技术活性污泥如何吸附生活污水Word格式.docx
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Wei等也比较了含EPS的菌体和剥离EPS的菌体对Cd的吸附,发现EPS的存在明显增加了细菌的吸附性能;
而Ueshima等研究发现,EPS只可在菌体外形成保护层增强菌体的生存能力,而对细菌吸附Cd没有影响。
关于污泥EPS对有机污染物的吸附研究甚少,部分学者研究了污泥EPS对染料废水中染料的吸附,Wei等认为EPS在亚甲蓝去除中存在必然的作用,且吸附过程符合假二级动力学模型,在EPS吸附亚甲蓝时,起关键作用的官能团是蛋白质和腐殖酸内的色氨酸残基;
Gao等分别研究了EPS对4种不同染料(活性艳蓝、刚果红、活性艳红、孔雀绿)的吸附,发现EPS对阳离子类染料有很好吸附效果;
Sheng等采用甲苯胺蓝阳离子染色法探讨好氧、厌氧污泥EPS对有机污染物的吸附特性,结果显示:
好氧、厌氧污泥EPS对有机污染物均有吸附能力,且是通过形成染料-EPS络合物来实现的,其中好氧污泥EPS吸附能力更强。
根据EPS与细胞相结合的紧密程度不同,可将EPS分为粘液层、松散结合的胞外聚合物和紧密结合的胞外聚合物。
Guo等只探讨了紧密结合的胞外聚合物(TB-EPS)的吸附性能与菌体表面特性的关系,他们利用自合成技术模拟了富含甲基、氨基、羟基和羧基的单层膜对TB-EPS的吸附影响,结果表明,表面富含甲基的单层膜的TB-EPS的吸附率最高。
不同层EPS中的组成成分是否相同,其对污泥吸附性能作用是否不同,值得深入探讨。
而且目前关于分层EPS吸附性能的研究未见报道。
因此,本文拟通过对不同层EPS不同组分的定量分析,研究不同层EPS对有机污染物的吸附性能,解析EPS对污泥吸附有机物性能特征。
2、材料与方法
2.1试验材料
试验活性污泥取自马鞍山某污水处理厂(A2O工艺)的曝气池和自行设计的SBR(序批式反应器)污水处理小试装置。
该小试装置采用人工配水,向自来水中添加葡萄糖、NH4Cl和KH2PO4以控制碳氮磷比为100:
5:
1,模拟生活污水,试验的接种污泥取自于上述污水厂的曝气池。
为保证吸附试验时污泥内无残留有机污染物,将取回污泥首先空曝24h,但不做其他预处理,以保持活性污泥原有特性。
试验所用污水统一取之于相同污水处理厂的细格栅出水。
活性污泥理化性质、主要工艺参数及试验污水指标如表1所示。
表1试验活性污泥、污水指标及主要运行工艺参数
2.2污泥EPS的提取和测定
采用热提取法提取活性污泥中的粗EPS,得到的粗EPS经0.45μm滤膜抽滤,收集抽滤后的EPS进行分析。
以牛白蛋白作为标准物质,采用Folin-酚法对EPS中的蛋白质定量分析;
以葡萄糖作为标准物质,采用硫酸-苯酚法对EPS中的多糖进行定量分析;
以小牛胸腺DNA作为标准物质,采用二苯胺比色法测定EPS中的DNA。
2.3剥离EPS污泥的吸附试验
为考察不同层EPS对活性污泥吸附性能的影响,分别向4个1000mL烧杯中加入500mL空曝后的污泥(控制污泥浓度在6000mg·
L-1左右),然后进行不同处理:
Ⅰ、原污泥:
不做任何处理;
Ⅱ、-SB污泥:
原污泥离心(6000g)5min,弃去上清液(去除SB-EPS),注入调pH(7.00-7.50)的去离子水补充到原体积,因此,-SB污泥就是剥离其中SB-EPS后的污泥;
Ⅲ、-LB污泥:
原污泥在3000r·
min-1下离心10min,弃去上清液,注入预热到70℃的磷酸盐缓冲溶液(0.1mol·
L-1,pH=7.4,PBS)补充到原体积,放入数显水浴恒温振荡器(50℃)中涡旋混合1min,再将样品于6000g离心力下离心10min,弃去上清液(去除LB-EPS),注入调pH的去离子水补充到原体积,因此,-LB污泥就是剥离其中LB-EPS后的污泥;
Ⅳ、-TB污泥:
min-1下离心10min,弃去上清液,注入PBS悬浮到原体积,然后在60℃水浴30min,经6000g离心力下离心30min弃去上清液(去除TB-EPS),注入调pH的去离子水补充到原体积,因此,-TB污泥就是剥离其中TB-EPS后的污泥。
按上述过程分别处理污泥后,再进行相同处理:
使用调pH的去离子水清洗污泥5遍,沉降30min后弃去上清液(部分上清液用于测定清洗后水中COD),保留泥水混合液体积到300mL。
向烧杯中加入600mL生活污水,然后于六连电动搅拌器(JJ-4,中国)上搅拌(150r·
min-1),分别在5、10、20、30、40、60和90min时取10mL样品测定COD。
2.4吸附分析计算方法
2.4.1吸附动力学模型
为全面研究剥离不同层EPS对污泥吸附生活污水有机污染物的动力学影响,吸附数据分别采用以Ritchie速率方程为基础推导出的2种吸附动力学模型,即Lagergern单层吸附动力学模型和Ritchie双层吸附模型,及颗粒内扩散模型拟合。
3种动力学模型方程分别如式
(1)-(3)所示。
(1)
(2)
(3)
式中,qt和qe分别是吸附t时刻和平衡时的吸附量(mg·
g-1);
k1、k2分别为Lagergern单层吸附和Ritchie双层吸附速率常数(min-1);
k3为颗粒内扩散常数(mg·
g-1·
min-0.5);
c为常数。
2.4.2单位EPS吸附量计算公式
为精确探讨不同层EPS在污泥吸附中的作用,分别求出各层单位质量EPS对有机污染物的吸附量,具体计算过程如下:
单位SB-EPS的吸附量=A=[原污泥qe-(-SB污泥qe)]/(SB-EPS×
MLSS1/1000)
单位LB-EPS的吸附量=B=[原污泥qe-(-LB污泥qe)-(SB-EPS×
MLSS2/1000×
A)]/(LB-EPS×
MLSS2/1000)
单位TB-EPS的吸附量=C=[原污泥qe-(-TB污泥qe)-(SB-EPS×
MLSS3/1000×
A)-(LB-EPS×
B)]/(TB-EPS×
MLSS3/1000)
式中,MLSS1、MLSS2、MLSS3分别为-SB污泥、-LB污泥、-TB污泥的悬浮固体浓度。
3、结果与讨论
3.1污泥各层EPS组分分析
不同污泥的EPS总量上看出,培养污泥EPS由于LB-EPS、TB-EPS含量低于污水厂污泥,导致总量也少于污水厂污泥,少4.86mg·
g-1。
这是由于污水厂活性污泥系统的污泥负荷比培养的负荷小,因此细菌可利用的基质减少,增值速率降低,此时细菌的分泌和自溶使低负荷污泥中EPS含量较高;
培养污泥系统DO(溶解氧5.00-7.00mg·
L-1)高于污水厂污泥系统(2.0-4.0mg·
L-1)也是导致EPS含量减少的原因之一,因为随着DO增加,微生物的代谢活动加剧,底物消耗快,污泥产生的部分EPS被微生物作为底物利用,因此EPS含量减少;
Liao等发现,在SRT(污泥龄)较短时,污泥中的微生物来不及将所有碳源用于生长,多余的碳源被转换形成EPS或胞内聚合物。
图1活性污泥EPS组成分布图
从EPS组成上看,EPS组分主要都是蛋白质,占总量的81.07%(培养污泥)、79.96%(污水厂污泥)。
其次为多糖,DNA含量最少。
培养污泥、污水厂污泥EPS中蛋白质与多糖含量的比值分别为4.37、4.76,说明培养污泥中多糖所占比重更大。
这是由于培养污泥DO高,多糖产量会增加,但蛋白质会保持不变。
此外,培养污泥pH值(7.00-8.00)高于污水厂污泥(6.8-7.2),当pH值偏离中性时,虽然EPS含量有小幅度下降,但多糖含量有所增长。
葛利云等试验发现,淀粉基质培养的污泥比葡萄糖基质培养的污泥EPS中蛋白质与多糖的比值要高,本研究中培养污泥采用葡萄糖为碳源的人工配水,污水厂污泥的污水是市政污水,碳源成分复杂,因此本文的研究结果正好与这一结论相一致。
从不同层EPS组成变化上看,两种污泥具有相似的规律。
从不同层EPS组成上看,从SB层到TB层(由外到内),EPS含量逐步增加。
LB层中EPS含量占总量的31.56%(培养污泥)、41.86%(污水厂污泥),是SB层中的3.06倍(培养污泥)、29.08倍(污水厂污泥);
TB层中EPS含量占总量的58.34%(培养污泥)、56.71%(污水厂污泥),是SB层中的5.65倍(培养污泥)、39.39倍(污水厂污泥)。
菌体分泌的EPS首先包裹在菌体细胞外表面,然后逐渐向外,填充到个体间隙中,当分泌量充满污泥絮体内部空隙时,新分泌出的EPS就会将原来积累的EPS挤到外层,这样就使得外层的EPS就变得松散。
最外层的EPS长期暴露于污水中,表面附着大量有机、无机污染物质,最终形成粘液层(SB-EPS)。
因此,菌体是先排出TB-EPS,之后慢慢演变成LB-EPS、SB-EPS,这样就导致SB-EPS和LB-EPS含量相对固定,TB-EPS浓度不断增加,只有当增加到一定程度时LB-EPS和SB-EPS才会增加。
两种污泥不同层的蛋白质与多糖比值变化规律不同。
培养污泥SB层、LB层、TB层中蛋白质与多糖的比值分别为3.74、4.83、4.27,呈现先增加后略减的趋势;
污水厂污泥SB层、LB层、TB层中蛋白质与多糖的比值分别为1.28、4.66、4.76,从外层到内层呈现逐层递增的趋势。
由于菌体最先排出EPS被演变成SB-EPS,此时到达菌体内的DO含量高,因此多糖含量相对较多,随着菌体表面EPS含量越来越多,到达菌体内的DO含量减少,EPS中多糖含量减少。
因此内层EPS蛋白质与多糖的比值比外层大。
总之,培养污泥EPS含量低于污水厂污泥;
EPS组分主要都是蛋白质,其次为多糖,DNA含量最少;
从SB层到TB层(由外到内),EPS含量逐步增加,两种污泥不同层的蛋白质与多糖比值均为外层小于内层,但培养污泥的-TB污泥层中白质与多糖比值小于-LB污泥层。
3.2污泥吸附动力学模型分析
按动力学模型方程对吸附量-吸附时间进行拟合,拟合结果如表2所示。
两种污泥所有层的吸附与颗粒内扩散模型的吻合度均很低,尤其是-TB污泥,说明污泥对污染物的吸附在污泥絮体颗粒表面进行,而没有扩散到絮体颗粒内部。
表2剥离各层EPS的污泥的吸附试验数据拟合结果的吸附参数与可决系数(R2)
两种污泥的原污泥、-SB污泥均与Lagergern单层吸附模型和Ritchie双层吸附模型的拟合效果比较好(R2﹥0.90),这说明外层污泥在吸附过程中既存在单层的物理吸附过程,又存在多层的物理化学吸附过程。
其中培养原污泥、培养-SB污泥吸附效果与Ritchie双层吸附模型吻合性更好(R2﹥0.94),而污水厂原污泥、污水厂-SB污泥的吸附过程效果与Lagergern单层吸附模型吻合性更好(R2﹥0.96)。
-LB污泥与Lagergern单层吸附模型(R2为0.60-0.85)、Ritchie双层吸附模型(R2为0.60-0.91)吻合度比-SB污泥小,吸附方式规律性不显著。
-TB污泥中的EPS已经被比较完全地剥离,导致其对污水COD的吸附量明显小于-SB污泥与-LB污泥,且波动大,与动力学模型吻合度均很
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