C/N比對厭氧顆粒污泥生理生化的影響

陳 晨,馬邕文,2*,萬金泉,2,黃明智,3 (.華南理工大學環(huán)境科學與工程學院,廣東 廣州 50006；2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東 廣州 50006；3.華南理工大學化學與化工學院,廣東 廣州 50006)

C/N比對厭氧顆粒污泥生理生化的影響

陳 晨1,馬邕文1,2*,萬金泉1,2,黃明智1,3(1.華南理工大學環(huán)境科學與工程學院,廣東 廣州 510006；2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東 廣州 510006；3.華南理工大學化學與化工學院,廣東 廣州 510006)

研究了進水的初始C/N對厭氧顆粒污泥發(fā)酵類型及產(chǎn)甲烷活性的影響.投加鉬酸鈉抑制產(chǎn)甲烷菌的一組實驗主要研究產(chǎn)酸階段C/N比對厭氧顆粒污泥的作用,發(fā)現(xiàn)初始C/N為12、56、156時,形成的是丁酸型發(fā)酵;當初始C/N為200時,可實現(xiàn)乙醇型發(fā)酵.不同的C/N比對產(chǎn)酸階段微生物的胞外聚合物也有一定的影響.隨著 C/N比的減少,胞外聚合物的總量、胞外多糖以及胞外蛋白質(zhì)都呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢,C/N比為56時達到最大值.未加鉬酸鈉的一組實驗研究了C/N比對產(chǎn)甲烷活性的影響,發(fā)現(xiàn)C/N比為200時有最高的COD去除率和產(chǎn)甲烷活性;隨著C/N比的減小胞外聚合物的總量先減少后增加,厭氧顆粒污泥胞外聚合物在C/N比為200時總量達到最大值.在C/N比為156時胞外蛋白質(zhì)達到最大值.通過紅外光譜發(fā)現(xiàn),C/N比對厭氧顆粒污泥表面基團也有一定的影響,C/N比為200時,出現(xiàn)1350～1260cm-1波段的峰.其他3種C/N比下無該波段的峰.

厭氧顆粒污泥；C/N；發(fā)酵類型；產(chǎn)甲烷活性；胞外聚合物

上流式厭氧反應(yīng)器處理廢水以及資源化效果與厭氧顆粒污泥活性有直接的關(guān)系[1-3].我國厭氧處理工藝開發(fā)的水平和國外仍然存在一定的差距[4-7].

不同的培養(yǎng)條件對厭氧顆粒污泥的生理生化特性有著顯著的影響,而厭氧顆粒污泥的生理生化直接影響厭氧處理效果.厭氧反應(yīng)器處理效果好主要體現(xiàn)在2個方面,一是反應(yīng)器內(nèi)無酸化現(xiàn)象,即無丙酸,丁酸等積累.二是反應(yīng)器內(nèi)厭氧顆粒污泥產(chǎn)甲烷活性高,出水 COD低.產(chǎn)酸階段包括不同的發(fā)酵類型——乙醇型發(fā)酵、丁酸型發(fā)酵、丙酸型發(fā)酵和混合酸型發(fā)酵[8],由于乙醇相對于丙酸、丁酸最易轉(zhuǎn)化成乙酸,有利于產(chǎn)甲烷菌生長,提高產(chǎn)甲烷活性,同時又是中性物質(zhì),能避免反應(yīng)器酸化,因此乙醇型發(fā)酵是最佳的產(chǎn)酸發(fā)酵類型.研究表明,C/N比可以影響發(fā)酵類型的改變[16],且C/N比是比較容易控制的生態(tài)因子.因此本文研究通過控制進水初始C/N比的大小,來研究厭氧顆粒泥污在不同 C/N下的生理生化的變化,特別是產(chǎn)酸階段發(fā)酵產(chǎn)物的種類和組分,從而找到最適C/N比,避免反應(yīng)器酸化和提高產(chǎn)甲烷量,更大可能實現(xiàn)廢水處理資源化.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與運行方法

取8支250mL的厭氧反應(yīng)瓶(帶塞的錐形瓶),每只厭氧反應(yīng)瓶中投加100mL IC厭氧反應(yīng)器(穩(wěn)定運行)內(nèi)的厭氧顆粒污泥做間歇實驗,8支厭氧反應(yīng)瓶分為2組,每組4個,每組進水除了C/N比不同,其他的主要元素,如鉀,磷等,以及微量元素均相同.其中一組, 4個厭氧反應(yīng)瓶內(nèi)加入以上元素外,進水另外投加鉬酸鈉溶液,使厭氧反應(yīng)瓶內(nèi)鉬酸鈉濃度為 2mmol/L,用于抑制產(chǎn)甲烷菌[9],觀察水解產(chǎn)酸菌在不同 C/N比下的生理生化特性,稱Ⅰ組,未加鉬酸鈉溶液的一組則用于不同進水C/N比下產(chǎn)甲烷活性的研究,稱Ⅱ組.8支厭氧反應(yīng)瓶均密封后置于 30℃恒溫搖床中進行實驗,實驗運行方式:瞬間進水-反應(yīng)(8h)-出水(在厭氧操作箱里人工倒出)-靜置,這4個進程共用24h.

1.2 進水水質(zhì)

Ⅰ組和Ⅱ組進水按表 1進行配制,8只厭氧反應(yīng)瓶進水130mL,主要元素在120mL水中配制成表1中的濃度,微量元素每組加入10mL.不同的C/N比通過葡萄糖和氯化銨配制,保持120mL水中加入0.3g葡萄糖(COD約為2500mg/L),分別稱取氯化銨 0.038、0.008、0.003、0.002g配制C/N質(zhì)量比為12、56、156、200.

表1 人工進水成份Table 1 Characteristics of synthetic influent

1.3 分析方法

COD采用COD消解儀(型號XJ-III,廠家西化儀(北京)科技有限公司)測定;胞外聚合物采用稀硫酸法提取[10],分別采用苯酚-硫酸法和考馬斯亮藍法測定胞外聚合物中多糖和蛋白質(zhì)[11];SS和VSS采用重量法測定;pH值采用pH計測定(型號PHS-3C,廠家深圳市卡迪亞科技有限公司);污泥的最大比產(chǎn)甲烷活性表示厭氧顆粒污泥活性,采用排水法測定;VFA的組分與種類采用采用安捷倫Angilent 6 890N氣相色譜儀測定[12-13],樣品15000r/min離心10min,上清液甲酸酸化至pH＜2,取上清液微濾,進樣分析,色譜柱 DB2WAX,FID檢測器,進樣口溫度200℃,檢測器250℃,柱溫初始溫度60℃保持2min,程序升溫10℃/min,升溫至180℃保持2min;顆粒污泥表面特征采用掃描電鏡分析[14-15],掃描電鏡樣品制備方法:厭氧顆粒污泥,用2.5%磷酸緩沖戊二醛固定液在4℃黑暗中固定24h,然后用30%、50%、70%、80%、90%和100%乙醇依次脫水10min后自然干燥、鍍金觀察;顆粒污泥表面基團采用 NEXUS 670型傅立葉變換紅外光譜儀分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 Ⅰ組C/N比對厭氧顆粒污泥的影響

2.1.1 Ⅰ組不同C/N比下出水COD的變化情況 由圖1可以看出,加入鉬酸鈉抑制劑的厭氧反應(yīng)瓶內(nèi)的 COD去除率比較低,厭氧反應(yīng)瓶運行 20d,在第 8d達到穩(wěn)定,穩(wěn)定后,C/N比為200,156,56,12時 COD去除率分別為為 19%～27%,25%～34%,24%～29%,23%～28%.

圖1 Ⅰ組不同C/N比與COD去除的關(guān)系Fig.1 The realationship between different C/N ratio and removal of influent COD inⅠgroup

表2 Ⅰ組不同C/N比下產(chǎn)酸階段VFA的變化情況(%)Table 2 The changes of the volatile fatty acid during acidification period under different of C/N ratio in Ⅰgroup (%)

圖2 I組不同C/N比與厭氧瓶內(nèi)pH值的關(guān)系Fig.2 The realationship of different C/N ratio and pH of anaerobic bottle inⅠgroup

2.1.2 Ⅰ組不同 C/N 比下產(chǎn)酸發(fā)酵類型變化 由表2可以看出,C/N比為200時主要發(fā)酵

產(chǎn)物為乙醇和乙酸,形成乙醇型發(fā)酵.C/N比為156,56,12時主要產(chǎn)物為丁酸和乙酸,形成丁酸型發(fā)酵.圖2可以看出,厭氧瓶內(nèi)的pH值(運行穩(wěn)定后瓶內(nèi)pH值的平均值)隨著C/N比的升高,呈現(xiàn)出先降低后增高的趨勢.C/N比為 200,156,56,12瓶內(nèi)的pH值分別為5.3、4.7、4.5、4.6.

2.1.3 Ⅰ組不同C/N比對產(chǎn)酸微生物表面特征及EPS的影響

圖3 Ⅰ組不同C/N比下厭氧顆粒污泥表面特征Fig.3 The surface features of anaerobic granular sludge under the different C/N ratio in Ⅰgroup

圖4 Ⅰ組不同C/N與顆粒污泥EPS的關(guān)系Fig.4 The realationship between different C/N ratio and EPS of anaerobic granular sludge inⅠgroup

C/N比為200,156,56,12時胞外聚合物中多糖含量分別 17.23,23.98,31.09,25.12mg/gMLSS,蛋白質(zhì)含量分別為 2.77,3.02,6.57,2.92mg/ gMLSS.圖3說明,不同C/N比情況下,產(chǎn)酸階段厭氧顆粒污泥有明顯的表面特征變化.C/N比為56時表面緊實,通道與孔隙少.C/N比為 200,156,12時較疏松.由圖4可以看出,隨著C/N比的降低,胞外聚合物的總量,多糖含量,蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,C/N比為56時,胞外聚合物的總量、多糖、蛋白質(zhì)都達到最大值.

2.2 Ⅱ組C/N比對厭氧顆粒污泥的影響

2.2.1 C/N比對厭氧顆粒污泥去除 COD的影響 由圖5可以看出,Ⅱ組厭氧反應(yīng)瓶運行20d,第 10d達到穩(wěn)定,C/N比為 200,156,56,12時的COD去除率分別為 87%～92%,80%～85%,79%～82%,82%～88%,產(chǎn)甲烷活性分別為 523.99,274.1, 250.78,320.73 gCODCH4/(g VSS·d),C/N比為200時有最高的產(chǎn)甲烷活性.

圖5 Ⅱ組不同C/N比與去除COD的關(guān)系Fig.5 The realationship between different C/N ratio and removal of influent COD inⅡgroup

圖6 Ⅱ組不同C/N表下厭氧顆粒污泥表面特征Fig.6 The surface features of anaerobic granular sludge under the different C/N ratio in Ⅱgroup

2.2.2 C/N比對微生物表面特征及 EPS的影響 從圖6可以看出，C/N比為156時厭氧顆粒污泥最緊實.C/N比為200,56,12時較疏松.

由圖7可以看出，Ⅱ組胞外聚合物總量,隨首C/N比的降低先減少后增加,C/N比為200時胞外聚合物總量達到最大值,C/N為156時厭氧粒污泥的胞外聚合物中蛋白質(zhì)的含量最高.C/N比為 200,156,56,12胞外多糖含量分別為 38.30, 29.09,25.44,28.20mg/gMLSS,蛋白質(zhì)分別為4.01, 9.12,4.56,5.79mg/gMLSS.

圖7 Ⅱ組不同C/N與顆粒污泥EPS的關(guān)系Fig.7 The realationship between different C/N ratio and EPS of anaerobic granular sludge inⅡgroup

2.2.3 C/N 比對厭氧顆粒污泥表面基團的影響 圖8顯示,不同C/N比下1350～1260cm-1波段發(fā)生了變化,在 C/N比為 200時出現(xiàn)了 1350～1260cm-1波段的峰,該波段是醇的特征峰.而其他3種 C/N比下無此波段的特征峰.不同 C/N比下,1350～1260cm-1波段外,其他波段峰基本相同[20].

表3 IR觀察到的主要基團Table 3 Main functional groups observed in IR spectra

圖8 不同C/N比下顆粒污泥表面基團紅外分析結(jié)果Fig.8 FTIR spectra of functional group of surface of anaerobic granular sludge at various phenol concentration

3 討論

3.1 C/N比對Ⅰ組厭氧顆粒污泥的影響

3.1.1 C/N比對厭氧顆粒污泥的影響 Ⅰ組投加了鉬酸鈉,對產(chǎn)甲烷菌有抑制作用,該階段主要優(yōu)勢種群是產(chǎn)酸菌,在這個過程中,由于底物氧化不徹底,葡萄糖被降解為醇類以及有機酸,大部分能量依然留在發(fā)酵產(chǎn)物中,故產(chǎn)能效率低并且COD去除率也較低.基本無甲烷氣體產(chǎn)生.C/N比為200時去除率最低,這是因為,一方面氮源的不足對產(chǎn)酸細菌的生長產(chǎn)生了一定影響,從進水中獲取有機物的量減少導致 COD去除率低,另一方面低氮的情況下,厭氧微生物細胞合成代謝處于低水平,因此對有機物的降解也處于低水平導致COD去除率低.隨著C/N比的降低,COD去除率有所升高,C/N比為156時達到最高,之后又有所下降,可能是較高的氨氮含量對微生物有一定的抑制作用.

3.1.2 不同C/N比下產(chǎn)酸發(fā)酵類型變化 C/N比為200時,形成乙醇型發(fā)酵,這與任南琪[13]的研究一致,而乙醇型發(fā)酵過程中由于物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化高度平衡,實現(xiàn)乙醇型發(fā)酵需要細胞合成代謝處于低水平,當進水含氮量很低時,恰好使厭氧微生物的細胞代謝處于較低的水平,有利于實現(xiàn)乙醇型發(fā)酵.過剩的N源物質(zhì)進一步促進了微生物細胞的合成代謝,而丁酸型發(fā)酵過程中產(chǎn)生過多的NADH(還原型輔酶Ⅰ),使得合成代謝水平處于較高的水平.因此當?shù)睾刻岣邥r,發(fā)酵類型轉(zhuǎn)化成丁酸型,這也是微生物種群維持“內(nèi)平衡”的適應(yīng)性結(jié)果.乙醇型發(fā)酵產(chǎn)物之一是乙醇,為中性,所以反應(yīng)瓶內(nèi)的pH值較其他3種C/N比時高一些.

3.1.3 不同 C/N 比對產(chǎn)酸微生物表面特征及EPS的影響 不同的進水C/N比,即不同的基質(zhì)會影響微生物胞外聚合物的含量,C/N比為56時有最高的胞外聚合物含量,胞外聚合物的來源有4 種[17]:細胞的分泌物、脫落的細胞表面物質(zhì)、細胞自溶物以及從環(huán)境中吸附的物質(zhì).本實驗中,實驗進水水質(zhì)相似,所以從環(huán)境中吸附的物質(zhì)不是EPS變化的主要原因.C/N比為200時由于微生物代謝水平低,所以細胞分泌物少,形成胞外聚合物也是最低的,在實驗過程中發(fā)現(xiàn) C/N比為200的污泥解體程度最大,這又加速了胞外聚合物溶解在水中而導致厭氧顆粒污泥胞外聚合物含量最低.C/N比為156,56,12時細胞代謝水平高,因此胞外聚合物含量比C/N比為200時的高,由于細胞分泌物質(zhì)較多以及最適投加銨量的協(xié)同結(jié)果導致C/N比為56時外聚合物含量最高,C/N比為56時胞外聚合物中的蛋白質(zhì)含量也是最高,因此疏水性能好,所以沉降性和絮凝性好.且在實驗中C/N比為56的污泥沉降效果最好,從掃描電鏡也可以看出污泥表面緊實.

3.2 C/N比對Ⅱ組厭氧顆粒污泥的影響

3.2.1 C/N比對厭氧顆粒污泥去除 COD的影響 C/N比為200時COD去除率最高,這是由2方面因素造成的,一方面C/N比為200時產(chǎn)酸階段為乙醇型發(fā)酵,該類型產(chǎn)物相對丙酸,丁酸容易轉(zhuǎn)化為乙酸,甲烷菌只能利用一碳化合物和乙酸,因此乙醇型發(fā)酵能夠促進產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷,從而提高 COD去除率.另一方面該類型發(fā)酵產(chǎn)物無轉(zhuǎn)化為丙酸的可能性,不易造成丙酸積累,乙醇屬于又中性物質(zhì),因此反應(yīng)器不會造成酸化現(xiàn)象,可為產(chǎn)甲烷菌提供有利的生長環(huán)境,因此具有最高的COD去除率和產(chǎn)甲烷活性.

其他3種C/N比下形成丁酸型發(fā)酵,COD去除率較低,但是C/N比為12時產(chǎn)乙酸量相對于C/N比為156和56時高,因此相對有較高的COD去除率和產(chǎn)甲烷活性.

3.2.2 C/N比對厭氧顆粒污泥表面特征以及EPS的影響 此時胞外聚合物含量最高,主要是多糖含量高,這與產(chǎn)酸階段不同,可能由于 C/N比200時為產(chǎn)甲烷菌提供了較好的生存環(huán)境,產(chǎn)甲烷菌生長最好,產(chǎn)生的細胞分泌物多糖也最多.但仍然可以看出C/N比為200時，胞外聚合物中蛋白質(zhì)含量最低,這是當水中無氨基酸時,可以通過糖類物質(zhì)的代謝中間產(chǎn)物和吸收溶液中的銨來合成氨基酸,形成胞外聚合物中的蛋白質(zhì),C/N比為200時水中銨的含量較少,因此胞外聚合物中蛋白質(zhì)的含量較少,所以 C/N比為200時掃描電鏡顯示出厭氧顆粒表面疏松.C/N比為 56時有胞外聚合物的含量最低,是由于產(chǎn)甲烷菌活性最差導致的.C/N比為156時胞外聚合物中蛋白質(zhì)含量最高,因為此時氮素的含量最有利于細胞合成分泌蛋白質(zhì).此時厭氧顆粒污泥表面最緊實,這是由于胞外蛋白質(zhì)含量高,疏水性好導致[18-19].

3.2.3 不同C/N比下厭氧顆粒污泥表面基團的變化情況 C/N比為 200時出現(xiàn)了 1350～1260波段的峰,而其他3種C/N比在此波段無峰,此波段的峰是醇的特征峰,這是由于C/N比為200時產(chǎn)乙醇導致的.由于培養(yǎng)條件基本相同,其他波數(shù)段厭氧顆粒污泥含有的基團大致相同.

將C/N比做為可控生態(tài)因子,通過對厭氧顆粒污泥生理生化的影響的研究,用來進一步提高厭氧反應(yīng)器處理效果是簡單可行的.

4 結(jié)論

4.1 初始C/N在200時,可實現(xiàn)乙醇型發(fā)酵,能有效避免反應(yīng)器酸化,提高產(chǎn)甲烷率和出水 COD去除率.

4.2 不同的C/N比對微生物的胞外聚合物也有一定的影響,表現(xiàn)在胞外多糖和蛋白質(zhì)的含量不同,從而顆粒污泥表面特征發(fā)生變化,并且也對污泥的沉降性有一定的影響.對不同的C/N比培養(yǎng)的厭氧顆粒污泥進行掃描電鏡觀察,微生物群落表面特征不同,主要表現(xiàn)在緊實度不同.

4.3 通過紅外光譜發(fā)現(xiàn),C/N比對厭氧顆粒污泥表面基團也有一定的影響,C/N比為200時,出現(xiàn)1350～1260cm-1波段的峰,該波段為醇的特征峰.

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Effects of C /N ratio on physiological biochemical characteristics of anaerobic granular sludge.

CHEN Chen1, MA Yong-wen1,2*, WAN Jin-quan1,2, HUANG Ming-zhi1,3(1.College of Environmental Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China；2.National Key Laboratory of Guangzhou of Pulping and Papermaking Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China； 3.Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：478～484

Eeffects of initial influent carbon-nitrogen ratio on fermentative types and methanogenic activity of anaerobic granular sludge were studied using the group of experiment which adding molybdate to restrain the activity of methanogens to study the effect of C/N ratio on anaerobic granular sludge during the acidification period, when the initial C/N ratio was 12,56,156,the type of fermentation was butyric acid type fermentation and when the initial C/N ratio was 200, forming ethanol type fermentation. Different C/N ratio had influence on EPS of anaerobic granular sludge during acidification period. With the C/N ratio decreased, the total amount of EPS, extracellular polysaccharide and extracellular proteins had shown a decreasing trend after the first increase, reaching maximum when C/N ratio was 56. Using the group of experiment which did not add molybdate to study the effect of methanogenic activity of anaerobic granular sludge, it had the highest COD removal efficiency and methanogenic activity when C/N ratio was 200. With the C/N ratio decreased, the total amount of EPS had shown a increasing trend after the first decrease .The total amount of EPS reached maximum when C/N ratio was 200 and the extracellular proteins reached maximum when C/N ratio was 156. The analysis of functional group of surface of anaerobic granular sludge with Fourier transform infrared dspectrometry showed when C/N ratio was 200, there was 1350～1260 band peak. The other three C/N ratio had no 1350～1260 band peaks.

anaerobic granular sludge；C/N；fermentative types；methanogenic activity；extracellular polymeric substance (EPS)

X703

A

1000-6923(2012)03-0478-07

2011-05-26

廣東省節(jié)能減排重大專項(2008A080800003);廣東省自然科學基金(S2011040000389);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(2011ZM0049)

* 責任作者, 教授, ppywma@scut.edu.cn

陳 晨(1988-),女,安徽六安人,華南理工大學碩士研究生,主要從事水污染控制的研究.發(fā)表論文1篇.