CN比对厌氧颗粒污泥生理生化的影响

中国环境科学2012,32(3)：478~484ChinaEnvironmentalScienceC/N比对厌氧颗粒污泥生理生化的影响陈晨1,马邕文1,2*,万金泉1,2,黄明智1,3(1.华南理工大学环境科学与工程学院,广东广州510006；2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州510006；3.华南理工大学化学与化工学院,广东广州510006)摘要：研究了进水的初始C/N对厌氧颗粒污泥发酵类型及产甲烷活性的影响.投加钼酸钠抑制产甲烷菌的一组实验主要研究产酸阶段C/N比对厌氧颗粒污泥的作用,发现初始C/N为12、56、156时,形成的是丁酸型发酵;当初始C/N为200时,可实现乙醇型发酵.不同的C/N比对产酸阶段微生物的胞外聚合物也有一定的影响.随着C/N比的减少,胞外聚合物的总量、胞外多糖以及胞外蛋白质都呈现先增大后减少的趋势,C/N比为56时达到最大值.未加钼酸钠的一组实验研究了C/N比对产甲烷活性的影响,发现C/N比为200时有最高的COD去除率和产甲烷活性;随着C/N比的减小胞外聚合物的总量先减少后增加,厌氧颗粒污泥胞外聚合物在C/N比为200时总量达到最大值.在C/N比为156时胞外蛋白质达到最大值.通过红外光谱发现,C/N比对厌氧颗粒污泥表面基团也有一定的影响,C/N比为200时,出现1350~1260cm-1波段的峰.其他3种C/N比下无该波段的峰.关键词：厌氧颗粒污泥；C/N；发酵类型；产甲烷活性；胞外聚合物中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2012)03-0478-07EffectsofC/Nratioonphysiologicalbiochemicalcharacteristicsofanaerobicgranularsludge.CHENChen1,MAYong-wen1,2*,WANJin-quan1,2,HUANGMing-zhi1,3(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China；2.NationalKeyLaboratoryofGuangzhouofPulpingandPapermakingEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China；3.ChemistryandChemicalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China).ChinaEnvironmentalScience,2012,32(3)：478~484Abstract：Eeffectsofinitialinfluentcarbon-nitrogenratioonfermentativetypesandmethanogenicactivityofanaerobicgranularsludgewerestudiedusingthegroupofexperimentwhichaddingmolybdatetorestraintheactivityofmethanogenstostudytheeffectofC/Nratioonanaerobicgranularsludgeduringtheacidificationperiod,whentheinitialC/Nratiowas12,56,156,thetypeoffermentationwasbutyricacidtypefermentationandwhentheinitialC/Nratiowas200,formingethanoltypefermentation.DifferentC/NratiohadinfluenceonEPSofanaerobicgranularsludgeduringacidificationperiod.WiththeC/Nratiodecreased,thetotalamountofEPS,extracellularpolysaccharideandextracellularproteinshadshownadecreasingtrendafterthefirstincrease,reachingmaximumwhenC/Nratiowas56.Usingthegroupofexperimentwhichdidnotaddmolybdatetostudytheeffectofmethanogenicactivityofanaerobicgranularsludge,ithadthehighestCODremovalefficiencyandmethanogenicactivitywhenC/Nratiowas200.WiththeC/Nratiodecreased,thetotalamountofEPShadshownaincreasingtrendafterthefirstdecrease.ThetotalamountofEPSreachedmaximumwhenC/Nratiowas200andtheextracellularproteinsreachedmaximumwhenC/Nratiowas156.TheanalysisoffunctionalgroupofsurfaceofanaerobicgranularsludgewithFouriertransforminfrareddspectrometryshowedwhenC/Nratiowas200,therewas1350~1260bandpeak.TheotherthreeC/Nratiohadno1350~1260bandpeaks.Keywords：anaerobicgranularsludge；C/N；fermentativetypes；methanogenicactivity；extracellularpolymericsubstance(EPS)上流式厌氧反应器处理废水以及资源化效果与厌氧颗粒污泥活性有直接的关系[1-3].我国厌氧处理工艺开发的水平和国外仍然存在一定的差距[4-7].不同的培养条件对厌氧颗粒污泥的生理生收稿日期：2011-05-26基金项目：广东省节能减排重大专项(2008A080800003);广东省自然科学基金(S2011040000389);中央高校基本科研业务费专项资金资助(2011ZM0049)*责任作者,教授,[e-mail]3期陈晨等：C/N比对厌氧颗粒污泥生理生化的影响479化特性有着显著的影响,而厌氧颗粒污泥的生理生化直接影响厌氧处理效果.厌氧反应器处理效果好主要体现在2个方面,一是反应器内无酸化现象,即无丙酸,丁酸等积累.二是反应器内厌氧颗粒污泥产甲烷活性高,出水COD低.产酸阶段包括不同的发酵类型——乙醇型发酵、丁酸型发酵、丙酸型发酵和混合酸型发酵[8],由于乙醇相对于丙酸、丁酸最易转化成乙酸,有利于产甲烷菌生长,提高产甲烷活性,同时又是中性物质,能避免反应器酸化,因此乙醇型发酵是最佳的产酸发酵类型.研究表明,C/N比可以影响发酵类型的改变[16],且C/N比是比较容易控制的生态因子.因此本文研究通过控制进水初始C/N比的大小,来研究厌氧颗粒泥污在不同C/N下的生理生化的变化,特别是产酸阶段发酵产物的种类和组分,从而找到最适C/N比,避免反应器酸化和提高产甲烷量,更大可能实现废水处理资源化.1材料与方法1.1实验装置与运行方法取8支250mL的厌氧反应瓶(带塞的锥形瓶),每只厌氧反应瓶中投加100mLIC厌氧反应器(稳定运行)内的厌氧颗粒污泥做间歇实验,8支厌氧反应瓶分为2组,每组4个,每组进水除了C/N比不同,其他的主要元素,如钾,磷等,以及微量元素均相同.其中一组,4个厌氧反应瓶内加入以上元素外,进水另外投加钼酸钠溶液,使厌氧反应瓶内钼酸钠浓度为2mmol/L,用于抑制产甲烷菌[9],观察水解产酸菌在不同C/N比下的生理生化特性,称Ⅰ组,未加钼酸钠溶液的一组则用于不同进水C/N比下产甲烷活性的研究,称Ⅱ组.8支厌氧反应瓶均密封后置于30℃恒温摇床中进行实验,实验运行方式:瞬间进水-反应(8h)-出水(在厌氧操作箱里人工倒出)-静置,这4个进程共用24h.1.2进水水质Ⅰ组和Ⅱ组进水按表1进行配制,8只厌氧反应瓶进水130mL,主要元素在120mL水中配制成表1中的浓度,微量元素每组加入10mL.不同的C/N比通过葡萄糖和氯化铵配制,保持120mL水中加入0.3g葡萄糖(COD约为2500mg/L),分别称取氯化铵0.038、0.008、0.003、0.002g配制C/N质量比为12、56、156、200.表1人工进水成份Table1Characteristicsofsyntheticinfluent主要元素浓度(mg/L)微量元素母液浓度(g/L)KH2PO445FeSO4·7H2O1.12NH4Cl60MnCl2·4H2O0.20CaCl24NiCl2·6H2O0.02MgSO48(NH4)6Mo2O243.60NaHCO32000CoCl2·6H2O0.80酵母膏80ZnCl20.02钼酸钠0.437CuSO4·5H2O0.018H3BO30.02乙二胺四乙酸0.401.3分析方法COD采用COD消解仪(型号XJ-III,厂家西化仪(北京)科技有限公司)测定;胞外聚合物采用稀硫酸法提取[10],分别采用苯酚-硫酸法和考马斯亮蓝法测定胞外聚合物中多糖和蛋白质[11];SS和VSS采用重量法测定;pH值采用pH计测定(型号PHS-3C,厂家深圳市卡迪亚科技有限公司);污泥的最大比产甲烷活性表示厌氧颗粒污泥活性,采用排水法测定;VFA的组分与种类采用采用安捷伦Angilent6890N气相色谱仪测定[12-13],样品15000r/min离心10min,上清液甲酸酸化至pH2,取上清液微滤,进样分析,色谱柱DB2WAX,FID检测器,进样口温度200,℃检测器250,℃柱温初始温度60℃保持2min,程序升温10/min,℃升温至180℃保持2min;颗粒污泥表面特征采用扫描电镜分析[14-15],扫描电镜样品制备方法:厌氧颗粒污泥,用2.5%磷酸缓冲戊二醛固定液在4℃黑暗中固定24h,然后用30%、50%、70%、80%、90%和100%乙醇依次脱水10min后自然干燥、镀金观察;颗粒污泥表面基团采用NEXUS670型傅立叶变换红外光谱仪分析.2结果与讨论2.1Ⅰ组C/N比对厌氧颗粒污泥的影响2.1.1Ⅰ组不同C/N比下出水COD的变化情况由图1可以看出,加入钼酸钠抑制剂的厌氧480中国环境科学32卷反应瓶内的COD去除率比较低,厌氧反应瓶运行20d,在第8d达到稳定,稳定后,C/N比为200,156,56,12时COD去除率分别为为19%~27%,25%~34%,24%~29%,23%~28%.0500100015002000250011-2511-2611.2711-2911-3012-0112-0212-0312-0412-07C/N=200C/N=156C/N=56C/N=12日期COD浓度(mg/L)图1Ⅰ组不同C/N比与COD去除的关系Fig.1TherealationshipbetweendifferentC/NratioandremovalofinfluentCODingroupⅠ表2Ⅰ组不同C/N比下产酸阶段VFA的变化情况(%)Table2ThechangesofthevolatilefattyacidduringacidificationperiodunderdifferentofC/NratioingroupⅠ(%)C/N乙醇乙酸丙酸正丁酸异丁酸正戊酸异戊酸2001980n.d.n.d.1n.d.n.d.1