胞外聚合物在生物除磷中作用的研究

第32卷第4期2012年4月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.32,No.4Apr.,2012基金项目:中国博士后科学基金(No.20110491845);重庆市自然科学基金资助项目(No.CSTC2009BB7175)SupportedbythePostdoctoralScienceFoundationofChina(No.20110491845)andtheNaturalScienceFoundationofChongqingMunicipality(No.CSTC2009BB7175)作者简介:龙向宇(1979—),男,讲师(博士),E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:LONGXiangyu(1979—),male,lecturer(Ph.D.),E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]龙向宇,方振东,唐然,等.2012.胞外聚合物在生物除磷中作用的研究[J].环境科学学报,32(4):784-789LongXY,FangZD,TangR,etal.2012.Rolesofextracellularpolymersubstancesinbiologicaldephosphorization[J].ActaScientiaeCircumstantiae,32(4):784-789胞外聚合物在生物除磷中作用的研究龙向宇1,2,方振东2,∗,唐然2,周从直2,冯裕钊2,王恕21.后勤工程学院化学工程与技术博士后流动站,重庆4013112.后勤工程学院营房管理与环境工程系,重庆401311收稿日期:2011-06-28　　　修回日期:2011-07-21　　　录用日期:2011-07-28摘要:以进水COD与TP之比分别为100∶1和50∶1的两组SBR反应器为研究对象,探讨了胞外聚合物(EPS)在生物除磷中的作用.研究结果表明,EPS中不仅含有以高价阳离子沉淀物或络合物形式存在的无机磷(IP),而且含有以细菌细胞分泌物或代谢产物形式存在的有机磷(OP).两组SBR反应器活性污泥的厌氧释磷过程主要由EPS产生,好氧吸磷过程主要由EPS完成;EPS的除磷量占系统除磷量的60%~62%,细菌细胞的除磷量占系统除磷量的30%~38%.EPS对主体液相中磷的去除主要通过EPS与主体液相之间磷的间接传输途径来完成,说明EPS在生物除磷过程中充当磷储存库的作用.关键词:胞外聚合物;生物除磷;细菌细胞文章编号:0253-2468(2012)04-784-06　　　中图分类号:X703.1　　　文献标识码:ARolesofextracellularpolymersubstancesinbiologicaldephosphorizationLONGXiangyu1,2,FANGZhendong2,∗,TANGRan2,ZHOUCongzhi2,FENGYuzhao2,WANGShu21.PostdoctorMobileStationofChemicalEngineeringandTechnology,LogisticsEngineeringUniversityofPLA,Chongqing4013112.DepartmentofBarracksManagement&EnvironmentalEngineering,LogisticsEngineeringUniversityofPLA,Chongqing401311Received28June2011;　　　receivedinrevisedform21July2011;　　　accepted28July2011Abstract:RolesofextracellularpolymersubstancesinbiologicaldephosphorizationwereinvestigatedintwoSBRreactors,ofwhichtheratiosofinfluentCODtoTPwererespectively100∶1and50∶1.TheresultsshowedthatEPScontainednotonlyinorganicphosphate(IP),intheformofprecipitationorcomplexofhighvalencecations,butalsoorganicphosphate(OP)assecretionormetaboliteofbacteria.InanaerobicstagethephosphorusreleasedweremostlyoriginatedfromEPS,whileinaerobicstagethephosphorusabsorbedweremainlystoredinEPS.EPSwasaccountedfor60%~62%ofthetotalphosphateremoval,incomparisonwith30%~38%bybacteriaphosphorusremoval.ThecourseofphosphorusremovalinEPSwasmainlyperformedthroughtheindirectphosphorustransmissionpathbetweenEPSandtheliquid,suggestingthatEPSwasthephosphorusstorageofbiologicalfloc.Keywords:extracellularpolymersubstances;biologicaldephosphorization;bacteria1　引言(Introduction)厌氧/好氧生物除磷与反硝化除磷是实现生物强化除磷的重要途径(Oehmenetal.,2007;Wuetal.,2010;De-Bashanetal.,2004),然而上述两种理论不能解释所有的生物除磷现象.近年来,有研究认为,EPS参与了生物除磷过程,Cloete等(2001)采用X射线扫描电镜与能谱仪联用,观察到取自两个污水处理厂的活性污泥絮体外层清晰可辨的EPS中含有27%~30%的磷.周健等(2008)采用阳离子交换树脂法提取EPS,认为EPS中含有15%~18%左右的磷,厌氧过程中主体液相磷浓度的升高源自PAOs与EPS两者的释磷作用;污泥龄越大,EPS所贮存的磷含量越高.Li等(2010)采用阳离子交换树脂法提取活性污泥中的EPS,考察了温度对生物强化除磷过程中胞内吸磷和EPS胞外除磷的影响,认为低温有利于EPS除磷,5.0℃下EPS的除磷量占总除磷量的13%.Delvasto等(2009)采用4期龙向宇等:胞外聚合物在生物除磷中作用的研究BurkholderiacaribensisFeGL03菌去除巴西高含磷铁矿石中的磷,研究认为微生物从铁矿石中去除的磷不仅存在于细菌细胞成分(磷脂、细胞壁、DNA等),而且与微生物产生的EPS中的P—O基团有关.最新研究表明,超声波-树脂法能在不引入化学污染且细菌细胞破损率较低的情况下,提取絮体外层清晰可辨的EPS及部分与细菌细胞紧密结合的EPS,所提取EPS中的TP含量占污泥絮体TP含量的34%~57%(方振东等,2011).EPS参与了生物除磷过程,但有关其在生物除磷中的作用大小尚未明确,上述情况不仅与不同研究者所采用的污泥来源不同有关,而且与他们所采用的EPS提取方法也有密切的关系(周健等,2008;方振东等,2011).研究认为,EPS中的磷可能直接来自污水,并以沉淀物的形式与镁或钙结合(Lietal.,2010);另一方面,EPS主要来自细菌细胞代谢和自溶所产生的聚合物(Urbainetal.,1993),且EPS可作为底物被细菌细胞重新吸收利用(Zhangetal.,2003),说明EPS中的磷并非全部直接来自主体液相.因此,EPS和主体液相之间磷的转移途径需要进一步深入探讨.因此,本文以厌氧/好氧方式运行的两组不同进水碳磷比的实验室SBR反应器为研究对象,采用超声波-树脂法提取活性污泥的EPS,考察EPS和细菌细胞在生物除磷过程中的作用大小,探讨EPS和主体液相之间的磷转移途径,以期进一步明确EPS在生物除磷中的作用.2　材料与方法(Materialandmethods)2.1　活性污泥的培养与来源两组实验室SBR反应器的进水采用人工配水,除COD与TP之比分别为50∶1和100∶1外,进水中的其它成分均相同(龙向宇等,2008).以葡萄糖、可溶性淀粉和蛋白胨作为复合碳源,以KH2PO4作为磷源,进水COD与TP之比为50∶1的SBR反应器记为1#反应器,进水COD与TP之比为100∶1的SBR反应器记为2#反应器.2组反应器的污泥龄均为10d左右,运行周期为12h,其中,进水5min,厌氧搅拌3h,曝气7h,沉淀110min,排水5min.取样时间为反应过程中的0、1、3、4、6和10h,其中,取样时间为1h和3h的污泥样品为厌氧污泥,取样时间为4h、6h和10h的污泥样品为好氧污泥.2.2　EPS和细菌细胞的分离方法将活性污泥样品于6000r·min-1下离心20min,弃除离心后的上清液,补充pH=7.0的二次蒸馏水,使污泥浓度约为8000mg·L-1(以单位体积混合液含有的VSS质量计),并搅拌均匀.量取60mL清洗后的污泥,于冰水浴中用21kHz、40W的超声波作用2min;然后,以80g·g-1(以单位质量VSS投加的树脂质量计)的树脂投加量,向超声波作用后的污泥投加001×7型阳离子交换树脂,在冰水浴中于550r·min-1下离子交换反应45min.离子交换反应后,用孔径为250μm的尼龙筛网滤除树脂颗粒,得到EPS和污泥颗粒的混合液.最后,采用冷冻离心机将混合液于(0±2)℃、8000r·min-1下进行2次20min的离心分离,2次离心后的上清液为EPS,离心沉淀物视为细菌细胞(方振东等,2011).2.3　测量方法多糖采用蒽酮法测定,以葡萄糖作为标准物质;蛋白质和腐殖酸采用修正的Folin酚法测定,分别以牛蛋白血清和腐殖酸钠作为标准物质;DNA采用二苯胺法测定,以2-脱氧-D核糖作为标准物质(Frøundetal.,2011).EPS及细菌细胞的聚合物总含量均分别以其多糖、蛋白质、腐殖酸和DNA含量之和表示.采用封闭回流法消解EPS、细菌细胞与污水样品(龙腾锐等,2009),用钼锑抗法测量TP含量及EPS和污水中的无机磷含量.3　结果(Results)3.1　厌氧/好氧过程VSS和聚合物总含量的变化从表1可以看出,厌氧/好氧过程中两组SBR反应器的VSS浓度均表现出先增大后降低的趋势.反应过程的0~6h,两组反应器的VSS浓度随时间增大而升高;6~10h,两组反应器的VSS浓度略有降低.1#反应器污泥的EPS总含量在厌氧过程降低,好氧过程升高.0~1h,其EPS含量迅速降低,由204.2mg·g-1(以从单位质量VSS提取得到的聚合物总量计,下同)降低为166.4mg·g-1,3h时降低为159.7mg·g-1;好氧初期其EPS含量迅速增大,4h时为198.4mg·g-1,此后略有增大,10h时为214．8mg·g-1.厌氧/好氧反应过程中2#反应器污泥的EPS总含量有不同的变化情况.0~1h,其EPS含量略有降低,由189.6mg·g-1降低为169．2mg·g-1,3h时升高为182.6mg·g-1;好氧初期其EPS含量略有升高,4h时为202.2mg·g-1,此后其含量变化不大.对于两组反应器,分离EPS后的细菌细胞的聚合物总含量均在厌氧初期降低,后期升587环　　境　　科　　学　　学　　报32卷高;好氧初期升高,曝气结束前略有降低.表1　厌氧/好氧过程VSS和聚合物总含量的变化Ta