碳氮比對活性污泥胞外聚合物的長期影響

孫洪偉,陳翠忠,高宇學,趙華南,于 雪,許 涓

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碳氮比對活性污泥胞外聚合物的長期影響

孫洪偉1*,陳翠忠1,高宇學2,趙華南3,于 雪1,許 涓4*

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院,甘肅 蘭州 730070；2.北京桑德環境工程有限公司設計院,北京 101102；3.中鐵第一勘察設計院咨詢監理有限責任公司,陜西 西安 710000；4.環境保護部固體廢物與化學品管理技術中心,北京 1000294)

以人工模擬廢水為研究對象,采用4組SBR反應器(R0,R5,R10和R15),重點考察了碳氮比(C/N)對胞外聚合物(EPS)含量及其組分(蛋白質(PN)、多糖(PS)和核酸(DNA))的影響.試驗結果表明:C/N對EPS及其組分具有顯著影響.隨著C/N由0升高至15,EPS和緊密結合型胞外聚合物(TB-EPS)含量逐漸升高,而松散型胞外聚合物(LB-EPS)含量逐漸降低,EPS以TB-EPS為主(占77.4%~93.6%).EPS和TB-EPS中的PN、PS和DNA含量隨著C/N值升高而升高,LB-EPS中的PN、PS和DNA含量隨C/N升高而降低.此外,隨著C/N的增大,毛細吸水時間(CST)和污泥比阻(SRF)值顯著增大,污泥的脫水性能變差.

碳氮比；胞外聚合物；污泥脫水性能

胞外聚合物(EPS)是在一定環境條件下由微生物(主要是細菌)分泌于體外的一些高分子聚合物.主要成分與微生物的胞內成分相似,是一些高分子物質,如蛋白質(PN)、多糖(PS)和核酸(DNA)等聚合物[1].EPS普遍存在于活性污泥絮體內部及表面,具有重要的生理功能,可將環境中的營養成分富集,通過胞外酶降解成小分子后吸收到細胞內,還可以抵御殺菌劑和有毒物質對細胞的危害[2-3].根據EPS空間位置不同,分為緊密附著在細胞壁上的孢囊聚合物—緊密型EPS(TB-EPS)和以膠體或溶解狀態松散于液相主體中的黏性聚合物—松散型EPS(LB-EPS)[4].國內外學者研究表明,碳氮比(C/N)對EPS產量均有重要影響.主要包括以下幾個方面:(1)C/N值對LB-EPS及其組分含量有重要影響.Ye等[5]認為C/N值(20→4與20→100)對EPS和TB-EPS無影響,而對LB-EPS以及LB-EPS中的PN和PS影響較為顯著.Wang等[6]研究認為C/N值(6→10→20)對LB-EPS的影響大于TB-EPS.(2)C/N

值對EPS和TB-EPS含量有重要影響. Miqueleto等[7]研究認為隨著C/N(3.4→6.8→13.6)增加,EPS和TB-EPS含量逐漸遞增.吳志高[8]研究發現,基質中C/N值遞增(16→25→50→100→100/0)對EPS及其各組份含量影響較為顯著.(3)C/N值對LB-EPS和TB-EPS含量同時產生影響.夏志紅[9]考察了進水C/N分別為0、2、4、6和10,發現C/N的變化導致TB-EPS總量減少,LB-EPS總量增加.

基于上述研究背景,本文采用熒光分光光度計技術研究4種碳氮比條件下(0、5、10和15)SBR系統活性污泥中EPS以及EPS對污泥脫水和沉降性能影響的變化規律.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置、廢水特性及接種污泥

試驗裝置主要包括序批式SBR反應器(內、外徑分別為14cm和15cm,有效容積為5L)和自動控制系統(水溫自動控制系統和過程控制系統)兩部分組成.通過水溫自動控制系統維持SBR反應器運行溫度.借助于過程控制系統(以溶解氧(DO)、pH值和氧化還原電位(ORP)為控制參數)準確指示生化反應進程.

試驗用水采用人工模擬廢水,廢水成分主要包括:NH4Cl(115mg/L),CH3COONa(385mg/L), KH2PO4(26mg/L)和微量元素濃縮液.微量元素主要包括:MgSO4·7H2O(5.07mg/L),MnSO4·4H2O (0.31mg/L),FeSO4·7H2O(2.49mg/L),CuSO4(0.25mg/L),Na2MoO4·2H2O(1.26mg/L),ZnSO4·7H2O(0.44mg/L),NaCl(0.25mg/L),CaSO4·2H2O(0.43mg/L),CoCl2·6H2O(0.41mg/L),EDTA(1.88mg/L)[10],每升廢水加入1mL微量元素.接種污泥取自甘肅省蘭州市七里河安寧區污水處理廠生物循環曝氣池工藝好氧段活性污泥,該污水主要處理七里河區和安寧區的生活污水(60%~70%)和啤酒廢水(30%~40%).

1.2 試驗方案

本試驗開始前,為強化接種污泥的脫氮性能,對該接種污泥進行20d培養馴化,獲得穩定脫氮效果后進行連續試驗.污泥馴化結束后,均分入4個C/N(其中C/N比為COD與TN的比值)分別為0、5、10和15的SBR反應器(分別表示為:R0、R5、R10和R15).利用恒溫循環水浴池維持反應器內混合液溫度.反應器每個運行周期包括瞬時進水、曝氣、沉淀排水和閑置4個階段.具體運行參數見表1.

表1 4個SBR反應器運行條件

1.3 檢測項目與方法

NH+ 4-N、NO- 3-N、NO- 2-N、COD、MLSS和MLVSS等常規分析項目均采用國家標準方法[11].pH值、DO和溫度(T)采用WTW-Multi 3420測定儀監測.

胞外聚合物(EPS):分光光度法.采用改良型熱提取法提取EPS.LB-EPS的提取:取10mL泥水混合液,在4℃、2100g離心力下離心10min,所得上清液經0.45μm微孔濾膜過濾待測,待測液即為LB-EPS溶液.TB-EPS的提取:向離心管中補充Ringer溶液至10mL,恒溫水浴(80℃) 60min,冷卻后在4℃、12000g離心力下離心10min,所得上清液經0.45μm微孔濾膜過濾待測,待測液即為TB-EPS溶液.其中蛋白質(PN)采用考馬斯亮藍法,以牛血清白蛋白作為標準物質;多糖(PS)采用苯酚-硫酸法,以葡萄糖作為標準物質;核酸(DNA)采用紫外吸收法[12].

毛細吸水時間(CST)測定采用DP101013- 23961和CST專用濾紙(北京亞歐德鵬).污泥比阻(SRF):取100mL污泥,將濾膜平鋪于布氏漏斗中,開啟真空泵,控制抽濾壓力為0.040MPa,記錄濾液體積,計算公式:

式中:為抽濾壓力,40kPa;為過濾面積, 0.00636m2;為液體粘度,0.000899kg/(m·s);為斜率:以抽濾時間t(s)與其對應的濾液體積v(m3)之比為縱坐標,以v為橫坐標繪制曲線,所得斜率即為,s/m6;為MLSS,g/m3.

試驗采用日本分光FP-6500熒光分光光度計對EPS進行分析,三維熒光光譜(3D-EEM)以5nm為增量從激發波長220nm掃描到400nm,以1nm為增量從發射波長250nm掃描到500nm,掃描速度為2000nm/min,響應時間為0.2s.采用origin 9.0對光譜圖進行數據分析.

掃描電子顯微鏡(SEM)及X射線能譜儀(EDS)分析:取出污泥樣品,清洗后,經2%~5%戊二醛固定1.5h后,用磷酸緩沖液清洗3遍,隨后經50%、70%、80%、90%和100%乙醇脫水,最后用乙酸異戊酯置換,干燥后,用雙面膠將樣品觀察面向上粘貼在導電膠帶上,在樣品表面鍍上一層15nm厚度的金屬膜,采用掃描電鏡(JSM-5600LV,日本)進行觀察并進行能譜分析,通過樣品中電子激發出的信號,掃描電鏡做出試驗樣品的電子圖像.

2 結果與討論

2.1 C/N對EPS,TB-EPS和LB-EPS含量影響

系統運行281d,主要考察了C/N對活性污泥中EPS產量(以SS計,下同)的影響.R0、R5、R10和R15系統硝化過程EPS,TB-EPS和LB-EPS(其中EPS為LB-EPS和TB-EPS加和)含量均呈現出一定的波動性,C/N為0、5、10和15條件下, TB-EPS分別占EPS總量的(77.4±7.1)%、(91.1±5.6)%、(93.6±2.3)%、和(93.6±2.4)%;LB- EPS占EPS總量的(22.6±7.1)%、(8.9±5.6)%、(6.4±2.3)%和(6.4±2.4)%,且TB-EPS為LB-EPS的(3.9±1.9)、(13.5±6.6)、(16.4±5.8)和(16.3±5.7)倍,因此,TB-EPS是EPS重要的組成部分.圖1反映了4種C/N條件下,EPS,LB-EPS和TB-EPS含量的對比.當C/N由0上升至15,EPS和TB- EPS含量均呈現上升趨勢,而LB-EPS含量逐漸下降,說明高C/N有利于EPS的產生.關于C/N對EPS含量的影響,研究者獲得的結論也不盡相同,主要包括以下幾方面:①C/N與EPS和TB- EPS呈正相關.Miqueleto等[7]研究認為隨著C/N增加,EPS和TB-EPS含量逐漸遞增;吳志高[8]研究發現,基質中C/N值遞增,EPS和TB-EPS及其各組份都有相應的增加,PS增幅最大,并且對EPS及其各組份所占比例有一定的影響.②C/N與EPS和TB-EPS無相關性.夏志紅[9]認為C/N與EPS和TB-EPS以及其組分無相關性,而LB-EPS含量隨著C/N增加而減小.③C/N對LB-EPS影響顯著.Wang等[6]研究發現C/N對LB-EPS的影響大于TB-EPS,其認為隨著C/N的減小,LB-EPS中的PN和PN/PS增加,PS含量降低,TB-EPS中的PN,PS和PN/PS不受C/N的影響.Ye等[5]認為C/N值對EPS和TB-EPS無影響,而對LB-EPS以及LB-EPS中的PN和PS影響較為顯著(隨著C/N的增大,LB-EPS中的PS含量增大,PN含量降低).

這里需要指出的是:本實驗過程中,隨著C/N值升高,EPS和TB-EPS與C/N值呈正相關,與Miqueleto等[7]和吳志高[8]研究結果是一致的.

2.2 C/N對EPS、TB-EPS和LB-EPS各組分含量影響

圖2和表2為4種C/N條件下,EPS、TB-EPS和LB-EPS中的PN、PS和DNA含量.可清楚反映出4種C/N條件下,EPS[表2,圖2(a)]和TB-EPS[表2,圖2(b)]中的PN、PS和DNA含量變化趨勢相同,即隨著C/N的增加,EPS和TB-EPS中PN、PS和DNA的含量表現為遞增的趨勢,其中PS含量變化較為顯著.此外隨著C/N的增加,LB-EPS[表2,圖2(c)]中PN、PS和DNA的含量整體表現為下降的趨勢.基于上述試驗結果,可以發現C/N對EPS和TB-EPS中的各組分影響較為顯著,得到C/N與EPS和TB-EPS中的PN、PS和DNA含量呈正相關,其中C/N對PS的影響尤為明顯[7-8].關于C/N對EPS和TB-EPS中的PS影響較為顯著的原因:大量研究表明對于營養物質由細胞轉化為EPS,主要取決于生長培養基的組成(底物的組成),一般來說,含碳量與限制性營養物質之間的比例越高,則更有利于多糖的產生,Mengistu等[13-14]研究表明碳源過量時,由于ATP產量增加,促進微生物合成PS.而有研究者認為C/N對EPS和TB-EPS中的PN和PS無影響,而與LB-EPS中PN、PS和DNA含量呈負相關,即隨著C/N的增大LB-EPS中PN、PS和DNA含量逐漸降低[5-6].

圖1 不同C/N條件下EPS、LB-EPS和TB-EPS含量的變化規律

圖2 EPS組分含量變化規律

從[圖2(d)]和表2可以看出,4種C/N條件下,PN、PS和DNA分別占EPS、TB-EPS和LB-EPS的9%~27%、65%~83%和8%~11%,因此可得到PS是EPS、TB-EPS和LB-EPS中的主要成分,其次為PN,DNA最少,與Ye等[5]和Yang等[16]的研究結果一致.而Liu[17-20]等[研究認為PN是EPS的重要組分.

表2 EPS各組分含量及所占比例(mg/g)

2.3 EPS的三維熒光特性

圖3為在不同C/N條件反應器好氧末端活性污泥EPS的三維熒光光譜圖.由圖3和表3可以看出,活性污泥中EPS主要有3個圖譜峰,其中峰A與可溶性微生物降解產物等類蛋白物質有關,峰B為類腐殖熒光,峰C為類富里酸熒光[21];相比于R0和R5系統中的峰A,R10系統中峰A的激發波長出現紅移(向長波方向移動),發射波長出現藍移(向短波方向移動),R15系統中峰A的發射波長出現藍移,并且隨著C/N的升高,峰A的熒光強度隨之降低;相比于R10和R15系統中峰B,R0系統中峰B的激發波長出現藍移,發射波長出現紅移,R5系統中峰B的激發射波長出現紅移,且隨著C/N的升高,峰B的熒光強度隨之增大;峰C在R10和R15系統中出現,在R0和R5系統中消失.

圖3 不同C/N條件下活性污泥中EPS的3D-EEM圖譜

表3 EPS的Ex/Em(激發/發射波長)及熒光強度

基于上述可以推測,隨著C/N的升高,EPS中腐殖類的物質隨之升高,促進EPS產量增長,而可溶性微生物降解產物等類蛋白物質阻礙EPS產量增長.

2.4 C/N對污泥脫水及沉降性能的影響

污泥的脫水性能可用CST的長短或SRF的大小來表征.一般認為CST和SRF值越小,污泥的脫水性能越好.

隨著C/N值的增大,CST值[(4→19→29→68)s][圖 4(a)]和SRF值[(33→78→158→178)× 108m/kg][圖4(c)]顯著增大,即隨著C/N的增加,污泥脫水性能顯著惡化,說明C/N對污泥脫水性能有著顯著影響.而Sanin等[22]研究認為C/N從9增加到21對污泥脫水性能影響并不明顯.本次研究中CST值和SRF值都能較好的表征污泥的脫水性能,Ye等[5]認為相對于SRF值,CST值對污泥脫水性能的表征更敏感,在Lee等[23]研究認為CST表征污泥的脫水性能運用的更為廣泛.

圖4 R0、R5、R10和R15系統內CST、SRF和SVI的變化

從[圖4(b, d)]進一步可以看出,隨著EPS含量的增加,CST和SRF值增加,說明污泥的脫水性能與EPS密切相關.關于EPS對污泥脫水性能的影響,研究者獲得的結論也不盡相同,主要包括以下6方面:①LB-EPS含量對污泥脫水性能的影響.有研究[16-24]認為LB-EPS不利于泥水分離.②EPS含量對污泥脫水性能的影響.Eriksson等[25]認為EPS使得污泥的脫水性能變差,這是由于EPS產生了空間阻力,EPS分子從細胞表面伸展出來,阻礙細胞之間的緊密接觸,形成密實的凝膠,阻止結合水從凝膠的微孔擠出.③PS對污泥脫水性能的影響.有研究認為污泥脫水性能與EPS中的PS有關[26-27];Jahn等[28]研究認為EPS中的PN是提供疏水性的主要成分,而PS是提供親水性的重要成分.④LB-EPS/TB-EPS對污泥脫水性能的影響.王紅武等[29]認為LB-EPS/TB-EPS越大污泥的脫水性能越差.⑤LB-EPS及其組分對污泥脫水性能的影響.有研究[5,27]研究發現LB- EPS以及LB-EPS中的PN含量與污泥的脫水性能密切相關.⑥粘液層中可溶性PN和PN/PS對污泥脫水性能的影響.何培培等[30]研究認為污泥脫水性能主要受粘液層的可溶性PN和PN/PS影響,幾乎不受其它EPS層中化學組分的影響.

本研究中隨著C/N的增大污泥的脫水性能變差. 分析原因,隨著C/N的增大,污泥中的EPS含量(圖1)增大,產生了空間阻力,阻礙了泥水分離;以及EPS中的PS含量增多[圖2(a)]提供了大量的親水基,不利于泥水分離.此外Higgins等[31]認為1~100μm的膠體顆粒對于污泥的脫水性能有著重要的影響,所以筆者推測隨著C/N的改變,污泥中的膠體粒徑發生了改變,而R15系統中所含低于100mm的膠體顆粒所占的比重可能較大.

[圖4(e)]可見,隨著C/N的增加,SVI值[(61→115→150→197)mL/g]隨之增大,即C/N對污泥的沉降性能影響較為顯著.[圖4(f)]所示,EPS含量與SVI有一定的正相關性[32].

2.5 SEM形態變化特征

為了深入探究高C/N系統污泥沉降性能惡化[圖4(e)]的可能原因,本試驗通過采用SEM觀察活性污泥系統內微生物種群特性.圖5所示為SBR系統運行至第201d,取活性污泥樣品進行SEM分析.結果表明,4種C/N的活性污泥系統中以橢球狀菌[約為(0.24′0.43)mm~(0.53′1.23)mm]和桿狀菌(約為0.31~2.2mm)為主,基于4種系統的氨氮去除率均為90%以上的試驗結果,分析4種系統中菌膠團主要以硝化菌構成.并且在R10和R15系統內[圖5(c, d)]存在非硝化菌形態特性的菌種,結合R10和R15系統沉降性能惡化[圖4(e)],筆者推測隨著C/N的提高,不同基質條件下活性污泥系統內的微生物種群特性有著顯著改變,滋生出大量絲狀細菌.因此我們可以得到,R10和R15系統沉降性能惡化的主要原因是絲狀細菌所引起的.

圖5 不同C/N活性污泥SEM圖片

圖6 R5系統活性污泥表面的SEM-EDS

表4 不同C/N活性污泥表面元素組成

圖6所示以采用掃描電子顯微鏡-X射線能譜儀(SEM-EDS)獲得的R5系統活性污泥表面元素SEM-EDS圖為例.歸納總結4種系統的EM-EDS檢測數據如表4所示,可清楚反映出,活性污泥表面組成元素主要為C、N、O和P.C構成微生物細胞的碳架,因此其含量最多,其次為N(提供微生物合成蛋白質的原料).此外隨著C/N增大,C、N和O的表觀濃度以及所占的百分比表現為遞減的趨勢.

3 結論

3.1 C/N對EPS、TB-EPS和LB-EPS含量具有一定影響.隨著C/N值的升高,EPS和TB-EPS均呈現逐漸上升趨勢,LB-EPS呈現逐漸降低趨勢.此外,EPS以TB-EPS為主(占77.4%~93.6%).

3.2 C/N對EPS中PN、DNA和PS含量產生明顯影響.EPS和TB-EPS中PN、PS和DNA的含量隨C/N升高而升高.LB-EPS中PN、PS和DNA的含量隨著C/N值增大而降低.此外,PS占EPS、TB-EPS和LB-EPS的70%以上,是EPS、TB-EPS和LB-EPS的主要成分.

3.3 C/N對污泥的脫水性能及沉降性能影響顯著.CST和SRF都能較好的表征污泥的脫水性能.且隨著C/N的增大,CST、SRF和SVI值顯著增大,污泥的脫水及沉降性能變差.

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Effect of C/N ratio on extracellular polymeric substance (EPS) in the sequencing batch reactor (SBR).

SUN Hong-wei1*, CHEN Cui-zhong1, GAO Yu-xue2, ZHAO Hua-nan3, YU Xue1, XU Juan4*

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；2.Design Institute of Beijing Sound Environmental Engineering Co. Ltd, Beijing 101102, China；3.Engineering consulting and supervision of China Railway First Survey & Design Institute Group Co. Ltd, Xi'an 710000, China；4.Solid Waste and Chemicals Management Center. MEP, Beijing 100029, China)., 2018,38(3)：950~958

In this paper, the long-term effect of C/N ratio on extracellular polymeric substance (EPS) in the sequencing batch reactor (SBR) treating synthetic wastewater was investigated under four C/N ratio conditions (0, 5, 10, 15). The results showed that the C/N ratio had a significant impact on EPS and its composition. With the increase of C/N ratio (0→5→10→15), EPS and tightly bound EPS (TB-EPS) content increased, while, loosely bound EPS (LB-EPS) decreased slowly. TB-EPS was dominant in EPS (the percentage of TB-EPS/EPS was 77.4~93.6%). Moreover, protein (PN), Carbohydrate (PS) and DNA in EPS and TB-EPS increased with the C/N ratio increasing. PN, PS and DNA in LB-EPS decreased as the C/N ratio increased. Moreover, capillary suction times (CST) and specific resistance to filtration (SRF) increased when the C/N ratio increased, and caused deterioration in sludge dewaterability.

C/N ratio；extracellular polymeric substance；dewaterability

X52

A

1000-6923(2018)03-0950-09

孫洪偉(1976-),男,黑龍江齊齊哈爾人,教授,博士,主要研究方向為高氨氮污水生物脫氮及過程控制.發表論文40余篇.

2017-08-01

國家自然科學基金資助項目(51668031);甘肅省自然科學基金資助項目(1606RJZA009);蘭州交通大學百名青年優秀人才培養計劃(152022)

* 責任作者, 教授, shw@emails.bjut.edu; xujuan@mepscc.cn