水質條件對厭氧氨氧化顆粒污泥EPS含量的影響

李 冬，田海成，梁瑜海，范 丹，張 杰,2

(1.水質科學與水環境恢復工程北京市重點實驗室(北京工業大學)，北京100124；2.城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱150090)

水質條件對厭氧氨氧化顆粒污泥EPS含量的影響

李 冬1，田海成1，梁瑜海1，范 丹1，張 杰1,2

(1.水質科學與水環境恢復工程北京市重點實驗室(北京工業大學)，北京100124；2.城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱150090)

為研究水質條件對厭氧氨氧化顆粒污泥EPS含量的影響，采用16個SBR反應器研究同周期內基質利用階段與基質匱乏階段EPS含量的變化以及總氮質量濃度、IC/TN、COD/TN對于厭氧氨氧化顆粒污泥EPS含量的影響.結果表明，同周期內，基質利用階段的EPS含量不斷升高，基質匱乏階段EPS含量不斷降低；總氮質量濃度為35～280 mg/L時，提高總氮質量濃度可以提高EPS的含量，總氮質量濃度>280 mg/L時EPS含量有所減少；IC/TN為0.01～0.2時，EPS及其各組分含量隨無機碳質量濃度的升高而增加，IC/TN>0.2時，無機碳質量濃度對于EPS及其各組分含量無明顯影響；COD/TN<0.5時，有機物對于EPS含量具有促進作用，COD/TN>0.5時，有機物的提高對于EPS含量有抑制作用.在厭氧氨氧化顆粒污泥工藝的實際運行過程中，應避免過長的基質利用階段與基質匱乏階段，總氮質量濃度應保持在150～210 mg/L，無機碳質量濃度應保持在IC/TN為0.1～0.2，有機物質量濃度應保持在COD/TN<0.5.

厭氧氨氧化；EPS含量；影響因素；顆粒污泥；微生物活性

厭氧氨氧化工藝(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)

由于具有能源消耗量低、無需外加有機碳源、污泥產量低等優點而成為當前研究的熱點.厭氧氨氧化菌(AnAOB)生長速率緩慢[1]，因此，如何實現AnAOB的快速富集與有效持留菌體成為制約其工程應用的關鍵.顆粒污泥技術由于可以有效解決污泥流失的難題，而成為厭氧氨氧化研究應用的主要形式[2-5].而胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)是實現顆粒污泥快速形成與穩定維持的關鍵因素之一，其主要成分是胞外多糖(ploysaccharide，PS)和胞外蛋白(protein，PN).EPS的形成受水質條件、反應器運行方式、基質消耗速率以及優勢菌種的代謝水平等多種因素影響[6]，同時，EPS也發生水解并在基質匱乏時充當碳源和能源物質被消耗[7]，因此，反應器內的EPS含量是產生與消耗的綜合表征.目前，國內外對于EPS的研究主要集中于好氧顆粒污泥領域[8-12]，而針對厭氧氨氧化顆粒污泥這種厭氧自養菌形成的顆粒污泥的EPS研究較少，且主要側重于EPS對于顆粒污泥快速形成的作用研究[13-17]，而關于水質條件對厭氧氨氧化顆粒污泥EPS含量的影響方面的研究較少.

本實驗通過向16組完全相同的SBR反應器分別接種穩定運行的厭氧氨氧化顆粒污泥，研究同一周期內EPS變化以及不同總氮質量濃度、IC/TN、COD/TN對厭氧氨氧化顆粒污泥EPS含量的影響，以期進一步明晰水質條件對于厭氧氨氧化顆粒污泥EPS含量的影響，從而提出相應的控制條件，實現厭氧氨氧化顆粒污泥工藝的穩定運行，也為未來厭氧氨氧化顆粒污泥的數學建模提供數據基礎.

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗采用16個完全相同的SBR反應器，反應器由有機玻璃精加工而成，高18 cm，內徑10 cm，有效容積1 L.利用六聯攪拌機控制相同轉速使各反應器內細菌與基質充分混合，攪拌機轉速100 r/min.

1.2 接種污泥與實驗水質

接種污泥采用在氨氮質量濃度為45 mg/L、亞氮質量濃度為60 mg/L的人工配水水質條件下穩定運行的UASB反應器中的厭氧氨氧化顆粒污泥，反應器容積24 L，總氮去除率79%，總氮去除負荷1.35 kg/(m3·d)，顆粒污泥體積平均粒徑2.12 mm.實驗水質以(NH4)2SO4、NaNO2、KH2PO4為營養物質，NaHCO3為無機碳源，乙酸鈉為有機碳源，溫度為室溫24～26 ℃.各反應器具體水質條件見表1.

表1 各反應器水質條件對比Tab.1 Comparison of water quality of each reactor

1.3 操控條件與運行方法

1#～16#反應器均采用SBR的運行方式，每個周期包括瞬時進水、反應(時間為T)、沉淀(1 min)、排水(1 min).各反應器的反應時間T按照氨氧化率達到90%確定.實驗共計運行3個周期，每個周期運行前通過循環進水(自來水)—攪拌—沉淀—排水等過程，將上一個周期殘留的NH4+-N、NO2--N、NO3--N、COD、IC等淘洗干凈以排除干擾.為避免溶解氧對于厭氧氨氧化活性的抑制，每周期在加入基質前分別加入0.1 g亞硫酸鈉以去除進水中的溶解氧至0.1 mg/L以下，反應器運行過程中封閉以避免溶解氧對于厭氧氨氧化菌活性的抑制.

為研究同周期厭氧氨氧化顆粒污泥EPS分泌量的變化(以3#反應器為例)，按基質是否反應完全劃分為基質利用階段與基質匱乏階段，在0、5、10、20、40、60、80、100、125、150 min與210、270 min分別取泥水混合樣來提取并測定EPS(PN、PS)含量以及氮化合物含量研究基質利用階段.為比較不同水質條件對厭氧氨氧化污泥EPS分泌量的影響，在各反應周期剛剛結束未靜置前取泥水混合樣來提取并測定EPS(PS、PN)含量.

1.4 分析項目與方法

DO、T、pH均采用WTW便攜測定儀測定；MLVSS采用重量法測定；水樣分析中NH4+-N采用納氏試劑光度法測定，NO2--N采用N-(1-萘基)乙二胺光度法測定，NO3--N采用紫外分光光度法測定，TIC采用非色散紅外吸收TOC測定儀，COD采用COD快速測定儀.EPS中多糖含量的測定采用苯酚-硫酸比色法，蛋白質含量的測定采用考馬斯亮藍法.EPS的提取方法為首先取泥水混合樣品于10 mL離心管中，室溫下用離心機以8 000 r/min離心15 min，倒掉上清液，加入適量磷酸鹽緩沖溶液，將污泥稀釋至原體積，之后將污泥搖散后超聲處理3.5 min，接著80 ℃水浴30 min(每隔10 min左右將泥搖勻1次)，最后用離心機8 000 r/min離心15 min，取上清液測定多糖、蛋白質含量，剩余污泥測定MLVSS.

實驗涉及的公式如下:

(1)

(2)

(3)

2 結果與討論

2.1 不同反應時期厭氧氨氧化顆粒污泥EPS含量的變化

以3#反應器為典型，研究同周期內不同反應時期的厭氧氨氧化顆粒污泥EPS含量的變化.反應器內的基質質量濃度與EPS總量變化如圖1所示.在0～150 min內，氨氮與亞硝酸鹽氮質量濃度不斷下降，反應器總氮去除率為87%，總氮去除負荷為1.12 g/(L·d).反應器內的PS與PN的變化如圖2所示.在反應周期內，EPS各組分質量分數不斷升高，單位MLVSS PS質量分數由開始時的34.28 mg/g不斷升高至結束時的37.81 mg/g；PN質量分數由開始時的89.35 mg/g不斷升高至結束時的94.01 mg/g；EPS總量由開始時的123.63 mg/g升高至結束時的131.82 mg/g.在整個反應周期內，厭氧氨氧化菌具有充足的基質來維持較高的厭氧氨氧化活性，因此，細菌產生的EPS也因不斷積累而升高.研究表明EPS具有促進細胞絮凝、維持顆粒結構以及提供能源等多種作用[19]，不斷增加的EPS將有助于促進污泥顆粒化同時維持顆粒結構的穩定.由表2可知，厭氧氨氧化污泥的EPS總量明顯高于其他種類污泥，較高的EPS含量使得厭氧氨氧化污泥更易于發生細胞凝聚而形成顆粒.研究表明，厭氧氨氧化污泥高度的凝聚性不僅意味著細胞數量的增加，細胞間的信息交換和合作也都將加強，繼而增強細胞的代謝和活性，EPS對于細胞凝聚的促進作用將增加基因表達的穩健性，增強厭氧氨氧化菌對于客觀環境變化的容忍性[13].厭氧氨氧化污泥EPS中的PN組分比例明顯高于其他種類污泥，而Hou等[13]通過絮凝實驗證實了PN是影響厭氧氨氧化菌凝聚性的關鍵物質，因此，厭氧氨氧化污泥EPS中較高的PN含量將有助于厭氧氨氧化菌的細胞凝聚形成顆粒.

圖1 同周期內基質質量濃度與EPS總量變化

Fig.1 Changes of matrix concentration and total amount of EPS in the same cycle

圖2 同周期內胞外多糖與蛋白質質量分數變化Fig.2 Changes of polysaccharide and protein content in the same cycle

為研究基質匱乏狀態下厭氧氨氧化菌EPS含量的變化，反應器繼續運行2 h，PS質量分數逐步下降至35.23 mg/g，PN逐步下降至90.22 mg/g，EPS總量下降至125.45 mg/g.在周期結束后的150～270 min，EPS的形成過程由于基質匱乏而停滯，但是部分EPS依然通過水解等作用釋放到液相中且部分可生物降解的EPS又被充當能源物質而消耗，以維持細菌的正常代謝.吳昌永等[11]通過厭氧/好氧交替的運行方式研究了好氧顆粒污泥在基質利用階段與基質匱乏階段EPS的變化，結果也表明基質利用階段儲存的EPS在基質匱乏階段可以被利用，從而保證了EPS含量的穩定而更有利于促進顆粒的形成；李冬等[20]研究了亞硝化污泥在一個典型周期內EPS含量的變化，結果表明PN和PS均呈逐漸增加趨勢，而在基質匱乏階段，PN和PS又被當做能源物質而消耗，這些現象與本研究的厭氧氨氧化污泥EPS含量在基質匱乏階段的變化趨勢相同.由于EPS在基質利用階段不斷升高而又在基質匱乏階段不斷下降，SBR工藝所具有的間歇進料特性將有利于維持反應器內EPS含量的穩定，避免由于EPS持續升高而導致基質傳遞通道受阻繼而降低微生物活性的問題；但是基質匱乏階段較長也會造成EPS含量大幅下降，造成顆粒解體繼而影響污泥顆粒化.因此，SBR工藝在實際控制過程中應避免過長的反應階段以及閑置階段，因不利于反應器脫氮性能的發揮以及顆粒結構的穩定.

表2 不同種類污泥EPS各組分對比Tab.2 Comparison of contents of EPS in different kinds of sludge

2.2 總氮質量濃度對厭氧氨氧化顆粒污泥EPS含量的影響

為研究總氮質量濃度對于厭氧氨氧化顆粒污泥EPS含量的影響，采用1#～6#反應器進行對比，結果如圖3、4所示.總氮質量濃度在35～210 mg/L時，PS質量分數由35.23 mg/g升高至38.92 mg/g，繼續增加總氮質量濃度至350 mg/L時，PS質量分數下降至36.54 mg/g；總氮質量濃度在35～280 mg/L時，PN質量分數由90.46 mg/g 升高至96.81 mg/g，繼續增加總氮質量濃度至350 mg/L時，PN質量分數下降至95.34 mg/g；總氮質量濃度在35～280 mg/L時，EPS總量由125.69 mg/g升高至134.5 mg/g，繼續增加總氮質量濃度至350 mg/L時，EPS總量下降至131.88 mg/g.綜上，總氮質量濃度在一定范圍內時，EPS及各組分含量隨著基質質量濃度的升高而升高，超過一定范圍，繼續提高總氮質量濃度反而會使EPS及各組分含量降低.當總氮質量濃度較低時，提高總氮質量濃度意味著基質消耗速率的提高，而研究表明EPS的形成速率與基質消耗速率呈比例關系，同時反應時間的延長也將使基質利用階段產生的EPS增多；但是基質質量濃度較高時，過長的反應時間將使得EPS的含量過高，易堵塞基質向顆粒內部傳遞的通道，而且EPS黏性較強也會增加基質向顆粒內部傳遞的阻力[23]，降低微生物活性，且研究表明過高的亞氮質量濃度也會對厭氧氨氧化菌的活性造成抑制，微生物活性降低反過來也會導致EPS的形成量降低，不利于顆粒污泥的形成與結構穩定性的維持.李冬等[20]對亞硝化污泥EPS含量的研究結果也進一步證實了過高的基質質量濃度不利于EPS的分泌.綜上，總氮質量濃度過高不利于EPS含量的提高，也不利于厭氧氨氧化活性的充分發揮.實驗中，總氮質量濃度在35～150 mg/L時，RAN由92.82 mg/(g·d)不斷升高至110.95 mg/(g·d)，繼續提高總氮質量濃度至350 mg/L時，RAN不斷下降至67.95 mg/(g·d).由圖2可知，在實際工藝運行過程中，通過調節容積交換率的方式控制反應初期的總氮質量濃度在150～210 mg/L時，既可以實現較高微生物活性及反應器的脫氮性能，還可以形成較高的EPS含量促進污泥顆粒化以及結構穩定性.

圖3 總氮質量濃度對厭氧氨氧化活性與EPS總量的影響

Fig.3 Effects of total nitrogen concentration on anaerobic ammonia oxidation activity and total amount of EPS

圖4 總氮質量濃度對胞外多糖與蛋白質質量分數的影響

Fig.4 Effects of total nitrogen concentration on extracellular polysaccharide and protein content

2.3 無機碳對于厭氧氨氧化污泥EPS含量的影響

為研究無機碳對于厭氧氨氧化菌EPS含量的影響，采用3#、7#～11#反應器進行對比，結果如圖5、6所示.

圖5 無機碳對厭氧氨氧化活性與EPS總量的影響

Fig.5 Effects of inorganic carbon on anaerobic ammonia oxidation activity and total amount of EPS

圖6 無機碳對胞外多糖與蛋白質質量分數的影響

Fig.6 Effects of inorganic carbon on extracellular polysaccharide and protein content

IC/TN在0.01～0.2時，PS質量分數由34.34 mg/g不斷升高至38.23 mg/g，PN質量分數由90.34 mg/g不斷升高至95.12 mg/g，EPS總量由124.31 mg/g不斷升高至133.35 mg/g；繼續增加無機碳至IC/TN為0.5時，EPS及各組分含量并無明顯增長.綜上，無機碳質量濃度在一定范圍內時，EPS及各組分含量隨著無機碳質量濃度的升高而升高，超過一定范圍，繼續提高無機碳質量濃度對于EPS及各組分含量無明顯影響.無機碳作為厭氧氨氧化菌的碳源，影響厭氧氨氧化菌的活性以及EPS的分泌量，理論上厭氧氨氧化反應需要的無機碳含量為IC/TN=0.024(按反應式(1)計算)，本實驗在IC/TN為0.01～0.2時，RAN由70.05 mg/(g·d)不斷升高至116.19 mg/(g·d)，表明無機碳對于厭氧氨氧化活性具有顯著的促進作用，相關研究結果也進一步證明了無機碳對于厭氧氨氧化菌活性具有促進作用[24-25]，無機碳對于厭氧氨氧化活性的促進作用將導致厭氧氨氧化菌EPS分泌量的提高，但是無機碳的促進作用有一定限制，當IC/TN>0.2時，無機碳無法繼續提高厭氧氨氧化菌活性及EPS含量.綜合EPS含量與微生物活性兩方面影響，厭氧氨氧化顆粒污泥工藝的無機碳質量濃度應控制在IC/TN為0.1～0.2，在厭氧氨氧化顆粒污泥工藝的實際運行過程中，若無機碳源質量濃度較低，應當投加適量無機碳源，以避免由于無機碳的缺乏造成EPS含量的降低以及微生物活性的限制.

2.4 有機物對于厭氧氨氧化污泥活性及EPS含量的影響

已有研究表明，有機物的存在對于厭氧氨氧化菌活性以及EPS含量有重要影響.為研究有機物質量濃度對于厭氧氨氧化菌EPS含量的影響，采用3#、12#～16#反應器進行對比，結果如圖7、8所示.COD/TN為0時，PS和PN質量分數分別為37.81和94.01 mg/g，RAN為110.945 mg/(g·d)；提高有機物至COD/TN=0.5時，PS和PN質量分數分別升高至38.63和94.56 mg/g，RAN也升高至119.98 mg/(g·d)；繼續提高有機物至COD/TN=2.5 時，PS和PN質量分數分別下降至35.01和91.56 mg/g，RAN也下降至71.16 mg/(g·d)；EPS總量的變化趨勢與PS和PN的變化趨勢相同.由此表明，少量有機物的存在可以促進厭氧氨氧化菌活性同時提高EPS的含量，繼續提高有機物質量濃度將抑制厭氧氨氧化的活性并且降低厭氧氨氧化菌EPS及各組分的含量.Ni等[15]的研究結果表明即使進水中不含有機物的厭氧氨氧化系統中也將含有23%的異養菌，這些異養菌以可溶性的細胞產物、細菌腐敗產物等為基質進行反應，有利于提高厭氧氨氧化系統的處理效果.Li等[14]的研究結果表明適量的COD有助于促進EPS的分泌從而促進污泥顆粒化，而過量的COD將抑制厭氧氨氧化菌的競爭優勢.因此，少量有機物的存在將有利于異養菌分泌更多的EPS，但是由于厭氧氨氧化菌是自養菌，過高的有機物將對自養菌的生長代謝造成抑制，更不利于厭氧氨氧化菌EPS的分泌，因此，COD/N較高時，厭氧氨氧化活性和EPS及各組分含量均明顯下降.李延軍等[9]研究了COD/N對好氧顆粒污泥EPS含量的影響，結果表明多糖含量幾乎沒有變化，而蛋白質及EPS總量均隨CON/N的增大而降低.陳晨等[22]研究了COD/N對厭氧顆粒污泥EPS的影響，結果表明EPS及各組分含量均隨COD/N的增大而先增大后減少.李冬等[20]研究了有機物對于亞硝化污泥EPS含量的影響，結果顯示廢水中含有機物的污泥系統中EPS含量明顯高于相同氨氮質量濃度、不含有機物質的污泥系統.綜上，合適的COD/N對于細菌分泌EPS具有重要影響，對于厭氧氨氧化顆粒污泥工藝，實際運行過程中應控制COD/TN<0.5，以避免有機物過高對于厭氧氨氧化活性的限制.

圖7 有機物對厭氧氨氧化活性與EPS總量的影響

Fig.7 Effects of organic matter on anaerobic ammonia oxidation activity and total amount of EPS

圖8 有機物對胞外多糖與蛋白質質量分數的影響

Fig.8 Effects of organic matter on extracellular polysaccharide and protein content

3 結 論

1)同周期內，基質利用階段的EPS及各組分含量不斷增加；而基質匱乏階段EPS及各組分含量又不斷降低.在SBR工藝的實際控制過程中，應避免過長的基質利用階段以及過長的基質匱乏階段.

2)總氮質量濃度為35～280 mg/L時，提高總氮質量濃度可以提高EPS的含量；總氮質量濃度超過280 mg/L時，提高總氮質量濃度會降低EPS及各組分含量.為維持較高的脫氮性能，總氮質量濃度應控制在150～210 mg/L.

3)IC/TN為0.01～0.2時，EPS及其各組分含量隨無機碳質量濃度的升高而增加；IC/TN超過0.2時，無機碳質量濃度對于EPS及其各組分含量無明顯影響；IC/TN應控制在0.1～0.5.

4)COD/TN<0.5時，有機物對于EPS含量以及反應器脫氮性能具有促進作用；COD/TN超過0.5時，有機物的提高對于EPS含量以及反應器脫氮性能有抑制作用.COD/TN應控制在0.5以下.

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(編輯 劉 彤)

Effect of water quality of influent on the content of extracellular polymeric substances in anammox granule sludge

LI Dong1, TIAN Haicheng1, LIANG Yuhai1, FAN Dan1, ZHANG Jie1,2

(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering(Beijing University of Technology), Beijing 100124, China;2. State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment(Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China)

Content of EPS affects not only the formation and stability of anammox granular sludge, but also the performance of reactor. To study the effect of influent water quality on the EPS content, sixteen SBR reactors with different total nitrogen concentrations, different IC/TN ratios and different COD/TN were operated and compared. Experimental results indicated that the content of EPS increased during the substrate utilization phase, but declined under the shortage phase. Specifically, the EPS content increased slighty with the increasing of total nitrogen concentration from 35 to 280 mg/L, however, it decreased significantly once the total nitrogen concentration exceeded 280 mg/L. With a IC/TN of 0.01-0.2, the content of EPS increased with a continuous input of inorganic carbon, but the inorganic carbon concentration had no significant effect on EPS content when IC/TN>0.2. Under the condition of COD/TN<0.5, higher organic matter promoted EPS formation, but it inhibited EPS formation when COD/TN>0.5. Thus, long substrate utilization phase and the shortage phase should be avoided during the operation of anammox reactor, and the total nitrogen concentration should be maintained between 150-210 mg/L, IC/TN should be 0.1-0.2, COD /TN should be lower than 0.5.

anammox; extracellular polymeric substances content; factors；granular sludge；microbial activity

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.02.002

2015-08-15

北京市青年拔尖團隊項目(2014000026833TD02)

李 冬(1976—)，女，教授，博士生導師; 張 杰(1938—)，男，教授，中國工程院院士

李 冬，lidong2006@bjut.edu.cn

X703

A

0367-6234(2017)02-0006-07