外源AHLs信号分子对好氧颗粒污泥稳定性的影响

宋志伟，邓文静，郑 欢，谷新宇

(1.黑龙江科技大学 教务处， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 环境与化工学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

好氧颗粒污泥(Aerobic granular sludge，AGS)具有污泥浓度高、沉降性优异、能够同步脱氮除磷等优点[1]，然而，AGS在运行过程中颗粒易解体、破碎，导致出水水质波动，微生物功能紊乱，AGS系统崩溃，极大地限制了好氧颗粒污泥技术的应用与推广[2]。因此，提高好氧颗粒污泥的稳定性，可以突破好氧颗粒污泥技术的瓶颈问题，为推动高效低耗废水处理技术的发展提供理论基础。

近年来研究发现，微生物群体感应(Quorum sensing，QS)能够通过分泌、积累和感知信号分子指导微生物行为，有利于好氧颗粒污泥的形成与稳定[3]。Zhang等[4]的研究表明，在菌藻颗粒污泥和好氧颗粒污泥中都检测到了AHLs(N-acyl homoserinelactonase)信号分子，且其含量在成熟期有所增多，稳定期有所下降，说明AHLs信号分子与颗粒污泥的成熟与稳定具有相关性，有助于维持好氧颗粒污泥的稳定结构。徐雪冬[5]在碳氮比为15的条件下培养好氧颗粒污泥，结果表明，C10-HSL、C12-HSL及C14-HSL为AGS生长过程中的主要信号分子，有利于好氧颗粒污泥的形成与稳定[5]。上述研究表明，AHLs在好氧颗粒污泥生长过程中起重要作用，但无法明确外源AHLs信号分子对好氧颗粒污泥稳定性的影响，未能解决好氧颗粒污泥运行过程中失稳的问题。

笔者通过投加3种AHLs信号分子的方式，干预好氧颗粒污泥系统中的群体感应效应，监测反应过程中颗粒污泥粒径、沉降性、出水水质及EPS质量分数的变化，探究AHLs信号分子对好氧颗粒污泥稳定性的影响，研发调控好氧污泥颗粒稳定性的方法，突破制约好氧颗粒污泥技术应用的瓶颈问题。

1 材料与方法

1.1 实验装置

采用自制的气升式内循环序批式反应器(Sequencing batch airlift reactor，SBAR)，内管直径6 cm，高90 cm。外管直径8 cm，高120 cm，有效体积5 L。反应器内、外壁为有机玻璃，配有水浴控温夹层，反应期间的温度控制在30 ℃左右。内管底部置有曝气装置，由真空泵供气，曝气量由气体转子流量计控制，为0.32 m3/h。运行方式为序批式连续运行，体积交换率为50%，SBAR实验装置示意图如图1所示。

图1 SBAR实验装置Fig. 1 Schematic of SBAR Installation

1.2 实验材料

接种污泥为取自哈尔滨市百威啤酒厂中啤酒废水处理二沉池中的絮状污泥。污泥呈褐色，颗粒平均粒径为0.051 mm，混合液悬浮固体质量浓度(MLSS)6 542 mg/L，污泥体积指数(SVI30)为149.8 mL/g。

信号分子：N-decanoyl-L-Homoserine lactone(C10-HSL)、N-dodecanoyl-L-Homoserine lactone(C12-HSL)、N-tetradecanoyl-L-Homoserine lactone(C14-HSL)。

1.3 实验方法

同步运行4组相同结构SBAR反应器，分别为R1、R2、R3和R4。其中R1作为空白对照组，在反应器中颗粒污泥达到成熟期(20 d)时，分别向R2、R3和R4中投加C10-HSL、C12-HSL和C14-HSL信号分子。

投加方式：3种信号分子均采用外源投加的方式，随进水进入反应器内，连续投加至反应结束。投加浓度为50 nmol/L。

反应器运行条件：运行周期6 h，包括进水、曝气、沉降及排水4个阶段，由PLC控制器进行控制，其中，进水5 min，曝气340 min，沉降15 min，排水5 min。随着好氧颗粒污泥沉降性能的提高，沉降时间从15 min逐渐降低至5 min，曝气时间相应增加。反应器运行时间90 d。

1.4 分析方法

2 结果与讨论

2.1 AHLs对粒径的影响

为探究信号分子对好氧颗粒污泥粒径的影响，定期采用激光粒度分布仪测定不同时期好氧颗粒污泥的粒径大小，图2为运行过程中颗粒的变化情况。图中每组数据从左至右分别代表R1、R2、R3和R4中不同粒径颗粒占比。

图2 运行过程中颗粒粒径的变化情况Fig. 2 Variations of particles size during operation

由图2可知，接种污泥99%以上的粒径小于0.2 mm，随着反应的进行，4个反应器中的污泥不断生长，粒径逐渐增大，在20 d时，R1、R2、R3及R4中大于0.2 mm的颗粒占比分别上升至54.6%、56.3%、52.4%和57.6%，此时好氧颗粒污泥进入成熟期。

在20～60 d期间，4个反应器中颗粒污泥粒径均有所增长；70 d时，R1和R2中的好氧颗粒污泥粒径急剧减小，小于0.2 mm的颗粒占比分别增至64.8%和47.3%，颗粒污泥出现解体现象；而R3和R4中好氧颗粒污泥的粒径仍保持稳定的增大趋势，在70 d时，R3中污泥粒径大于0.2 mm的颗粒占比72.5%，R4中污泥粒径大于0.2 mm的颗粒占比69.0%。

反应运行到90 d时，R1和R2中的颗粒污泥几乎全部解体，粒径小于0.2 mm颗粒分别达到96.3%和65.0%；R3中大于0.2 mm的颗粒占65.7%，1.0～2.0 mm的颗粒占16.8%，其好氧颗粒污泥仍保持完整的颗粒结构；R4中的颗粒污泥从80 d开始出现部分解体现象，小于0.2 mm的颗粒占比骤增，并且0.2～0.6 mm和0.6～1.0 mm的颗粒均有减少，由70 d时的29.2%和25.5%降至90 d时的22.8%和13.4%，小于0.2 mm的颗粒占比高达55.3%。

综上可知，外源AHLs信号分子对好氧颗粒污泥的粒径影响显著，投加C12-HSL的R3中小于0.2 mm的粒径仅占34.3%，粒径增长情况最好，直至反应结束也保持着较大的颗粒结构，未出现解体现象，表明C12-HSL信号分子能够促进AGS中微生物的聚集，可以保持其完整的颗粒结构，从而维持颗粒污泥的稳定。

2.2 AHLs对沉降性的影响

成熟的好氧颗粒污泥生物含量丰富，污泥浓度高，易于泥水分离。为探究外源AHLs对AGS沉降性能的影响，定期检测4个反应器中好氧颗粒污泥的SVI值，结果见图3。

图3 污泥体积指数的变化Fig. 3 Variations of sludge volume index

由图3可知，接种的活性污泥SVI值为149.8 mL/g。0～20 d时，污泥粒径不断增大，沉降性逐渐改善，20 d时各反应器中颗粒污泥均达到成熟，SVI值降至26.9、23.4、30.1和29.0 mL/g；20～50 d内，4个反应器中颗粒污泥的SVI值变化趋势大致相同，稳定在11.8～24.2 mL/g之间，R1、R2、R3和R4组分别在40、35、40和35 d降到最低，对应的SVI值为13.7、12.0、11.8和14.5 mL/g；随着颗粒污泥的部分解体、污泥的流失，R1中颗粒污泥的沉降性从第55 d开始变差，在90 d时SVI值升高至172.3 mL/g；R2中的SVI值同样在第55 d时开始升高，但低于R1组，在90 d时达到97.3 mL/g；R3中的好氧颗粒污泥直至实验结束也保持着优异的沉降性能，SVI值基本趋于平稳，在90 d时为14.6 mL/g；R4中的颗粒污泥在80 d时SVI值升高，沉降性变差，在90 d时为66.6 mL/g。

结果表明，未投加信号分子的R1中的好氧颗粒污泥在反应运行至60 d失去其良好的沉降性能，投加C10-HSL信号分子的颗粒污泥沉降性相较于R1偏好，但在65 d也出现了SVI值升高的情况，投加C14-HSL的颗粒污泥在90 d时SVI值为66.6 mL/g，而投加C12-HSL的颗粒污泥在反应结束时SVI值稳定在14.6～21.0 mL/g之间，表明外源C12-HSL信号分子有利于好氧颗粒污泥维持其优异的沉降性能。

2.3 AHLs对污染物降解性能的影响

2.3.1 AHLs对CODCr去除效果的影响

为探究AHLs对好氧颗粒污泥CODCr去除效果的影响，定期对4个反应器进、出水CODCr进行检测，各反应器中好氧颗粒污泥对CODCr去除率的变化见图4。

图4 CODCr的去除率Fig. 4 Removal ratio of CODCr

由图4可知，反应初期，各反应器中的好氧颗粒污泥对CODCr的去除率变化趋势相似，在0～15 d时，颗粒污泥对CODCr的去除率都有所降低，这是由于反应前期污泥浓度低，污泥粒径小导致的，污泥经过一段时间生长后，对CODCr的去除能力也逐渐增强，在20～55 d期间趋于稳定，R1、R2、R3和R4分别在89.1%、89.9%、93.5%和92.2%左右。55 d后，空白对照组R1和添加C10-HSL信号分子的颗粒污泥对CODCr的去除率大幅度降低，分别降至45.0%和52.0%，远低于接种污泥的75.2%；而添加C14-HSL信号分子的R4在55～80 d期间去除率在88.7%～92.0%范围内略有波动，但在80～90 d，对CODCr的去除率逐渐降低至71.0%；而添加了C12-HSL信号分子的颗粒污泥在20～90 d之间，颗粒污泥始终保持优异的降解CODCr的能力，去除率维持在90.7%～94.7%。

分析可知，外源C12-HSL信号分子有利于维持好氧颗粒污泥降解性能的稳定，且能够促进颗粒污泥对污染物降解能力的提高，CODCr去除率稳定在90.7%～94.7%之间。

图N的去除率 N

2.3.3 AHLs对TP去除效果的影响

为探究AHLs对好氧颗粒污泥TP去除效果的影响，定期对4个反应器进、出水TP进行检测，各反应器中好氧颗粒污泥对TP去除率的变化见图6。

图6 TP的去除率Fig. 6 Removal ratio of TP

由图6可知，接种污泥有着较良好的降解TP的性能，为77.5%。在0～20 d，各反应器中的好氧颗粒污泥对TP的去除率变化趋势相似，在反应初始阶段，TP的去除率都有所降低，随着反应的进行，好氧颗粒污泥对TP的去除能力逐渐增强，除R1外，R2、R3和R4对TP的去除率在20～60 d内基本保持稳定，在85.0%～93.2%之间，空白对照组R1从50 d起，TP去除率呈现大幅度波动下降趋势，在反应结束时TP去除率仅有40.0%；添加C10-HSL信号分子的R2组，在65 d后TP去除率大幅度降低，在第90 d降至44.8%；在80 d时，添加C14-HSL信号分子的R4组对TP的降解能力下降，去除率逐渐降低至71.0%；而添加C12-HSL信号分子的R3组，直至反应结束时仍有优异的降解TP的能力，去除率为92.8%。

分析可知，AHLs对好氧颗粒污泥污染物降解能力有一定的影响，外源C12-HSL信号分子对好氧颗粒污泥去除TP有促进作用，有利于好氧颗粒污泥系统的稳定运行。

2.4 AHLs对EPS的影响

为探究AHLs对好氧颗粒污泥EPS的影响，定期对4个反应器中EPS组分及其质量分数进行检测，结果如图7所示。

图7 EPS、LB-EPS及TB-EPS质量分数变化Fig. 7 Variations of EPS,LB-EPS and TB-EPS during granulation

由图7可知，在0～45 d期间，4个反应器中的好氧颗粒污泥分泌EPS的质量分数变化趋势相似，呈增长趋势，在45 d时，4个反应器中EPS质量分数分别由0 d的63.25 mg/g增长至97.09、102.90、120.78和118.93 mg/g。在45 d后，各反应器中颗粒污泥分泌EPS的质量分数有明显差异，空白对照组R1中污泥分泌EPS的质量分数逐渐减少，在90 d时，EPS质量分数减少至53.11 mg/g；添加C10-HSL的R2中，EPS质量分数不断增长，在58 d时达到峰值109.18 mg/g，但58 d后，颗粒污泥分泌EPS的质量分数逐渐减少，在反应结束时为60.29 mg/g；而添加C12-HSL的R3中，EPS质量分数在60～90 d内较为稳定，维持在120.00 mg/g左右，并在90 d时达到峰值123.92 mg/g；R4中，可见EPS质量分数在45～70 d内稳定在117.16～118.93 mg/g之间，但在70 d后，EPS质量分数也开始减少，在反应结束时为97.06 mg/g。

接种污泥的TB-EPS和LB-EPS分别为29.36和33.89 mg/g，随着反应的运行，R1中TB-EPS质量分数的增长速度大于LB-EPS，在45 d时达到峰值53.52 mg/g，而此时LB-EPS质量分数为39.00 mg/g，之后R1中EPS总量下降，但TB-EPS质量分数仍大于LB-EPS；与R1相似，在0～58 d内，R2中的LB-EPS呈缓慢增长趋势，而TB-EPS增长较快，在58 d时LB-EPS和TB-EPS都达到峰值，分别为52.49和56.69 mg/g；R3中的LB-EPS和TB-EPS在0～45 d内呈稳定增长趋势，在45 d升至52.97和67.81 mg/g，至反应结束时，LB-EPS和TB-EPS基本稳定，其中LB-EPS质量分数为(52±2) mg/g，TB-EPS质量分数为(69±3) mg/g；R4中的LB-EPS和TB-EPS在0～45 d内总体呈稳定增长趋势，与其他3组反应器不同的是，R4中的LB-EPS和TB-EPS质量分数在0～45 d内稳定增长，在45 d时分别为57.09、61.84 mg/g，而在45～90 d内，LB-EPS和TB-EPS质量分数均呈波动下降趋势。

综上可知，4个反应器中EPS质量分数变化有显著差异，在90 d时，R1、R2、R3和R4中EPS质量分数分别为53.11、60.29、123.92和97.06 mg/g，且成熟的颗粒污泥分泌的TB-EPS质量分数均大于LB-EPS，说明AHLs信号分子可以促进好氧颗粒污泥分泌EPS，尤其对TB-EPS的促进作用更明显，C12-HSL可以促进好氧颗粒污泥在污泥成熟期和稳定期分泌大量的EPS，进而维持好氧颗粒污泥的稳定性。结合好氧颗粒污泥的粒径、SVI值及出水水质变化情况，可知好氧颗粒污泥分泌的EPS对AGS的生长与稳定有重要作用，且较高的EPS质量分数有利于颗粒污泥保持稳定，其中，TB-EPS是好氧颗粒污泥生长和稳定的重要物质，这与文献[8]的研究结果一致。

3 结 论

(1)AHLs对好氧颗粒污泥稳定性有显著影响。投加C12-HSL的好氧颗粒污泥能够保持较大的颗粒粒径、优异的沉降性能和较高的污染物降解性能，说明外源C12-HSL有利于好氧颗粒污泥维持其稳定性，而空白对照组R1和投加C10-HSL、C14-HSL的R2和R4中的颗粒污泥分别在65、70和80 d解体。

(2)AHLs信号分子对好氧颗粒污泥EPS有显著影响。反应结束时，R3中EPS质量分数为123.92 mg/g，高于R1、R2和R4，表明C12-HSL信号分子可促进好氧颗粒污泥EPS的分泌，有利于颗粒维持其形态完整，其中TB-EPS是形成好氧颗粒污泥及维持其稳定性的重要因素。