溶解性微生物产物(SMP)

溶解性微生物产物（SMP）摘要：溶解性微生物产物（SMP）是污水生物处理中有机物质的主要成分，它的存在决定了系统对有机物的最大去除效率，直接关系着出水能否达到排放标准。本文对SMP的定义、来源、成分、其形成的生化原因进行了综述，并对其对水质的影响以及人工净化方法给出了说明。关键词：溶解性微生物产物(SMP)；生化原因；影响因素；人工净化1引言随着经济和社会的快速发展，水污染日趋严重和水资源严重短缺，逐渐受到人们的重视，能否进一步削减污水处理厂尾水中的有机物，减缓水体污染显得尤为重要。生物处理技术是目前重要的废水处理手段之一。废水生物处理体系的出水中含有大量的溶解性有机化合物，包括残留的存在于进水中的可生物降解和难生物降解的底物、中间产物和最终产物，还有它们缩合反应产生的复杂的有机物以及溶解性微生物产物（Solublemicrobialproducts,SMP）。SMP的存在使得出水COD无法进一步削减，且由于SMP存在毒性，易引发膜污染以及产生消毒副产物等问题，对SMP的处理不仅关系到污水排放是否能达标，也影响着污水排放后的环境卫生和人类健康。目前，对SMP的控制主要分为源头控制和末端控制。2SMP的定义及分类溶解性微生物产物是微生物在降解环境中可以利用基质、进行内源呼吸或者应对环境压力的过程中产生的溶解性有机物，其能够在不破坏菌体细胞的情况下与微生物相分离，且离开该物质微生物细胞仍能存活（Duncan，1999；Laspidou,2002）。SMP根据其产生的途径可以分为两种类型：与基质降解相关联的微生物产物（UAP）和与微生物内源呼吸相关联的微生物产物（BAP）。UAP产生于微生物利用基质产生能量，进行自身生长繁殖过程中，其产生速率与环境中基质降解速率和微生物细胞生长速率相关。这类微生物产物大部分可以被生物降解，但是降解速度较慢，需要与微生物接触足够长的时间后才能继续被细胞同化或者降解。BAP是微生物在内源呼吸过程中或者受到外界环境刺激的情况下（例如环境温度突变，毒性物质的刺激等）伴随失活细胞的破裂而释放出的有机物质。与UAP相比，BAP的可生化性较差（Laspidou，2001；多金环，2004），其最大生物降解速率为UAP的几十分之一。另外，微生物为了维持细胞内外浓度的平衡也会释放出一些有机物质，例如胞外酶等，但是这种物质的浓度相对较低。3SMP的来源（1）微生物在正常的生长代谢活动中分泌SMP，主要是胞外聚合酶等。（2）微生物与环境相互作用而产生SMP（环境变化如温度变动、渗透压冲击、有毒物质的加入等），主要有以下几种情况：胞外浓度过低时，通过分泌SMP增加胞外有机物浓度维持渗透压平衡；外界营养物质缺乏时，微生物分泌SMP以内源呼吸的方式获得能量；当某种必需的营养物质很低的浓度存在于基质中时，微生物分泌SMP以捕食这些营养物质（由于SMP具有螯合金属等性质，可以帮助菌体更易获得营养物质）。（3）菌群死亡解体后形成SMP。菌群的死亡可能是由于营养物质的缺乏，也可能是由于向饥饿的菌群中突然加入碳源和能源使菌群无法适应从而加速其死亡（周君薇等，2011）。4SMP的组成在传统生物处理废水的出水中，残存着一些可溶有机成分，这些有机成分包括没有消耗完的底物和处理过程中产生的SMP。很多情况下，SMP都是出水中的主要有机成分；在厌氧出水中，SMP(换算成COD)甚至可以占总出水COD的82%~100%（方卫等，2006）。SMP的组成非常复杂，包括腐殖质、富里酸、多糖、蛋白质、有机酸、核酸、氨基酸、类固醇、胞外酶、抗生素、硫醇、细胞的骨架成分以及能量代谢产物等多种物质，在厌氧过程中所产生的SMP还有烯烃和烷烃及芳香烃成分，但其中腐殖质、多糖和蛋白质这三种成分在各种情况下均普遍存在(多金环，2004；刘锐，2002)。5SMP产生的生化原因及影响因素有人归纳了生物处理废水的过程中SMP的产生主要有七种途径：（1）正常生长和代谢；（2）维持浓度平衡；（3）饥饿刺激；（4）环境中基质匮乏；（6）底物刺激；（5）基质加速死亡；（7）缓解环境微生物在正常生长和代谢情况下产生。根据SMP的形成过程，正常情况下，微生物首先利用原始基质作为碳源和能源用于生成新的细胞物质，并在此过程中释放UAP。由于UAP也可生物降解，因此当其达到一定量或者原始基质被完全消耗后，微生物还可利用UAP作为碳源及能源物质继续维持其生长，在此过程中也产生SMP。当所有可利用的基质（原始基质和UAP）均被耗尽，微生物进入内源呼吸期，此时微生物先利用已经储存的营养，之后通过牺牲部分细胞来维持生存，产生BAP。此时，细胞数量基本保持不变。当无法继续维持时，部分细胞就会出现衰亡破裂现象，溶出的胞内物质会被其他细胞加以利用以维持生存。此外，微生物在与环境相互作用过程中也会释放SMP。SMP的形成是一个非常复杂的过程，受很多因素的影响，而主要是底物浓度、有毒外源物、温度以及污泥停留时间长短会影响SMP的生成（余萍等，2006）。1、底物浓度、性质对SMP产生的影响。一般研究者认为，微生物生长过程中存在一个最适合的底物浓度，在这个最适底物浓度下产生的SMP最少，而当高于或低于这个底物浓度时候，微生物都会产生更多的SMP。不同的底物往往会对微生物的优势种群产生影响，从而导致不同的细菌浓度，产生不同的中间产物及终产物，使SMP的浓度及性质产生不同。2、污泥停留时间长短对SMP的影响长的污泥龄能促使大分子SMP的降解，从而使SMP的分子量由大到小转变。3、有毒外源物对SMP的影响有毒金属离子的存在，会诱导产生更多的SMP。其原因可能是由于SMP具有离子络合作用，更多的SMP产生，有利于降低溶液中有毒离子的浓度，从而降低毒性，使微生物有更适宜的生长条件。4、温度对SMP产生的影响微生物的新陈代谢活动对于温度的变化较为敏感，温度的升高会加快微生物降解底物的速度、加剧自身内源呼吸，引起SMP产生速度和产生量的增加，但是温度的改变同样会影响微生物对SMP的降解速率。苏欣捷等在以葡萄糖和正丁醇为基质的间歇式活性污泥反应器中考察了温度对SMP产出的影响，发现在低温下基质降解过程中COD的最低点要低于高温下的最低点，并且随着温度的升高，SMP的产生速率逐渐加快（苏欣捷，2002）。6SMP对水质的影响6.1消极影响就一般性而言，SMP对水质的影响：微生物在降解污染物的同时会产生大量的SMP，这其中有许多都是不易降解的，有些甚至是难生物降解的。在普通活性污泥工艺中，生物处理出水即是系统处理出水，有机污染物的去除情况和SMP的生成情况直接与系统出水水质相关。因为SMP的存在，会产生颜色，形成泡沫，它对生物处理过程会产生很大影响,会造成出水水质指标偏高。一方面会使生物处理出水的COD和BOD5提高,难以达到排放标准;另一方面会使出水具有毒性。有许多SMP是形成氯化有机物的前驱物,当进行氯化消毒时,SMP可转化为有毒或致癌的氯化物。另外高浓度SMP也会严重影响活性污泥的动力学活性和絮凝、沉淀特性。6.2积极影响就SMP的性质而言，在某些方面，它对水质有着积极影响：1.SMP的生物可降解性SMP是可生物降解的，但是其降解速度很慢。UAP的最大降解速率大概是易降解基质的几十分之一，而BAP的最大降解速率又是UAP的近二十分之一。Barker等（Barker,1999）研究了SMP在好氧及厌氧条件下的降解特性，发现在高分子量的SMP在厌氧条件下降解较好，而低分子量的SMP在好氧条件下降解更完全。研究表明，混合的SMP比单独的更加容易降解，这表明有的SMP会对其他SMP的降解起到促进作用。这样一来可以加快废水的净化，对水质有积极作用。2.SMP的离子螯合性质SMP含有很多的螯合基团，比如羧基、羟基、氨基、巯基等，这些基团能和水中的金属离子螯合（黄光华，2007）。一方面，在水中金属离子浓度很高时，螯合可减轻金属离子的毒性作用，避免微生物的生长受到抑制；而另一方面，在金属离子浓度较低时，螯合作用也会使微生物难于利用这些金属元素（KuoandParkin，1996）。3.也有人报道SMP在有生物膜、UASB、EGSB等反应器的颗粒污泥形成中起着非常重要的作用(张洪杰，2005)。在较低的SMP浓度下，出水水质的波动与反应器中SMP的浓度具有一定的相关性，但膜对出水水质的强化作用要大于反应器中SMP浓度对出水水质的影响。SMP能够刺激微生物提高对基质的降解速率，并且其激活作用与SMP浓度呈正相关。反应器中积累的SMP对跨膜压差的上升速率有明显的影响（陈宏宇，2007）。7人工净化方法SMP的存在使得出水COD无法进一步削减，且由于SMP存在毒性，易引发膜污染以及产生消毒副产物等问题，对SMP的处理不仅关系到污水排放是否能达标，也影响着污水排放后的环境卫生和人类健康。目前，对SMP的控制主要分为源头控制和末端控制（周君微等，2011）。源头控制是在SMP的产生过程中通过对系统运行参数如SRT、OLR等的控制使SMP产量最小化。因为不同的生物处理系统都具有各自的最佳污泥龄、水力停留时间，从而存在最佳的污泥负荷，在此条件下，系统产生的SMP可以达到最小值（赵军，2009）。在实际运行过程中，最佳工艺参数的选择应根据进水基质的类型、浓度、进水中有毒物质的浓度和反应器的类型来确定。尽管对系统运行参数的控制可以使SMP的产量减少，但是仍有一部分SMP随出水排出，因此对SMP的末端控制引起了广泛学者的关注。一些研究者尝试一些高级水处理技术去除SMP，如活性炭、合成树脂吸附，臭氧氧化，高级氧化，混凝，折点加氯等(Parkin,1975)。在这些方法中，合成树脂来去除系统出水中的有机物，结果显示这种方法具有一定的除去效果，但是在这种吸附过程中对pH的要求较高，相比之下，粒状活性炭（GranularActivatedCarbon）吸附比较可行且对SMP的去除比较有效(KimBR,1976)。活性炭对SMP的去除主要是通过吸收污泥上清液中的高分子聚合物，并且为微生物生长提供了载体，因而减少了由于絮体的破裂释放的SMP。在MBR系统中加入粉末活性炭不仅可以减少SMP的产生，并且由于活性炭与微生物絮体结合形成稳定且质地紧密的生物活性炭，抑制了颗粒物在膜上的沉积，有效地较低了膜污染的速率（周君微等，2011）。8结语和展望随着人们对废水处理研究的深入，已经不仅仅停留在对处理工艺、运行参数、水质负荷等宏观方面，而是更精细、更深入到对废水处理中的微生物性质及影响微生物活性的因子的层次。SMP也日益引起了广大研究者的重视，然而，对SMP的研究尚处于起始阶段，还有很多不清楚的问题需要解决。1.SMP的离子螯合性质可以降低金属元素的毒性，但是同时也会阻止微生物利用这些必须的元素。关于SMP螯合的作用意义，有些还不很清楚，需要进一步深入研究；2.目前大多数学者对SMP的研究都在好氧反应器中，而厌氧反应器中的SMP的研究还甚少。在目前厌氧反应器的应用越来越广泛的情况下，进一步对厌氧反应器中SMP进行研究很有必要；3.SMP对微生物活性是否抑制作用还存在争议，其对微生物作用的机理尚不清楚；4.SMP的产生受到HRT、SRT、F/M、污泥浓度、温度、有毒物质及底物浓度、类型的影响，如何控制优化这些运行参数，使出水SMP浓度降到最低，从而为工程应用提供有用参考，还需进一步研究。参考文献：KimBR,SnoeyinkVL,SaundersFM.InfluenceofMCRTonadsorption[J].EnvironmentalEngneering,1976,102(1):50-70.DuncanJ.Barker,DavidC.Stuckey.Areviewofsolublemicrobialproducts(SMP)inwastewatertreamtmentsystems[J].WaterResearch,1999,33(14):3063-3082.LaspidouCS,RittmannBE.Aunifiedtheoryforextracellul