鐵離子分布規(guī)律及其對MBR微生物代謝產(chǎn)物的影響

張海豐，于海歡，問志勇，姜　鋒

(東北電力大學化工學院，吉林　132012)

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鐵離子分布規(guī)律及其對MBR微生物代謝產(chǎn)物的影響

張海豐，于海歡，問志勇，姜鋒

(東北電力大學化工學院，吉林132012)

以進水中含有10 mg/L FeCl3的膜生物反應器(membrane bioreactor, MBR)為研究對象，考察鐵離子在污泥混合液中的分布規(guī)律及對微生物代謝產(chǎn)物的影響。實驗結果表明：污泥混合液中鐵含量分布規(guī)律為胞內>緊縛的胞外聚合物(tightly bound extracellular polymeric substances,TB)>松散的胞外聚合物(loosely bound EPS,LB)>溶解性微生物代謝產(chǎn)物(soluble microbial products，SMP)；在運行80 d后，大部分鐵離子存在于胞內(平均含量81.2%)；Fe3+的投加不但降低了SMP及EPS濃度，而且改變了微生物代謝產(chǎn)物的空間分布，其中SMP中多聚糖、TB和LB的含量下降明顯。

膜生物反應器； 鐵離子； 污泥混合液； 胞外聚合物； 溶解性微生物代謝產(chǎn)物

1　引　言

膜生物反應器(membrane bioreactors, MBRs)聯(lián)合了傳統(tǒng)活性污泥法與膜分離工藝，已被廣泛應用到工業(yè)及市政污水處理中[1]。然而，膜表面形成的污染層導致膜通量下降，很大程度上限制MBR的進一步廣泛應用。膜污染物質是由沉積在膜表面或吸附在膜孔內部的小顆粒物及溶解性物質組成，常用于減緩膜污染的方式有3種[2]:(1)改變膜結構，(2)優(yōu)化操作條件，(3)改善污泥混合液。對于特定的膜組件及操作條件而言，污泥混合液是造成膜污染的主要原因[3]。新近研究[4,5]發(fā)現(xiàn)污泥絮體帶有大量的負電荷，通過向MBR中投加高價金屬鐵離子可有效減緩MBR的膜污染問題。

Fe3+與污泥絮體及細胞通過吸附電中和[6]、陽離子架橋[7]、 DLVO[8]等機制，可強化污泥混合液的絮凝作用，促使絮體尺寸增大，進而有效的減緩膜污染。本研究主要考察鐵離子與污泥混合液絮凝后，鐵在污泥混合液不同部位的分布規(guī)律，為揭示鐵離子與微生物代謝產(chǎn)物之間作用機理提供理論支撐。實驗中通過檢測污泥混合液中胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)和溶解性代謝產(chǎn)物(soluble microbial products, SMP)，明確鐵離子的投加對MBR微生物代謝產(chǎn)物的影響，為實際工程應用鐵離子調控MBR污泥混合液特性提供理論基礎。

2　實　驗

2.1實驗裝置及運行條件

圖1　試驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of the experimental set-up

本文采用2套完全相同的MBR，C-MBR(對照組)及Fe-MBR(投加Fe3+)，實驗裝置見圖1。反應器有效體積為18 L，膜組件為中空纖維束狀膜，材質為聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)，膜孔徑0.22 μm，膜過濾面積為0.3 m2，膜出水采用恒流方式，膜通量為10 L·m2·h-1，采用13 min 運行及2 min 停歇的工作模式，爆氣強度為200 L/h，水利停留時間(Hydraulic retention time, HRT)和污泥停留時間(sludge residence time,SRT)為分別為6 h和30 d。實驗處理廢水為人工模擬生活污水，具體包含：葡萄糖為280 mg/L；NH4Cl為100 mg/L；KH2PO4為20 mg/L；NaHCO3為172 mg/L；其他微量元素(CaCl2為10 mg/L；MgSO4·7H2O為50 mg/L；FeCl3為0.375 mg/L；CuSO4·4H2O為0.1 mg/L；NaMoO4·2H2O為0.15 mg/L；MnSO4·H2O為0.13 mg/L；ZnCl2為0.23 mg/L；CoCl2·6H2O為0.42 mg/L)；進水pH為7.0±0.6。

活性污泥取自吉林市污水處理廠，每套MBR中接種活性污泥為8.0 g/ L。2套反應器經(jīng)60 d運行后進入穩(wěn)定期，為研究鐵離子投加對MBR污泥混合液的影響，F(xiàn)e-MBR進水中投加FeCl3的濃度為10 mg/L，C-MBR中未投加FeCl3，作為對照組。

2.2分析方法

SMP、緊密粘附性EPS (tightly bound EPS, TB)和松散附著EPS(loosely bound , LB)的提取及測定：一定體積的污泥混合液樣品在4000 r/min下離心10 min，離心后污泥混合液分為上清液及污泥絮體兩部分，上清液經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾，濾液為SMP, SMP含量通過測定其中蛋白質與多聚糖含量之和表征；經(jīng)SMP提取后的污泥絮體用0.9%的NaCl補足至樣品原體積并攪拌混勻，在20 Hz條件下超聲振蕩20 min，8000 r/min下離心10 min，污泥混合液又分為上清液及污泥絮體兩部分，將上清液經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾得LB, 經(jīng)LB提取后的污泥絮體繼續(xù)用0.9%的NaCl補足至樣品原體積并攪拌混勻，60 ℃條件下水浴10 min, 12000 r/min下離心15 min，離心后的上清液為TB[9, 13]；采用考馬斯亮藍法測定蛋白質含量[10]，用牛血清白蛋白(BSA)作為標準樣品；采用蒽酮-硫酸法測定多聚糖含量[11]，用葡萄糖作為標準樣品；總鐵的測定采用磺基水楊酸法[12]。

3　結果與討論

3.1鐵的分布規(guī)律

FeCl3投加到MBR中后，F(xiàn)e3+與活性污泥發(fā)生生物絮凝行為，產(chǎn)物以不同的形態(tài)及比例分布于污泥混合液的不同部位。為更深入的了解Fe3+對污泥混合液的作用機理，Zhang等[13]將Fe3+在污泥混合液中的具體分布部位分為SMP、LB、TB、Pellet(胞內)。圖2所示鐵在污泥混合液中的分布情況，由圖2可見，鐵含量的總體分布為Pellet>TB>LB>SMP，且隨運行時間的增大，Pellet中鐵含量逐漸增大，其所占比例可達81.2%。相比之下SMP中鐵含量占有的比例顯著下降，由9.5%下降到3.5%，SMP含量下降可解釋為：Fe3+通過高電荷、高極化率及較小水合作用，與本體溶液中的SMP具有很強結合作用，轉移至污泥絮體中，導致上清液中SMP及Fe3+的含量較低[14]。此外，F(xiàn)e3+在上清液中含量較低是由于大部分鐵離子以不溶的氫氧化鐵、Fe-EPS、Fe-細菌形式存在[15]。由圖2還可明顯的發(fā)現(xiàn)隨著運行時間，細胞中鐵含量快速增多且所占比例大，這可解釋為：(1) 當Fe3+投加到混合液中后，會形成氫氧化鐵或者氧化鐵膠體，可發(fā)生網(wǎng)捕作用并存在于污泥內層[16]；(2) Fe3+具有的高電荷性，高的極化性和低的水合半徑，其具有較高的穿透性，因而與EPS內層有較強的結合力[17]。

比較第65 d與79 d污泥絮體，鐵在胞內的含量隨運行時間在明顯增多，其相應的所占比例也顯著增加，鏡檢結果顯示(見圖2)，在第65 d時污泥絮體尺寸小、呈松散狀態(tài)；然而在第79 d時，污泥絮體之間聚集緊密，單個絮體較密實，表明鐵離子存在有助于生物絮凝行為，可強化污泥混合液的生物絮凝作用。

3.2污泥混合液中SMP含量變化

SMP的產(chǎn)生主要是微生物通過降解基質以及內源呼吸過程中產(chǎn)生的，這類物質不容易被微生物降解，因而通過膜截留作用，SMP會在MBR反應器內累積。前期研究表明：膜污染是膜與污泥混合液相互作用的結果，本體溶液中的SMP容易吸附在膜表面或是堵塞膜孔，造成嚴重的膜污染[18]。圖3顯示C-MBR和Fe-MBR中SMP隨運行時間的變化，由圖3可見，C-MBR中的SMP含量明顯高于Fe-MBR，而且隨運行時間的增加，2套反應器中SMP含量相差越來越大，這表明Fe3+的投加可顯著降低SMP在本體溶液中的濃度。分析認為：隨著污泥混合液中鐵離子的增多，一方面強化了生物絮凝作用，降低本體溶液中SMP濃度，另一方面鐵離子與SMP中的某些官能團結合，通過架橋作用使得SMP轉移至污泥絮體中，從而有效的降低SMP的含量[19]。

圖2　污泥混合液中鐵的分布規(guī)律Fig.2　Distributions of the iron in different parts of sludge

圖3　C-MBR和Fe-MBR中SMP隨運行時間的變化Fig.3　Change of the concentrations of SMP with operation time in C-MBR and Fe-MBR

從化學組成而言，組成SMP的主要成份為多聚糖(PS)與蛋白質(PN)[20]。為進一步考察MBR中SMP變化狀況，實驗中對SMP的化學組成進行分析。圖4顯示了C-MBR和Fe-MBR中SMP成分(PN及PS)的變化情況。由圖4可見，C-MBR中的PN隨運行時間逐漸增加，PS濃度在運行前90 d增加顯著，90 d后小幅度降低；與之相比，F(xiàn)e-MBR中PN及PS濃度較低，有先小幅度增加后下降的趨勢，與PN濃度相比，F(xiàn)e-MBR中PS含量下降更為明顯，這與Zhang等的研究結果一致[21]，他們在研究中發(fā)現(xiàn)在Fe3+存在的體系，SMP中的PS更容易在上清液中被去除，其原因是與PN相比，PS中有機分子具有較多且復雜的帶電官能團，更易于參與絮凝反應而被去除。

圖4　C-MBR和Fe-MBR中SMP隨運行時間的變化(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含量變化

EPS是一類微生物分泌在體外的高分子聚合物，包含多種大分子物質，例如蛋白質、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]。圖5所示C-MBR和Fe-MBR中EPS隨運行時間的變化情況。由圖5所示，在65-75 d，F(xiàn)e-MBR中的EPS含量的增長速率明顯高于C-MBR，其原因可能為：溶解態(tài)的SMP在Fe3+的作用下與污泥絮體相結合，由溶液相轉移到了固體相，導致EPS濃度增高；此外，進水中的FeCl3會降低污泥混合液的pH值，微生物會分泌出更多的EPS，以免受外界的刺激，也增加了污泥絮體中的EPS含量[23]。在80～90 d之間，C-MBR中的EPS含量隨著運行時間增加， 90 d后有下降趨勢，表明長期運行下的MBR中污泥絮體所包含的EPS有逐漸累積的趨勢；相比而言，F(xiàn)e-MBR中的EPS在80 d后逐漸減少，表明微生物與鐵經(jīng)過一段時間的馴化，降低了EPS的分泌，從而降低了絮體中EPS濃度，這對減緩膜污染有一定的正面作用。

從EPS空間分布而言，可分為緊密粘附性EPS (tightly bound EPS, TB-EPS)和松散附著EPS(loosely bound , LB-EPS)，圖6顯示了2套反應器中LB和TB含量隨運行時間的變化。由6可見，因TB-EPS位于細胞體表面，各種大分子排列緊密且與細胞壁結合牢固，不容易脫落，對活性污泥絮體的性質影響較??；對于C-MBR，TB含量隨運行時間逐漸增加，其變化趨勢與EPS隨運行時間波動相同；與之相比，F(xiàn)e-MBR運行80 d后，TB濃度下降明顯，這說明TB濃度變化與微生物種群相關性較強[25]，經(jīng)過長時間的馴化及培養(yǎng)過程，F(xiàn)e-MBR內微生物種群的演變，導致TB濃度發(fā)生降低的趨勢；比較2套反應器中LB濃度的變化可見，F(xiàn)e-MBR在運行85 d后LB濃度有下降趨勢，表明鐵離子的加入可改變EPS的空間分布，通過降低LB濃度，從而改變污泥特性，前期研究表明，由于LB對活性污泥的沉降性、絮凝性、表面電荷性及黏度都起決定性作用[24]。

圖5　C-MBR和Fe-MBR中EPS含量變化Fig.5　Variation of EPS content in C-MBR and Fe-MBR

圖6　C-MBR和Fe-MBR運行過程中LB及TB含量的變化Fig.6　Change of the concentrations of LB and TB with operation time in C-MBR and Fe-MBR

4　結　論

(1)通過對Fe-MBR反應器污泥混合液中鐵離子分布情況進行檢測發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e在污泥混合液中分布規(guī)律為胞內>TB>LB>SMP，隨著運行時間，F(xiàn)e在污泥混合液中的分布有從外層向內層遷移的趨勢；

(2)考察鐵離子調控MBR微生物代謝產(chǎn)物的研究表明，與對照反應器相比，F(xiàn)e-MBR中SMP含量明顯降低，其中SMP中多聚糖含量的降低更為顯著，說明Fe與溶解態(tài)多聚糖更容易相互作用而降低其在本體溶液中的含量；運行85 d以后，F(xiàn)e-MBR中LB及TB含量均下降顯著，與TB相比，LB含量的降低對于MBR污泥混合液特性的改變更為重要。

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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

國家自然科學基金計劃項目(51478093); 吉林省科技發(fā)展計劃項目(20120404, 20130206061GX)

張海豐(1974-)，男，博士，副教授.主要從事水處理及回用方面的研究.

X703

A

1001-1625(2016)03-0784-05