污泥厌氧过程中磷释放与SMP特性研究

胡德秀,张 艳,朱 玲,熊江龙,李 立



污泥厌氧过程中磷释放与SMP特性研究

胡德秀*,张 艳,朱 玲,熊江龙,李 立

(西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 陕西 西安 710048)

以城市污水处理厂剩余污泥为实验污泥,研究污泥厌氧过程中磷释放和溶解性微生物代谢产物(SMP)的变化特性,检测了不同厌氧时长下总磷(TP),SMP中蛋白质与多糖含量,利用三维荧光光谱与液相色谱-有机碳测定仪(LC-OCD)进一步探究了SMP的组分分布状况,应用灰色关联度分析了TP与各组分的相关性.结果表明:随着厌氧时间延长,蛋白质,多糖浓度逐渐增加,TP浓度呈现先增大后减小的趋势,TP浓度在厌氧4d最高,达到14.15mg/gVSS,说明污泥厌氧过程中存在最优释磷时间;将三维荧光光谱分为7个荧光区域,平行因子(PARAFAC)分析表明紫外光区类富里酸和类腐殖酸物质荧光强度随着厌氧时间的延长逐渐增大,微生物代谢产物的荧光强度先增大后减小; SMP中生物高聚物和腐殖酸(Humics)等大分子物质浓度逐渐增大,中分子前驱物呈现先增大后减小的趋势,而小分子物质呈现先减小后增大的趋势;蛋白质、多糖和Humics浓度与TP浓度的关联性显著.研究结果可为优化污泥厌氧释磷,提高磷回收效率提供理论支持.

厌氧；释磷；SMP；三维荧光光谱；LC-OCD

活性污泥法是当前我国绝大多数城市污水厂采用的生物处理方法,污水经过处理后大部分的磷进入剩余污泥,通过有效的方法可使磷从剩余污泥中释放出来并以一定形式加以回收.回收污泥中磷的关键步骤之一是采取一定的措施使磷从污泥中释放到液相中,常温厌氧消化是使污泥磷释放的有效方法之一[1].系统中的聚磷菌(PAOs)利用体内多聚磷酸盐(Me-polyP)分解时释放的能量及糖原所提供的还原力吸收溶液中的挥发性有机酸(VFAs)并将其转化为聚羟基丁酸盐(PHA),同时Me-polyP分解产生的MeHPO4/MeH2PO4被转移到体外,致使上清液中正磷酸盐浓度增大,利于后续磷回收工艺进行[2].目前,结晶法进行磷回收已被公认为是有效的磷回收途径[3-4].已有研究表明有机物的存在对污泥结晶法磷回收有一定的影响[5-6],胞外聚合物(EPS)作为活性污泥中除细胞和水分之外的重要成分[7-9],占活性污泥中总有机物的50%~90%[8],占活性污泥总重量的80%左右[10].Laspidou等[11]曾提出统一理论,认为溶解性微生物代谢产物(SMP)与soluble EPS是同一物质,其中主要成分是蛋白质和多糖.有研究表明,在生物除磷系统中污泥溶解性微生物产物中也储存着一些磷[12-13],在PAOs厌氧释磷的同时,SMP也会释放一定量的磷.因此,有必要深入研究厌氧环境下污泥磷释放与SMP的变化特性.

目前,国内外对SMP的研究主要集中在其自身物质组成[14],有学者利用三维荧光和LC-OCD技术对污泥、污水中的SMP进行检测,研究SMP中的物质组分含量[15-17],但是较少关注其组分变化与磷释放的相关性.因此,本研究采用西安市某污水处理厂污泥进行常温厌氧消化处理,分别提取不同厌氧时间下污泥上清液及污泥SMP,在前人研究基础上系统地探究污泥厌氧消化过程中TP变化,以及对应SMP中组分含量、荧光物质和分子量分布的变化规律,解析磷释放与SMP的内在关联性,探寻磷释放过程中的主要伴生物质,以期为高效磷释放、减少有机物对后续磷回收工艺的干扰、提高磷回收率提供理论研究基础和技术参考.

1 材料与方法

1.1 污泥处理与实验过程

实验污泥取用西安市某污水处理厂(Orbal氧化沟工艺)二沉池剩余污泥,以此时污泥为原泥,进一步对污泥进行厌氧消化处理,将污泥放入聚乙烯瓶中密封静置,当测得溶解氧接近0mg/L时取泥记为厌氧0d,以此为节点,持续厌氧1d后取泥记为厌氧1d, 4d后取泥记为厌氧4d,7d后取泥记为厌氧7d.分别对各阶段的污泥进行SMP的提取.

1.2 检测指标与分析方法

1.2.1 SMP提取方法 对SMP的提取采用Hong等[18]的方法,首先将污泥装入50mL离心管中,在6000r/min下离心10min,然后取上清液用0.45μm滤膜抽滤,所得滤液即为溶解性微生物代谢产物(SMP).

1.2.2 检测方法 溶解氧采用便携式溶解氧仪测定;多糖采用蒽酮-硫酸法测定[19],蛋白质采用Lowry法测定[20],分别以葡萄糖、牛血清白蛋白作为标准品,进行标准曲线的绘制;挥发性悬浮物固体浓度(MLVSS)和总磷采用标准方法[21]测定,其中,MLVSS采用重量法测定,总磷采用钼锑抗分光光度法测定.每种检测均设置3个平行样.

1.2.3 三维荧光光谱分析 三维荧光光谱采用荧光分光光度计(FluoroMax-4)测定,激发波长(x)为250~550nm,发射波长(m)为300~600nm,狭缝均为3,步长为4nm.得到SMP的光谱数据后,分别将不同厌氧过程中SMP的荧光图谱转化为矩阵的形式,应用Matlab软件进行PARAFAC分析,比较各组分残差值的大小,用一分为二法确定二组分模型是合适的,并得到各个组分的最大激发和发射波长的位置.结合文献报道[22-23],将三维荧光光谱划分为7个区域.分别为:区域Ⅰ表示类酪氨酸物质,荧光范围为x/m=(250~255)nm/(300~335)nm;区域Ⅱ表示类色氨酸物质,荧光范围为x/m=(250~255)nm/(335~ 380)nm;区域Ⅲ表示紫外光区类富里酸物质,荧光范围为x/m=(250~255)nm/(>380)nm;区域Ⅳ表示微生物代谢产物,荧光范围为x/m=(255~300)nm/ (<380)nm;区域Ⅴ表示类糖化蛋白物质,荧光范围为x/m=(255~300)nm/(>380)nm;区域Ⅵ表示可见光区类富里酸物质,荧光范围为x/m=(300~380)nm/ (>340)nm;区域Ⅶ表示类腐殖酸物质,荧光范围为x/m=(380~550)nm/(>420)nm.

1.2.4 分子量分布 采用LC-OCD进行SMP中分子量的检测和分析.液相色谱柱可将水中溶解性有机碳(DOC)分为两类物质:疏水性有机碳和亲水性有机碳,根据分子量大小和化学性质将亲水性有机碳分为5种物质,包括:Biopolymers,Humics,Building blocks,Low molecular weight acids,Low molecular weight neutrals[24].Hydrophobic DOC:疏水性有机碳, DOC留在液相色谱柱中的部分,表明与柱中材料有强大的疏水作用.Biopolymers:生物高聚物,为高分子亲水性物质,比如蛋白质和氨基糖(无腐殖质物质).Humics:与腐殖酸和富里酸标准物有相似结构和分子量物质.Building blocks:中分子前驱物,腐殖质的降解产物.Low molecular weight (LMW) neutrals:代表小分子中性物质,包括小分子醇类、醛类、酮类、糖类和小分子氨基酸.Low molecular weight (LMW) acids:代表小分子有机酸.

1.2.5 相关性分析 为表征SMP中有机物与TP浓度的关联性,应用灰色关联度分析法,以TP浓度、蛋白质、多糖和LC-OCD分析得到的不同分子量组成物建立一个灰色系统,计算TP浓度和其它指标之间的灰色关联度.

设1,2,···,x为个因素,各个因素的数据列分别为{1()},{2()},···,{x()},=1,2,···,.因素x对x的关联系数[25-26]为:

式中:ζ()为关联系数; Δ()为比较数列与参考数列各对应点的绝对差值;为分辨系数,一般取=0.5.在本研究中为1,2,···,7,=1,2,···,.

灰色关联度λ计算式为:

λ数值越大,表示比较序列对参考序列的影响就越大;不同关联度大小,反映比较序列对参考序列的影响程度.

2 结果与讨论

2.1 总磷与SMP组分含量变化

剩余污泥在厌氧过程有释磷现象发生,微生物细胞内的磷会释放到胞外,导致污泥上清液中磷含量增多.经检测,随着厌氧时间的延长,TP浓度先增大后略有减少(图1).原泥TP浓度为4.60mg/gVSS,厌氧0dTP浓度为4.75mg/gVSS,随着厌氧时间延长,上清液TP浓度不断增大,厌氧1d浓度为9.53mg/gVSS,是原泥的2.1倍;厌氧4d达到最大,为14.15mg/gVSS;厌氧4d后TP浓度不再增加,厌氧7dTP浓度下降了6%.这说明胞外磷含量的大小受厌氧时长的影响,在厌氧消化过程中存在最优磷释放时间.

EPS主要组分(蛋白质和多糖)随厌氧过程的变化情况如图1所示,可见蛋白质含量一直高于多糖含量,蛋白质与多糖比例在1.16~2.44间变动.原泥SMP中蛋白质含量(1.10mg/gVSS)略高于多糖含量(0.73mg/gVSS),在厌氧0d时,蛋白质含量减少到0.53mg/gVSS,多糖含量减少到0.46mg/gVSS,厌氧初期微生物处于饥饿状态,不断吸收胞外营养物质以维持体内新陈代谢活动[27].蛋白质、多糖含量随厌氧时间的延长均不断增大,厌氧1d蛋白质和多糖含量分别为1.70,0.70mg/gVSS,相对于厌氧0d分别增加了2.2倍和0.5倍,厌氧4d蛋白质和多糖含量分别为2.41,1.00mg/gVSS,相对于厌氧0d分别增加了3.5倍和1.2倍,厌氧7d蛋白质和多糖含量增加明显,分别为3.85,2.28mg/gVSS,相对于厌氧0d增加了3.32, 1.82mg/gVSS.在厌氧释磷过程中,SMP作为连接细胞和胞外水溶液的通道,离子转移过程需要更多蛋白质和能量[28],因此厌氧时间增长,蛋白质和多糖含量增大[29];在营养充足的厌氧初期,液相中的糖类可能被污泥絮体吸附并成为胞外多糖的一种[30];另一方面,随着厌氧时间的延长,微生物适宜的营养物质减少,微生物细胞死亡或自溶[31],细胞内的有机物释放到胞外,造成SMP中蛋白质和多糖含量增多.

厌氧过程中TP、蛋白质、多糖含量的变化规律与微生物的新陈代谢活动有一定的关系.厌氧环境中,剩余污泥中含有大量微生物,对磷的去除和回收有重要影响作用的微生物菌群主要为PAOs和聚糖菌(GAOs)[32-34],这两大菌团在厌氧条件下存在着对有机物底物的竞争关系[35],因此厌氧过程中磷的释放量也受到PAOs和GAOs的影响.GAOs的显著特点是可以进行糖类的累积[33],厌氧后期微生物大量死亡释放体内有机物质,多糖的大量增加可能与GAOs的代谢死亡有一定的联系.

图1 TP与SMP组分含量变化

2.2 SMP的三维荧光-PARAFAC特性分析

如图2所示,应用 Matlab软件运行PARAFAC程序,分析不同厌氧时间污泥SMP的三维荧光光谱,最终确定出2个荧光组分,分别是:组分1x/m= 250/425∈(x/m=(250~255/>380)),为紫外光区类富里酸物质,x/m=325/425∈(x/m=(380~550/>420))为类腐殖酸物质(如图2(a));组分2荧光峰为x/m=275/310(350)∈(x/m=(255~300/<380)),为微生物代谢产物(如图2(c)).

三维荧光图谱中颜色的变化表示其荧光强度大小发生变化.由图2可知,组分1紫外光区类富里酸物质和类腐殖酸物质的荧光强度随着厌氧时间的延长逐渐增大,组分2微生物代谢产物的荧光强度先增大后减小,厌氧4d荧光强度最大,说明此时微生物活动最为活跃,产生的代谢产物多.对比图1厌氧过程中TP浓度变化可见,在污泥厌氧消化过程中磷的释放伴随着类富里酸物质、类腐殖酸物质的产生及微生物的新陈代谢活动,当类富里酸物质和类腐殖酸物质增多时磷释放量减少,磷释放量随微生物的代谢活跃程度变化.

图2 SMP的PARAFAC组分分析

2.3 LC-OCD分析

厌氧过程中SMP有机碳相对信号分布见图3.结果显示生物高聚物(Biopolymers)在原泥、厌氧0d、厌氧1d和厌氧4d均无明显的出峰信号,厌氧7d出峰信号明显;腐殖酸类物质(Humics)和中分子前驱物(Building blocks)在原泥、厌氧0d、厌氧1d和厌氧4d相对信号均较弱,厌氧7d出峰信号增强;小分子中性有机物质(LMW-neutrals)和小分子有机酸(LMW-acids)均只在厌氧4d有明显的出峰信号,其它厌氧时间出峰信号较弱.以上现象表明污泥厌氧过程中SMP的DOC分子量分布确实有较大变化.

不同厌氧过程中LC-OCD分子量及占DOC的相对百分比如表1所示.原泥、厌氧0d和厌氧1d的DOC含量分别为31376,6882,8828×10-9,厌氧0d和厌氧1d相对原泥分别减少了78%和72%.厌氧初期是微生物对环境的适应期,微生物会以易得的有机物作为营养物质,导致胞外聚合物中DOC锐减,这与鲁文敏[28]的研究结果一致.厌氧4d的DOC含量增至110409×10-9,是厌氧1d的12.5倍,是原泥的3.5倍,原因可能是厌氧4d微生物进入快速生长阶段,代谢活跃,有大量代谢产物积累,同时伴随着微生物细胞破裂死亡,细胞体内有机物释放到胞外,导致胞外聚合物中有机物含量剧增.厌氧7d的DOC含量比厌氧4d减少了66%,原因可能是微生物充分利用和分解有机物,使其减少[36].

Hydrophobic DOC含量在厌氧4d达到最大,为16915×10-9,是原泥的8.6倍.Hydrophilic DOC中的Biopolymers含量从厌氧0d开始逐渐增加,这与2.1中蛋白质和多糖浓度随厌氧时间延长而不断增大的结果一致;Humics的含量变化规律与Biopolymers类似,厌氧7d含量最高,达到12571×10-9,是原泥的5.1倍;原泥的Building blocks含量为4069×10-9,厌氧0d时又减少到1908×10-9;小分子中性物质LMW- neutrals含量随着厌氧时间的延长呈现先减少后增多的趋势,原泥为22006×10-9,厌氧0d、厌氧1d分别降低为2826和147×10-9,厌氧4d增加到9982×10-9,厌氧7d浓度略有降低,厌氧初期微生物会以小分子有机物为优先选择的营养物质进行体内细胞物质的合成[37],因此LMW-neutrals浓度降低,由于大分子物质的水解作用[38-39]导致厌氧4dLMW-neutrals含量增大;LMW-acids在厌氧过程中含量很少甚至不能检出,但是在厌氧4d突增至59516×10-9,此时微生物代谢最为活跃,有可能是微生物代谢过程中产生的中间产物积累.Biopolymers、Humics和小分子中性物质的相对百分比呈现先减小后增大的趋势;中分子前驱物相对百分比先增大后减小.

图3 SMP的LC-OCD有机碳相对信号

表1 SMP的分子量分布

注:n.q.=不可量化(<1×10-9).

2.4 灰色关联度分析

SMP中蛋白质、多糖和LC-OCD分析中的分子量与TP的关联度及排序见表2.关联度排序为:蛋白质>多糖>Humics>Building blocks>Biopolymers> LMW-neutrals.其中蛋白质、多糖和Humics浓度与TP浓度的关联性大,其关联度均大于0.8,其次是Building blocks和LMW-neutrals,其关联度分别为0.7737和0.7373,小分子有机物对TP浓度的影响最小.可见,在污泥厌氧过程中需要关注SMP中蛋白质、多糖和腐殖酸的浓度变化,减少其对厌氧释磷的影响.

表2 TP与SMP中有机物的关联度和排序

3 结论

3.1 厌氧过程中,TP浓度呈现先增大后平稳的趋势,厌氧4dSMP中TP浓度(14.15mg/gVSS)最高,存在最优释磷时间;蛋白质和多糖浓度随着厌氧时间延长而不断增大,说明厌氧过程存在着蛋白质、多糖等物质由细胞内至细胞外的外排过程.

3.2 随着厌氧时间的延长,紫外光区类富里酸物质和腐殖酸物质荧光强度不断增加,微生物代谢产物荧光强度逐渐增大后减小,说明厌氧过程中存在微生物生长代谢最活跃的时期.

3.3 随着厌氧时间的延长,大分子有机物含量不断增加,中分子前驱物含量先增加后减小,小分子有机物含量先减小后增加,这与微生物细胞新陈代谢活跃程度和厌氧后期逐渐死亡有关.

3.4 SMP中有机物与TP的关联度大小为:蛋白质> 多糖> Humics> Building blocks> Biopolymers> LMW-neutrals.在厌氧预处理释磷过程中应关注蛋白质、多糖和腐殖酸类物质的含量变化,减少其对厌氧释磷的影响.

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Characteristics of phosphorus released and soluble microbial products in anaerobic conditions of sludge.

HU De-xiu*, ZHANG Yan, ZHU Ling, XIONG Jiang-long, LI Li

(State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)., 2018,38(8)：2974~2980

This study reported the variety of total phosphorus (TP), protein and polysaccharide of soluble microbial products (SMP) in excess sludge of anaerobic digestion process. Furthermore, the distribution of SMP components was studied by three-dimensional excitation-emission matrix spectra and liquid chromatography-organic carbon detection (LC-OCD) technology. The relationship between TP and components of SMP were also investigated by grey correlation degree. As anaerobic time went on, the concentration of protein and polysaccharide gradually increased, whereas TP concentration increased firstly and then decreased after its maximum level 14.15mg/gVSS reached at day 4, which indicated that there was an optimal time for phosphorus release in the sludge anaerobic process. The fluorescence intensity of fulvic acid-like and humic acid-like substances increased during the anaerobic period, but the fluorescence intensity of microbial metabolites increased first and then decreased. The high molecular weight substances contained by biopolymers and humics increased gradually, the middle molecular weight substances increased firstly and then decreased while the low molecular weight organics appeared an inverse tendency. The variation of protein, polysaccharide and Humics concentration showed a significant correlation with TP release.

anaerobic digestion；phosphorus release；SMP；three-dimensional excitation-emission matrix spectra；LC-OCD

X703.1

A

1000-6923(2018)08-2974-07

胡德秀(1973-),女,重庆涪陵人,副教授,博士,主要从事水工程风险与水污染控制方面的研究.发表论文20余篇.

2018-01-15

西北旱区生态水利工程国家重点实验室基金项目(2016ZZKT-8);水利水电学院国家级实验教学示范中心(西安理工大学)项目(WRHE1709)

*责任作者, 副教授, hudexiu@126.com