杨涛¹, 郝学凯¹, 陈宝玉¹, 陈永祥¹, 张悦², 杨开³
1. 武汉市政工程设计研究院有限责任公司, 武汉 430023;
2. 长江润嘉置业有限责任公司, 武汉 430010;
3. 武汉大学土木建筑工程学院, 武汉 430072
收稿日期: 2017-09-03; 修回日期: 2017-11-14; 录用日期: 2017-11-28
基金项目: 国家"十二五"科技支撑计划（No.2014BAL04B04，2015BAL01B02）
作者简介: 杨涛(1990—), 男, 工程师, E-mail:cnyangtao@126.com
通讯作者（责任作者）: 杨涛

摘要: 通过向序批式生物膜反应器（SBBR）中投加氯化铝，研究了化学协同生物除磷过程中Al³⁺对污泥脱氢酶活性（DHA）、胞外聚合物（EPS）及系统处理效果的影响.结果表明，氯化铝投加量少于0.1 mmol·L^-1时，Al³⁺对微生物的活性有促进作用，多于0.1 mmol·L^-1的Al³⁺对其活性有明显的抑制作用.氯化铝投加量少于0.1 mmol·L^-1时，Al³⁺能够促进EPS中多糖（PS）和蛋白质（PN）的分泌，多于0.1 mmol·L^-1的Al³⁺则只促进多糖的分泌，但对EPS的分泌总量没有影响.Al³⁺会使污泥的SVI值显著降低，大大改善其沉降性能.MLSS、MLVSS基本上是随着Al³⁺投加量的增加而增大，MLVSS/MLSS随着投药量的增加先减小后增大再减小.Al³⁺对COD和TN的去除具有轻微抑制作用，但对TP的去除具有显著的改善作用.当Al³⁺的投加为0.5 mmol·L^-1时，TP的去除效果最好，出水浓度仅为0.44 mg·L^-1，满足一级A排放标准.此时，TP的去除率为92.7%，比不加药时提升了10.2%.
关键词:氯化铝生化协同除磷污泥性质脱氢酶活性胞外聚合物
Effects of Al³⁺ on dehydrogenase activity(DHA) and extracellular polymeric substances(EPS) of activated sludge in a sequencing batch biofilm reactor(SBBR)
YANG Tao¹ , HAO Xuekai¹, CHEN Baoyu¹, CHEN Yongxiang¹, ZHANG Yue², YANG Kai³
1. Wuhan Municipal Engineering Design and Research Institute Co. Ltd., Wuhan 430023;
2. Changjiang Runjia Real Estate Co. Ltd., Wuhan 430010;
3. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072
Received 3 September 2017; received in revised from 14 November 2017; accepted 28 November 2017
Supported by the National Key Technology R & D Projecet of China(No.2014BAL04B04, 2015BAL01B02)
Biography: YANG Tao(1990—), male, engineer, E-mail:cnyangtao@126.com
^*Corresponding author: YANG Tao
Abstract: Effects of Al³⁺ on a sequencing batch biofilm reactor (SBBR) were investigated by adding aluminum chloride. Dehydrogenase activity (DHA), extracellular polymeric substances (EPS), and reactor performance were evaluated. The results indicated that less than 0.1 mmol·L^-1 Al³⁺ would promote the activity of dehydrogenase and the secretion of EPS, while an excessive dosage above 0.1 mmol·L^-1 Al³⁺ would inhibit the activities. When the dose of Al³⁺ was lower than 0.1 mmol·L^-1, the secretions of polysaccharide (PS) and protein (PN) were enhanced. When the dose of Al³⁺ was higher than 0.1 mmol·L^-1, the secretion of PS was increased, but the secretion of EPS did not change. Al³⁺ would obviously decrease the sludge volume index (SVI) value and improve the settle ability. Moreover, the concentrations of mixed liquor volatile suspended solid (MLVSS) and mixed liquor suspended solids (MLSS) increased with increasing Al³⁺, while the MLVSS/MLSS ratio firstly decreased then increased and then decreased with increasing Al³⁺. Al³⁺ slightly depressed chemical oxygen demand (COD) and total nitrogen (TN) removal efficiencies, while enhanced total phosphorus (TP) removal efficiency. When the dose of Al³⁺ was 0.5 mmol·L^-1, the concentration of TP in effluent was 0.44 mg·L^-1, which was in accordance with the A class requirement of sewage discharge standard. Thus, the removal efficiency of TP was 92.7%, which was increased by 10.2% without Al³⁺.
Key words: aluminum chloridebiochemical synergetic phosphorus removalsludge characteristicsDHAEPS
1 引言(Introduction)随着社会经济的发展、城市化进程的推进和工农业生产规模的扩大, 我国的水污染问题日益严重, 污废水的产量急剧增加.深入开展与污废水处理和水资源再生有关的研究已经迫在眉睫, 而磷的去除是污废水处理的主要内容之一, 目前有化学法、生物法和生化法3种主流工艺.化学除磷具有水质适应性强、效率高和可靠稳定的优点, 而且在后续污泥处理当中不必考虑磷的释放所造成的二次污染问题, 但存在产泥量大、运行费用昂贵、污泥理化性质改变明显等问题(刘宁等, 2012; Kim et al., 2008).与之相比, 生物法的产泥量和运行费用则都相对较低, 但其稳定性较差, 对进水水质可生化性要求高, 且单纯的生物除磷难以使污水厂的出水水质达到一级A的排放标准(庞洪涛等, 2013).而化学强化生物除磷则为解决这一问题提供了有效途径, 如凌霄等(2006)的研究表明, 当气水比为(3~5)：1, 且铝盐投加系数≥1.75时, 升流式曝气生物滤池出水中磷的浓度小于0.5 mg·L^-1, 但投加铝盐对COD和氨氮的去除几乎没有影响；R?ske等(1995)研究表明, 在不同金属离子强化生物除磷的过程中, Fe³⁺的效果优于Ca²⁺、Mg²⁺和K⁺等, 在污泥处理中磷的释放最弱.
序批式生物膜反应器(SBBR)是序批式活性污泥法(SBR)和生物膜法(MBR)结合的产物, 即通过在SBR中添加填料以供生物膜附着(张俊等, 2008; 王亚宜等, 2006).SBBR具有微生物种类多样化、存活时间长、污泥沉降性能好、污泥不膨胀、剩余污泥产量低等优点(张朝升等, 2007; 荣宏伟等, 2002).此外, 通过人为控制创造厌氧/缺氧/好氧的环境, SBBR能够实现同步脱氮除磷, 如Wu等(2011)和Jin等(2012)的研究结果均表明, SBBR在处理城市生活污水时具有良好的脱氮除磷效果.实际当中, 为了强化SBBR的除磷效果, 常投加化学药剂协同除磷, 如在冯春华等(2005)的研究中通过投加Fe³⁺使SBBR的出水TP浓度达到了一级A的标准.但目前的研究都是以处理效果作为衡量指标, 并未论及污泥性质、脱氢酶活性(DHA)和胞外聚合物(EPS).脱氢酶和胞外聚合物都是微生物分泌的大分子有机物：脱氢酶能帮助微生物催化底物脱氢, 其活性大小间接反映了污泥活性的强弱(W?odarczyk et al., 2002)；EPS主要包括多糖(PS)和蛋白质(PN), 能够在细胞外面构建抵御有毒有害物质的保护膜(Zhu et al., 2012).由于这些都可能会影响生物除磷的效果, 因此, 本文从Al³⁺对污泥性质、DHA及EPS的影响入手, 探讨投加氯化铝对SBBR系统处理效果的影响, 以期为工程实际提供指导.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 试验装置反应器由有机玻璃制成, 总高度45 cm, 有效高度35 cm, 外径25 cm, 内径19 cm, 有效容积为8 L, 以Φ10 mm×10 mm(直径×高)规格的柱状空心塑料颗粒作填料, 顶部安装电磁搅拌器, 底部安装充氧曝气头(图 1).反应器在室温(25~28 ℃)下运行, 缺氧/厌氧搅拌和好氧曝气交替运行, 其中, 缺氧/厌氧180 min(DO浓度为0.35~0.44 mg·L^-1), 好氧曝气480 min(DO浓度为2~4 mg·L^-1), 沉淀40 min, 闲置/出水20 min.人工排水排泥, 每天2个周期, 每次进(排)水2 L, 污泥龄为9 d.挂膜成熟后, 固着相活性污泥各项参数稳定, 本研究主要分析和讨论均是针对悬浮相活性污泥.
图 1(Fig. 1)

图 1 试验装置图 Fig. 1Design of the reactors

2.2 试验用水及污泥试验以无水醋酸钠为碳源, 氯化铵为氮源, 磷酸二氢钾为磷源人工配置进水, 进水参数控制在COD约250 mg·L^-1, TN约25 mg·L^-1, TP约6 mg·L^-1.试验污泥均取自武汉市某污水处理厂的二沉池, 每个反应器的污泥量投加都是3 L.启动期结束后污泥各项性质保持稳定, MLSS为5.682 g·L^-1, MLVSS为3.398 g·L^-1, MLVSS/MLSS为59.8%, SVI为58.83 mL·g^-1.反应器中氯化铝的投加量如表 1所示, 其中, 0~14 d为启动期, 不投药；后续过程中为消除前一组试验药品累积对后一组试验的影响, 两组试验投药间歇为2 d.
表 1(Table 1)

表 1 投药时间及投加量 Table 1 Chemical dosage amount and time

表 1 投药时间及投加量 Table 1 Chemical dosage amount and time 投药时间/d 0~14 15~24 26~35 37~43 48~57 59~68 70~79 投加量/(mmol·L-1) 0.0 0.05 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0

2.3 试验药品及检测方法本实验所用药品均为分析纯, TP、TN、COD、MLSS、MLVSS和SVI严格按照国标要求检测(国家环保局, 1997), DHA采用TTC比色法测定(Yin et al., 2005), EPS采用加热法提取, PS和PN的测定分别采用蒽酮硫酸法和考马斯亮蓝法, 二者之和即为EPS的总量(Pellicer-Nàcher et al., 2013).
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 Al³⁺对污泥DHA和EPS的影响启动期结束时, SBBR的出水水质已趋于稳定, 出水COD、TN和TP浓度分别保持在64.25、8.82和1.13 mg·L^-1左右(图 4a), 三者的去除率分别为74.3%、66.0%和82.5%.这表明SBBR系统已达到稳定状态, 可继续开展后续试验.
图 4(Fig. 4)

图 4 Al3+对SBBR处理效果的影响 Fig. 4Effects of Al3+ on the performance of SBBR

由图 2a可知, 当氯化铝投加量少于0.1 mmol·L^-1时, 污泥的DHA随投药量的增加而增大；当氯化铝投加量超过0.1 mmol·L^-1时, 污泥的DHA随投药量的增加而减小, 且在投加量为0.3 mmol·L^-1时减小最为显著.这表明少量的Al³⁺可以激发污泥中微生物的活性, 但大量的Al³⁺则对污泥中微生物的活性具有显著抑制作用.当Al³⁺投加量较少时, DHA增大可能是微生物抵御外界环境毒害作用而发出的应激反应(Matyja et al., 2016).大量Al³⁺的抑制作用表明, Al³⁺对微生物具有毒害作用.这可能是因为Al³⁺抢占了Fe³⁺与某些功能蛋白结合的位点, 但由于Al³⁺不像Fe³⁺那样具有可变价态, 不能参加氧化还原反应, 所以一旦结合这些蛋白终将失效, 这与现有研究结果一致(万俐等, 2016; Joseph et al., 2010).此外, 也有研究认为是金属阳离子水解形成的胶体包裹在微生物细胞外, 影响了细胞内外O₂的传递(Haas et al., 2001; Hou et al., 2010).
图 2(Fig. 2)

图 2 Al3+对污泥DHA (a)和EPS (b)的影响 Fig. 2Effects of Al3+ on sludge DHA(a) and EPS(b)

由图 2b可知, 当氯化铝投加量少于0.1 mmol·L^-1时, EPS总量随投药量的增加有小幅增加；当氯化铝投加量超过0.1 mmol·L^-1时, 各批次试验中EPS总量相当, 并无较大差异.这说明少量的Al³⁺可以促进EPS的分泌, 但当Al³⁺的投加量超过一定值时促进作用消失(Liu et al., 2014; 温沁雪等, 2012).由图中亦不难发现, EPS中蛋白质(PN)含量始终比多糖(PS)多, 这与现有研究结果一致(Aryal et al., 2009; Wang et al., 2007).但随着投药量的增加EPS的构成却发生了明显变化：EPS中蛋白质的含量由23.3 mg·g^-1(以VSS计, 下同)下降到16.6 mg·g^-1, 而多糖的含量则由8.3 mg·g^-1(以VSS计, 下同)上升到15.3 mg·g^-1, PN/PS从2.81下降到1.08.这说明虽然投加氯化铝对SBBR中污泥的EPS总量没有显著影响, 但Al³⁺会促进多糖的分泌而抑制蛋白质的分泌.温沁雪等(2012)认为这可能是因为EPS中的羟基官能团吸附基质中的金属离子, 进而刺激活性污泥中的微生物增加多糖的分泌, 而Liu等(2016)认为EPS中多糖的增加可能来自新陈代谢过程中其它碳水化合物的转化.
3.2 Al³⁺对污泥基本性质的影响图 3给出了SBBR中污泥浓度和沉降性能随氯化铝投加量的变化情况.由图 3a可, MLSS、MLVSS基本上是随着投药量的增加而增大, MLVSS/MLSS随着投药量的增加先减小后增大再减小.由图 3b可知, SVI基本是随着投药量的增加而迅速减小.投加氯化铝后, SBBR中的絮凝有化学絮凝和生物絮凝2种：Al³⁺水解产生Al(OH)₃胶体和微生物分泌的EPS.虽然EPS不带电, 但其中大量存在的酰基、羧基和氨基等会使得污泥胶体带负电(Liao et al., 2001; Zita et al., 1994).因此, 带正电的Al(OH)₃胶体得以通过电位中和与吸附架桥作用使污泥胶体脱稳凝聚, 进而将污水中的胶体颗粒和有机物从污水中转移到污泥中(Zhang et al., 2008).而EPS中的蛋白质和多糖都是大分子有机物, 具有良好的链状或网状结构, 不仅可以通过网捕、卷扫作用将水中的悬浮物抓获并裹挟在胶体表面, 还可以通过络合作用捕获水中的金属离子(Yue et al., 2015; Basuvaraj et al., 2015).这都会使污泥的MLSS、MLVSS升高, 而投药量为0.1 mmol·L^-1时MLVSS/MLSS减小则可能是因为MLSS的增长速度快于MLVSS的增长速度.现有研究表明, EPS中的蛋白质越多污泥的沉降性能越好(Liu et al., 2014; Wilen et al., 2003), 但本试验中随着投药量的增加蛋白质的比例和SVI均减小, 这看似矛盾实则恰恰说明这是化学絮凝和生物絮凝耦合的结果(Liu et al., 2016), 并且化学絮凝的作用要强于生物絮凝的作用.
图 3(Fig. 3)

图 3 Al3+对污泥基本性质的影响(a.MLSS、MLVSS、MLVSS/MLSS, b.SVI) Fig. 3Effects of Al3+ on the sludge′s basic properties

3.3 Al³⁺对SBBR处理效果的影响由图 4b和4c可知, 投加氯化铝后出水COD和TN分别在60~70 mg·L^-1和5.5~9.5 mg·L^-1之间, 去除率则分别在70%~80%和60%~85%之间, 可见Al³⁺对COD和TN的去除并无明显促进作用.城市生活污水中COD和TN的去除, 一部分被分解成CO₂和H₂O等稳定无机物并产生能量(式(1)、(2)), 一部分是作为营养物质(碳源、氮源)为微生物的生长生殖所用(式(3)), 还有一部分是被矾花所吸附并随着MLSS的排出而排除.但由于本试验进水为人工配制, 所以第2种途径基本上可以不作考虑, 因此, 这很可能与细胞代谢能力的降低有关(Banu et al., 2008; 王琳娜等, 2009).有人认为这是因为Al³⁺对亚硝化细菌和异养菌的呼吸速率产生了抑制作用(Hou et al., 2010)；也有人认为这可能是位于矾花外围的松散附着型EPS使得矾花双电层变厚, 进而影响了细胞的传质作用(Basuvaraj et al., 2015; Li et al., 2012).

(1)

(2)

(3)

由图 4d可知, 随着氯化铝投加量的增加, SBBR出水TP浓度有所下降, 在氯化铝投加量为0.5 mmol·L^-1时TP浓度达到最低后又出现小幅上升.加药后SBBR中同时存在着生物除磷和化学除磷：生物除磷主要通过聚磷菌的好氧吸磷和厌氧释磷实现, 如Pendashteh等(2011)和Wang等(2014)提出微生物分泌的EPS不仅可以通过络合作用吸收磷, 还能够将捕获的磷转移给聚磷菌；化学除磷则是通过化学沉淀和Al_m(OH)_n^p+多核络合物的吸附(刘霞, 2011).投加0.5 mmol·L^-1的氯化铝时, TP的去除率最高, 平均为92.7%, 出水TP浓度最低, 平均为0.44 mg·L^-1, 达到了国家一级A排放标准.一方面这可能是因为EPS中多糖的比例增大, 捕获和转移给聚磷菌的磷增加, 生物除磷得到加强；另一方面, Al³⁺增多增加了Al³⁺、Al_m(OH)_n^p+与PO₄^3-的接触机会, 化学除磷也得到加强.投药量超过0.5 mmol·L^-1时, 虽然多糖的比例在增大, 但过多的Al³⁺会改变胶体的带电性能, 妨碍EPS对磷的捕捉, 导致生物除磷被削弱, 出水TP浓度增大, 这与前人的研究结果一致(Ji et al., 2010).
4 结论(Conclusions)1) Al³⁺投加量少于0.1 mmol·L^-1时, Al³⁺对微生物的活性有促进作用, 但投加量超过0.1 mmol·L^-1时, Al³⁺对微生物的活性有明显的抑制作用, 并且Al³⁺的投加量越大抑制作用越显著.投加量少于0.1 mmol·L^-1的Al³⁺会促进EPS的分泌, 超过0.1 mmol·L^-1时Al³⁺会促进多糖的分泌, 对EPS的分泌总量没有影响.
2) Al³⁺会使污泥的SVI值显著降低, 大大改善污泥的沉降性能.MLSS、MLVSS基本上是随着Al³⁺投加量的增加而增大, MLVSS/MLSS随着投药量的增加先减小后增大再减小.
3) Al³⁺对COD和TN的去除没有促进作用, 甚至有轻微的抑制作用, 但对TP的去除具有显著促进作用.
4) 综合考量各方面因素, 投加Al³⁺协同生物除磷时, 其最佳投加量为0.5 mmol·L^-1.由于增加了化学除磷途径, 此时SBBR对TP的去除率达到了92.7%, 比不加Al³⁺时提高了10.2%.

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