铁离子分布规律及其对MBR微生物代谢产物的影响

张海丰，于海欢，问志勇，姜　锋

(东北电力大学化工学院，吉林　132012)



铁离子分布规律及其对MBR微生物代谢产物的影响

张海丰，于海欢，问志勇，姜锋

(东北电力大学化工学院，吉林132012)

以进水中含有10 mg/L FeCl3的膜生物反应器(membrane bioreactor, MBR)为研究对象，考察铁离子在污泥混合液中的分布规律及对微生物代谢产物的影响。实验结果表明：污泥混合液中铁含量分布规律为胞内>紧缚的胞外聚合物(tightly bound extracellular polymeric substances,TB)>松散的胞外聚合物(loosely bound EPS,LB)>溶解性微生物代谢产物(soluble microbial products，SMP)；在运行80 d后，大部分铁离子存在于胞内(平均含量81.2%)；Fe3+的投加不但降低了SMP及EPS浓度，而且改变了微生物代谢产物的空间分布，其中SMP中多聚糖、TB和LB的含量下降明显。

膜生物反应器； 铁离子； 污泥混合液； 胞外聚合物； 溶解性微生物代谢产物

1　引　言

膜生物反应器(membrane bioreactors, MBRs)联合了传统活性污泥法与膜分离工艺，已被广泛应用到工业及市政污水处理中[1]。然而，膜表面形成的污染层导致膜通量下降，很大程度上限制MBR的进一步广泛应用。膜污染物质是由沉积在膜表面或吸附在膜孔内部的小颗粒物及溶解性物质组成，常用于减缓膜污染的方式有3种[2]:(1)改变膜结构，(2)优化操作条件，(3)改善污泥混合液。对于特定的膜组件及操作条件而言，污泥混合液是造成膜污染的主要原因[3]。新近研究[4,5]发现污泥絮体带有大量的负电荷，通过向MBR中投加高价金属铁离子可有效减缓MBR的膜污染问题。

Fe3+与污泥絮体及细胞通过吸附电中和[6]、阳离子架桥[7]、 DLVO[8]等机制，可强化污泥混合液的絮凝作用，促使絮体尺寸增大，进而有效的减缓膜污染。本研究主要考察铁离子与污泥混合液絮凝后，铁在污泥混合液不同部位的分布规律，为揭示铁离子与微生物代谢产物之间作用机理提供理论支撑。实验中通过检测污泥混合液中胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)和溶解性代谢产物(soluble microbial products, SMP)，明确铁离子的投加对MBR微生物代谢产物的影响，为实际工程应用铁离子调控MBR污泥混合液特性提供理论基础。

2　实　验

2.1实验装置及运行条件

图1　试验装置示意图Fig.1　Schematic diagram of the experimental set-up

本文采用2套完全相同的MBR，C-MBR(对照组)及Fe-MBR(投加Fe3+)，实验装置见图1。反应器有效体积为18 L，膜组件为中空纤维束状膜，材质为聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)，膜孔径0.22 μm，膜过滤面积为0.3 m2，膜出水采用恒流方式，膜通量为10 L·m2·h-1，采用13 min 运行及2 min 停歇的工作模式，爆气强度为200 L/h，水利停留时间(Hydraulic retention time, HRT)和污泥停留时间(sludge residence time,SRT)为分别为6 h和30 d。实验处理废水为人工模拟生活污水，具体包含：葡萄糖为280 mg/L；NH4Cl为100 mg/L；KH2PO4为20 mg/L；NaHCO3为172 mg/L；其他微量元素(CaCl2为10 mg/L；MgSO4·7H2O为50 mg/L；FeCl3为0.375 mg/L；CuSO4·4H2O为0.1 mg/L；NaMoO4·2H2O为0.15 mg/L；MnSO4·H2O为0.13 mg/L；ZnCl2为0.23 mg/L；CoCl2·6H2O为0.42 mg/L)；进水pH为7.0±0.6。

活性污泥取自吉林市污水处理厂，每套MBR中接种活性污泥为8.0 g/ L。2套反应器经60 d运行后进入稳定期，为研究铁离子投加对MBR污泥混合液的影响，Fe-MBR进水中投加FeCl3的浓度为10 mg/L，C-MBR中未投加FeCl3，作为对照组。

2.2分析方法

SMP、紧密粘附性EPS (tightly bound EPS, TB)和松散附着EPS(loosely bound , LB)的提取及测定：一定体积的污泥混合液样品在4000 r/min下离心10 min，离心后污泥混合液分为上清液及污泥絮体两部分，上清液经0.45 μm微孔滤膜过滤，滤液为SMP, SMP含量通过测定其中蛋白质与多聚糖含量之和表征；经SMP提取后的污泥絮体用0.9%的NaCl补足至样品原体积并搅拌混匀，在20 Hz条件下超声振荡20 min，8000 r/min下离心10 min，污泥混合液又分为上清液及污泥絮体两部分，将上清液经0.45 μm微孔滤膜过滤得LB, 经LB提取后的污泥絮体继续用0.9%的NaCl补足至样品原体积并搅拌混匀，60 ℃条件下水浴10 min, 12000 r/min下离心15 min，离心后的上清液为TB[9, 13]；采用考马斯亮蓝法测定蛋白质含量[10]，用牛血清白蛋白(BSA)作为标准样品；采用蒽酮-硫酸法测定多聚糖含量[11]，用葡萄糖作为标准样品；总铁的测定采用磺基水杨酸法[12]。

3　结果与讨论

3.1铁的分布规律

FeCl3投加到MBR中后，Fe3+与活性污泥发生生物絮凝行为，产物以不同的形态及比例分布于污泥混合液的不同部位。为更深入的了解Fe3+对污泥混合液的作用机理，Zhang等[13]将Fe3+在污泥混合液中的具体分布部位分为SMP、LB、TB、Pellet(胞内)。图2所示铁在污泥混合液中的分布情况，由图2可见，铁含量的总体分布为Pellet>TB>LB>SMP，且随运行时间的增大，Pellet中铁含量逐渐增大，其所占比例可达81.2%。相比之下SMP中铁含量占有的比例显著下降，由9.5%下降到3.5%，SMP含量下降可解释为：Fe3+通过高电荷、高极化率及较小水合作用，与本体溶液中的SMP具有很强结合作用，转移至污泥絮体中，导致上清液中SMP及Fe3+的含量较低[14]。此外，Fe3+在上清液中含量较低是由于大部分铁离子以不溶的氢氧化铁、Fe-EPS、Fe-细菌形式存在[15]。由图2还可明显的发现随着运行时间，细胞中铁含量快速增多且所占比例大，这可解释为：(1) 当Fe3+投加到混合液中后，会形成氢氧化铁或者氧化铁胶体，可发生网捕作用并存在于污泥内层[16]；(2) Fe3+具有的高电荷性，高的极化性和低的水合半径，其具有较高的穿透性，因而与EPS内层有较强的结合力[17]。

比较第65 d与79 d污泥絮体，铁在胞内的含量随运行时间在明显增多，其相应的所占比例也显著增加，镜检结果显示(见图2)，在第65 d时污泥絮体尺寸小、呈松散状态；然而在第79 d时，污泥絮体之间聚集紧密，单个絮体较密实，表明铁离子存在有助于生物絮凝行为，可强化污泥混合液的生物絮凝作用。

3.2污泥混合液中SMP含量变化

SMP的产生主要是微生物通过降解基质以及内源呼吸过程中产生的，这类物质不容易被微生物降解，因而通过膜截留作用，SMP会在MBR反应器内累积。前期研究表明：膜污染是膜与污泥混合液相互作用的结果，本体溶液中的SMP容易吸附在膜表面或是堵塞膜孔，造成严重的膜污染[18]。图3显示C-MBR和Fe-MBR中SMP随运行时间的变化，由图3可见，C-MBR中的SMP含量明显高于Fe-MBR，而且随运行时间的增加，2套反应器中SMP含量相差越来越大，这表明Fe3+的投加可显著降低SMP在本体溶液中的浓度。分析认为：随着污泥混合液中铁离子的增多，一方面强化了生物絮凝作用，降低本体溶液中SMP浓度，另一方面铁离子与SMP中的某些官能团结合，通过架桥作用使得SMP转移至污泥絮体中，从而有效的降低SMP的含量[19]。

图2　污泥混合液中铁的分布规律Fig.2　Distributions of the iron in different parts of sludge

图3　C-MBR和Fe-MBR中SMP随运行时间的变化Fig.3　Change of the concentrations of SMP with operation time in C-MBR and Fe-MBR

从化学组成而言，组成SMP的主要成份为多聚糖(PS)与蛋白质(PN)[20]。为进一步考察MBR中SMP变化状况，实验中对SMP的化学组成进行分析。图4显示了C-MBR和Fe-MBR中SMP成分(PN及PS)的变化情况。由图4可见，C-MBR中的PN随运行时间逐渐增加，PS浓度在运行前90 d增加显著，90 d后小幅度降低；与之相比，Fe-MBR中PN及PS浓度较低，有先小幅度增加后下降的趋势，与PN浓度相比，Fe-MBR中PS含量下降更为明显，这与Zhang等的研究结果一致[21]，他们在研究中发现在Fe3+存在的体系，SMP中的PS更容易在上清液中被去除，其原因是与PN相比，PS中有机分子具有较多且复杂的带电官能团，更易于参与絮凝反应而被去除。

图4　C-MBR和Fe-MBR中SMP随运行时间的变化(a)PN;(b)PSFig.4　Varieties of concentration of SMP with operation time in C-MBR and Fe-MBR(a)PN;(b)PS

3.3活性污泥中EPS含量变化

EPS是一类微生物分泌在体外的高分子聚合物，包含多种大分子物质，例如蛋白质、多糖、腐植酸和核酸，大量研究表明EPS是MBR膜污染的主要污染物[22]。图5所示C-MBR和Fe-MBR中EPS随运行时间的变化情况。由图5所示，在65-75 d，Fe-MBR中的EPS含量的增长速率明显高于C-MBR，其原因可能为：溶解态的SMP在Fe3+的作用下与污泥絮体相结合，由溶液相转移到了固体相，导致EPS浓度增高；此外，进水中的FeCl3会降低污泥混合液的pH值，微生物会分泌出更多的EPS，以免受外界的刺激，也增加了污泥絮体中的EPS含量[23]。在80～90 d之间，C-MBR中的EPS含量随着运行时间增加， 90 d后有下降趋势，表明长期运行下的MBR中污泥絮体所包含的EPS有逐渐累积的趋势；相比而言，Fe-MBR中的EPS在80 d后逐渐减少，表明微生物与铁经过一段时间的驯化，降低了EPS的分泌，从而降低了絮体中EPS浓度，这对减缓膜污染有一定的正面作用。

从EPS空间分布而言，可分为紧密粘附性EPS (tightly bound EPS, TB-EPS)和松散附着EPS(loosely bound , LB-EPS)，图6显示了2套反应器中LB和TB含量随运行时间的变化。由6可见，因TB-EPS位于细胞体表面，各种大分子排列紧密且与细胞壁结合牢固，不容易脱落，对活性污泥絮体的性质影响较小；对于C-MBR，TB含量随运行时间逐渐增加，其变化趋势与EPS随运行时间波动相同；与之相比，Fe-MBR运行80 d后，TB浓度下降明显，这说明TB浓度变化与微生物种群相关性较强[25]，经过长时间的驯化及培养过程，Fe-MBR内微生物种群的演变，导致TB浓度发生降低的趋势；比较2套反应器中LB浓度的变化可见，Fe-MBR在运行85 d后LB浓度有下降趋势，表明铁离子的加入可改变EPS的空间分布，通过降低LB浓度，从而改变污泥特性，前期研究表明，由于LB对活性污泥的沉降性、絮凝性、表面电荷性及黏度都起决定性作用[24]。

图5　C-MBR和Fe-MBR中EPS含量变化Fig.5　Variation of EPS content in C-MBR and Fe-MBR

图6　C-MBR和Fe-MBR运行过程中LB及TB含量的变化Fig.6　Change of the concentrations of LB and TB with operation time in C-MBR and Fe-MBR

4　结　论

(1)通过对Fe-MBR反应器污泥混合液中铁离子分布情况进行检测发现，Fe在污泥混合液中分布规律为胞内>TB>LB>SMP，随着运行时间，Fe在污泥混合液中的分布有从外层向内层迁移的趋势；

(2)考察铁离子调控MBR微生物代谢产物的研究表明，与对照反应器相比，Fe-MBR中SMP含量明显降低，其中SMP中多聚糖含量的降低更为显著，说明Fe与溶解态多聚糖更容易相互作用而降低其在本体溶液中的含量；运行85 d以后，Fe-MBR中LB及TB含量均下降显著，与TB相比，LB含量的降低对于MBR污泥混合液特性的改变更为重要。

[1] Nguyen T N P,Su Y C,Pan J R,et al.Comparison of membrane foulants occurred under different sub-critical flux conditions in a membrane bioreactor (MBR)[J].BioresourceTechnology,2014,166:389-394.

[2] Gao W,Liang H,Ma J,et al.Membrane fouling control in ultrafiltration technology for drinking water production: a review[J].Desalination,2011,272:1-8.

[3] Sobeck D C,Higgins M J.Examination of three theories for mechanisms of cation-induced bioflocculation[J].WaterResearch,2002,36(3):527-538.

[4] Koseoglu H,Yigit N O,Iversen V,et al.Effects of several different flux enhancing chemicals on filterability and fouling reduction of membrane bioreactor (MBR) mixed liquors[J].JournalofMembraneScience,2008,320:57-64.

[5] Barbot E,Moustier S,Bottero J,et al.Coagulation and ultrafiltration: understanding of the key parameters of the hybrid process[J].JournalofMembraneScience,2008, 325:520-527.

[6] Zhang H F,Sun B S,Zhao X H,et al.Effect of ferric chloride on fouling in membrane bioreactor[J].SeparationAndPurificationTechnology,2008,63(2):341-347.

[7] Li J Y.Effects of Fe(III) on floc characteristics of activated sludge[J].JournalofChemicalTechnologyAndBiotechnology,2005,80(3):313-319.

[8] Nguyen V T,Chia T W,Turner M S,et al.Quantification of acid-base interactions based on contact angle measurement allows XDLVO predictions to attachment of Campylobacter jejuni but not Salmonella[J].JournalofMicrobiologyMethods,2011,86(1):89-96.

[9] Brink P, Zwijnenburg A, Smith G, et al. Effect of free calcium concentration and ionicstrength on alginate fouling in cross-flow membrane filtration[J].JournalofMembraneScience,2009,345(1-2): 207-216.

[10] 张杰,李春艳,李劲,等.蒽酮硫酸法与苯酚硫酸法测定竹节参多糖含量的比较研究[J].中南药学, 2012,10(6):421-424.

[11] 姜亦超，白洪健，郭鸽,等.考马斯亮蓝法测定粪便中蛋白质含量及应用[J].食品研究与开发2013,34(21):77-79.

[12] Yu G H,He P J,Shao L M,et al.Characteristics of extracellular polymeric substances (EPS) fractions from excess sludges and their effects on bioflocculability[J].BioresourceTechnology,2009,100:3193-3198.

[13] Zhang H F,Wang Z P,Zhang L H,et al.Impact of sludge cation distribution pattern on its filterability in membrane bioreactor[J].BioresourceTechnology,2014,171:16-21.

[14] Li H,Wen Y,Cao A,et al.The influence of multivalent cations on the flocculation of activated sludge with different sludge retention times[J].WaterResearch,2014,55:225-232.

[15] Wang X M,Waite T D.Iron speciation and iron species transformation in activated sludge membrane bioreactors[J].WaterResearch,2010,44:3511-3521.

[16] Oikonomidis L,Burrows L J.Mode of action of ferric and ferrous iron salts in activated sludge[J].JournalofBiochemistry.,2010,85:1067-1076.

[17] Novak J T,Verma N,Muller C D.The role of iron and aluminum in digestion and odor formation[J].WaterScienceTechnology,2007,56:59-65.

[18] Le-Clech P,Chen V,Fane T A G.Fouling in membrane bioreactors used in wastewater treatment[J].MembraneScience,2006,284(1-2):17-53.

[19] 张海丰,刘洪鹏,赵贵龙,等.MBR中微生物代谢产物对膜污染的影响及其调控方法的研究进展[J].东北电力大学学报, 2013,33(4):1-5.

[20] Guo W,Ngo H H,Vigneswaran S,et al.Effect of different flocculants on short-ter performance of submerged membrane bioreactor[J].SeparationandPurificationTechnology, 2010,70:274-279.

[21] Kim I S,Jang N.The effect of calcium on the membrane biofouling in the membrane bioreactor(MBR)[J].WaterResearch,2006,40(14):2756-2764.

[22] Chang I S,Clech P L.Membrane biofouling in the membrane bioreactor for wastewater treatment[J].JournalofEnvironmentalEngineering,2002,128:1018-1029.

[23] Sheng G P,Yu H Q,Li X Y.Extracellular polymeric substances (EPS) of microbial aggregates in biological wastewater treatment systems: a review[J].BiotechnologyAdvance, 2010,28:882-894.

[24] Yu G H,He PJ,Shao L M,et al.Stratification structure of sludge flocs with implications to dewaterability[J].EnvironmentalScienceTechnology,2008,42:7944-7949.

[25] Sobeck D C,Higgins M J.Examination of three theories for mechanisms of cation-induced bioflocculation[J].WaterResearch,2002,36:527-538.

Distributions of Fe3+and Its Influence on Microbial Products in Membrane Bioreactor

ZHANGHai-feng,YUHai-huan,WENZhi-yong,JIANGFeng

(School of Chemical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

The distributions of iron in the mixed liquor and its influence on the microbial products were investigated in membrane bioreactors (MBR) under the condition of ferric chloride at concentrations of 10 mg/L in the effluent. The experimental results showed that the iron contents located in the sludge following this order: pellet > tightly bound extracellular polymeric substances (TB) > loosely bound EPS (LB) > soluble microbial products (SMP). After 80 d, the majority of ions located in the pellet (81.2% on average), indicating the iron was distributed in the sludge inner. With the operation time, both SMP and EPS contents were decreased obviously. In addition, a significant reduction in the SMP polysaccharide, LB and TB amount were observed under the addition of iron condition.

membrane bioreactor;iron;sludge mixed liquor;extracellular polymeric substance;soluble microbial product

国家自然科学基金计划项目(51478093); 吉林省科技发展计划项目(20120404, 20130206061GX)

张海丰(1974-)，男，博士，副教授.主要从事水处理及回用方面的研究.

X703

A

1001-1625(2016)03-0784-05