好氧颗粒污泥是一种特殊的生物膜结构, 通过细胞间的自固定而逐渐颗粒化, 形成球形或椭球形的结构^{[1, 2]}.与传统的活性污泥相比, 它具有良好的沉降性能、紧密的内部结构、耐冲击负荷和抗毒性等优点^{[3, 4]}.因此, 好氧颗粒污泥技术在废水处理中具有广泛应用前景^[5].

溶解性微生物代谢产物(SMP)是微生物在生长代谢和衰亡过程中分泌出来的一种可溶于水的有机物^[6], 其组成成分的相对分子质量分布较为广泛且呈双峰分布^[7].有研究表明生物反应器中产生的SMP多以蛋白质、多糖、腐殖酸和富里酸为主要成分, 且SMP通常是构成污水生物处理系统出水COD的主要组成部分^{[8, 9]}, 因此, 减少SMP的产生对污水生物处理出水达标排放和提高有机物去除效率具有重要的意义^{[10, 11]}.然而, 到目前为止, 大部分研究者都致力于活性污泥系统和膜生物反应器(MBR)出水SMP的研究, Xie等^[11]通过批实验和建模方法研究了活性污泥处理实际废水中SMP的产生情况, Liang等^[12]研究了SMP在MBR中不同污泥停留时间(SRTs)的特征以及对膜的污染状况.而目前关于好氧颗粒污泥系统出水SMP的产生以及特征的研究很少, 仅有Li等^[13]研究了2, 6-二氯酚对好氧颗粒污泥系统中SMP和EPS的影响.

因此, 本文主要研究好氧颗粒污泥系统出水SMP的形成、产生机制、相对分子质量分布以及主要组成物质, 以期为好氧颗粒污泥系统出水SMP的控制和去除提供思路.

1 材料与方法 1.1 反应器的建立与运行 1.1.1 实验装置

实验装置采用序批式反应器(SBR), 高100 cm, 内径6 cm, 总容积2.8 L, 有效容积2 L.在反应器的底部正中央安装有一个微孔曝气头, 排水口设置在反应器高30 cm处, 反应装置示意见图 1.

反应器运行的每个周期分为:进水、厌氧、曝气、静置沉降、排水5个阶段, 每个阶段的运行和衔接由时间继电器控制, 各阶段的运行时间见表 1, 其中曝气阶段的空气流速为3 L ·min^-1.

1.1.2 接种污泥

接种污泥取自天津某污水处理厂, 其接种污泥的特征见表 2.

1.1.3 进水水质

反应器进水采用人工配水, 以乙酸钠为唯一碳源, 以氯化铵为氮源, 磷酸二氢钾为磷源, 投加碳酸氢钠将反应器pH维持在7.8~8.4, 同时投加适量微量元素^[14].人工模拟废水的组分详见表 3.

1.2 SMP的测量和相对分子质量分布

样品首先在12 000 r ·min^-1离心15 min, 然后上清液过0.45 μm滤膜得到SMP, SMP的含量以COD值进行表征.采用超滤膜法对SMP的相对分子质量分布进行测定, 即滤液分别过3×10³、10×10³、50×10³和100×10³的超滤管(Bedford, MA, USA).分别收集每个超滤管的滤液, 测定量COD和乙酸钠的浓度, 其相对应的相对分子质量分布区间用差减法求得^{[15, 16]}.根据Aquino等^[17]的研究, 可以通过以下公式来计算SMP的浓度.

SMP=COD-1.07×(乙酸钠)

1.3 分析方法

MLSS、MLVSS、SVI₃₀、NH₄⁺-N和COD均采用标准方法.EPS采用加热法提取, 预处理后的20 mL颗粒污泥混合液在80水浴加热60 min后, 在4℃ 12 000 r ·min^-1条件下离心20 min, 上清液通过0.22 μm滤膜, 滤液即为EPS提取液^[18], 以测量COD的浓度来表征.采用SDPTOP CX40光学显微镜和配套的CANON数码相机对颗粒污泥的形态和粒径进行采集, 乙酸钠的浓度采用高效液相色谱法(HPLC)测定, 具体色谱分离条件如下.色谱柱:Agilent C18柱, 4.6 mm×250 mm, 5 μm; 流动相:水(用磷酸调pH至2.10);流速:1 mL ·min^-1; 进样量:20 μL; 波长:210 nm.

1.4 三维荧光

采用三维荧光光谱对出水SMP进行分析.样品采用Hitachi公司的F-7000荧光分光光度计扫描.激发波长设置为200~400 nm, 间隔为5 nm, 发射波长设置为200~550 nm, 间隔为5 nm.激发光和发射光的狭缝均为10 nm, 扫描速度为1200 nm ·min^-1.

1.5 气质联用分析(GC-MS)

为了获得SMP的准确组成物质, 采用气质联用(GC-MS)对出水SMP进行分析.首先采用液液萃取方法预处理制备样品, 分别在中性、酸性和碱性条件下各萃取两次, 然后将萃取样品混合, 通过无水硫酸钠脱水至5 mL, 采用高纯氮气将溶液吹至0.5 mL, 于4℃的条件下保存待测.GC-MS分析条件:7890B-5977A GC-MS分析仪(美国Agilent), HP-5MS石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm).升温程序如下:初始柱温30℃, 保持3 min, 8℃ ·min^-1升温至280℃, 保持25 min.进样口温度280℃, 进样量2 μL, 不分流进样模式, 载气高纯氦气He, 流量1.0 mL ·min^-1, 容积延迟时间2.5 min.质谱标准库为NIST11.L(National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA, http://www.nist.gov/srd/mslist.htm).

2 结果与讨论 2.1 好氧颗粒污泥的形成

在颗粒污泥形成过程中, 用光学显微镜对颗粒污泥的形态进行观察, 其变化如图 2所示.随着培养时间的增长, 分散的絮状污泥逐渐生长为不规则的小颗粒, 最终在90 d形成边界清晰的深褐色成熟好氧颗粒污泥.

好氧颗粒污泥培养过程反应器中颗粒变化特征见表 4, 随着沉降时间从20 min降低到3 min, 反应器中的MLSS从接种的6.6 g ·L^-1降低到4.5 g ·L^-1, 随着反应器中污泥的颗粒化, MLSS开始呈现上升趋势.运行到90 d, 反应器中的好氧颗粒污泥基本趋于成熟, 颗粒粒径达到0.92 mm左右, 此时反应器中的污泥浓度在10.7 g ·L^-1.

2.2 碳源的降解和SMP的产生

由图 3可知, 在反应器运行过程中, 出水COD和NH₄-N的去除率分别达到86%和99%.出水COD浓度维持在78~90 mg ·L^-1, 其中SMP的浓度维持在71~85 mg ·L^-1.可见SMP是构成反应器出水COD的主要组分.

为了研究好氧颗粒污泥系统中SMP的产生机制, 考察了污泥完全颗粒化后反应器一个周期中乙酸钠、EPS、COD和SMP的变化情况, 最终得到图 4结果.随着乙酸钠的降解, 反应器中的SMP浓度呈现不断上升的趋势, 当乙酸钠消耗殆尽, SMP呈现缓慢增长.在周期运行初期, 底物基质充足, 这一阶段SMP的产生源于微生物对底物基质的新陈代谢过程.而在周期运行后期, 底物基质的浓度很低, 微生物进入内源呼吸阶段, 这一阶段反应器中的SMP主要来源于细胞的水解和微生物的衰亡.同时注意到, 周期运行后期EPS的含量呈现下降趋势, 这说明了内源呼吸过程加速了EPS的水解, 使其从微生物表面释放至溶液中形成SMP的一部分^{[19, 20]}.Ni等^[21]的研究表明细胞可以利用底物基质中的部分电子产生新的生物量, 同时利用其他基质电子产生bound EPS和基质利用相关型产物(UAP), 其中bound EPS可以在微生物处于衰亡期时水解形成生物生长相关性产物(BAP).这进一步证明反应器中SMP的产生与微生物对基质的利用, 微生物衰亡和EPS的水解有关.另外, 反应器中COD浓度在90 min降低到最低点(42 mg ·L^-1), 随后又呈现持续上升的趋势, 反应后期COD浓度的上升可能是由EPS的水解和SMP的积累所引起.

2.3 SMP的相对分子质量分布

为了进一步考察好氧颗粒污泥系统出水SMP的特征, 分析测定反应器运行40 d和100 d的出水SMP相对分子质量分布, 结果如图 5所示.SMP具有广泛的相对分子质量分布范围, 相对分子质量小于3×10³是SMP的主要组成部分, 所占质量分数为54.8%~71.7%, 而相对分子质量大于100×10³占总SMP的9.3%~14.5%.另外, SMP在3×10³~10×10³和10×10³~50×10³两个范围分别占6.5%~8.6%和8.6%~17.2%.而中间相对分子质量物质(50×10³~100×10³)是SMP中最小的组成部分, 仅占总SMP的3.7%~5.0%.这与Liang等^[12]研究MBR反应器出水SMP的相对分子质量分布结果相似.

另一方面, 反应器运行40 d和100 d出水SMP的相对分子质量分布特征很相似, 但是各个相对分子质量范围的相对浓度和所占比例是有区别的.与40 d相比, 100 d出水SMP中相对分子质量小于3×10³的组分从52.8 mg ·L^-1增加到66.7 mg ·L^-1.而SMP中相对分子质量分布范围为>100×10³、50×10³~100×10³、10×10³~50×10³和3×10³~10×10³的组分浓度分别从13.9 mg ·L^-1降低到8.7 mg ·L^-1, 4.8 mg ·L^-1降低到3.5 mg ·L^-1, 16.5 mg ·L^-1降低到8.0 mg ·L^-1和8.3 mg ·L^-1降低到6.1 mg ·L^-1.很明显, 反应器从40 d运行到100 d, 出水中的一些大分子的SMP转化为小分子SMP, 这可能与反应器的SRT增加有关.由表 4可知, 从40 d到100 d的运行, 反应器中污泥浓度在不断增加, SRT也从10 d增长到21 d.有研究表明在较长SRT下积累的微生物可以将反应器中积累的大分子SMP降解为小分子SMP^{[22, 23]}, 这进一步解释了本实验结果.

2.4 SMP的三维荧光光谱分析

为了进一步确定SMP的主要组成成分, 采用三维荧光光谱对反应器40 d和100 d出水SMP进行分析测定.结果如图 6和表 5, 可以看到40 d和100 d出水SMP主要有4个峰, 分别是Peak A:E_x/E_m=230/340~345 nm, Peak B:E_x/E_m=270~280/340~350 nm, Peak C:E_x/E_m=340~345/420~425 nm和Peak D:E_x/E_m=245/380~395 nm.根据Chen等^[24]对三维荧光光谱划分, 这4个峰分别属于类芳香蛋白质(Peak A)、类色氨酸蛋白质(Peak B)、类腐殖酸物质(Peak C)和类富里酸物质(Peak D).尽管40 d和100 d出水SMP的三维荧光光谱图的4个峰的位置相似, 但是各个峰的强度是有区别的.反应器从40 d运行到100 d, 出水SMP的4个荧光峰强度均呈下降趋势, 故荧光峰总强度也呈下降趋势.这进一步说明反应器100 d出水SMP的浓度低于40 d出水SMP浓度, 这与2.3节结果相符.

2.5 气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析SMP的成分

为了进一步准确分析好氧颗粒污泥系统出水SMP的主要组成物质, 对出水SMP进行GC-MS分析, 检测出SMP中匹配率在80%以上的物质有46种, 表 6列出相对含量大于1%的物质.由图 7可知, 检测出的主要有机物质类别为酯类、短链烷烃类、烯烃类和醇类, 还有少量的酮类、醛类和醚类.其中含量最多的种类是酯类, 所占比例为39%, 其次是短链烷烃类(14.9%)、烯烃类(11.7%)和醇类(7.6%).Zhang等^[25]利用GC-MS分析了MBR反应器出水SMP的成分, 结果表明烷烃类(尤其是长链烷烃)、芳香化合物、酯类和醇类是主要的组分, 分别占38%、17%、15%和15%.而在本实验的出水SMP中只检测到少量的长链烷烃类和芳香类物质, 这可能和好氧颗粒污泥系统和MRR系统中微生物的新陈代谢不同有关.

从表 6可知, 邻苯二甲酸二酯、庚烷、1, 2, 3, 4, 5-五甲基-环戊烯和3-戊烯-2-醇是出水SMP中酯类、短链烷烃、烯烃和醇类的主要物质, 所占质量分数分别为32.03%、5.60%、7.21%和2.93%.其中邻苯二甲酸二酯的含量远高于其他几种物质.先前研究表明邻苯二甲酸二酯具有抗菌活性, 可以从链霉球菌、褐藻马尾藻属和海洋生物中分离出来^[26].故推断好氧颗粒污泥中某些微生物在新陈代谢过程中可能会产生邻苯二甲酸二酯, 虽然目前没有研究可以证实这个推论.此外, 有研究表明邻苯二甲酸二酯可以被生物炭和黏土矿物进行生物降解或吸附^{[27, 28]}, 这对出水中SMP的去除具有很重要的意义.

3 结论

(1) 好氧颗粒污泥系统出水SMP是反应器出水COD的主要组分.出水SMP相对分子质量小于3×10³组分占主导地位, 所占质量分数为54.8%~71.7%, 而大于100×10³的组分仅占总SMP的9.3%~14.5%.这说明好氧颗粒污泥系统产生的SMP大部分都是小分子物质, 且反应器从40 d运行到100 d, 出水中的一些大分子的SMP转化为小分子SMP, 这可能与反应器中污泥停留时间(SRT)增加有关, 这为SMP的去除提供思路.

(2) 三维荧光光谱分析表明, 出水SMP具有4个峰, 分别属于类芳香蛋白质、类色氨酸蛋白质、类腐殖酸物质和类富里酸物质.GC-MS分析结果表明出水SMP主要组分为酯类、短链烷烃、烯烃和醇类, 所占质量分数分别为39.0%、14.9%、11.7%和7.6%.其中邻苯二甲酸二酯、庚烷、1, 2, 3, 4, 5-五甲基-环戊烯和3-戊烯-2-醇分别是出水SMP中酯类、短链烷烃、烯烃和醇类的主要物质, 占比分别为32.03%、5.60%、7.21%和2.93%.研究结果对好氧颗粒污泥技术在实际工程应用中SMP的去除提供有效信息.