生物促生劑對廢紙造紙活性污泥胞外聚合物的影響

張安龍 周丹妮,* 杜 飛 郗文君

(1.陜西科技大學環境科學與工程學院,陜西西安，710021；2.陜西科技大學輕工科學與工程學院,陜西西安，710021)

·生物促生劑·

生物促生劑對廢紙造紙活性污泥胞外聚合物的影響

張安龍1周丹妮1,*杜 飛2郗文君1

(1.陜西科技大學環境科學與工程學院,陜西西安，710021；2.陜西科技大學輕工科學與工程學院,陜西西安，710021)

在造紙廢水處理過程中加入生物促生劑是為了促進污染物降解,最終達到去除廢水中污染物的目的。本研究通過對廢紙造紙廢水活性污泥胞外聚合物(EPS)、松散結合的胞外聚合物(LB-EPS)、緊密結合的胞外聚合物(TB-EPS)的研究,來證明其中某種成分可以作為指示生物促生劑用量的指示劑,以及與污泥沉降性能的相關性。實驗采用3種不同CODCr值的造紙廢水,并取3組不同用量的生物促生劑分別進行實驗。通過采用硫酸法、離心和聲波降解法分別提取污泥中EPS、LB-EPS、TB-EPS,用分光光度法測定其中蛋白質、多糖、腐殖質的量,以此確定生物促生劑最佳用量；并采用生物促生劑處理廢水的正交實驗進行驗證。結果表明,不同CODCr的廢水,存在不同的最佳生物促生劑用量；真正影響生物促生劑用量和污泥沉降性能控制參數的是TB-EPS中的蛋白質的量和LB-EPS中的蛋白質的量。

生物促生劑；胞外聚合物；松散結合的胞外聚合物；緊密結合的胞外聚合物

隨著我國工業廢水排放要求的提高,傳統的生物處理方法已很難滿足地方和行業排放標準,因此生物促生技術應運而生,該技術主要是通過向受污水體中投加無毒不含菌種的生物促生劑、生物激活劑等具有促生效果的藥劑來促進污染物的降解，最終實現去除污染物的目的。本實驗選用的生物促生劑(BS)是自主配方,含有生物酶、小分子酸、生長刺激物、無機鹽等營養物質。小分子有機酸可以提高酶的活性,促進污染物降解,并且有機酸片斷可作為載體,是電子對的接受體,與各種營養物質絡合,進入微生物體內,經過一系列的反應,釋放能量并合成細胞物質,來維持細胞正常的生長代謝和繁殖,并且提高微生物的凈化效率,最終達到去除造紙廢水中污染物的目的[1]。

王正興等人[2-3]研究了生物促生劑對受污水體和受污底泥的最佳影響,袁磊等人[4- 6]為解決工業廢水故障確定的生物促生劑最佳添加量的方法,均采用COD、氨氮、總磷、溶解氧、色度等常用化學指標指示水體、底泥修復以及故障的解決。但事實上生物促生劑本身主要作用于底泥或活性污泥中微生物的代謝和繁殖,僅憑化學指標指示會存在處理效果滯后的影響。從鄒學圣等人[7- 8]在造紙廢水中采用生物相來說明生物促生劑的效果中,發現水質指標不是衡量生物促生劑的最佳量以及活性污泥狀態的唯一標準；而通過微生物代謝、進水基質的改變、細胞溶解出包裹在細胞壁外側的胞外聚合物(EPS)才是直接影響活性污泥對水中污染物吸附去除和污泥沉降性能的主要因素[9]。對于主要由蛋白質、多糖、腐殖質組成的EPS,及包括內層緊密結合的胞外聚合物(TB-EPS)和外層松散結合的胞外聚合物(LB-EPS),需要深入探究。

本實驗將通過對造紙活性污泥EPS、LB-EPS、TB-EPS的研究,證明其中某種成分可以作為生物促生劑用量的指示劑,以及與污泥沉降性能的相關性。本生物促生劑已在造紙廠進行中試,研究旨在改善生物促生劑的過量添加,為生物促生劑在造紙行業廢水處理推廣應用提供有效解決方法。

1 材料和方法

1.1 廢水與污泥的來源及馴化

廢水取自陜西某廢紙造紙廠廢水處理廠的OCC制漿廢水進水(本文稱為原水，共3種不同CODCr值的原水),取回后于4℃下冷藏,原水水質見表1。接種污泥來自陜西某廢紙造紙廠廢水處理廠氧化溝的活性污泥,沉淀30 min后,倒去上清液,取4 L的污泥、3 L的廢水倒入有效容積為10 L的反應器中,控制溫度25～30℃,pH值7～8,溶解氧1～2 mg/L,馴化24 h。

1.2 儀器與藥品

儀器：UV6000紫外可見分光光度計,上海佑科儀器儀表有限公司；MX-S渦旋混合器,美國賽洛捷克；三參數水質檢測儀,北京連華科技有限公司；TG16A-WS臺式高速離心機,上海盧湘儀離心機儀器有限公司；JOYN-3000A低溫超聲波萃取儀,上海喬躍電子有限公司；JJ-1精密電動攪拌器,國華儀器有限公司。

表1 原水水質

藥品：生物促生劑(BS)，自制。Na3PO4、NaH2PO4:分析純,國藥集團化學試劑有限公司；NaCl：分析純,天津天力化學試劑有限公司；KCl：分析純,天津天力化學試劑有限公司；蒽酮：分析純,上海科豐實業有限公司；濃硫酸：分析純,天津天力化學試劑有限公司；牛血清蛋白：相對分子質量約67000,含氮量>13%,上海藍季科技發展有限公司；無水碳酸鈉：分析純,天津市恒興化學試劑制造有限公司；氫氧化鈉：分析純,天津市恒興化學試劑制造有限公司；酒石酸鉀鈉：分析純,天津市恒興化學試劑制造有限公司；硫酸銅(CuSO4·5H2O)、鎢酸鈉(Na3WO4·2H2O)：分析純,成都市科龍化工試劑廠；鉬酸鈉(Na3MoO4·2H2O)：分析純,天津市化學試劑四廠；磷酸：分析純,天津天力化學試劑有限公司；硫酸鋰：分析純,成都市科龍化工試劑廠；液溴：分析純,天津市大茂化學試劑廠。

1.3 BS的組成與用量及污泥分組培養

BS的組成：由100 U/g漆酶、0.25 g/L赤霉酸、1 g/L黃腐酸、100 g/L尿素、10 g/L磷酸二氫鉀,及微量元素2 mg/L Mg2+、20 mg/L Fe3+、3 mg/L Mn2+、1 mg/L Zn2+、0.5 mg/L Mo6+組成。

將未添加BS的空白組與配成3種不同BS用量的實驗組,分別編號為BS0、BS1、BS2、BS3,用量如表2所示。

表2 BS用量

注 BS用量相對每升廢水。

圖1 各組分標準曲線

1.4 污泥的分組培養

用12個500 mL的量筒,分別加入馴化好的活性污泥,將12個量筒分為4個大組,3個平行實驗控制每組的污泥濃度為3500 mg/L,再加入廢水至500 mL后,每組加入不同量的BS,并曝氣24 h。

1.5 EPS、LB-EPS、TB-EPS的提取方法

LB-EPS和TB-EPS屬于EPS中的一部分,但不是全部,不能僅僅用LB-EPS和TB-EPS量的和來表示EPS,而是需要用LB-EPS和TB-EPS與EPS的比值來進行精確分析,所以這里選取了3種不同的提取方法。

(1)采用硫酸法提取EPS

取50 mL污泥在5000 r/min的轉速下離心10 min,倒去上清液,向離心后的污泥中加入EPS緩沖溶液補足50 mL倒入燒杯中,然后向燒杯中加入50 mL質量分數8%的H2SO4,在1000 r/min的攪拌器中提取1 h后,以5000 r/min的轉速離心20 min,最后用0.45 μm的微孔濾膜過濾,過濾液即為EPS提取溶液[10]。(EPS緩沖溶液為2 mmol/L Na3PO4,4 mmol/L NaH2PO4, 9 mmol/L NaCl和1 mmol/L KCl配制而成,pH值=7)。

(2)采用離心法提取LB-EPS

取30 mL污泥在3000 r/min的轉速下離心15 min,倒去浮層,用去離子水稀釋到30 mL并在7400 r/min的轉速下離心15 min,最后用0.45 μm的微孔濾膜過濾,過濾液即為LB-EPS提取溶液[9]。

(3)采用聲波降解法提取TB-EPS

提取過LB-EPS后的污泥用去離子水稀釋到30 mL 并設置低溫超聲波萃取儀在20 kHz、480 W的條件下超聲10 min。超聲后的污泥在15000 r/min的轉速下離心20 min,最后用0.45 μm的微孔濾膜過濾,過濾液即為TB-EPS提取溶液[9]。

1.6 蛋白質、多糖、腐殖質的測定方法及其標準曲線的繪制

EPS、LB-EPS、TB-EPS總量分別由上述各提取后的提取液中蛋白質、多糖、腐殖質的量之和表示,水樣中的EPS是指水樣中蛋白質、多糖、腐殖質的量之和。其中蛋白質和腐殖質測定采用Folin-Lowry法[11],標準物分別為牛血清蛋白和黃腐酸。多糖測定采用蒽酮-硫酸法,標準物為葡萄糖[12]。標準曲線見圖1。各組分含量均采用紫外可見分光光度計測量,蛋白質、多糖、腐殖質的量分別于500 nm、625 nm、750 nm處測定吸光度。

1.7 活性污泥中微生物對水中營養物質的吸收與分泌的計算方法

根據能量守恒定律,活性污泥中微生物對水中營養物質的吸收量、分泌量、吸收率、分泌率計算公式如式(1)～式(4)所示。

吸收量=(處理前水中EPS+處理后污泥中EPS)-(處理后水中EPS+處理前污泥中EPS)

(1)

分泌量=處理后污泥中EPS-處理前污泥中EPS

(2)

(3)

(4)

2 結果與討論

2.1 BS對EPS量及各組分量的影響

不同原水CODCr值、不同BS用量下，造紙廢水經過活性污泥處理30 h后，分別測定了產生的EPS、LB-EPS、TB-EPS中各組分的量，測定結果如圖2所示。 從圖2可知，CODCr為813 mg/L、1100 mg/L、1300 mg/L的廢水在處理30 h之后，分別對應BS1組、BS2組、BS3組產生的EPS、TB-EPS的量最多，而LB-EPS的量變化規律不明顯，又因為TB-EPS是EPS中的一部分，TB-EPS的量直接影響EPS的量，更有利于具體分析，因此主要分析TB-EPS量多的原因。

圖2 EPS、LB-EPS、TB-EPS中各組分含量

表3 不同原水CODCr值、不同BS用量下EPS和TB-EPS及各組分的量 mg/g VSS

表3為不同原水CODCr值、不同BS用量下EPS和TB-EPS及各組分的量。從表3可知，TB-EPS中的蛋白質和腐殖質的量所占比例較大，均占TB-EPS總量的85%以上，且不同原水CODCr值下，最高值組的TB-EPS中蛋白質和腐殖質的量的總和比其他BS組高出超過20%，但并不是說BS用量越多，TB-EPS的量也越多，這與微生物對蛋白質和腐殖質的吸收和分泌效果有很大關系。

同時發現，當原水CODCr為1100 mg/L時的BS2組中的EPS量尤其明顯，比其他BS組高出1倍多，因此本研究主要以原水CODCr為1100 mg/L也就是EPS量最多組進行探究，這里稱其為BS最佳組。

2.2 BS對微生物吸收與分泌營養物質的影響

根據能量守恒定律,EPS的產因主要與微生物吸收與分泌的營養物質有關。微生物吸收水中蛋白質主要用于細胞合成。2號原水(CODCr1100 mg/L)經處理，微生物吸收和分泌的蛋白質、多糖、腐殖質的量測試結果見表4。從表4可知,與空白組相比,實驗組中在最佳BS用量下,微生物對蛋白質吸收率更大,這是由于BS的添加使得微生物整體活性增強,將水中蛋白質大幅度吸收,某些微生物如酵母菌將水中有機物轉化為單細胞蛋白,使得可用于微生物吸收的蛋白質的量增多。微生物將吸收蛋白質用于自身代謝,分泌出一部分代謝產物將水中一部分有機物包裹,也就是EPS[13]。而且實驗組微生物對蛋白質分

表4 微生物吸收與分泌的蛋白質、多糖、腐殖質的量

泌率也更大,這是由于BS加快了微生物代謝過程,將大量代謝產物送出細胞。這里分泌蛋白質數據是負值,是由于微生物體內蛋白質的量無法測定,一大部分微生物細胞內正處于對數生長期,將大部分蛋白質吸收參與反應,但還是不能滿足,在此基礎上將自身分泌EPS中蛋白質又消耗用于細胞合成。

從表4可知，實驗各組吸收多糖率比分泌多糖率大了3倍,則說明添加BS使得微生物對多糖利用率提高,也就是促進微生物對糖類物質吸收,這是由于多糖是大分子物質,必須降解為小分子才能透過細胞膜進入細胞,而BS中加入漆酶使得纖維素得到降解,進一步進入細胞被細胞所利用。實驗組代謝EPS中多糖較少,用于合成細胞所需量較多。這是由于微生物中存在像酵母菌這種利用氨基酸、糖類及其他有機物質,通過發酵產生出促進細胞分裂的活性物質。而酵母菌代謝的產物又可產生其他微生物增殖所需要的基質,為其他微生物提供了重要的營養保障[14]。

腐殖質的來源除了廢水中本身存在的之外,還有BS中添加的生化黃腐酸的成分。空白組BS0對腐殖質吸收率與實驗組相差不大,這是由于生化黃腐酸中羧基、酚羥基等活性基團含量較高,并具有含氧官能團,在結構上存在許多有機螯合位和絡合位,這些配位基團能與很多微量元素發生絡合或螯合反應,從而形成中介載體,促進了元素的吸收和運轉,但本身并不被微生物吸收[15-16]。

2.3 BS處理廢水的正交實驗

以上都是從微生物的代謝活性方面測定活性污泥的EPS、LB-EPS、TB-EPS的量進而確定生物促生劑BS的最佳用量,下面通過正交實驗,驗證在微生物代謝活性最佳條件下是否對應相同的最佳工藝條件。研究設計了三因素三水平的正交實驗,以確定反應的最佳工藝條件。

正交實驗因素-水平表見表5，正交實驗方案及結果見表6。分析可知,影響CODCr去除率的各因素的主次順序為：處理時間>原水CODCr值>BS用量,最優組合為：原水CODCr1100 mg/L,BS用量400 μL/L，處理時間30 h,這與之前通過EPS含量確定最佳BS組的結果一致。

表5 正交實驗因素-水平表

表6 正交實驗方案及結果

2.4 污泥的沉降性能與EPS及各組分的關系

圖3為不用BS用量下m(LB-EPS)∶m(EPS)、m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)與SVI的相關性。從圖3可知，在原水CODCr為1100 mg/L時,m(LB-EPS)∶m(EPS)與污泥體積指數(SVI)有較明顯的相關性,m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)均隨著SVI的增加而增加。去除率最好的BS2組,m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)均為最小值,分別在0.32～0.38,0.56～0.6之間，且SVI屬于最低水平,說明污泥沉降性能好。而BS1組,m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)較小,SVI較大；BS3組,m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)很大,SVI也很大。由此說明，要確定污泥沉降性能的最佳組,可通過測定添加BS處理產生的m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)來確定,比值越小,越可能是BS的最佳用量,污泥的沉降性能也越好。由此推出LB-EPS的量為主導污泥沉降性能的主要參數。

圖3 不同BS用量下m(LB-EPS)∶m(EPS)、m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)與SVI的相關性

圖4為不同BS用量下各組分的蛋白質量比、多糖量比與SVI的相關性。從圖4可知,LB-EPS中蛋白質的量是決定SVI的一個指標,BS2組中m(LB-EPS蛋白質)∶m(EPS蛋白質)相對最大,在0.64～0.68之間,SVI卻最小。而TB-EPS和LB-EPS中的多糖均對SVI有較大影響,但BS1和BS2組中的m(LB-EPS多糖)∶m(EPS多糖)變化不明顯。而在BS2組中m(TB-EPS多糖)∶m(EPS多糖)相對最大,分別在0.22～0.26,0.48～0.52之間,但SVI是最小,BS1和BS3組SVI都較大。總體來說：BS最佳用量下,m(LB-EPS蛋白質)∶m(EPS蛋白質)較大,則SVI最小,污泥沉降性能最好,且相關性最強。由此說明要確定污泥沉降性能的最佳組,可通過測定添加BS處理產生的m(LB-EPS蛋白質)∶m(EPS蛋白質)的大小確定,比值越大,越可能是BS最佳用量。

圖4 不同BS用量下各組分的蛋白質量比、多糖量比與SVI的相關性

3 結 論

通過對廢紙造紙廢水活性污泥胞外聚合物(EPS)、松散結合的胞外聚合物(LB-EPS)、緊密結合的胞外聚合物(TB-EPS)的研究，來證明其中某種成分可以作為生物促生劑用量的指示劑，以及與污泥沉降性能的相關性。

(1)不同原水CODCr值下,存在不同BS用量可使得EPS、TB-EPS總量最多。起到決定性因素的是TB-EPS中蛋白質和腐殖質的量和 LB-EPS中多糖的量,但并不是BS用量越多,EPS和TB-EPS的量也越多,這與微生物對BS的吸收及分泌有關。

(2)在原水CODCr1100 mg/L、BS用量400 μL/L下，將微生物對蛋白質和多糖的吸收和分泌能力大幅度提高,而將腐殖質只作為促進各元素吸收和運轉的中介載體,但本身不被微生物吸收。

(3)不同BS用量下,m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)與污泥體積指數(SVI)呈現明顯的相關性,m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)均隨著SVI的增加而增加。 說明LB-EPS是影響污泥沉降性能的主要因素。

(4)不同BS用量下,m(LB-EPS蛋白質)∶m(EPS蛋白質)、m(LB-EPS多糖)∶m(EPS多糖),還有m(TB-EPS多糖)∶m(EPS多糖)與SVI也均呈現明顯的相關性。且BS最佳用量下m(LB-EPS蛋白質)∶m(EPS蛋白質)最能確定最佳污泥沉降性能。

由于生物促生劑的添加,促進了微生物的代謝,使得胞外聚合物的量有了明顯變化。其中為了以最為簡單的方法優化BS的用量及提高污泥沉降性能,可直接通過測定TB-EPS中的蛋白質的量來確定BS最佳用量；通過測定LB-EPS中的蛋白質的量來確定最佳污泥沉降性能。

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(責任編輯：常 青)

The Effects of Bio-stimulant on OCC Papermaking Activated Sludge Extracellular Polymeric Substances

ZHANG An-long1ZHOU Dan-ni1,*DU Fei2XI Wen-jun1

(1.CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021;2.CollegeofLightIndustrySciencesandEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)
(*E-mail: 18991188414@163.com)

In the process of OCC papermaking wastewater treatment, the bio-stimulant was added to promote the degradation of pollutants, and finally to remove the pollutants from wastewater.Based on the study of extracellular polymers(EPS), loosely bound extracellular polymeric substances(LB-EPS), and tightly bound extracellular polymeric substances(TB-EPS)of activated sludge of OCC papermaking wastewater, to prove some components could be used as indicator of bio-stimulant dosage which was related to sludge settleability.Experiment using three different COD load of papermaking wastewater, and three groups of different dosages of bio-stimulant were used to carry out the experiment.In order to determine the optimum dosage of bio-stimulant the EPS, LB-EPS, TB-EPS were extract through sulfuric acid method, centrifugal method and ultrasonic wave decomposition method and measured the amount of proteins, polysaccharides and humus of sludge using spectrophotometry.Finally orthogonal experiment of bio-stimulant wastewater treatment was conduct for verification.The results showed that under different inlet COD load, there were different optimal dosage of bio-stimulant.The conclusion was that protein contents in LB-EPS and TB-EPS were the real impact factors on bio-stimulants dosage and sludge settleability control parameters．

bio-stimulant(BS); extracellular polymeric substances(EPS); loosely bound extracellular polymeric substances(LB-EPS); tightly bound extracellular polymeric substances(TB-EPS)

2016- 08- 29(修改稿)

制漿造紙工程國家重點實驗室開放基金(201604)。

張安龍先生，碩士，教授；研究方向：造紙工業廢水生物處理技術。

X17;X793

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.01.005

*通信作者：周丹妮,在讀碩士研究生；研究方向：工業廢水生物處理技術。