的差別,與R1相比,R2中EPS將降低污泥表面的靜電斥力有利于污泥之間的聚集. 本試驗中R1和R2中的污泥容積指數分別為108,67mL/g.由此看來,EBPR系統中的污泥聚集特性更好一些,這可能是由于該系統中的EPS中以蛋白質為主,且其zeta電位值較高,有利于污泥的聚集.

圖5 R1和R2中EPS的zeta電位Fig.5 Zeta potential of EPS from R1 and R2

3 結論

3.1 EBPR系統中的EPS主成分比較穩定,以蛋白質為主,其中的主要熒光物質為類蛋白質和類富里酸.

3.2 EBPR系統的EPS中Mg2+含量高于Ca2+,其中的Ca2+含量相對較低,且其中積聚有一定的磷,好氧末EPS中的TP含量為21.65mg/g-MLSS;

3.3 EBPR系統中EPS的zeta電位為-23mV,污泥SVI為67mL/g,其污泥聚集沉降性能優于全程好氧不具有明顯生物除磷能力的系統.

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《中國環境科學》獲評“2012中國最具國際影響力學術期刊”

2012年12月,《中國環境科學》被評為“2012中國最具國際影響力學術期刊”.

“中國最具國際影響力學術期刊”是中國科學文獻計量研究中心、清華大學圖書館依據《CAJ國際引證報告》,按2011年度中國學術期刊被SCI期刊、SSCI期刊引用的總被引頻次排序并經40多位期刊界專家審議,遴選出的TOP5%期刊.獲評“中國最具國際影響力學術期刊”的科技類期刊共156種.統計分析結果表明,從定量分析的角度看,“中國最具國際影響力學術期刊”的國際影響力已經達到國際中等以上水平,跨入了國際品牌學術期刊行列.

《中國環境科學》編輯部

Characteristics of EPS taken from an enhanced biological phosphorus removal system.

WNAG Ran-deng1, CHENG Zhan-li1, PENG Yong-zhen1,2*, WANG Shu-ying2(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2838～2843

EPS could act as a reservoir for phosphorus in biological phosphorus removal process. To better understand the physicochemical properties of EPS in the biological phosphorus removal system, two types of EPS taken from the systems that operated complete aerobically with little phosphorus removal ability (R1) and alternative anaerobically/aerobically with excellent phosphorus removal efficiency (R2) were studied. Results showed that protein was predominant in the EPS of R2, while the EPS from R1 was dominated by polysaccharides. Protein-like fluorophores and fulvic acid-like fluorophores were the main EEM spectra in both EPS types, whereas the fluorescence intensity of protein-like substances in R2 was higher than that of R1 at the end of aerobic phase. The content of Ca2+was higher than Mg2+in R1, while it was opposite in R2. Meanwhile, the average value of Ca2+in R1 was 8.67mg/g-MLSS, higher than that of R2 (2.40mg/gMLSS) and the TP contents of R2 (21.65mg/gMLSS) was much higher than that in R1 (13.83mg/gMLSS) at the end of aeration. In addition, the zeta potential of R1 (-35mV) was more negative than that in R2 (-23mV).These results demonstrated that the characteristics of EBPR system was different from the complete-aerobic sludge system.

enhanced biological phosphorons removal；extracellular pohymeric substances；three-dimensional excitation-emission matrix；metal cations；zeta potential

X703.1

A

1000-6923(2014)11-2838-06

王然登(1985-),女,河南洛陽人,哈爾濱工業大學博士研究生,主要從事污水生物除磷及好氧顆粒污泥研究.發表論文4篇.

2014-02-28

國家“863”項目

* 責任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn