Ni2+濃度變化對厭氧污泥胞外聚合物的影響

王悅靜,袁勝煜

(1.山東省煙臺生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,山東煙臺 264000;2.中國石油管道局工程有限公司,河北廊坊 065000;3.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院,遼寧沈陽 110036)

由于化工行業(yè)的快速發(fā)展,污水處理系統(tǒng)中重金屬污染現(xiàn)象日益嚴(yán)峻。Ni2+作為鎳合金、電池、涂料等工業(yè)產(chǎn)品的原材料,廣泛存在于工業(yè)廢水中[1]。Ni2+超過一定濃度范圍時(shí),微生物的新陳代謝會受到抑制作用[2],這會對污水生物處理工藝產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。與傳統(tǒng)污水處理工藝相比,厭氧污泥處理工藝具有耐沖擊負(fù)荷、耗能低、處理效率高等優(yōu)勢[3],在復(fù)雜污水處理領(lǐng)域受到了學(xué)者們的關(guān)注。胞外聚合物(EPS)是厭氧污泥的重要組成物質(zhì),由微生物代謝以及細(xì)胞自溶產(chǎn)生的有機(jī)多聚物而形成,主要由蛋白(PN)、多糖(PS)以及少量的腐植酸、核酸等物質(zhì)組成,可分為內(nèi)層緊密結(jié)合型EPS(TB-EPS)和外層松散結(jié)合型EPS(LB-EPS)。EPS對細(xì)胞的能量傳遞、微生物的理化性質(zhì)以及污泥絮體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等方面具有重要的作用[4]。污水中的重金屬離子Ni2+會誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng),造成EPS的組分和結(jié)構(gòu)功能發(fā)生變化,進(jìn)而影響污水生物處理工藝的處理效率[5-6]。因此,研究Ni2+對EPS的影響是有必要的。

關(guān)于污水中重金屬離子濃度變化對EPS組分和含量的影響已經(jīng)引起了學(xué)者們的關(guān)注。胡學(xué)偉等[7]研究發(fā)現(xiàn),在Cu2+進(jìn)水質(zhì)量濃度由0增加至10mg/L的過程中,EPS中PS和PN含量分別降低了83.64%和43.19%。宋浩亮等[5]研究發(fā)現(xiàn),活性污泥LB-EPS和TB-EPS的含量隨Ni2+進(jìn)水濃度增加而增加,在Ni2+進(jìn)水質(zhì)量濃度由0增加至50mg/L的過程中,LB-EPS和TB-EPS含量分別增加了26.09%和47.17%,PN/PS由1.27增加至1.99。Wang等[8]研究發(fā)現(xiàn),在Cr6+質(zhì)量濃度由0增加至30mg/L的過程中,LB-EPS和TB-EPS中PN/PS分別由6.90和6.75增加至7.69和8.32。學(xué)者們開展了許多關(guān)于重金屬離子對EPS的組分及含量影響的研究,然而關(guān)于Ni2+濃度變化對厭氧污泥EPS含量與組成的影響,特別是Ni2+濃度增加對厭氧污泥理化性質(zhì)與EPS間關(guān)系的影響研究較少。

本文采用升流式厭氧污泥流化床(UASB)厭氧污泥處理工藝,研究厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中PN和PS的含量受到進(jìn)水Ni2+濃度增加的影響,對厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS進(jìn)行三維熒光光譜(3D-EEM)分析,并研究了厭氧污泥沉降性能與LB-EPS和TB-EPS含量變化相互間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

UASB反應(yīng)器的主要材質(zhì)為有機(jī)玻璃,反應(yīng)器上部分為沉淀區(qū)域,下部分為反應(yīng)區(qū)域。沉淀區(qū)域有效容積為2 L,內(nèi)徑為15 cm,有效高度為15 cm;反應(yīng)區(qū)域有效容積為4 L,內(nèi)徑為8 cm,有效高度為80 cm。UASB反應(yīng)器的總有效容積為6 L,總有效高度為100 cm。UASB反應(yīng)器通過電磁蠕動泵控制進(jìn)水,進(jìn)水流量控制在0.45 L/h,水力停留時(shí)間為24 h,反應(yīng)器在室溫下穩(wěn)定運(yùn)行,通過曝氣循環(huán)裝置使污泥與污水混勻。

1.2 接種污泥與模擬進(jìn)水

接種污泥取自沈陽市北部污水處理廠厭氧池的活性污泥,混合液揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量濃度(MLVSS)為4.25 g/L。采用模擬有機(jī)廢水作為試驗(yàn)用水,主要成分包括:葡萄糖1 524mg/L、NH4Cl 160mg/L,KH2PO478mg/L,Ni2+進(jìn)水質(zhì)量濃度分別為0、10、15、20、25mg/L。進(jìn)水pH值控制在7.5左右。

1.3 分析方法

1.3.1 常規(guī)水質(zhì)測定方法

1.3.2 EPS的提取與測定

厭氧污泥EPS的提取方法參照肖倩等[10]的方法。具體操作方法如下:量取UASB反應(yīng)器中50 mL污泥樣品,置于離心管中在5 000g下離心8 min,移除上清液,加入0.5%的NaCl溶液至50 mL,于5 000g下離心15 min,將上清液移除;向移除上清液的離心管中加入0.5%的NaCl溶液至50 mL,混勻后置于8 000g下離心15 min,將提取到的上清液經(jīng)0.22 μm濾膜過濾即為LB-EPS;將剩余的濃縮污泥置于離心管中,向其中加入0.5%的NaCl溶液至50 mL,放置于水浴箱中在70 ℃下加熱20 min后,充分混勻置于20 000g下離心20 min,將提取到的上清液經(jīng)0.22 μm濾膜過濾即為TB-EPS。LB-EPS和TB-EPS中PN的測定以牛蛋白血清為基準(zhǔn),具體測定方法參照Lowry等[11]的方法;PS的測定以葡萄糖為基準(zhǔn),具體測定方法參照Dubois等[12]的方法。將測定出的LB-EPS(或TB-EPS)中PN和PS含量求和即為LB-EPS(或TB-EPS)的總量。

1.3.3 3D-EEM分析

厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS置于熒光分光儀(Hitachi,F-5000)進(jìn)行3D-EEM分析,詳細(xì)的設(shè)置參數(shù)如下:發(fā)射波長(Em)的設(shè)置為200～500 nm,激發(fā)波長(Ex)的設(shè)置為200～400 nm,Em和Ex的掃描增量均設(shè)置為10 nm;激發(fā)光與發(fā)射光的掃描速度均設(shè)置為12 μm/min,狹縫均設(shè)置為5 nm。3D-EEM的數(shù)據(jù)處理使用Origin 8.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 Ni2+濃度變化對UASB工藝CODCr和氮去除效果的影響

圖1 不同Ni2+濃度下的UASB工藝CODCr和氮去除的變化

2.2 Ni2+濃度變化對LB-EPS和TB-EPS中PN和PS含量的影響

不同Ni2+濃度下厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中PN和PS含量變化如圖2(a)和圖2(b)所示。隨著Ni2+進(jìn)水質(zhì)量濃度由0增加至25mg/L,LB-EPS中PN和PS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別由7.18 mg/g和2.16 mg/g(以MLVSS計(jì))增加至45.12 mg/g和17.79 mg/g(以MLVSS計(jì)),TB-EPS中PN和PS含量分別由18.27 mg/g和4.94 mg/g(以MLVSS計(jì))增加至54.32 mg/g和17.83 mg/g(以MLVSS計(jì))。在不同進(jìn)水Ni2+濃度下,LB-EPS和TB-EPS中PN含量始終高于PS含量,這表明,與PS相比,PN是EPS中的主要組成物質(zhì)。這與Liu等[15]的報(bào)道相一致,厭氧污泥EPS中以PN為主要成分,并且由胞外酶引起的EPS分解是造成LB-EPS和TB-EPS中PN含量始終高于PS含量的原因之一[5]。隨著進(jìn)水Ni2+濃度的增加,LB-EPS和TB-EPS中PN和PS含量的增加表明厭氧污泥在Ni2+的刺激下分泌了更多EPS來抵御Ni2+的毒性作用。李姍姍等[16]認(rèn)為,高濃度的金屬離子通過干擾微生物的新陳代謝對污泥產(chǎn)生毒害影響,而微生物通過分泌EPS的方式以減輕金屬離子的毒性效應(yīng)。有學(xué)者[5]報(bào)道了相似的結(jié)論,隨著Ni2+質(zhì)量濃度由0增加至50mg/L,生物膜EPS分泌量由248.8 mg/g增加至338.9 mg/g,其中LB-EPS和TB-EPS分別增加了26.09%和47.17%。圖2(c)描述了不同Ni2+進(jìn)水濃度下的厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中PN/PS的變化情況。隨著Ni2+進(jìn)水質(zhì)量濃度由0增加至25mg/L,LB-EPS和TB-EPS中PN/PS分別由3.32和3.70降至2.54和3.05,結(jié)果表明,由進(jìn)水Ni2+濃度的增加引起的EPS中PS含量增加較PN更顯著。這一變化與金屬離子易促進(jìn)PS合成酶的產(chǎn)生有關(guān)[6],并且PS分子上的羧基官能團(tuán)可直接與金屬離子相結(jié)合[17],這可能也是導(dǎo)致上述變化的原因之一。關(guān)于Ni2+濃度增加對EPS中PN/PS影響的報(bào)道并不一致,宋浩亮等[5]的研究顯示,Ni2+濃度的增加導(dǎo)致生物膜EPS中PN/PS隨之增加,這可能與微生物的種類和生存條件有關(guān)。

圖2 不同Ni2+濃度下厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中PN和PS含量變化

2.3 不同Ni2+濃度下厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS的3D-EEM

對不同Ni2+濃度下的厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS進(jìn)行3D-EEM分析,分析結(jié)果如圖3所示。y軸和x軸分別表示熒光光譜的Ex和Em。熒光峰A(220 nm/300～340 nm)為類蛋白熒光,與芳香類蛋白物質(zhì)有關(guān);熒光峰B(270～280 nm/300～310 nm)為類蛋白熒光,與色氨酸類蛋白有關(guān)[18]。在進(jìn)水Ni2+濃度為0時(shí),峰A和峰B在厭氧污泥TB-EPS中被檢測到,這表明芳香類蛋白和色氨酸類蛋白是TB-EPS的組成物質(zhì);而LB-EPS中只檢測到峰A,未檢測到峰B,這可能與LB-EPS中色氨酸類蛋白物質(zhì)含量較低有關(guān)。進(jìn)水Ni2+質(zhì)量濃度為25mg/L時(shí),厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中均檢測到峰A和峰B,表明在25mg/L進(jìn)水Ni2+濃度下,LB-EPS中生成了色氨酸類蛋白,芳香類蛋白和色氨酸類蛋白是LB-EPS和TB-EPS的重要響應(yīng)物質(zhì)。

圖3 不同Ni2+濃度下厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS的3D-EEM

厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS三維熒光峰的具體峰位及峰強(qiáng)度參數(shù)隨Ni2+濃度增加的變化情況如表1所示。進(jìn)水Ni2+質(zhì)量濃度為25mg/L時(shí)的熒光峰位與進(jìn)水Ni2+濃度為0相比,LB-EPS中熒光峰A的熒光峰位未發(fā)生變化,TB-EPS中熒光峰A沿Em方向發(fā)生40 nm的藍(lán)移(向短波長移動),熒光峰B沿Ex和Em方向各自發(fā)生10 nm藍(lán)移。熒光峰峰位的移動與EPS中各組分的變化密切相關(guān),熒光峰的藍(lán)移與熒光基團(tuán)中芳香環(huán)數(shù)、胺基、羥基、羰基以及共軛鍵數(shù)量的減少有關(guān)[19],大分子物質(zhì)的裂解是造成熒光峰峰位藍(lán)移的重要原因[20]。龔喜平等[21]報(bào)道了相似的結(jié)論,顆粒污泥EPS中代表芳香類物質(zhì)的熒光峰藍(lán)移與芳香環(huán)數(shù)和共軛鍵數(shù)豐度的減少有關(guān)。Zeng等[20]報(bào)道了相似的研究結(jié)果,芳香類物質(zhì)的減少與熒光峰的藍(lán)移相關(guān)。張倩等[22]研究認(rèn)為熒光峰峰位的藍(lán)移意味著LB-EPS和TB-EPS中芳香酯基、胺基、羰基和羥基數(shù)量的減少。與進(jìn)水Ni2+濃度為0時(shí)的TB-EPS熒光峰的峰強(qiáng)度相比,熒光峰A和峰B的熒光強(qiáng)度均發(fā)生顯著增強(qiáng),表明在25mg/L進(jìn)水Ni2+質(zhì)量濃度下,TB-EPS中生成了更多的芳香蛋白以及色氨酸物質(zhì)。熒光峰峰強(qiáng)度的變化和峰位的移動反映了進(jìn)水Ni2+濃度增加導(dǎo)致厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中芳香蛋白和色氨酸蛋白物質(zhì)的含量變化情況,造成這些變化的機(jī)理及相關(guān)規(guī)律需要進(jìn)一步探討。

表1 不同Ni2+濃度下厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS的熒光峰特征

2.4 Ni2+濃度變化對厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS含量與沉降性能關(guān)系的影響

在進(jìn)水Ni2+質(zhì)量濃度分別為0、10、15、20mg/L和25mg/L條件下,UASB工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定后,取不同進(jìn)水Ni2+濃度下的厭氧污泥的SVI、LB-EPS和TB-EPS進(jìn)行測定分析,分析結(jié)果如圖4(a)所示。隨著進(jìn)水Ni2+質(zhì)量濃度由0增加至25mg/L,厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別由9.34 mg/g和23.20 mg/g(以MLVSS計(jì))增加至62.91 mg/g和72.15 mg/g(以MLVSS計(jì)),LB-EPS和TB-EPS含量的增長情況與進(jìn)水Ni2+濃度增加的線性關(guān)系顯著,R2分別為0.908(TB-EPS)和0.966(LB-EPS)。上述結(jié)果顯示,與TB-EPS相比,LB-EPS含量的變化與進(jìn)水Ni2+濃度的增加關(guān)系更為顯著。LB-EPS無明顯邊緣的黏液層,可向周圍環(huán)境擴(kuò)散,而TB-EPS的結(jié)構(gòu)較LB-EPS更為穩(wěn)定,與細(xì)胞壁結(jié)合緊密,這可能是造成LB-EPS含量更容易受到進(jìn)水Ni2+濃度增加而變化的原因之一。在進(jìn)水Ni2+質(zhì)量濃度由0增加至25mg/L的過程中,厭氧污泥SVI由91.53 mL/g降至77.31 mL/g,SVI的變化情況與進(jìn)水Ni2+濃度增加的線性關(guān)系顯著,R2為0.991。厭氧污泥SVI隨進(jìn)水Ni2+濃度的增加而逐漸下降,表明厭氧污泥的沉降性隨進(jìn)水Ni2+濃度的增加而逐漸提升。為了進(jìn)一步理解厭氧污泥SVI受到進(jìn)水Ni2+濃度增加的影響,對不同進(jìn)水Ni2+濃度下LB-EPS和TB-EPS與SVI的關(guān)系進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖4(b)所示。在進(jìn)水Ni2+質(zhì)量濃度由0增加至25mg/L的過程中,厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS含量的變化情況與SVI的變化關(guān)系均表現(xiàn)出良好的相關(guān)性,R2分別為0.930(LB-EPS)和0.981(TB-EPS)。有學(xué)者[20]研究發(fā)現(xiàn),活性污泥TB-EPS含量的變化與SVI的線性關(guān)系不明顯,而LB-EPS含量的變化與SVI線性關(guān)系顯著。也有學(xué)者[21]報(bào)道了不同的研究結(jié)果,LB-EPS含量變化與SVI呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),而TB-EPS含量的變化與SVI呈現(xiàn)正相關(guān)。這一變化可能與LB-EPS和TB-EPS的結(jié)構(gòu)與含量組成有關(guān)[22-25],詳細(xì)機(jī)理需要進(jìn)一步探討研究。

3 結(jié)論

(1)Ni2+濃度增加導(dǎo)致厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中PN和PS含量增加,PN/PS降低。

(2)在進(jìn)水Ni2+質(zhì)量濃度為25mg/L下,厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS中芳香類蛋白和色氨酸類蛋白是重要的響應(yīng)物質(zhì)。

(3)厭氧污泥LB-EPS和TB-EPS含量的增加促進(jìn)了厭氧污泥的沉降性能。