生物裂解效應(yīng)對(duì)污泥脫水減量的作用研究

高 磊,張?jiān)娢?葉 蓉,康詩(shī)佳,余 冉(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系,東南大學(xué)環(huán)境醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210096)

生物裂解效應(yīng)對(duì)污泥脫水減量的作用研究

高 磊,張?jiān)娢?葉 蓉,康詩(shī)佳,余 冉*(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系,東南大學(xué)環(huán)境醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210096)

從市政污水處理廠活性污泥中篩選培養(yǎng)出噬菌型細(xì)菌,并通過(guò)噬菌型細(xì)菌的富集與投加,探討其對(duì)市政污泥生物裂解預(yù)處理的有效性及其所受環(huán)境影響因素與作用規(guī)律.研究結(jié)果顯示,市政污泥中存在具有污泥裂解作用的廣譜性噬菌型細(xì)菌,宿主菌的投加量可影響噬菌型細(xì)菌的富集濃度,但培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)物組成濃度對(duì)噬菌型細(xì)菌的生長(zhǎng)增殖無(wú)明顯影響.當(dāng)篩選出的噬菌型細(xì)菌以106pfu/mL(污泥)與中性市政污泥在室溫下共存培養(yǎng)24h即可有效裂解污泥細(xì)胞,污泥比阻與污泥體積較未投加任何菌劑的參照污泥降低了36%和15%.并可導(dǎo)致胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物的釋放,污泥液相中總氮與總磷濃度較參照污泥分別上升了245%和242%,溶解性COD與總COD比值(SCOD/TCOD)則提高了195%,但生物裂解作用效果并不與裂解時(shí)間始終保持正相關(guān)性,最佳污泥生物裂解時(shí)間為24h.

噬菌型細(xì)菌；污泥裂解；宿主菌；污泥比阻

近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快,城市污水的產(chǎn)生量與處理量逐年增加,從而導(dǎo)致污水處理廠伴生的剩余污泥產(chǎn)量快速增長(zhǎng).污泥的處理處置目前已成為一個(gè)世界性的社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題.截止2015年9月底,全國(guó)城鎮(zhèn)累計(jì)建成污水處理廠3830座,污水處理能力已達(dá)到1.62億m3/d,伴生的污泥已突破3000萬(wàn)t/年(含水率80%計(jì))[1].

污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥含水量一般達(dá)95%以上[2],污泥含水量高且不易脫水.污泥中大量的胞內(nèi)水與結(jié)合水難以通過(guò)機(jī)械的方式被釋放出來(lái).目前,簡(jiǎn)單機(jī)械壓濾污泥脫水技術(shù)只能將污泥含水率降到 80%左右,造成污泥處理處置費(fèi)用占到整個(gè)污水處理廠總費(fèi)用的20%～45%[3].現(xiàn)有的物理化學(xué)污泥減量預(yù)處理技術(shù)主要包括超聲波法和化學(xué)藥劑調(diào)理法等.超聲波法通過(guò)超聲波的空穴作用壓碎細(xì)胞壁,釋放出細(xì)胞內(nèi)所含的成分和細(xì)胞質(zhì)從而實(shí)現(xiàn)污泥減量[4].傳統(tǒng)的化學(xué)調(diào)理法常使用PAC、FeCl3和PAM等藥劑通過(guò)電中和架橋作用促使污泥顆粒絮凝來(lái)改善污泥脫水性[5].但是物理方式能耗較高,化學(xué)方式中投入的化學(xué)藥劑會(huì)造成二次污染,影響后續(xù)污泥的安全處理處置.因此,迫切需要開發(fā)一種科學(xué)、高效與環(huán)境友好的污泥脫水減量方法.

目前,污泥生物脫水研究主要包括:(1)向污泥中投加酶強(qiáng)化污泥水解,但酶的制備成本高導(dǎo)致其實(shí)用性較差;(2)利用微型動(dòng)物或高等微生物的捕食作用,裂解污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)、釋放胞內(nèi)有機(jī)物[6].吳敏等[7]構(gòu)建了蚯蚓生物反應(yīng)器,既可滿足污水處理效果、同時(shí)大幅減少剩余污泥產(chǎn)量基礎(chǔ)上,使有機(jī)物降解率可超過(guò)厭氧消化與好氧消化處理.劉宏波等[8]利用蠕蟲進(jìn)行活性污泥反應(yīng)器污泥減量,工藝簡(jiǎn)單,并改善了污泥沉降性能對(duì)環(huán)境幾乎無(wú)二次污染.但此類方法同時(shí)會(huì)使化學(xué)需氧量(COD)增加,影響出水水質(zhì),并且存在動(dòng)物或高等微生物的數(shù)量難以控制,排泄物難以清理等問(wèn)題.有國(guó)外學(xué)者指出噬菌體對(duì)污泥處置有一定減量效果[9],但噬菌體的安全性難以確保.因此,與噬菌體具有相似生命特征的噬菌型細(xì)菌的應(yīng)用可以避免相關(guān)公共健康潛在風(fēng)險(xiǎn).噬菌型細(xì)菌如蛭弧菌類微生物是一類以捕食宿主菌為生的小型寄生性細(xì)菌[10],可破壞細(xì)胞壁,穿入宿主細(xì)胞,裂解大多數(shù)科、屬的革蘭氏陰性細(xì)菌和部分革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌.到目前為止,各國(guó)科學(xué)家已分別從土壤、下水道污水、河水、海洋、植物根系、以及人類與哺乳動(dòng)物糞便中發(fā)現(xiàn)了這類微生物.噬菌型細(xì)菌在自然界存在的廣泛性、對(duì)宿主細(xì)胞的裂解高效性與依賴性及對(duì)宿主菌的選擇非特異性預(yù)示其可以有效破壞細(xì)胞壁,影響污泥絮體組成與結(jié)構(gòu),故在提高污泥脫水減量效率與可生化性上具有巨大應(yīng)用潛力[11],但目前鮮有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道.

本文試?yán)檬删图?xì)菌的生長(zhǎng)特性進(jìn)行其在市政污泥裂解減量上的應(yīng)用可行性研究,通過(guò)從市政污泥中篩選培養(yǎng)噬菌型細(xì)菌,探討其富集培養(yǎng)影響的因素及在不同環(huán)境條件下污泥裂解作用效應(yīng),以期為開發(fā)出一種兼具生態(tài)安全性與反應(yīng)高效性的污泥破壁脫水減量處理技術(shù)提供一條研究新思路.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)污泥

本試驗(yàn)菌種分離純化和污泥減量所用污泥均取自南京某市政污水處理廠二沉池,取樣后立即運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室.在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò) 1d的濃縮沉淀,去掉上清液,將下層污泥混合均勻作為試驗(yàn)污泥.供試污泥的基本性質(zhì)如表1所示.

表1 供試污泥基本性質(zhì)Table 1 Properties of raw sludge

1.2 試劑及儀器

主要培養(yǎng)基:營(yíng)養(yǎng)肉湯(NB),稀釋營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)液(DNB),稀釋營(yíng)養(yǎng)肉湯(DNB)雙層瓊脂平板培養(yǎng)基,溶菌肉湯(LB)培養(yǎng)基.

主要儀器裝置:高壓滅菌鍋(YXQ-LS-30-SLL),恒溫培養(yǎng)箱(HERATHERM, Thermo),恒溫空氣振蕩器(SHZ-82),污泥比阻測(cè)定裝置(HY018),高速冷凍離心機(jī)(3-18K, SIGMR),紫外-可見分光度計(jì)(752SP).

1.3 試驗(yàn)方法和分析項(xiàng)目

1.3.1 菌液的制備[12-13]市政污泥經(jīng)過(guò)預(yù)處理(振蕩30～40min,靜置30～60min)后取1mL污泥上清液進(jìn)行10-1～10-7梯度稀釋,并對(duì)每一稀釋度于LB固體平板上進(jìn)行涂布、恒溫培養(yǎng)(30℃).待培養(yǎng)18～24h后,盡可能將平板上孤立的菌落都進(jìn)行劃線分離.通過(guò)三次以上劃線分離純化后,用革蘭氏染色法鑒定出革蘭氏陰性菌,將其作為候選宿主菌.本試驗(yàn)均選用同一種革蘭氏陰性菌作為宿主菌進(jìn)行試驗(yàn).將宿主菌接種至滅菌 NB液中過(guò)夜振蕩培養(yǎng)(30℃,150～200r/min)并離心,所獲菌斑用 0.01mol/L的無(wú)菌磷酸鹽緩沖溶液(PBS)重懸制成細(xì)菌濃度達(dá)到(1.0～3.0)×109cfu/mL的宿主菌懸液.

通過(guò)DNB雙層瓊脂平板培養(yǎng)基和分離純化出的宿主菌從同一污泥樣品中分離噬菌型細(xì)菌,并通過(guò)DNB雙層瓊脂平板培養(yǎng)基和滅菌DNB液進(jìn)行3次以上的純化試驗(yàn)獲得50個(gè)純化的噬菌斑平板.將純化的噬菌斑接種至含有新鮮制備的宿主菌懸液的滅菌 DNB液中震蕩培養(yǎng)(30℃,150～200r/min)后離心濃縮,后通過(guò)無(wú)菌PBS清洗調(diào)整得濃度為107cfu/mL菌液.

1.3.2 高效噬菌菌株的篩選 將50個(gè)純化的噬菌型細(xì)菌菌斑與宿主菌懸液分別接種至 50mL滅菌DNB液中(30℃,150～200r/min)震蕩培養(yǎng)至溶液變澄清.期間每隔24h測(cè)定600nm波長(zhǎng)下吸光度,通過(guò)吸光度下降率篩選出裂解效果好的細(xì)菌以待后續(xù)試驗(yàn).

1.3.3 噬菌型細(xì)菌生長(zhǎng)影響因素試驗(yàn) 利用吸光度(OD600nm)監(jiān)測(cè)宿主細(xì)菌裂解速率,分別改變培養(yǎng)環(huán)境中培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)液濃度和宿主菌投加量,通過(guò)測(cè)定吸光度的下降速率確定噬菌型細(xì)菌增殖情況,得到不同培養(yǎng)條件對(duì)噬菌型細(xì)菌增殖和噬菌活性的影響.

1.3.4 噬菌型細(xì)菌對(duì)污泥脫水減量影響的驗(yàn)證在研究準(zhǔn)備階段將污泥和噬菌型細(xì)菌共同培養(yǎng)96h,結(jié)果顯示污泥在 36h后污泥比阻迅速增大,指示脫水性能顯著變差,故選擇48h作為污泥實(shí)驗(yàn)的時(shí)間.將新鮮制備的噬菌型細(xì)菌濃縮菌液按照 106pfu/mL(污泥)的細(xì)菌濃度加入濃度為(13000±2000)mg/L的試驗(yàn)污泥中培養(yǎng)48h(30℃, 150r/min),期間每隔 12h測(cè)定污泥比阻值和泥餅含水率、以及污泥液相溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)、總化學(xué)需氧量(TCOD)、總磷含量(TP)、總氮含量(TN).

1.3.5 噬菌型細(xì)菌裂解污泥環(huán)境影響因素探究將新鮮制備的噬菌型細(xì)菌濃縮菌液按照 106pfu/mL(污泥)的細(xì)菌濃度加入濃度為(13000± 2000)mg/L的試驗(yàn)污泥中培養(yǎng) 48h (30℃,150r/ min).培養(yǎng)過(guò)程中分別探究反應(yīng)時(shí)間和 pH值對(duì)噬菌型細(xì)菌裂解污泥的影響.

1.3.6 噬菌型細(xì)菌的初步鑒定 鑒于 DNB雙層瓊脂平板法是分離純化蛭弧菌類細(xì)菌的標(biāo)準(zhǔn)方法[13],故首先嘗試離心分離液體培養(yǎng)的噬菌型細(xì)菌菌液(15000r/min,30min),所獲菌斑利用試劑盒PowerWater DNA Isolation Kit(Mobio,美國(guó))提取DNA并進(jìn)行PCR擴(kuò)增反應(yīng).以增殖培養(yǎng)所用的宿主菌株(Klebsiella)的DNA作為陰性對(duì)照.在陽(yáng)性對(duì)照無(wú)擴(kuò)增條帶時(shí),凡在所預(yù)定的區(qū)域(約800bp)出現(xiàn)擴(kuò)增條帶的,均可定為陽(yáng)性.參考文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)蛭弧菌類特異性 PCR引物.上游引物(63F):5’-CAGGCCTAACACATGCAAGTC-3’;下游引物(Bdg842R):5’-CGWCACTGAAGGGGTCAA-3’(上海生工生物工程股份有限公司合成).PCR擴(kuò)增熱循環(huán)條件為:94℃熱變性3min;之后94℃1min;56℃退火45s;72℃延伸1min,共35個(gè)循環(huán);最后在72℃終延伸10min.將PCR產(chǎn)物在2%的瓊脂糖凝膠上進(jìn)行電泳檢測(cè)擴(kuò)增結(jié)果.

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

參照文獻(xiàn)[15-16]通過(guò)污泥過(guò)濾比阻(SRF)指示污泥脫水性能,并采用污泥比阻測(cè)定裝置進(jìn)行測(cè)定.通過(guò)布氏漏斗-真空抽濾法對(duì)污泥抽濾泥餅含水率進(jìn)行測(cè)定;采用重鉻酸鉀法測(cè)定SCOD和TCOD;采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定TP;采用過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定 TN;采用pH計(jì)測(cè)定pH值.

2 結(jié)果與討論

2.1 高效噬菌菌株的篩選

通過(guò)吸光度(OD600nm)測(cè)定得到的吸光度下降率從50株分離出的噬菌型細(xì)菌中篩選出5株噬菌型細(xì)菌(B1-B5),并對(duì)該5株細(xì)菌再次進(jìn)行相同宿主菌及菌液濃度條件下的增殖培養(yǎng)對(duì)比監(jiān)測(cè)(圖1),以驗(yàn)證其噬菌性能的穩(wěn)定性并選擇宿主菌裂解效率最佳的噬菌型細(xì)菌.

圖1 不同噬菌型細(xì)菌在增殖過(guò)程中菌液吸光度的變化Fig.1 Absorption variation profiles of predatory bacteria during their proliferation

圖1結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)6d培養(yǎng)B1、B2、B3菌株所在菌懸液吸光度下降了 60%～70%,而 B4、B5菌株所在菌懸液吸光度只下降了 50%.此外,在后續(xù)的研究中得知污泥最佳脫水效果出現(xiàn)在噬菌型細(xì)菌對(duì)其進(jìn)行裂解預(yù)處理的24h內(nèi).鑒于在前24h內(nèi)B1、B2、B3菌株所在菌懸液吸光度下降了20%以上,而B4、B5菌株所在菌懸液吸光度只下降了15%.故推測(cè)在同一宿主菌條件下,不同噬菌型細(xì)菌的增殖和噬菌活性差異較大,并將宿主菌菌液吸光度始終保持快速穩(wěn)定下降的B1、B2、B3為候選噬菌型細(xì)菌.

由圖1中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可知,B3菌株24h內(nèi)吸光度下降速率為(0.73±0.05)%/h,144h處吸光度下降程度為(67.25±0.44)%,分別為5株噬菌型細(xì)菌中最高值.因此為快速富集噬菌型細(xì)菌,以提高后續(xù)污泥生物裂解效率,現(xiàn)首先選擇富集培養(yǎng)時(shí)菌懸液吸光度下降速率與降低程度最高的B3菌株進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)研究.

2.2 B3菌株的初步鑒定

采用噬菌蛭弧菌 16s rDNA特異性引物63F-842R,以B3菌株的基因組DNA為模板擴(kuò)增后在大約800bp處有一陽(yáng)性條帶出現(xiàn),而增殖培養(yǎng)所用的宿主菌株(Klebsiella)的DNA擴(kuò)增對(duì)照結(jié)果為陰性.B3菌株在預(yù)定的區(qū)域內(nèi)(約 800bp)均出現(xiàn)擴(kuò)增條帶,而陰性對(duì)照則無(wú)條帶出現(xiàn),由此推測(cè)分離得到的B3菌株為蛭弧菌類微生物.

2.3 噬菌型細(xì)菌的增殖條件優(yōu)化

2.3.1 宿主菌投加量對(duì)噬菌型細(xì)菌增殖的影響 由圖 2可見,雖然菌懸液的吸光度隨培養(yǎng)時(shí)間呈下降趨勢(shì),但不同宿主菌投加濃度導(dǎo)致菌懸液的吸光度下降速率與所達(dá)最低值有差異,預(yù)示噬菌型細(xì)菌增殖速率及噬菌活性受初始宿主菌濃度影響.其中在1.38×109cfu/mL宿主菌懸液投加量條件下,吸光度下降程度最大,下降百分比達(dá)到(87.02±1.80)%.在24～72h時(shí),吸光度下降較快,且能降到較低的值.與之比較,宿主菌投加濃度較低時(shí),如6.90×108cfu/mL,吸光度無(wú)明顯變化,僅下降(27.58±1.53)%;宿主菌投加濃度較高時(shí),如3.45×109cfu/mL,雖然吸光度下降較快,但是不能達(dá)到最低值,僅下降(60.54±0.76)%.

圖2 宿主菌投加量對(duì)噬菌型細(xì)菌增殖的影響Fig.2 Effects of host dosage on predatory bacteria during their proliferation

噬菌型細(xì)菌通過(guò)化學(xué)趨向運(yùn)動(dòng),自由碰撞吸附于宿主細(xì)胞上[17].因此宿主菌投加量越高應(yīng)越利于噬菌型細(xì)菌的富集生長(zhǎng),但是從圖2中可以看出宿主菌濃度過(guò)高并不能有效促進(jìn)噬菌型細(xì)菌的增殖和自身裂解.這可能是由于噬菌型細(xì)菌寄生生長(zhǎng)于宿主菌的過(guò)程中可代謝產(chǎn)生抑制其裂解活動(dòng)的副產(chǎn)物,或引起了培養(yǎng)基理化環(huán)境的改變[18].

2.3.2 營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)噬菌型細(xì)菌生長(zhǎng)的影響 如圖3所示,將1/500 DNB營(yíng)養(yǎng)液濃度分別擴(kuò)大2倍,5倍和10倍后發(fā)現(xiàn),營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)噬菌型細(xì)菌生長(zhǎng)的影響差異不明顯.噬菌型細(xì)菌所在菌懸液的吸光度經(jīng)過(guò)144h富集培養(yǎng)后均下降了60%以上.推測(cè)這是由于噬菌型細(xì)菌主要利用宿主細(xì)胞的肽與氨基酸作為碳源和能源,通過(guò)三羧酸循環(huán)代謝途徑進(jìn)行有氧呼吸[19],故在營(yíng)養(yǎng)液濃度足夠滿足噬菌型細(xì)菌生長(zhǎng)需要的前提下,當(dāng)存在相關(guān)濃度的宿主菌時(shí),再提高培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)液濃度,無(wú)法有效提高噬菌型細(xì)菌的富集濃度.

圖3 營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)噬菌型細(xì)菌增殖的影響Fig.3 Effects of nutrient concentration on predatory bacteria during their proliferation

2.4 噬菌型細(xì)菌對(duì)污泥脫水減量性能影響

將 5株相同數(shù)量級(jí)濃度的不同噬菌型細(xì)菌(B1-B5)分別投加到污泥中混合培養(yǎng)以驗(yàn)證其對(duì)污泥絮體的裂解脫水減量效應(yīng),結(jié)果顯示(圖4),經(jīng)12h混合培養(yǎng)后,投加有噬菌型細(xì)菌的污泥比阻值明顯低于參照污泥k,含B1、B2和B3菌株的污泥在裂解作用24h后的污泥比阻值發(fā)生了顯著降低,隨后開始回升,其規(guī)律與原始污泥一致,但比阻值遠(yuǎn)低于原始污泥.其中含B3菌株的污泥在裂解作用 24h后的污泥比阻值比參照污泥 k低(18.88±0.72)%,比初始比阻值降低(16.41±0.74)%,顯示經(jīng)生物裂解的污泥脫水性能得到提高.

如圖5所示,將5株相同數(shù)量級(jí)濃度的不同噬菌型細(xì)菌(B1-B5)分別與污泥混合培養(yǎng)不同時(shí)間后的污泥經(jīng)真空抽濾(0.045MPa,10min)測(cè)定泥餅含水率發(fā)現(xiàn),經(jīng) 12h生物裂解后,投加有B1-B4菌株的污泥泥餅含水率已明顯低于參照污泥k,含B3菌株的污泥在裂解作用24h后的泥餅含水率為(75.64±0.16)%,與參照污泥k相比降低了(4.52±0.21)%,即經(jīng)B3裂解壓濾后的污泥體積比參照污泥k可減少(14.72±0.67)%.不同噬菌型細(xì)菌的污泥裂解作用效率差異較大,通過(guò)對(duì)比生物裂解作用下污泥比阻值和濾餅含水率的降低速率,結(jié)合增殖培養(yǎng)過(guò)程中吸光度下降速率,發(fā)現(xiàn) B3菌株裂解性能最高效且穩(wěn)定,因此篩選出B3菌株以進(jìn)行后續(xù)研究.

圖4 污泥裂解時(shí)不同種類噬菌型細(xì)菌對(duì)污泥比阻的影響Fig.4 Effects of predatory bacteria species on specific resistance to filtration (SRF) of sludge during sludge digestion

圖5 不同種類噬菌型細(xì)菌對(duì)泥餅含水率的影響Fig.5 Effects of predatory bacteria species on sludge on sludge cake moisture content

2.5 噬菌型細(xì)菌對(duì)污泥破解效果的影響研究

投加B3菌株106pfu/mL(污泥)于新鮮采集的市政污泥中,如圖 6所示,污泥的比阻值都在109～1010s2/g范圍內(nèi),屬于可脫水污泥,且投加 B3菌株的污泥比阻在反應(yīng) 12h后明顯低于參照污泥k.同時(shí),隨著作用時(shí)間達(dá)24h時(shí),污泥比阻進(jìn)一步降低到最低(1.53±0.01)×109s2/g,為初始值的(64.00±0.51)%,降低(36.00±0.51)%.隨后開始隨作用時(shí)間增加而緩慢回升,而參照污泥k的污泥比阻在作用時(shí)間達(dá)12h降至最低點(diǎn)后,立即開始回升,兩種污泥的比阻變化差異明顯.污泥生物裂解過(guò)程中比阻的這種變化趨勢(shì)與 Liu等人[20]通過(guò)生物浸出方法所獲研究結(jié)果相似,即污泥脫水性能隨處理時(shí)間延長(zhǎng)首先得到提高,但隨后即開始下降,經(jīng)處理的污泥甚至比原始污泥脫水性能更差.因此,噬菌型細(xì)菌短期內(nèi)即可顯著提高污泥脫水性能,但其作用效果并不和生物裂解時(shí)間成正相關(guān)性.

圖6 投加B3菌株后污泥比阻隨時(shí)間的變化Fig.6 Specific resistance to filtration (SRF) of sludge variation profiles during the sludge digestion with B3 strain

一般來(lái)說(shuō),SCOD濃度越高,污泥中的易生物降解性碳源越豐富,污泥中有機(jī)物的大量溶出是改善污泥后續(xù)處理的必要條件[19].從圖7可以看出,投加 B3菌株的污泥樣品比參照污泥 k的SCOD濃度在 12h、24h、36h處分別提高了(133.00±9.61)% 、 (189.26±6.66)% 、 (227.59± 3.25)%. SCOD/TCOD比值是指示污泥裂解程度的重要指標(biāo),同時(shí)在很大程度上能夠反映水中難溶性有機(jī)物的轉(zhuǎn)化.投加 B3菌株的污泥樣品SCOD/TCOD比值隨裂解時(shí)間的增加迅速提高,而參照污泥k的SCOD/TCOD比值卻沒(méi)有顯著變化.在24h內(nèi)污泥樣品SCOD/TCOD比值提高為初始值的 4.5倍,比參考污泥 k提高(194.73± 4.11)%.這可能是由于在噬菌型細(xì)菌的作用下污泥細(xì)胞裂解,污泥結(jié)構(gòu)被破壞,固相有機(jī)物如蛋白質(zhì)、糖類和脂肪等逐漸釋放,由固相轉(zhuǎn)移到液相,使SCOD濃度升高[21].因此,污泥的生物裂解預(yù)處理不僅可幫助提高污泥脫水性能,還可提高污泥在微生物厭氧發(fā)酵中的可生化性,為后續(xù)的污泥進(jìn)一步處理處置創(chuàng)造有利的條件.

圖7 投加B3菌株后污泥SCOD及SCOD/TCOD隨時(shí)間的變化Fig.7 SCOD and SCOD/TCOD variation profiles during the sludge digestion with B3 strain

2.6 pH值對(duì)噬菌型細(xì)菌裂解污泥過(guò)程影響

已知噬菌型細(xì)菌的鞭毛運(yùn)動(dòng)對(duì) pH變化反應(yīng)敏感[22],從而可影響其對(duì)宿主菌的侵染能力進(jìn)而影響其對(duì)污泥的生物裂解效率.鑒于污泥經(jīng)24h生物裂解處理后,污泥比阻即可顯著降低,故本次試驗(yàn)進(jìn)行初始pH值不同的污泥生物裂解24h處的影響研究.如圖8所示,在污泥生物裂解反應(yīng)24h后,污泥初始pH值為7.0的污泥比阻降低最明顯.本次試驗(yàn)同時(shí)測(cè)定了污泥液相中TN、TP濃度的變化,發(fā)現(xiàn)其在 pH=7.0條件下的值也分別增加(245.26± 0.54)%和(242.83±0.35)%,該結(jié)果再次證實(shí)B3菌株的有效污泥裂解作用以及生物裂解后細(xì)胞胞內(nèi)物質(zhì)向液相的釋放過(guò)程[23].故污泥在中性條件下即可獲得最佳的生物裂解脫水減量效率.

圖8 污泥pH值對(duì)投加經(jīng)B3菌株24h裂解后污泥液相TN、TP濃度與污泥比阻的影響Fig.8 Effects of pH on soluble TN, TP concentrations and specific resistance to filtration (SRF) of sludge after 24h sludge digestion with B3 strain

3 結(jié)論

3.1 市政污水處理廠活性污泥中廣泛存在噬菌型細(xì)菌及大量革蘭氏陰性菌,使得從污泥環(huán)境中分離與富集出高效裂解活性的噬菌型細(xì)菌并且將其應(yīng)用到污泥減量上成為可能.

3.2 噬菌型細(xì)菌的富集生長(zhǎng)受宿主菌投加量影響,并且不同噬菌型細(xì)菌的生長(zhǎng)速率差異明顯.在培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)充分條件下,提高營(yíng)養(yǎng)液濃度對(duì)噬菌型細(xì)菌的富集生長(zhǎng)影響不大.

3.3 噬菌型細(xì)菌對(duì)市政污泥生物的裂解可有效降低其污泥比阻,并可釋放細(xì)胞胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),提高SCOD/TCOD值.但隨裂解時(shí)間的延長(zhǎng),污泥比阻會(huì)回升,故噬菌型細(xì)菌在提高污泥脫水減量效率和在微生物厭氧發(fā)酵中的可生化性上具有一定應(yīng)用前景.

3.4 鑒于噬菌型細(xì)菌在 24h內(nèi)市政污泥生物的裂解效果明顯,且中性污泥(pH=7.0)有利于生物裂解處理.故得到最佳裂解條件為24h及中性環(huán)境.

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Effects of biolysis pretreatment on sludge dewatering and reduction.

GAO Lei, ZHANG Shi-wen, YE Rong, KANG Shi-jia, YU Ran*(Key Laboratory of Environmental Medicine Engineering, Ministry of Education, Department of Environmental Science and Engineering, School of Energy and Environment, Southeast University, Southeast University, Nanjing 210096, China). China Environmental Science, 2016,36(12)：3717～3723

The predatory bacteria with high cell lysis capacity was isolated and screened from the activated sludge of a municipal wastewater treatment plant. The efficiency of sludge biolysis with an addition of the enriched predatory bacteria for enhancing its dewaterability was evaluated and the associated environmental impact factors were investigated. The results indicated that the predatory bacteria with a broad range of hosts were abundant in the municipal sewage sludge and greatly benefited sludge lysis. The concentration of the predatory bacteria enrichment could be improved with the increase of host dosage but not the concentration of the culture medium. When the neutral municipal sludge was incubated with the screened predatory microbes at the concentration of 106pfu/mL for 24h at room temperature, the values of the specific resistance to filtration (SRF) and the volume of the treated sludge were 36% and 15% lower than the control sludge without bacteria addition, respectively. Meanwhile, the cell lysis led to the release of intracellular nutrients. The concentrations of total nitrogen (TN) and total phosphorous (TP) in the liquid phase of the treated sludge were increased by 245% and 242%, respectively and the ratio of SCOD/TCOD was increased by 195%. However, there is no positive correlation between the biolysis effect and the reaction time and the optimal sludge biolysis reaction time was 24h.

predatory bacteria；sludge lysis；host bacteria；specific resistance to filtration of sludge

X705

A

1000-6923(2016)12-3717-07

高 磊(1996-),男,陜西寶雞人,東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院博士研究生,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境生物技術(shù)在水處理和環(huán)境修復(fù)中的運(yùn)用.

2016-05-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208092);江蘇省人力資源和社會(huì)保障局留學(xué)人員科技活動(dòng)項(xiàng)目擇優(yōu)資助項(xiàng)目(2014)

* 責(zé)任作者, 副教授, yuran@seu.edu.cn