生物促生剂对废纸造纸活性污泥胞外聚合物的影响

张安龙 周丹妮,* 杜 飞 郗文君

(1.陕西科技大学环境科学与工程学院,陕西西安，710021；2.陕西科技大学轻工科学与工程学院,陕西西安，710021)

·生物促生剂·

生物促生剂对废纸造纸活性污泥胞外聚合物的影响

张安龙1周丹妮1,*杜 飞2郗文君1

(1.陕西科技大学环境科学与工程学院,陕西西安，710021；2.陕西科技大学轻工科学与工程学院,陕西西安，710021)

在造纸废水处理过程中加入生物促生剂是为了促进污染物降解,最终达到去除废水中污染物的目的。本研究通过对废纸造纸废水活性污泥胞外聚合物(EPS)、松散结合的胞外聚合物(LB-EPS)、紧密结合的胞外聚合物(TB-EPS)的研究,来证明其中某种成分可以作为指示生物促生剂用量的指示剂,以及与污泥沉降性能的相关性。实验采用3种不同CODCr值的造纸废水,并取3组不同用量的生物促生剂分别进行实验。通过采用硫酸法、离心和声波降解法分别提取污泥中EPS、LB-EPS、TB-EPS,用分光光度法测定其中蛋白质、多糖、腐殖质的量,以此确定生物促生剂最佳用量；并采用生物促生剂处理废水的正交实验进行验证。结果表明,不同CODCr的废水,存在不同的最佳生物促生剂用量；真正影响生物促生剂用量和污泥沉降性能控制参数的是TB-EPS中的蛋白质的量和LB-EPS中的蛋白质的量。

生物促生剂；胞外聚合物；松散结合的胞外聚合物；紧密结合的胞外聚合物

随着我国工业废水排放要求的提高,传统的生物处理方法已很难满足地方和行业排放标准,因此生物促生技术应运而生,该技术主要是通过向受污水体中投加无毒不含菌种的生物促生剂、生物激活剂等具有促生效果的药剂来促进污染物的降解，最终实现去除污染物的目的。本实验选用的生物促生剂(BS)是自主配方,含有生物酶、小分子酸、生长刺激物、无机盐等营养物质。小分子有机酸可以提高酶的活性,促进污染物降解,并且有机酸片断可作为载体,是电子对的接受体,与各种营养物质络合,进入微生物体内,经过一系列的反应,释放能量并合成细胞物质,来维持细胞正常的生长代谢和繁殖,并且提高微生物的净化效率,最终达到去除造纸废水中污染物的目的[1]。

王正兴等人[2-3]研究了生物促生剂对受污水体和受污底泥的最佳影响,袁磊等人[4- 6]为解决工业废水故障确定的生物促生剂最佳添加量的方法,均采用COD、氨氮、总磷、溶解氧、色度等常用化学指标指示水体、底泥修复以及故障的解决。但事实上生物促生剂本身主要作用于底泥或活性污泥中微生物的代谢和繁殖,仅凭化学指标指示会存在处理效果滞后的影响。从邹学圣等人[7- 8]在造纸废水中采用生物相来说明生物促生剂的效果中,发现水质指标不是衡量生物促生剂的最佳量以及活性污泥状态的唯一标准；而通过微生物代谢、进水基质的改变、细胞溶解出包裹在细胞壁外侧的胞外聚合物(EPS)才是直接影响活性污泥对水中污染物吸附去除和污泥沉降性能的主要因素[9]。对于主要由蛋白质、多糖、腐殖质组成的EPS,及包括内层紧密结合的胞外聚合物(TB-EPS)和外层松散结合的胞外聚合物(LB-EPS),需要深入探究。

本实验将通过对造纸活性污泥EPS、LB-EPS、TB-EPS的研究,证明其中某种成分可以作为生物促生剂用量的指示剂,以及与污泥沉降性能的相关性。本生物促生剂已在造纸厂进行中试,研究旨在改善生物促生剂的过量添加,为生物促生剂在造纸行业废水处理推广应用提供有效解决方法。

1 材料和方法

1.1 废水与污泥的来源及驯化

废水取自陕西某废纸造纸厂废水处理厂的OCC制浆废水进水(本文称为原水，共3种不同CODCr值的原水),取回后于4℃下冷藏,原水水质见表1。接种污泥来自陕西某废纸造纸厂废水处理厂氧化沟的活性污泥,沉淀30 min后,倒去上清液,取4 L的污泥、3 L的废水倒入有效容积为10 L的反应器中,控制温度25～30℃,pH值7～8,溶解氧1～2 mg/L,驯化24 h。

1.2 仪器与药品

仪器：UV6000紫外可见分光光度计,上海佑科仪器仪表有限公司；MX-S涡旋混合器,美国赛洛捷克；三参数水质检测仪,北京连华科技有限公司；TG16A-WS台式高速离心机,上海卢湘仪离心机仪器有限公司；JOYN-3000A低温超声波萃取仪,上海乔跃电子有限公司；JJ-1精密电动搅拌器,国华仪器有限公司。

表1 原水水质

药品：生物促生剂(BS)，自制。Na3PO4、NaH2PO4:分析纯,国药集团化学试剂有限公司；NaCl：分析纯,天津天力化学试剂有限公司；KCl：分析纯,天津天力化学试剂有限公司；蒽酮：分析纯,上海科丰实业有限公司；浓硫酸：分析纯,天津天力化学试剂有限公司；牛血清蛋白：相对分子质量约67000,含氮量>13%,上海蓝季科技发展有限公司；无水碳酸钠：分析纯,天津市恒兴化学试剂制造有限公司；氢氧化钠：分析纯,天津市恒兴化学试剂制造有限公司；酒石酸钾钠：分析纯,天津市恒兴化学试剂制造有限公司；硫酸铜(CuSO4·5H2O)、钨酸钠(Na3WO4·2H2O)：分析纯,成都市科龙化工试剂厂；钼酸钠(Na3MoO4·2H2O)：分析纯,天津市化学试剂四厂；磷酸：分析纯,天津天力化学试剂有限公司；硫酸锂：分析纯,成都市科龙化工试剂厂；液溴：分析纯,天津市大茂化学试剂厂。

1.3 BS的组成与用量及污泥分组培养

BS的组成：由100 U/g漆酶、0.25 g/L赤霉酸、1 g/L黄腐酸、100 g/L尿素、10 g/L磷酸二氢钾,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+组成。

将未添加BS的空白组与配成3种不同BS用量的实验组,分别编号为BS0、BS1、BS2、BS3,用量如表2所示。

表2 BS用量

注 BS用量相对每升废水。

图1 各组分标准曲线

1.4 污泥的分组培养

用12个500 mL的量筒,分别加入驯化好的活性污泥,将12个量筒分为4个大组,3个平行实验控制每组的污泥浓度为3500 mg/L,再加入废水至500 mL后,每组加入不同量的BS,并曝气24 h。

1.5 EPS、LB-EPS、TB-EPS的提取方法

LB-EPS和TB-EPS属于EPS中的一部分,但不是全部,不能仅仅用LB-EPS和TB-EPS量的和来表示EPS,而是需要用LB-EPS和TB-EPS与EPS的比值来进行精确分析,所以这里选取了3种不同的提取方法。

(1)采用硫酸法提取EPS

取50 mL污泥在5000 r/min的转速下离心10 min,倒去上清液,向离心后的污泥中加入EPS缓冲溶液补足50 mL倒入烧杯中,然后向烧杯中加入50 mL质量分数8%的H2SO4,在1000 r/min的搅拌器中提取1 h后,以5000 r/min的转速离心20 min,最后用0.45 μm的微孔滤膜过滤,过滤液即为EPS提取溶液[10]。(EPS缓冲溶液为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)采用离心法提取LB-EPS

取30 mL污泥在3000 r/min的转速下离心15 min,倒去浮层,用去离子水稀释到30 mL并在7400 r/min的转速下离心15 min,最后用0.45 μm的微孔滤膜过滤,过滤液即为LB-EPS提取溶液[9]。

(3)采用声波降解法提取TB-EPS

提取过LB-EPS后的污泥用去离子水稀释到30 mL 并设置低温超声波萃取仪在20 kHz、480 W的条件下超声10 min。超声后的污泥在15000 r/min的转速下离心20 min,最后用0.45 μm的微孔滤膜过滤,过滤液即为TB-EPS提取溶液[9]。

1.6 蛋白质、多糖、腐殖质的测定方法及其标准曲线的绘制

EPS、LB-EPS、TB-EPS总量分别由上述各提取后的提取液中蛋白质、多糖、腐殖质的量之和表示,水样中的EPS是指水样中蛋白质、多糖、腐殖质的量之和。其中蛋白质和腐殖质测定采用Folin-Lowry法[11],标准物分别为牛血清蛋白和黄腐酸。多糖测定采用蒽酮-硫酸法,标准物为葡萄糖[12]。标准曲线见图1。各组分含量均采用紫外可见分光光度计测量,蛋白质、多糖、腐殖质的量分别于500 nm、625 nm、750 nm处测定吸光度。

1.7 活性污泥中微生物对水中营养物质的吸收与分泌的计算方法

根据能量守恒定律,活性污泥中微生物对水中营养物质的吸收量、分泌量、吸收率、分泌率计算公式如式(1)～式(4)所示。

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

(1)

分泌量=处理后污泥中EPS-处理前污泥中EPS

(2)

(3)

(4)

2 结果与讨论

2.1 BS对EPS量及各组分量的影响

不同原水CODCr值、不同BS用量下，造纸废水经过活性污泥处理30 h后，分别测定了产生的EPS、LB-EPS、TB-EPS中各组分的量，测定结果如图2所示。 从图2可知，CODCr为813 mg/L、1100 mg/L、1300 mg/L的废水在处理30 h之后，分别对应BS1组、BS2组、BS3组产生的EPS、TB-EPS的量最多，而LB-EPS的量变化规律不明显，又因为TB-EPS是EPS中的一部分，TB-EPS的量直接影响EPS的量，更有利于具体分析，因此主要分析TB-EPS量多的原因。

图2 EPS、LB-EPS、TB-EPS中各组分含量

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

表3为不同原水CODCr值、不同BS用量下EPS和TB-EPS及各组分的量。从表3可知，TB-EPS中的蛋白质和腐殖质的量所占比例较大，均占TB-EPS总量的85%以上，且不同原水CODCr值下，最高值组的TB-EPS中蛋白质和腐殖质的量的总和比其他BS组高出超过20%，但并不是说BS用量越多，TB-EPS的量也越多，这与微生物对蛋白质和腐殖质的吸收和分泌效果有很大关系。

同时发现，当原水CODCr为1100 mg/L时的BS2组中的EPS量尤其明显，比其他BS组高出1倍多，因此本研究主要以原水CODCr为1100 mg/L也就是EPS量最多组进行探究，这里称其为BS最佳组。

2.2 BS对微生物吸收与分泌营养物质的影响

根据能量守恒定律,EPS的产因主要与微生物吸收与分泌的营养物质有关。微生物吸收水中蛋白质主要用于细胞合成。2号原水(CODCr1100 mg/L)经处理，微生物吸收和分泌的蛋白质、多糖、腐殖质的量测试结果见表4。从表4可知,与空白组相比,实验组中在最佳BS用量下,微生物对蛋白质吸收率更大,这是由于BS的添加使得微生物整体活性增强,将水中蛋白质大幅度吸收,某些微生物如酵母菌将水中有机物转化为单细胞蛋白,使得可用于微生物吸收的蛋白质的量增多。微生物将吸收蛋白质用于自身代谢,分泌出一部分代谢产物将水中一部分有机物包裹,也就是EPS[13]。而且实验组微生物对蛋白质分

表4 微生物吸收与分泌的蛋白质、多糖、腐殖质的量

泌率也更大,这是由于BS加快了微生物代谢过程,将大量代谢产物送出细胞。这里分泌蛋白质数据是负值,是由于微生物体内蛋白质的量无法测定,一大部分微生物细胞内正处于对数生长期,将大部分蛋白质吸收参与反应,但还是不能满足,在此基础上将自身分泌EPS中蛋白质又消耗用于细胞合成。

从表4可知，实验各组吸收多糖率比分泌多糖率大了3倍,则说明添加BS使得微生物对多糖利用率提高,也就是促进微生物对糖类物质吸收,这是由于多糖是大分子物质,必须降解为小分子才能透过细胞膜进入细胞,而BS中加入漆酶使得纤维素得到降解,进一步进入细胞被细胞所利用。实验组代谢EPS中多糖较少,用于合成细胞所需量较多。这是由于微生物中存在像酵母菌这种利用氨基酸、糖类及其他有机物质,通过发酵产生出促进细胞分裂的活性物质。而酵母菌代谢的产物又可产生其他微生物增殖所需要的基质,为其他微生物提供了重要的营养保障[14]。

腐殖质的来源除了废水中本身存在的之外,还有BS中添加的生化黄腐酸的成分。空白组BS0对腐殖质吸收率与实验组相差不大,这是由于生化黄腐酸中羧基、酚羟基等活性基团含量较高,并具有含氧官能团,在结构上存在许多有机螯合位和络合位,这些配位基团能与很多微量元素发生络合或螯合反应,从而形成中介载体,促进了元素的吸收和运转,但本身并不被微生物吸收[15-16]。

2.3 BS处理废水的正交实验

以上都是从微生物的代谢活性方面测定活性污泥的EPS、LB-EPS、TB-EPS的量进而确定生物促生剂BS的最佳用量,下面通过正交实验,验证在微生物代谢活性最佳条件下是否对应相同的最佳工艺条件。研究设计了三因素三水平的正交实验,以确定反应的最佳工艺条件。

正交实验因素-水平表见表5，正交实验方案及结果见表6。分析可知,影响CODCr去除率的各因素的主次顺序为：处理时间>原水CODCr值>BS用量,最优组合为：原水CODCr1100 mg/L,BS用量400 μL/L，处理时间30 h,这与之前通过EPS含量确定最佳BS组的结果一致。

表5 正交实验因素-水平表

表6 正交实验方案及结果

2.4 污泥的沉降性能与EPS及各组分的关系

图3为不用BS用量下m(LB-EPS)∶m(EPS)、m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)与SVI的相关性。从图3可知，在原水CODCr为1100 mg/L时,m(LB-EPS)∶m(EPS)与污泥体积指数(SVI)有较明显的相关性,m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)均随着SVI的增加而增加。去除率最好的BS2组,m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)均为最小值,分别在0.32～0.38,0.56～0.6之间，且SVI属于最低水平,说明污泥沉降性能好。而BS1组,m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)较小,SVI较大；BS3组,m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)很大,SVI也很大。由此说明，要确定污泥沉降性能的最佳组,可通过测定添加BS处理产生的m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)来确定,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的量为主导污泥沉降性能的主要参数。

图3 不同BS用量下m(LB-EPS)∶m(EPS)、m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)与SVI的相关性

图4为不同BS用量下各组分的蛋白质量比、多糖量比与SVI的相关性。从图4可知,LB-EPS中蛋白质的量是决定SVI的一个指标,BS2组中m(LB-EPS蛋白质)∶m(EPS蛋白质)相对最大,在0.64～0.68之间,SVI却最小。而TB-EPS和LB-EPS中的多糖均对SVI有较大影响,但BS1和BS2组中的m(LB-EPS多糖)∶m(EPS多糖)变化不明显。而在BS2组中m(TB-EPS多糖)∶m(EPS多糖)相对最大,分别在0.22～0.26,0.48～0.52之间,但SVI是最小,BS1和BS3组SVI都较大。总体来说：BS最佳用量下,m(LB-EPS蛋白质)∶m(EPS蛋白质)较大,则SVI最小,污泥沉降性能最好,且相关性最强。由此说明要确定污泥沉降性能的最佳组,可通过测定添加BS处理产生的m(LB-EPS蛋白质)∶m(EPS蛋白质)的大小确定,比值越大,越可能是BS最佳用量。

图4 不同BS用量下各组分的蛋白质量比、多糖量比与SVI的相关性

3 结 论

通过对废纸造纸废水活性污泥胞外聚合物(EPS)、松散结合的胞外聚合物(LB-EPS)、紧密结合的胞外聚合物(TB-EPS)的研究，来证明其中某种成分可以作为生物促生剂用量的指示剂，以及与污泥沉降性能的相关性。

(1)不同原水CODCr值下,存在不同BS用量可使得EPS、TB-EPS总量最多。起到决定性因素的是TB-EPS中蛋白质和腐殖质的量和 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,这与微生物对BS的吸收及分泌有关。

(2)在原水CODCr1100 mg/L、BS用量400 μL/L下，将微生物对蛋白质和多糖的吸收和分泌能力大幅度提高,而将腐殖质只作为促进各元素吸收和运转的中介载体,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)与污泥体积指数(SVI)呈现明显的相关性,m(LB-EPS)∶m(EPS)以及m(LB-EPS)∶m(TB-EPS)均随着SVI的增加而增加。 说明LB-EPS是影响污泥沉降性能的主要因素。

(4)不同BS用量下,m(LB-EPS蛋白质)∶m(EPS蛋白质)、m(LB-EPS多糖)∶m(EPS多糖),还有m(TB-EPS多糖)∶m(EPS多糖)与SVI也均呈现明显的相关性。且BS最佳用量下m(LB-EPS蛋白质)∶m(EPS蛋白质)最能确定最佳污泥沉降性能。

由于生物促生剂的添加,促进了微生物的代谢,使得胞外聚合物的量有了明显变化。其中为了以最为简单的方法优化BS的用量及提高污泥沉降性能,可直接通过测定TB-EPS中的蛋白质的量来确定BS最佳用量；通过测定LB-EPS中的蛋白质的量来确定最佳污泥沉降性能。

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(责任编辑：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)

制浆造纸工程国家重点实验室开放基金(201604)。

张安龙先生，硕士，教授；研究方向：造纸工业废水生物处理技术。

X17;X793

A

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

*通信作者：周丹妮,在读硕士研究生；研究方向：工业废水生物处理技术。