殼聚糖強化生物作用的機理研究

1、殼聚糖強化生物作用的機理研究論文 秦冰陳東輝2陳亮2陳麗2摘要：將不同分子量的殼聚糖投加于SBR生物反響器處理生活廢水，通過比較處理效率、污泥活性、污泥構(gòu)造等指標(biāo)來探明殼聚糖強化活性污泥生物作用的機理。研究說明，殼聚糖雖對污泥活性有一定抑制作用，但能很好地改善污泥的絮體構(gòu)造，從而進(jìn)步活性污泥的處理效率，其中分子量越大的殼聚糖強化生物處理的效果越佳。關(guān)鍵詞：殼聚糖活性污泥分子量殼聚糖及其衍生物在水處理中有很大的潛力和應(yīng)用前景。近年來國內(nèi)外的報導(dǎo)主要集中在吸附和絮凝方面16。也有報道說明，殼聚糖是一種很好的污泥調(diào)理劑，將其用于活性污泥法廢水處理，有助于形成良好的活性污泥菌膠團，并能進(jìn)步處理效率71

2、0。但研究其對活性污泥中微生物活性的影響以及其強化生物作用的機理，國內(nèi)外均未見有報導(dǎo)。本實驗是在不改變現(xiàn)有設(shè)備及工藝流程的條件下，在普通活性污泥法中投加不同分子量的殼聚糖，通過比較處理效率、污泥活性及污泥構(gòu)造等指標(biāo)，研究不同分子量的殼聚糖對活性污泥處理效果的影響，進(jìn)一步探究殼聚糖改善出水效果，強化生物作用的機理，并選出最正確的殼聚糖的類型，為殼聚糖的進(jìn)一步應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和理論基矗1實驗方法和材料1.1實驗材料殼聚糖：本實驗室由浙江玉環(huán)縣化工廠購得甲殼素，再自制成一系列脫乙酰度69%的殼聚糖，分子量分別為6.56萬、22.30萬、31.25萬(根據(jù)ark-Huink方程：，用烏氏粘度計測定外

3、表粘度后計算得到)?；钚晕勰啵喝∽蕴焐轿鬯畠艋瘡S曝氣池中的污泥，馴化兩周。實驗水樣：采用自配的模擬生活污水，含有碳、氮、磷及多種微量元素。1.2實驗方法本實驗采用模擬SBR法。在4套一樣的裝置中分別投加3種不同分子量的殼聚糖，另一個不投加作空白來處理同一模擬生活廢水，進(jìn)展平行對照實驗。按照殼聚糖調(diào)理污泥的最正確投量，一般為總固體含量的0.5%1.5%9。實驗運行中根據(jù)排泥排水量適量補充殼聚糖。采用限制性曝氣，每天運行4個周期，每個周期6h，其中進(jìn)水時間0.75h，曝氣反響時間3.75h，沉淀時間0.75h，排水閑置時間0.75h。實驗運行時各反響器內(nèi)污泥濃度均保持在34g/L，pH保持在7.0

4、左右，溶解氧保持在34g/L。各生物反響器的有效容積為9L，進(jìn)排水均為4L。2結(jié)果與討論2.1加不同分子量的殼聚糖對廢水中有機物(Dr、NH3-N、BD5)去除率的比較由圖1、圖2和表1可看出，投加不同分子量的殼聚糖后，活性污泥對Dr、NH3-N及BD5的去除率均比空白樣高約10%，其中以投加大分子量殼聚糖的污泥處理效果最好。由于實驗水樣是采用自配的模擬生活污水，可生化性較好，易降解，所以在不投加殼聚糖的情況下，也能到達(dá)較好的處理效果。但總的來說，殼聚糖的投加會在普通活性污泥法的根底上改善出水水質(zhì)。表1進(jìn)、出水BD5及其去除效率工程運行方式投加大分子量殼聚糖(31.252萬)投加中分子量殼聚糖

5、(22.304萬)投加小分子量殼聚糖(6.56萬)空白進(jìn)水BD5平均值/gL-1580出水BD5平均值/gL-1出水BD5去除效率/%1115194998.1097.4196.7291.552.2污泥活性的比較2.2.1LVSS/LSSLVSS/LSS是一種最簡單的表征污泥活性的方法，它是考察污泥混合液中揮發(fā)性組分與總固體的比值。測定LVSS及LSS，比照投加不同分子量殼聚糖后污泥活性變化的情況，實驗結(jié)果見圖3。由圖3可看出，投加殼聚糖后活性污泥的有效成分均低于空白值，說明殼聚糖的投加對污泥活性不僅沒有促進(jìn)作用，反而有一定的抑制作用。比照3種不同分子量的殼聚糖，投加小分子量殼聚糖后污泥的有效成

6、分略微低于投加大分子量和中分子量的殼聚糖。2.2.2耗氧速率活性污泥微生物在代謝有機物時最顯著的特征就是消耗水中的溶解氧，因此通過微生物耗氧速率的大小可以間接反映酶活性的強弱，即反映污泥活性的強弱。在一樣的條件下，取出各生物反響器中的污泥混合液，曝氣至飽和后測定耗氧速率，結(jié)果見圖4。圖4中各回歸曲線斜率的絕對值即為耗氧速率(g2/Lin)。從圖中可看出，投加殼聚糖后，混合液的耗氧速率均小于空白樣。這間接地反映出空白樣微生物的酶活性要高于投加殼聚糖后微生物的酶活性。說明投加殼聚糖后會對污泥活性產(chǎn)生一定的抑制作用；比照3種不同分子量殼聚糖可發(fā)現(xiàn)，投加小分子量殼聚糖后耗氧速率最小，其微生物的酶活性最

7、差，說明投加小分子量殼聚糖對污泥活性抑制最為明顯。2.2.3脫氫酶活性廢水生物處理的本質(zhì)，是經(jīng)微生物所產(chǎn)生的多種酶催化的生物氧化復(fù)原反響。在有機物的氧化過程中，脫氫酶那么是氧化復(fù)原酶的一種，是微生物降解有機污染物獲得能量的必須酶，它催化基質(zhì)脫氫反響，并將脫下來的氫傳遞給受氫體，同時為細(xì)胞體提供能量，它參與從有機物到分子氧化的電子得失的整個過程，由活的生物體所產(chǎn)生。脫氫酶活性的大小不僅影響該途徑進(jìn)展的程度，而且還直接表示生物細(xì)胞對基質(zhì)降解才能的強弱，因此成為廢水生物處理中一項考察污泥活性的重要指標(biāo)11。采用2，3，5三苯基氯化四氮唑(簡稱TT)為受氫體測定各生物反響器內(nèi)污泥的脫氫酶活性12，實驗

8、結(jié)果見圖5。由圖5可以看出，投加殼聚糖后污泥的脫氫酶活性明顯比空白樣的脫氫酶活性差。這是由于殼聚糖游離氨基的存在，它在稀酸溶液中轉(zhuǎn)化成正銨鹽，這種銨鹽與微生物帶負(fù)電荷的原生質(zhì)接觸而破壞了它的細(xì)胞壁，從而殺滅細(xì)菌。上述實驗結(jié)果正說明了殼聚糖有抑菌作用，從而抑制污泥的脫氫酶活性；對于投加不同分子量的殼聚糖，測得的脫氫酶活性差異不是十清楚顯。投加小分子量殼聚糖的脫氫酶活性略微小于大分子量和中分子量的殼聚糖。由圖3、4、5可看出，殼聚糖隨著分子量的降低抑菌性能增強的規(guī)律，這是因為分子量越小，其越容易進(jìn)入細(xì)胞壁的空隙構(gòu)造內(nèi)，與帶負(fù)電荷的細(xì)胞質(zhì)發(fā)生作用，擾亂細(xì)胞正常代謝，從而抑菌性越強。2.3污泥絮凝沉降

9、性能和污泥容積指數(shù)的比較2.3.1污泥絮凝沉降性能在一樣的條件下，測定各生物反響器內(nèi)污泥的絮凝沉降性能，實驗結(jié)果見圖6。圖6說明，投加殼聚糖后，污泥的沉降壓實性能比空白樣的好。其原因主要是：1殼聚糖分子鏈上存在大量的游離氨基，能較好地中和污泥膠體顆粒的負(fù)電荷，使污泥顆粒聚集絮凝；2殼聚糖分子鏈上帶有多種高活性的吸附基團，如羰基、氫氧根、氨基等，它們能通過范德華力、氫鍵力、配位鍵力等物理化學(xué)作用與污泥顆粒發(fā)生作用，增強其吸附絮凝才能，不易破碎；3殼聚糖能發(fā)揮高分子鏈的架橋作用使污泥顆粒易于絮凝而沉淀。而在3種不同分子量殼聚糖中，以投加大分子量殼聚糖的污泥沉降性能最好。因為小分子量殼聚糖由于分子鏈

10、較短，其帶有的吸附基團較少，所以絮凝作用沒有大分子量的明顯，污泥絮體構(gòu)造不如大分子量的嚴(yán)密。2.3.2污泥容積指數(shù)(SVI30)在4套裝置穩(wěn)定運行狀態(tài)下，連續(xù)不排泥，觀察污泥容積指數(shù)，實驗測定結(jié)果見表2。表2各生物反響器內(nèi)SVI30值的比較運行天數(shù)/d運行方式投加大分子量殼聚糖(31.252萬)投加中分子量殼聚糖(22.304萬)投加小分子量殼聚糖(6.56萬)空白樣(不投加)1120.91105.87111.97121.212107.58106.26111.80126.333106.9797.97123.70156.984121.03109.98165.11188.365126.82118.

11、51178.23187.84在不排泥期間，各生物反響器內(nèi)污泥的增長并無較大的區(qū)別，說明投加殼聚糖對污泥的增長無明顯的促進(jìn)作用。但可看出，當(dāng)污泥濃度變高時，普通活性污泥的SVI變高，甚至超過180，污泥沉降性能變差，污泥開始膨脹，出水水質(zhì)變差。因此，對于普通活性污泥法，不能通過進(jìn)步曝氣池中污泥濃度來進(jìn)步處理效率和處理水量，否那么會發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象；殼聚糖的投加改善了污泥凝聚沉降性能。當(dāng)污泥濃度變高時，仍保持較好的污泥沉降性能，SVI30低。同時污泥濃度的進(jìn)步又降低了污泥負(fù)荷，還可進(jìn)一步改善污泥沉降性能，從而可進(jìn)步處理水量和處理效率；小分子量殼聚糖由于分子鏈較短，其絮凝作用沒有大分子量的明顯，污泥

12、絮體構(gòu)造不是非常嚴(yán)密，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的污泥濃度時也有污泥膨脹的趨勢，但仍優(yōu)于普通活性污泥，這與圖6的結(jié)論也是一致的。2.4污泥構(gòu)造的比較2.4.1污泥絮體形態(tài)圖7大分子量殼聚糖的污泥絮體形態(tài)圖8中分子量殼聚糖的污泥絮體形態(tài)圖9小分子量殼聚糖的污泥絮體形態(tài)圖10不投加殼聚糖的污泥絮體形態(tài)從以上4幅圖中可看出，污泥絮體構(gòu)造有較大區(qū)別：1投加殼聚糖后污泥絮體構(gòu)造要明顯優(yōu)于空白樣?？瞻讟拥奈勰嘈躞w分布較松散，每個絮體形狀較小，絮體與絮體之間沒有連接；而殼聚糖污泥的絮體構(gòu)造嚴(yán)密，絮凝物密實，菌膠團形狀較大，且能嚴(yán)密地連接成一個整體。這說明投加殼聚糖有助于細(xì)菌包覆成粘性的團塊，結(jié)合為嚴(yán)密的菌膠團絮體，使污泥的

13、構(gòu)造明顯改善。2對于不同分子量的殼聚糖，投加大分子量殼聚糖的污泥絮體構(gòu)造最為嚴(yán)密，菌膠團形狀最大，且污泥顆粒之間結(jié)合得最嚴(yán)密；中分子量和小分子量殼聚糖的絮體構(gòu)造略微松散一些。這說明殼聚糖的分子量對污泥絮體構(gòu)造產(chǎn)生影響，且分子量越大，污泥構(gòu)造越好。這是因為分子量越大，其分子鏈就越長，帶有的吸附基團就越多，絮凝才能就越強。2.4.2毛細(xì)吸水時間ST污泥ST可作為衡量污泥脫水性能的指標(biāo)，其本質(zhì)是污泥通過濾紙的毛細(xì)作用從一點浸透到另一點所需要的時間。ST值越小，即其浸透的速度越快，說明污泥的脫水性能越好。而污泥的脫水性能可以間接地反映出污泥的凝聚壓縮性能，即反映污泥絮體構(gòu)造的好壞。測定各生物反響器內(nèi)污

14、泥的ST值，實驗結(jié)果見表3。表3投加不同殼聚糖與空白ST值秒的比較測定次數(shù)運行方式投加大分子量殼聚糖31.25萬投加中分子量殼聚糖22.30萬投加小分子量殼聚糖6.56萬空白樣137384552242455248平均值39.541.548.550由表3可看出，投加殼聚糖的污泥ST值均小于空白樣，且污泥脫水性能由好到差依次為投加大分子量殼聚糖、中分子量殼聚糖、小分子量殼聚糖和空白樣。這從另一個側(cè)面再次驗證了殼聚糖活性污泥的絮體構(gòu)造優(yōu)于普通活性污泥，且殼聚糖的分子量越大，污泥絮體構(gòu)造越好，這與前面討論的污泥沉降性能部分所得的結(jié)論也是一致的。3結(jié)論1處理效率比照實驗說明，投加殼聚糖能較好地進(jìn)步污泥對

15、有機污染物的處理效率。而在投加的3種不同分子量殼聚糖中，大分子量殼聚糖的處理效果最好。2微生物耗氧速率和脫氫酶活性的比照實驗說明，投加殼聚糖會在一定程度上抑制污泥活性，而分子量越小，抑制作用越強。3污泥沉降性能和污泥構(gòu)造的比照實驗說明，投加殼聚糖可以大大進(jìn)步污泥的沉降壓縮性能，并能很好地改善污泥絮體構(gòu)造。而殼聚糖分子量越大，污泥的沉降壓縮性能和絮體構(gòu)造越好。4在活性污泥法中投加殼聚糖可以強化生物作用，并且應(yīng)選擇分子量較大的。參考文獻(xiàn)1蔣挺大.殼聚糖.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.7122崔小明.殼聚糖及其衍生物在水處理中的應(yīng)用.凈水技術(shù)，1997，1：43453張利平.天然吸附劑殼聚糖的最新

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