壳聚糖对活性污泥异养菌和自养菌衰减系数的影响

金艳茹+胡晴+刘烨楠+胡锦程+吴帅+仉春华

摘    要：壳聚糖是由自然界广泛存在的几丁质经过脱乙酰作用得到的，被广泛应用在污水处理中。本文以活性污泥为研究对象，考察了不同浓度壳聚糖对活性污泥异养菌衰减系数（KdH）以及自养菌衰减系数（KdA）的影响。结果表明，壳聚糖对微生物的活性有一定的抑制作用，抑制作用的强弱受壳聚糖浓度的影响。与异养菌相比，壳聚糖对自养菌活性的抑制作用更明显。

关键词：壳聚糖;活性污泥;异养菌;自养菌

中图分类号：S141.6         文献标识码：A         DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.01.002

Impact of Chitosan on Heterotrophic Bacteria and Autotrophic Bacteria of Activated Sludge

JIN Yanru， HU Qing， LIU Yenan， HU Jincheng， WU Shuai， ZHANG Chunhua

（School of Environmental Science and Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian， Liaoning 116600， China）

Abstract： Chitosan is a natural chitin and widely used in wastewater treatment. Taking activated sludge as the research object， this paper examined impact of the different concentrations of chitosan on heterotrophic bacteria active sludge yield coefficient （YH）， attenuation coefficient （KdH） and autotrophic bacteria yield coefficient （YA）， attenuation coefficient （KdA）. The results showed that chitosan had a certain inhibition effect on YH ， KdH， YA and KdA four coefficients.

Key words：chitosan;activated sludge;autotrophic bacteria;heterotrophic bacteria

壳聚糖是由甲壳素脱乙酰化制备而成，又名脱乙酰甲壳素，是由氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖残基通过1，4-β-糖苷键连接而成的高聚物，广泛存在于甲壳类动物及昆虫硬壳中[1-3]。壳聚糖是一种弱碱，不溶于水，溶于弱酸，存在着游离的氨基和羟基，在溶液中-NH2可质子化为-NH3+的形式[4]。邵荣等[5]研究了壳聚糖对金黄色葡萄球菌的影响，结果显示壳聚糖浓度越高，对金黄色葡萄球菌的抗菌效果越好;壳聚糖在pH值为6.0时能够发挥最强的抗菌能力;壳聚糖溶于2%的醋酸溶液中，对金黄色葡萄球菌的抑制效果最强。秦冰等人[6]研究了壳聚糖对微生物的影响以及壳聚糖处理废水的效率，其研究结果表明，壳聚糖对微生物具有一定的抑制作用，但可以改善絮体结构，强化沉降性能，提高污水处理的效率。根据本课题组先前的研究[7]，壳聚糖能导致活性污泥自养菌和异养菌的产率系数减小，对异养菌的抑制作用明显大于自养菌，对微生物的生长具有一定的抑制作用。本研究将考察不同浓度壳聚糖对活性污泥中异养菌衰减系数（KdH）以及自养菌衰减系数（KdA）的影响，从微生物动力学方面探讨壳聚糖对微生物的抑制作用。

1 材料和方法

1.1 污泥的预处理

将取自污水处理厂的活性污泥800 mL置于混凝实验杯中，加入一定量的壳聚糖（浓度分别为10，15，20，25，30 mg·L-1），快速搅拌0.5 min，中速搅拌10 min，慢速搅拌10 min。再分别将加入壳聚糖的活性污泥用去离子水清洗3次，尽可能去除试验测定中的干扰物质，备用。

1.2 耗氧速率的测定

待测污泥倒入BOD分析瓶中，置之于磁力搅拌器上将污泥混匀，曝气，使污泥混合液的溶解氧（DO）达到 6 mg·L-1以上，停止充气，密封，插入溶解氧测定仪，记录DO值。测试结束后，测定污泥 MLVSS 并计算耗氧速率。试验过程温度用恒温水浴控制在（20±1） ℃。

1.3 异养菌衰减系数（KdH）和自养菌衰减系数（KdA）

异养菌衰减系数（KdH）和自养菌衰减系数（KdA）的测定见文献[8]。

内源呼吸状态下有：

dX/dt = -KdX        （1）

X= X0e-Kdt       （2）

因此

vo=-dDO/dt =fvcKdX = fvcKdX0e-Kdt        （3）

式（3）中：vo为内源呼吸状态下的耗氧速率，mg·（L·d） -1;fvc为单位质量 VSS 被氧化的氧量，取1.42; Kd为衰减系数，d-1;X为试验污泥混合液的 MLVSS 值，mg·L-1; X0为试验污泥混合液的初始 MLVSS 值，mg·L-1。由式（3）可得

lnvo= ln（fvcKdX0）- Kdt            （4）

以 lnvo和 t 作图求斜率可得 Kd。

取上述2种污泥2 L连续曝气7 d，每天取出200 mL污泥按1.2的方法记录DO随时间的变化值，测耗氧速率vo1，之后清洗3次，加入氯化铵（初始氮浓度为40 mg·L-1），按1.2的方法记录DO随时间的变化值，测耗氧速率vo2。由于污泥清洗过程可能导致少量污泥损失，需测定污泥清洗前后的 MLVSS，用于vo2的修正：

vo2修正值= vo2测定值×（MLVSS清洗前/ MLVSS清洗后）

内源呼吸状态下会产生少量氨氮，为抑制硝化反应，分别在第1，3，5 天向污泥中加入一定浓度的丙烯基硫脲。

以 lnvo1和t作图求KdH，以 ln（vo2修-vo1）和t作图求KdA，单位均为d-1。

2 结果与分析

2.1 KdH的变化

ln vo1随时间t的变化如图1所示。KdH随壳聚糖浓度的变化如图2（a）所示。

从图1可以看出，lnvo1与时间t之间呈一定的线性关系，拟合方程的斜率即为异养菌衰减系数（KdH）。异养菌是污水处理工艺中主要的微生物种群，IWA推荐的活性污泥系统的异养菌衰减系数的典型值为0.24 d-1[9]。Rittmann等[10]以活性污泥作为研究对象获得的衰减系数为0.254 4 d-1。由图2（a）可以看出，活性污泥中加入壳聚糖后，异养菌衰减系数有较大的差异，说明添加的壳聚糖浓度对异养菌衰减系数有明显影响。壳聚糖浓度为10，15，20 mg·L-1时，KdH低于IWA的推荐值，说明壳聚糖浓度对异养菌活性的抑制作用较小，异养菌能将壳聚糖作为营养物质进行增殖等生理活动。壳聚糖浓度为25，30 mg·L-1时，KdH大于IWA的推荐值。说明壳聚糖对异养菌活性的抑制作用较大。张茹等[11]认为随着壳聚糖浓度的增大，抑菌效果增加，壳聚糖能在细胞外面形成一层致密的保护层，阻碍细胞对营养物的吸收[12]，导致产率系数降低[7]，衰减系数增大。从图2（a）还可以看出，壳聚糖浓度为20 mg·L-1时，KdH最小，远远小于IWA的推荐值。

2.2 KdA的变化

ln（vo2修-vo1）随时间t的变化如图3所示。KdA随壳聚糖浓度的变化如图2（b）所示。

从图3可以看出，ln（vo2修-vo1）与时间t之间呈一定的线性关系，拟合方程的斜率即为自养菌衰减系数（KdA）。自养菌衰减系数均高于IWA推荐值。自养菌是直接利用无机物如空气中的CO2及无机盐作为碳源的一类微生物，与异养菌相比，自养菌在活性污泥中所占比例通常较小。由于自养菌不能将壳聚糖作为碳源利用，从营养物质的角度来说壳聚糖浓度的大小应对自养菌的繁殖没有影响。从图2（b）可以看出，除壳聚糖浓度20 mg·L-1外，其他壳聚糖浓度下的自养菌衰减系数均大于IWA推荐的典型值0.15 d-1[9]，这再一次表明壳聚糖对微生物活性有一定的抑制作用，壳聚糖浓度影响抑制作用的强弱。与异养菌的衰减系数相比，壳聚糖对自养菌活性的抑制作用明显。

3 结 论

（1） 不同壳聚糖添加浓度下，活性污泥异养菌衰减系数和自养菌衰减系数的变化表明，壳聚糖对微生物的活性有一定的抑制作用，抑制作用的强弱受壳聚糖浓度的影响。

（2）与异养菌相比，壳聚糖对自养菌活性的抑制作用更明显。

参考文献：

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[5] 邵荣， 许琦， 余晓红， 等.壳聚糖抗菌性能的研究[J].食品科学，2007，28（9）：121-124.

[6] 秦冰， 黄波涛， 陈东辉， 等.壳聚糖在活性污泥中的可生化性研究[J].环境污染治理技术与设备， 2005， 6（10）：66-68.

[7] 刘晔楠， 胡晴， 金艳茹，等.壳聚糖对活性污泥YH和YA的影响[J].天津农业科学， 2015，21（3）：82-85.

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[10] RITTMANN B E， MCCARTY P L. Evalution of steady-state biofilm kinetics[J].Biotechnology and Bioengineering，1980， 22： 2359-2373.

[11] 张茹，李金花，柴兆祥，等. 壳聚糖抑菌作用的研究[J].中国马铃薯，2009，23（6）：338-340.

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