殼聚糖對活性污泥異養菌和自養菌衰減系數的影響

金艷茹+胡晴+劉燁楠+胡錦程+吳帥+仉春華

摘 ? ?要：殼聚糖是由自然界廣泛存在的幾丁質經過脫乙酰作用得到的，被廣泛應用在污水處理中。本文以活性污泥為研究對象，考察了不同濃度殼聚糖對活性污泥異養菌衰減系數（KdH）以及自養菌衰減系數（KdA）的影響。結果表明，殼聚糖對微生物的活性有一定的抑制作用，抑制作用的強弱受殼聚糖濃度的影響。與異養菌相比，殼聚糖對自養菌活性的抑制作用更明顯。

關鍵詞：殼聚糖;活性污泥;異養菌;自養菌

中圖分類號：S141.6 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.01.002

Impact of Chitosan on Heterotrophic Bacteria and Autotrophic Bacteria of Activated Sludge

JIN Yanru， HU Qing， LIU Yenan， HU Jincheng， WU Shuai， ZHANG Chunhua

（School of Environmental Science and Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian， Liaoning 116600， China）

Abstract： Chitosan is a natural chitin and widely used in wastewater treatment. Taking activated sludge as the research object， this paper examined impact of the different concentrations of chitosan on heterotrophic bacteria active sludge yield coefficient （YH）， attenuation coefficient （KdH） and autotrophic bacteria yield coefficient （YA）， attenuation coefficient （KdA）. The results showed that chitosan had a certain inhibition effect on YH ， KdH， YA and KdA four coefficients.

Key words：chitosan;activated sludge;autotrophic bacteria;heterotrophic bacteria

殼聚糖是由甲殼素脫乙酰化制備而成，又名脫乙酰甲殼素，是由氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖殘基通過1，4-β-糖苷鍵連接而成的高聚物，廣泛存在于甲殼類動物及昆蟲硬殼中[1-3]。殼聚糖是一種弱堿，不溶于水，溶于弱酸，存在著游離的氨基和羥基，在溶液中-NH2可質子化為-NH3+的形式[4]。邵榮等[5]研究了殼聚糖對金黃色葡萄球菌的影響，結果顯示殼聚糖濃度越高，對金黃色葡萄球菌的抗菌效果越好;殼聚糖在pH值為6.0時能夠發揮最強的抗菌能力;殼聚糖溶于2%的醋酸溶液中，對金黃色葡萄球菌的抑制效果最強。秦冰等人[6]研究了殼聚糖對微生物的影響以及殼聚糖處理廢水的效率，其研究結果表明，殼聚糖對微生物具有一定的抑制作用，但可以改善絮體結構，強化沉降性能，提高污水處理的效率。根據本課題組先前的研究[7]，殼聚糖能導致活性污泥自養菌和異養菌的產率系數減小，對異養菌的抑制作用明顯大于自養菌，對微生物的生長具有一定的抑制作用。本研究將考察不同濃度殼聚糖對活性污泥中異養菌衰減系數（KdH）以及自養菌衰減系數（KdA）的影響，從微生物動力學方面探討殼聚糖對微生物的抑制作用。

1 材料和方法

1.1 污泥的預處理

將取自污水處理廠的活性污泥800 mL置于混凝實驗杯中，加入一定量的殼聚糖（濃度分別為10，15，20，25，30 mg·L-1），快速攪拌0.5 min，中速攪拌10 min，慢速攪拌10 min。再分別將加入殼聚糖的活性污泥用去離子水清洗3次，盡可能去除試驗測定中的干擾物質，備用。

1.2 耗氧速率的測定

待測污泥倒入BOD分析瓶中，置之于磁力攪拌器上將污泥混勻，曝氣，使污泥混合液的溶解氧（DO）達到 6 mg·L-1以上，停止充氣，密封，插入溶解氧測定儀，記錄DO值。測試結束后，測定污泥 MLVSS 并計算耗氧速率。試驗過程溫度用恒溫水浴控制在（20±1） ℃。

1.3 異養菌衰減系數（KdH）和自養菌衰減系數（KdA）

異養菌衰減系數（KdH）和自養菌衰減系數（KdA）的測定見文獻[8]。

內源呼吸狀態下有：

dX/dt = -KdX ? ? ? ?（1）

X= X0e-Kdt ? ? ? （2）

因此

vo=-dDO/dt =fvcKdX = fvcKdX0e-Kdt ? ? ? ?（3）

式（3）中：vo為內源呼吸狀態下的耗氧速率，mg·（L·d） -1;fvc為單位質量 VSS 被氧化的氧量，取1.42; Kd為衰減系數，d-1;X為試驗污泥混合液的 MLVSS 值，mg·L-1; X0為試驗污泥混合液的初始 MLVSS 值，mg·L-1。由式（3）可得

lnvo= ln（fvcKdX0）- Kdt ? ? ? ? ? ?（4）

以 lnvo和 t 作圖求斜率可得 Kd。

取上述2種污泥2 L連續曝氣7 d，每天取出200 mL污泥按1.2的方法記錄DO隨時間的變化值，測耗氧速率vo1，之后清洗3次，加入氯化銨（初始氮濃度為40 mg·L-1），按1.2的方法記錄DO隨時間的變化值，測耗氧速率vo2。由于污泥清洗過程可能導致少量污泥損失，需測定污泥清洗前后的 MLVSS，用于vo2的修正：

vo2修正值= vo2測定值×（MLVSS清洗前/ MLVSS清洗后）

內源呼吸狀態下會產生少量氨氮，為抑制硝化反應，分別在第1，3，5 天向污泥中加入一定濃度的丙烯基硫脲。

以 lnvo1和t作圖求KdH，以 ln（vo2修-vo1）和t作圖求KdA，單位均為d-1。

2 結果與分析

2.1 KdH的變化

ln vo1隨時間t的變化如圖1所示。KdH隨殼聚糖濃度的變化如圖2（a）所示。

從圖1可以看出，lnvo1與時間t之間呈一定的線性關系，擬合方程的斜率即為異養菌衰減系數（KdH）。異養菌是污水處理工藝中主要的微生物種群，IWA推薦的活性污泥系統的異養菌衰減系數的典型值為0.24 d-1[9]。Rittmann等[10]以活性污泥作為研究對象獲得的衰減系數為0.254 4 d-1。由圖2（a）可以看出，活性污泥中加入殼聚糖后，異養菌衰減系數有較大的差異，說明添加的殼聚糖濃度對異養菌衰減系數有明顯影響。殼聚糖濃度為10，15，20 mg·L-1時，KdH低于IWA的推薦值，說明殼聚糖濃度對異養菌活性的抑制作用較小，異養菌能將殼聚糖作為營養物質進行增殖等生理活動。殼聚糖濃度為25，30 mg·L-1時，KdH大于IWA的推薦值。說明殼聚糖對異養菌活性的抑制作用較大。張茹等[11]認為隨著殼聚糖濃度的增大，抑菌效果增加，殼聚糖能在細胞外面形成一層致密的保護層，阻礙細胞對營養物的吸收[12]，導致產率系數降低[7]，衰減系數增大。從圖2（a）還可以看出，殼聚糖濃度為20 mg·L-1時，KdH最小，遠遠小于IWA的推薦值。

2.2 KdA的變化

ln（vo2修-vo1）隨時間t的變化如圖3所示。KdA隨殼聚糖濃度的變化如圖2（b）所示。

從圖3可以看出，ln（vo2修-vo1）與時間t之間呈一定的線性關系，擬合方程的斜率即為自養菌衰減系數（KdA）。自養菌衰減系數均高于IWA推薦值。自養菌是直接利用無機物如空氣中的CO2及無機鹽作為碳源的一類微生物，與異養菌相比，自養菌在活性污泥中所占比例通常較小。由于自養菌不能將殼聚糖作為碳源利用，從營養物質的角度來說殼聚糖濃度的大小應對自養菌的繁殖沒有影響。從圖2（b）可以看出，除殼聚糖濃度20 mg·L-1外，其他殼聚糖濃度下的自養菌衰減系數均大于IWA推薦的典型值0.15 d-1[9]，這再一次表明殼聚糖對微生物活性有一定的抑制作用，殼聚糖濃度影響抑制作用的強弱。與異養菌的衰減系數相比，殼聚糖對自養菌活性的抑制作用明顯。

3 結 論

（1） 不同殼聚糖添加濃度下，活性污泥異養菌衰減系數和自養菌衰減系數的變化表明，殼聚糖對微生物的活性有一定的抑制作用，抑制作用的強弱受殼聚糖濃度的影響。

（2）與異養菌相比，殼聚糖對自養菌活性的抑制作用更明顯。

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