好氧顆粒污泥EPS動(dòng)態(tài)變化解析

1、好氧顆粒污泥EPS動(dòng)態(tài)變化解析1引言好氧顆粒污泥相比傳統(tǒng)的絮體污泥，具有規(guī)則而緊密的微生物結(jié)構(gòu)、高污泥濃度、杰出的沉降性能和耐沖擊負(fù)荷等許多優(yōu)越的性能，因此，近年來(lái)備受關(guān)注.影響顆粒污泥形成的因素很多，其中，研究者們較一致地認(rèn)為顆粒污泥的形成與胞外聚合物(ExtracellularPolymeric Substances ， EPS)的產(chǎn)生有關(guān).胞外聚合物是微生物在一定環(huán)境條件下分泌于胞 外的復(fù)雜非均相高分子聚合物，是菌膠團(tuán)、顆粒污泥和生物膜的重要組分，是維持污泥三維空間的重要骨架.目前，人們對(duì)好氧顆粒污泥中EPS的成分、提取方法、性能、影響因素等方面均進(jìn)行了相關(guān)的研究，但好氧顆粒污泥形成過(guò)程

2、中EPS的變化和作用機(jī)制仍然有待進(jìn)一步明晰.因此，本研究通過(guò)建立一個(gè)SBR虧水處理系統(tǒng)，分別進(jìn)行普通活性污泥和好氧顆粒污泥培育，探索污泥顆?；^(guò)程中EPS的動(dòng)態(tài)變化、組分及在污泥中的空間分布.2試驗(yàn)方法與材料2.1原水配制與接種污泥反應(yīng)器試驗(yàn)用水采用人工配制污水，主要成分有CH3COONaNH4CI、KH2PO4 FeSO4MgSO4 CaCl2 和微量元素.進(jìn)水 COD為 600800 mg L-1，氨氮為 5060 mg L-1，總 磷為9 mg L-1左右.試驗(yàn)接種的污泥來(lái)源于浙江省杭州市一座城鎮(zhèn)污水處理廠二沉池.2.2試驗(yàn)裝置及運(yùn)行方式反應(yīng)器高100 cm,直徑10 cm,有效容積為4

3、 L ,由頂部進(jìn)水，每周期出水2 L ,系統(tǒng)采用時(shí)間控制器進(jìn)行控制，周期均為4 h.本試驗(yàn)根據(jù)不同運(yùn)行工況可分為3個(gè)階段：第1階段(028 d)，進(jìn)水10 min，曝氣3 h，沉淀40 min，出水和閑置10 min;第2階段(2846 d),沉淀時(shí)間由40 min縮短為10 min;第3階段(4672 d),沉淀時(shí)間由10 min縮短為3 min. 培養(yǎng)溫度為室溫.分別在第24、33和72 d對(duì)反應(yīng)器中混合液進(jìn)行EPS提取和檢測(cè).2.3 EPS的分析方法本研究將總EPS按照組分與細(xì)菌分離難易程度及其空間分布分為3類：溶解性EPS松散結(jié)合型EPS和緊密結(jié)合型EPS.其中，溶解性EPS是指與細(xì)胞

4、薄弱連接或溶解在污泥所處 系統(tǒng)中由細(xì)胞分泌或自溶產(chǎn)生的高分子聚合物；松散結(jié)合型EPS是指位于結(jié)合型EPS外沿，沒(méi)有明顯邊界、松散分散分布的黏性層；緊密結(jié)合型EPS是指位于結(jié)合型 EPS內(nèi)部，與細(xì)胞表面緊密穩(wěn)定結(jié)合的具有特定形狀的黏性層.同時(shí)采用EPS中的兩大組分蛋白質(zhì)和多糖之和來(lái)表征總EPS.污泥預(yù)處理和 EPS提取采用加熱離心法.取泥，泥量為烘干后 120200 mg(如4000 mg L-1可取40 mL);將樣品在4000 r min-1下離心15 min，取上清液檢測(cè)溶解性 EPS(Soluble EPS , S-EPS);之后再將樣品在 4 C、10000 r min-1(Sigma

5、 3218K 型高速 離心機(jī))下離心15 min，取上清液檢測(cè)松散結(jié)合型EPS(Loosely-bound EPS , LB-EPS);重新懸浮在去離子水中，重復(fù)上述離心操作，然后將其置于玻璃勻漿器內(nèi)4 C下勻漿5 min,使 樣品均一化(勻漿的目的是讓聚合物充分暴露，若為顆粒污泥需要搗碎才能盡可能多的提取EPS),加入蒸餾水稀釋到 40 mL攪勻，放入80 C水浴鍋加熱60 min，將樣品在4 C、12000 r min-1下離心30 min，得上清液檢測(cè)緊密結(jié)合型EPS(Tightly-bound EPS , TB-EPS);過(guò)0.22卩m的濾膜，取樣5 mL左右，同時(shí)取100 mL混合液

6、測(cè)定VSS最終采用單位質(zhì)量 污泥所產(chǎn)生的EPS來(lái)表征反應(yīng)器系統(tǒng)中的 EPS濃度.蛋白質(zhì)的測(cè)定采用改良型BCA蛋白質(zhì)測(cè)定測(cè)試盒(上海生工：Modified BCAAssay Kit ,多糖的測(cè)定采用蒽酮硫酸法EPS分布的分析采用激光共聚焦掃描電子顯微鏡(Co nfocal Laser ScanningMicroscopy , CLSM).將從反應(yīng)器中取出的樣品放置于液體的冷凍介質(zhì)(Frozen SectionMedium Neg-50, Richard Allan Scientific)中大約 1520 min，等待冷凍介質(zhì)完全滲入樣品后，將其置于冷凍切片上快速冷凍.樣品污泥可以從赤道橫截面方向

7、被切成不同厚度的薄片，也可完整地使用.本試驗(yàn)使用被熒光染料 Alxea-488(MolecularProbes , Eugene, Oregon,USA)標(biāo)記的稀釋比例為1 : 10的金橙黃色孢盤菌凝集素?zé)晒馊旧珓〢AL-488(Vector ,Bulingame , California , USA對(duì)樣品污泥中EPS成分進(jìn)行染色，該染色劑熒光的發(fā)射波長(zhǎng) 為488 nm.對(duì)于樣品污泥中的細(xì)菌成分，本試驗(yàn)選用稀釋比例為1 : 1000的核酸染料Syto60(Molecular Probes , Euge ne, Oreg on, USA).被該染料染色后的細(xì)菌會(huì)發(fā)射出波長(zhǎng)為633nm的熒光.將染

8、色后的樣品放置于一臺(tái)正置式型號(hào)為TCS SP的共聚焦掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察.EPS和細(xì)菌被染色后的熒光經(jīng)過(guò)激發(fā)后分別在505545 nm和大于650 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)被捕捉和記錄.觀察使用的水鏡光圈為 20 X 0.8 NA掃描方向?yàn)閄YZ方式，掃描圖像儲(chǔ) 存為512 X 512像素圖片.2.4其它參數(shù)的分析方法COD氨氮、MLVSS MLSS SVI依照國(guó)家環(huán)保局水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第4版)進(jìn)行測(cè)定；污泥外觀形態(tài)變化采用Motic公司的DMWB1-223P型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，顆粒污泥強(qiáng)度的測(cè)定采用的測(cè)定方法.3結(jié)果3.1污泥外觀形態(tài)變化利用光學(xué)顯微鏡對(duì)接種污泥和反應(yīng)器內(nèi)的污泥外觀形態(tài)進(jìn)

9、行觀測(cè)和拍照.取運(yùn)行24、33和72 d的污泥分別代表普通活性污泥期(簡(jiǎn)稱“普通污泥”)、顆粒污泥形成初期(簡(jiǎn)稱“顆粒初期”)和顆粒污泥形成穩(wěn)定期(簡(jiǎn)稱“顆粒穩(wěn)定”)3個(gè)階段.其中，普通污泥期是指污泥以絮體形式存在，絮體的大小和形態(tài)由接種期開(kāi)始的明顯變化直至相對(duì)穩(wěn)定，且不具有顆?；厔?shì)的時(shí)期；顆粒污泥初期是指小顆粒初步形成且有不斷增大的趨勢(shì)，但其周圍仍舊存在 較多絮體的時(shí)期；顆粒污泥穩(wěn)定期是指相較顆粒污泥形成初期，污泥顆粒明顯增大、規(guī)則致 密，且顆粒的大小和形態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)期.接種污泥和3個(gè)運(yùn)行工況下典型污泥的外觀形態(tài)變化如圖1所示.可以看出，接種的城鎮(zhèn)污水處理廠污泥主要是以細(xì)小絮體為主的普通

10、活性 污泥;SBR中運(yùn)行24 d的污泥出現(xiàn)了一些大的并質(zhì)輕的菌膠團(tuán)，但大部分為絮體污泥；運(yùn)行28 d后，減少了沉淀時(shí)間，輕質(zhì)絮體污泥容易被洗出，顆粒污泥逐漸形成，第33 d的污泥已基本顆?；?，平均顆粒粒徑為200卩m;46 d后繼續(xù)減少沉淀時(shí)間，顆粒形成更趨于穩(wěn)定，第72 d的顆粒污泥相對(duì)致密，平均粒徑達(dá)到 計(jì)）為98.98%，與之前相關(guān)研究中的數(shù)據(jù)相近335卩m,顆粒污泥的機(jī)械強(qiáng)度（以完整性系數(shù)500 gin500 pin圖1 SBR運(yùn)行過(guò)程中污泥的外觀形態(tài)變化（a.接種污泥；b.普通污泥，第24天;c.顆粒初期,第33天;d.顆粒穩(wěn)定，第72天）3.2污泥濃度和沉降性能變化反應(yīng)器中混合液污

11、泥濃度（MLSS）和污泥容積指數(shù)（SVI）的變化如圖2所示.隨著反應(yīng)器 的運(yùn)行，MLSS逐漸增加.在前期普通活性污泥法運(yùn)行階段，MLSS緩慢增加至6.4 g L-1左右沉淀時(shí)間減少至10 min時(shí)，MLSS呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)；沉淀時(shí)間繼續(xù)降低至 3 min，篩 選出沉降速度慢沉降性能差等不利于出水水質(zhì)的絮體污泥，此時(shí)MLSS有所降低，而后又緩慢上升直至最后基本穩(wěn)定在10 g L-1左右.原接種污泥沉降性能差，SVI為123.2mL g-1 ,之后SVI的曲線一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，直至第 28 d，即沉降時(shí)間為10 min后， SVI迅速下降并漸漸穩(wěn)定在 50 mL g-1附近，進(jìn)一步將沉降時(shí)間縮短后

12、，SVI隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而繼續(xù)降低至 40 mL g-1附近.隨著好氧污泥顆?；倪M(jìn)程，MLSS逐漸升高，SVI60逐漸降低，說(shuō)明了污泥濃度和沉降性能的提高沉淀40 min汎淀10 min沉淀3 min8 7 6 5 47TSSS402()0080604020I l I I I I I I l I 1 t I I I I I I Q4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72污泥培養(yǎng)時(shí)間M圖2好氧污泥顆粒化培養(yǎng)中 MLSS和SVI的變化3.3顆?；昂笪廴疚锶コ龑?duì)比顆粒化前后SBR典型周期中氨氮和 COD勺變化如圖3所示.由圖3可知，顆

13、?；昂蟀?氮去除率均接近100%.隨著氨氮快速降低直至為零，亞硝氮先增加后減少，硝氮逐漸增加， 總氮基本呈現(xiàn)先快速下降后緩慢上升的趨勢(shì).顆粒化前后COD均呈現(xiàn)先快速下降后略有上升再逐漸下降的趨勢(shì)，普通活性污泥的COD去除率為94.05%,好氧顆粒污泥的 COD去除率為97.07%.可以看出，普通活性污泥和顆粒污泥在氨氮和有機(jī)物的去除方面幾乎沒(méi)有區(qū)別.COD勺變化圖3普通污泥和顆粒污泥典型周期中氨氮、亞硝氮、硝氮、總氮和3.4不同類型EPS的變化顆?；^(guò)程中總EPS溶解性EPS松散結(jié)合型EPS和緊密結(jié)合型EPS含量的變化如圖4 所示曝氣末普通污泥、顆粒初期和顆粒穩(wěn)定期污泥中總EPS含量分別為1

14、62.96、226.83和231.15 mg g-1（以VSS計(jì)，下同），這說(shuō)明顆粒污泥總 EPS均比普通污泥高.目前存在 的胞外聚合物假說(shuō)認(rèn)為，胞外聚合物EPS能通過(guò)架橋等作用連接和粘附細(xì)胞，從而形成顆粒污泥.結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果表明，EPS在污泥的絮凝性和顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面都具有重要意義.溶解性EPS在普通污泥中數(shù)量極少， 在顆粒初期污泥中為 67.90 mg g-1，占總EPS的31.48%, 顆粒穩(wěn)定污泥中為 35.32 mg g-1，占總EPS的22.60%，這表明顆粒污泥中溶解性EPS都高于普通污泥，且顆粒形成初期增長(zhǎng)明顯.觀察圖4可以得出顆粒化過(guò)程中存在松散結(jié)合 型EPS但相比總EPS

15、松散結(jié)合型EPS含量較低且變化幅度不大.曝氣初期，顆粒污泥中松 散結(jié)合型EPS均高于普通污泥，隨著曝氣時(shí)間的延長(zhǎng)，有下降的趨勢(shì)，在此過(guò)程中，松散結(jié)合型EPS是否被細(xì)菌利用、降解或轉(zhuǎn)化成其他物質(zhì)還有待更進(jìn)一步的研究.此外，曝氣末普通污泥中緊密結(jié)合型 EPS為161.06 mg g-1，占總EPS的98.83%.顆粒初期污泥中含有 155.42 mg g-1，占總EPS的68.52%，顆粒穩(wěn)定期污泥中為 178.92 mg g-1，占總EPS 的77.40%.不難看出，3類污泥中EPS含量均以緊密結(jié)合型 EPS為主要成分.對(duì)比曝氣起點(diǎn)和 終點(diǎn)緊密結(jié)合型 EPS變化的幅度發(fā)現(xiàn)，普通污泥差值為50.2

16、7 mg g-1，顆粒初期差值縮小為15.84 mg g-1 ,顆粒穩(wěn)定期進(jìn)一步縮小為6.12 mg g-1 ,這說(shuō)明緊密結(jié)合型 EPS含量在顆粒污泥系統(tǒng)中相對(duì)穩(wěn)定，而普通污泥系統(tǒng)中的EPS受沉淀和厭氧期的影響較大，這可能是普通污泥沒(méi)有顆粒污泥更為密實(shí)結(jié)構(gòu)的原因柱I:普通污泥 匚二I溶解性柱2：顆粒初期柱3：顆粒穩(wěn)定松散結(jié)合型匚二緊密結(jié)合型o o o O0 5 0 52 1 心命=|如 sdUJ3060曝氣時(shí)間/min180圖4顆?；^(guò)程中總 EPS溶解性EPS松散結(jié)合型EPS和緊密結(jié)合型EPS含量的變化3.5 EPS中蛋白質(zhì)和多糖的變化顆?；^(guò)程中蛋白質(zhì)和多糖含量的變化如圖5所示.普通污泥和

17、顆粒污泥中蛋白質(zhì)含量均高于多糖，是污泥 EPS中的主要成分對(duì)比曝氣周期終點(diǎn)，普通污泥中蛋白質(zhì)為152.24mg -g-1（以VSS計(jì)，下同），占總EPS的93.42%,顆粒初期污泥中蛋白質(zhì)為214.37 mg g-1 ,占總EPS的94.51%，顆粒穩(wěn)定期污泥中蛋白質(zhì)為215.76 mg g-1，占總EPS的93.34%.這說(shuō)明顆粒形成初期蛋白質(zhì)含量有明顯上升，而顆粒初期和顆粒穩(wěn)定期污泥中蛋白質(zhì)含量相差不多，較為穩(wěn)定.觀察一個(gè)典型周期中蛋白質(zhì)和多糖的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，除了顆粒穩(wěn)定 污泥30 min處蛋白質(zhì)含量的特例外，蛋白質(zhì)和多糖的變化趨勢(shì)都是先降低后上升，這個(gè)特 例的具體成因還有待進(jìn)一步的研

18、究分析.蛋白質(zhì)和多糖在顆粒污泥中的含量都分別高于普通污泥中兩者的含量.同時(shí)隨著污泥的顆?；枯^少的多糖一直呈增長(zhǎng)的趨勢(shì).這 是因?yàn)榘舛嗵潜旧頌楦叻肿诱承晕镔|(zhì)，可以作為細(xì)胞間連接和粘附的基質(zhì)，促進(jìn)微生物聚集形成并穩(wěn)定顆粒的三維立體結(jié)構(gòu).研究發(fā)現(xiàn)，顆粒污泥形成過(guò)程中多糖含量會(huì)隨著剪切力的增加 而急劇增加，認(rèn)為 EPS中多糖對(duì)顆粒污泥形成起著重要的粘結(jié)作用.且有研究表明，蛋白質(zhì)比多糖更易與金屬離子通過(guò)靜電作用而鍵合，從而成為影響微生物聚集體形成的關(guān)鍵因素.因此，蛋白質(zhì)和多糖都能促進(jìn)微生物的聚集，有利于顆粒污泥的形成圖5顆?；^(guò)程中蛋白質(zhì)和多糖含量的變化3.6污泥中EPS分布的變化圖6分別為普通污泥時(shí)期絮體污泥、顆粒穩(wěn)定期顆粒污泥表面和顆粒污泥內(nèi)部縱斷面切片的CLSM圖.圖中紅色代表細(xì)菌，綠色代表EPS的分布.從圖可以看出，呈絮體和膠團(tuán)狀的普通污泥，結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，體積微小，EPS和細(xì)菌的分布較為均勻，兩者交織粘接.污泥顆粒體積明顯變大，呈現(xiàn)規(guī)則球形，表面密實(shí)，顆粒表面分布著大量細(xì)菌和EPS其中，細(xì)菌的分布面積大于 EPS.污泥顆粒縱斷面顯示出細(xì)菌主要分布在顆粒的表面，在其內(nèi)部細(xì)菌 數(shù)量明顯減少，主要分布的是EPS.由于顆粒污泥有著比絮體污泥更大的體量和更致密的結(jié)構(gòu)，在顆?；倪^(guò)程中，