含盐量对好氧颗粒污泥形成过程的影响

第２卷　第９期环境工程学报Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．９２００８年９月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｅｐ２００８含盐量对好氧颗粒污泥形成过程的影响李志华　王晓昌　王耀东（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西北水资源与环境生态教育部重点实验室，西安７１００５５）摘　要　研究了不同含盐梯度废水下好氧颗粒污泥的形成过程。在反应器Ｒ１中，其含盐量一直维持１％，其颗粒成中空结构；在Ｒ２、Ｒ３中，其含盐量由１％提高到２．５％时，其颗粒发生膨胀破碎；在Ｒ３中，其含盐量由２．５％提高到５％时，其颗粒由疏松变为密实。另外，溶解氧消耗速率（ＳＯＵＲ）随着含盐量的增加而降低。在含盐量为２．５％时，好氧颗粒污泥的耐盐菌与非耐盐菌均处于不利的生长环境，此时好氧颗粒污泥处于最不稳定的状态，容易发生解体。关键词　含盐量　好氧颗粒污泥　胞外聚合物（ＥＰＳ）　比耗氧速率（ＳＯＵＲ）中图分类号　Ｘ７０５　　文献标识码　Ａ　　文章编号　１６７３９１０８（２００８）０９１２２８０３ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｏｄｉｕｍｃｈｌｏｒｉｄｅｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌｅｓＬｉＺｈｉｈｕａ　ＷａｎｇＸｉａｏｃｈａｎｇ　ＷａｎｇＹａｏｄｏｎｇ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＥｃｏｌｏｇｙ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｎｄＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００５５）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｕｓｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｄｉｕｍｃｈｏｒｉｄｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ．ＧｒａｎｕｌｅｓｉｎＲ１，ｗｈｅｒｅｔｈｅｓａｌｉｎｉｔｙｒｅｍａｉｎｅｄａｔ１％ｅｘｈｉｂｉｔｅｄｔｈｅｉｎｎｅｒｈｏｌｅｓｏｆｇｒａｎｕｌｅｓ．ＩｎＲ２ａｎｄＲ３，ｗｈｅｎｔｈｅｓａｌｉｎｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ１％ｔｏ２．５％，ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｇｒａｎｕｌｅｓｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｎＲ３，ｗｈｅｎｔｈｅｓａｌｉｎｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ２．５％ｔｏ５％，ｔｈｅｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓｔｏｐｐｅｄ，ｔｈｅｇｒａｎｕｌｅｓｂｅｃａｍｅｍｏｒｅｃｏｍｐａｃｔ．Ｔｈｅｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｇｒａｎｕｌｅｓｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｌｉｎｉｔｙｏｆ２．５％ｍａｙｂｅｄｕｅｔｏｔｈｅａｂｏｍｉｎａｂｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｂｏｔｈｆｏｒｈａｌｏｔｏｌｅｒａｎｔａｎｄｎｏｎｈａｌｏｔｏｌｅｒａｎｔｂａｃｔｅｒｉａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｓａｌｉｎｉｔｙ；ａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ；ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｐｏｌｙｍｅｒｉｃｓｕｂｓｔａｎｃｅ（ＥＰＳ）；ＳＯＵＲ基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０７０８０８９）收稿日期：２００７－１１－２６；修订日期：２００８－０３－２９作者简介：李志华（１９７６～），男，工学博士，副教授，主要从事污水生物处理技术研究工作。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]　　好氧颗粒污泥是生物膜形成的一种特例，具有沉降性能好、生物代谢活性高、生物量大和抗冲击负荷能力强等优点［１］。大量研究对颗粒污泥的形成机理进行了探索，但目前仍未形成统一的认识［２］。就操作条件而言，普遍认为在ＳＢＲ反应器中通过短时间的沉淀保留颗粒污泥，排除絮体污泥是形成好氧颗粒污泥的关键［３］。但目前尚不清楚通过改变本体溶液的密度是否可以有效改善颗粒的形成条件，为此本实验通过调整ＮａＣｌ含量的办法，研究了不同含盐量条件下好氧颗粒的形态、比耗氧速率以及胞外多聚物等，旨在探讨不同含盐量条件下好氧颗粒污泥的形成机制。１　实验部分１．１　实验方法实验采用Ｒ１、Ｒ２和Ｒ３完全相同的ＳＢＲ反应器，其有效容积为２Ｌ。反应器底部设１＃玻璃砂芯微孔曝气（规格为Ｇ１，孔径为２０～３０μｍ），由空气泵经气体流量计供气；顶部设有进水水管，由进水泵进水，每周期进水１Ｌ，排水１Ｌ。一个运行周期为进水２ｍｉｎ、曝气１６７ｍｉｎ、沉淀５ｍｉｎ、排水６ｍｉｎ，在２５±１℃下运行。采用乙酸钠和葡萄糖的混合溶液作为有机底物，其化学需氧量为４００ｍｇ／Ｌ，其成分为ＣＨ３ＣＯＯＮａ２５８．３ｍｇ／Ｌ，葡萄糖１７９．５５ｍｇ／Ｌ，ＮＨ４Ｃｌ１８９３９ｍｇ／Ｌ，ＫＨ２ＰＯ４２８５６ｍｇ／Ｌ，ＮａＯＨ８８ｍｇ／Ｌ，ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ８８．５６ｍｇ／Ｌ。ＮａＣｌ含量随培养阶段的不同，作以下调整：自１６～２２ｄ，含盐量均为０．５％；Ｒ１含盐量自２２～１１８ｄ均为１％；Ｒ２含盐量自２２～２９ｄ为１％，自２９～１１８ｄ为２．５％；Ｒ３含盐量自２２～２９ｄ为１％，自２９～６０ｄ为２．５％，自６０～１１８ｄ为５％。１．２　ＥＰＳ的提取和分析本实验中的ＥＰＳ提取采用阳离子交换法与热碱提取法２种方法［４］。用蒽酮分光光度计法测定多糖，用Ｆｏｌｉｎ紫外分光光度法测定蛋白质，其他项目的分析法均采用标准分析方法［５］。第９期李志华等：含盐量对好氧颗粒污泥形成过程的影响１．３　比耗氧速率的测定在２０℃下，取定量曝气结束前混合液于锥形瓶中，并塞上安有哈希ＬＤＯＴＭＨＱ１０便携式溶解氧仪电极探头的橡皮塞，在２０℃恒温水浴条件下测定，待ＤＯ降至１ｍｇ／Ｌ时即停止整个实验，实验时间控制在１０～３０ｍｉｎ以内。２　结果与讨论２．１　含盐量对颗粒形态的影响由图１可观察到颗粒逐渐形成的过程，包裹颗粒周围那一层半透明絮状物质即为胞外多聚物（ＥＰＳ）。培养１９ｄ时，含盐量为０．５％，Ｒ１、Ｒ２和Ｒ３内均形成较密实絮状生物聚合体，胞外多聚物很松散，无规则形状；培养２７ｄ时，含盐量为１％，Ｒ１、Ｒ２和Ｒ３内均发现有类似颗粒状的污泥产生，有较为明显的内核；培养５２ｄ时Ｒ１含盐量为１％，形成分层明显、外形较为规范的颗粒状污泥，Ｒ２和Ｒ３含盐量为２．５％，反应器内污泥已发生膨胀，内部物质减少，结构也开始变得松散，需要注意的是Ｒ２内颗粒已开始发生自溶，Ｒ３内颗粒虽变得蓬松但仍保持颗粒形状；培养１０４ｄＲ１含盐量为１％，颗粒保持球状外形，形成较为致密的外层，但内部发生中空；Ｒ２含盐量仍然维持２．５％，反应器内污泥发生破碎，有大量破碎的不规则形状絮体出现；Ｒ３含盐量为５％，颗粒破碎的趋势不但得到有效抑制，而且污泥颗粒变得更加密实，形状为规则的球状，但颗粒周围有大量的菌丝出现。活性污泥系统中含有非耐盐菌和耐盐菌，在低含盐量条件下，适合非耐盐菌的生长，在高含盐量条件下，适合耐盐菌的生长，而在低盐度到高盐度之间，有一临界盐度值［６］。在临界盐度值附近，非耐盐菌的生长受到极大的抑制，这势必对颗粒的微生物组成有很大影响，进而影响颗粒的形态与结构，而２．５％的含盐量很可能就处于临界盐度值附近［６］。在含盐量为１％的低盐度环境下，好氧颗粒污泥形成以非耐盐菌为主的微生物群落；在含盐量为５％的高含盐量环境下，好氧颗粒污泥形成以耐盐菌为主的微生物群落。在低盐度下好氧颗粒污泥表面以异养细菌为主，生长速率较快，对溶解氧的扩散及传递产生限制，使得内外微生物生长速度并不均匀，造成内部中空。而高盐量下表面异养细菌的生长受到抑制，颗粒表面微生物成长变慢，从而有富余的溶解氧和基质向颗粒内部传递，协调了颗粒内外微生物的生长，形成了内外较为均匀的密实结构；在高、低含盐量下微生物都能形成较为稳定的菌群结构，而在含盐量为２．５％的条件下，２种菌处于竞争状态，这时，非耐盐菌的生长受到抑制，耐盐菌的生长也未达到最佳，因此，颗粒极易发生膨胀并在后期发生破碎解体。图１　不同含盐条件下好氧颗粒污泥形态观察Ｆｉｇ．１　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｄｉｕｍｃｈｌｏｒｉｄｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ２．２　含盐量对比耗氧速率的影响由图２可知，随着培养阶段的不同，在不同含盐条件下的好氧颗粒污泥微生物的比耗氧速率变化趋势较为一致，均是在接种第４ｄ达到最高后降至最低，然后在第６８ｄ左右又重新达到最大，然后再降低。颗粒成熟期的比耗氧速率值随含盐量增大减少。在接种初期，由于丰富的营养和供氧条件，颗粒的活性最强，微生物以好氧细菌为主，对氧的需求量大，但随着培养的进行，溶解氧及基质浓度周期性的增减，使得适应间歇式进水且基质储存功能较强的菌种被留在反应器中，而需氧量大、基质储存能力弱的微生物被淘汰，故比耗氧速率总体发生下降。但在培养后期出现耗氧速率增大的情况可能是由于颗粒污泥经驯化后不适合的微生物被淘汰，而适合这种生长条件的微生物由于竞争对象的减少，大量增长引起耗氧量的增加所致［３］。同时由实验可观察到，含盐量与微生物的呼吸作用也存在着一定的反比关系，虽然需氧量均发生了增长，但增长的幅度是不同的，对于不同含盐量培养出来的成熟颗粒污泥，随着含盐量的增大，颗粒微生物的比耗氧速率呈现为依次降低，即含盐量越大，对氧的摄取率越弱，这可能与组成颗粒微生物的活性及生长速率相关［７］。图２　不同含盐条件下比耗氧速率的变化Ｆｉｇ．２　ＳＯＵＲｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｄｉｕｍｃｈｌｏｒｉｄｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ９２２１环境工程学报第２卷２．３　含盐量对胞外多聚物含量的影响２．３．１　含盐量对胞外蛋白及多糖含量的影响由图３和图４为采用离子交换法提出的胞外多聚物的情况。可以看出，成熟的颗粒污泥在低含盐量的情况下，胞外蛋白的含量发生了增长，而在中、高含盐量情况下，却发生了降低；而胞外多糖的含量均随着含盐量的增加均降低，研究表明，在低含盐量的情况下，胞外蛋白的增长使颗粒表面负电荷降低，形成稳定的颗粒；在中含盐量情况下，胞外蛋白降低使颗粒的稳定性变差，而胞外多糖的减低又使颗粒的强度变弱［８］，因此发生了破碎解体。但在高含盐量情况下，虽然前期也存在着和中含盐量相似的情况，但含盐量提高后耐盐菌占据了优势地位，可能形成了一种特殊的以丝状耐盐菌为主的稳定结构。图３　在不同含盐条件下胞外多糖的含量变化Ｆｉｇ．３　Ｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅｖａｒｉａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｄｉｕｍｃｈｌｏｒｉｄｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ图４　在不同含盐条件下胞外蛋白的含量变化Ｆｉｇ．４　Ｐｒｏｔｅｉｎｖａｒｉａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｄｉｕｍｃｈｌｏｒｉｄｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ２．３．２　含盐量对胞外蛋白及多糖比值的影响实验分别采用阳离子交换树脂法与热碱法对成熟期颗粒的胞外蛋白和糖进行提取，由图５可知，不同含盐量下培养出来的成熟颗粒胞外蛋白与糖的比值相差不大，基本趋势为Ｒ３＞Ｒ１＞Ｒ２，但在疏松与紧密部分蛋白与糖的比例分布上有很大区别，疏松部分胞外蛋白比糖为Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３，相差很小，紧密部分胞外蛋白与糖的比值为Ｒ３＞Ｒ１＞Ｒ２，相差较大，根据有关文献，可知较高的含盐量通过影响胞外多聚物中紧密部分胞外蛋白与糖的比例，影响紧密部分的疏水性，易形成较为紧密的颗粒结构［９］。图５　成熟期胞外蛋白及多糖的比值变化Ｆｉｇ．５　ＰＮ／ＰＳｖａｒｉａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｍａｔｕｒｅｐｅｒｉｏｄ３　结　论通过以上分析讨论，本研究结论如下：（１）低含盐量条件下，好氧颗粒污泥的组成微生物以非耐盐菌为主，随颗粒化的进行，传质阻力变大，形成外部密实，内部形成中空的结构。（２）高含盐量条件下，好氧颗粒污泥中以耐盐菌为主，随颗粒的形成，颗粒的密实程度增大，胞外多聚物紧密部分疏水性变强，形成以丝状耐盐菌为骨架的稳定结构。（３）在临界盐度值附近，组成好氧颗粒污泥的２种微生物菌群共存但均处于不利的生长环境，此时好氧颗粒污泥处于最不稳定的状态，随颗粒化的进行，比好氧速率降至最低，污泥发生膨胀并破碎，较难形成稳定的