污水廠出水中溶解性微生物代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生及影響
郝曉地葉嘉洲劉然彬李季
北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中-荷污水處理技術(shù)研發(fā)中心
- DOI:
10.19853/j.zgjsps.1000-4602.2020.12.007
- 專(zhuān)輯:
工程科技Ⅱ輯; 工程科技Ⅰ輯
- 專(zhuān)題:
環(huán)境科學(xué)與資源利用
- 分類(lèi)號(hào):
X703
學(xué)術(shù)回溯 | 出水中內(nèi)源代謝有機(jī)物產(chǎn)生與影響
編者按:污水生物處理出水中,最高時(shí)有近一半有機(jī)物來(lái)源于內(nèi)源溶解性微生物代謝產(chǎn)物(SMP),包括外源底物代謝形成的底物利用相關(guān)產(chǎn)物(UAP)、胞外聚合物(EPS)水解形成的微生物相關(guān)產(chǎn)物(BAP)以及細(xì)胞裂解物。因SMP成分復(fù)雜且與天然有機(jī)物(NOM)具有相似結(jié)構(gòu),導(dǎo)致它們難以定量表征,目前僅可通過(guò)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)其大致含量。并且SMP具有致微生物突變潛在生物毒性,進(jìn)入水體后長(zhǎng)時(shí)間因光降解以及微生物再代謝而會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物(DBPs)前驅(qū)物。因此,很多學(xué)者對(duì)出水SMP控制進(jìn)行了研究。其中,控制污水處理工藝適宜的污泥齡(SRT)與有機(jī)負(fù)荷(OLR)最為有效,低碳源污水輔助反硝化除磷工藝降低出水SMP含量效果最為明顯。從控制黑臭水體耗氧物質(zhì)角度,沒(méi)有必要一味降低出水COD,只需要嚴(yán)格控制BOD5與NH4+。當(dāng)需要考慮中水回用安全性時(shí),采用活性炭吸附過(guò)濾池方式便可實(shí)現(xiàn)對(duì)SMP的有效去除。該論文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》(2020年6月)。
整理 | 鄢麗
責(zé)編 | 郝曉地
前言
污水經(jīng)生物處理后的出水中難免存在一些難降解溶解性有機(jī)物(DOM),其中,除原水帶進(jìn)的未能降解的天然有機(jī)物(NOM)和人工合成有機(jī)物(SOC)外,還有一部分源于活性污泥微生物代謝過(guò)程中釋放的溶解性微生物代謝產(chǎn)物(SMP);其含量一般占進(jìn)水COD含量的2%~20%,并主要由多糖、類(lèi)蛋白質(zhì)、類(lèi)腐殖酸等組成。SMP分子質(zhì)量分布廣泛,多處于1 ku以下或10 ku以上范圍(以生活污水為底物時(shí))。對(duì)SMP的研究起源于其對(duì)MBR膜污染產(chǎn)生的作用;近20年研究發(fā)現(xiàn),SMP也可能對(duì)微生物和水環(huán)境產(chǎn)生其他的一些潛在影響。
傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中僅將出水殘留溶解性COD歸咎于外源COD(NOM與SOC),而對(duì)內(nèi)源SMP往往缺乏認(rèn)識(shí)。因SMP本身具有特殊理化性質(zhì)而又不能簡(jiǎn)單從COD數(shù)值中反映出來(lái),這就勢(shì)必影響出水COD排放標(biāo)準(zhǔn)的制定。為此,綜述SMP產(chǎn)生與化學(xué)成分,并根據(jù)SMP含量的環(huán)境與工藝因素提出防控措施,探討SMP對(duì)制定出水標(biāo)準(zhǔn)的影響。
1 SMP產(chǎn)生與組成
根據(jù)統(tǒng)一代謝模型,SMP可劃分為外源底物利用相關(guān)中間產(chǎn)物(UAP)和EPS水解產(chǎn)物(BAP,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間信息交流的信號(hào)物質(zhì))。因此,外源有機(jī)底物被微生物利用后存在3種去向:1)直接被分解代謝(外源有機(jī)底物完全被氧化為CO2和H2O)后產(chǎn)能;2)形成UAP;3)合成細(xì)胞并形成EPS及BAP。
此外,也有穩(wěn)態(tài)和有機(jī)/水力負(fù)荷沖擊條件下的厭氧SMP模型認(rèn)為BAP應(yīng)包括GBAP和EBAP以及細(xì)胞裂解所釋放的溶解性胞內(nèi)物質(zhì)。按嚴(yán)格定義而不考慮簡(jiǎn)化模型,細(xì)胞裂解產(chǎn)物確實(shí)應(yīng)屬于SMP范疇。所以,UAP、BAP以及細(xì)胞裂解產(chǎn)物均可歸結(jié)為SMP未能在內(nèi)源過(guò)程被完全消耗的這些SMP會(huì)呈現(xiàn)在出水COD中,是一種內(nèi)源產(chǎn)生的難以降解的有機(jī)物。圖1為SMP與EPS的關(guān)系。
另外,UAP、GBAP、EBAP三種產(chǎn)物存在不同生成與消耗速率,UAP生成速率較快,在易生物降解外源底物消耗殆盡后達(dá)到峰值;BAP生成速率較慢,在底物匱乏階段進(jìn)行積累,最高時(shí)可占到總SMP的95%,其中EBAP為BAP的主要成分。
圖1 SMP與EPS關(guān)系描述與概括
實(shí)際污水處理廠出水COD中SMP成分非常復(fù)雜,現(xiàn)有研究并未建立起SMP成分標(biāo)準(zhǔn)分析方法,主要根據(jù)有機(jī)物親、疏水性與分子質(zhì)量大小進(jìn)行劃分,可歸納為圖2所列的宏觀分類(lèi)與表征方法。
圖2 SMP宏觀分類(lèi)與表征方法歸納
目前大部分研究分析得到的SMP成分都比較籠統(tǒng):小分子質(zhì)量SMP通常由親水性羧基、羥基和氨基構(gòu)成;大分子質(zhì)量SMP主要包括多糖、腐殖質(zhì)和細(xì)胞裂解物。表1顯示了不同處理工藝出水中存在的主要小分子SMP成分含量�?梢钥闯觯》肿覵MP成分與其光學(xué)性質(zhì)分析結(jié)果并不匹配。在厭氧/好氧環(huán)境下形成的SMP成分具有一定的相似性,主要包含烷烴、烯烴、芳香族化合物、醇類(lèi)和酯類(lèi);微生物代謝短鏈有機(jī)底物時(shí)也會(huì)形成長(zhǎng)鏈烷烴、烯烴和酯類(lèi)SMP。
表1 不同處理工藝出水COD中小分子SMP主要成分
2 SMP含量與特性
SMP部分官能團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與NOM和SOC相同,導(dǎo)致無(wú)法對(duì)實(shí)際出水中SMP進(jìn)行單獨(dú)檢測(cè)。目前,還沒(méi)有將出水中SMP與其他DOM分開(kāi)的準(zhǔn)確定量分析方法,主要是通過(guò)進(jìn)出水光學(xué)特性、分子質(zhì)量變化來(lái)判斷SMP在出水中的相對(duì)含量與理化性質(zhì)。
美國(guó)東北部一個(gè)污水處理廠生物處理出水中SMP比外源性NOM有著更高的類(lèi)蛋白質(zhì)含量和更低的類(lèi)腐殖質(zhì)酸,呈現(xiàn)出更強(qiáng)的熒光特性。另外有實(shí)驗(yàn)利用同一SBR裝置,用社區(qū)原污水與同等COD濃度的葡萄糖配水進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)原污水實(shí)驗(yàn)出水中SMP只占出水DOM的45%,原污水經(jīng)過(guò)生物處理后具有較高的SUVA(UV245/DOC)值;樣品分析中三維熒光(EMM)所顯示的出水中DOM成分相對(duì)含量見(jiàn)表2。因常規(guī)生物處理難以降解NOM和SOC,故出水中DOM主要受SMP含量影響,實(shí)際污水處理廠出水DOM中SMP是否為主要成分還需要實(shí)驗(yàn)分析獲得。
表2 某實(shí)驗(yàn)SBR裝置出水中不同組分DOM含量
不同工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)微生物系統(tǒng)代謝過(guò)程會(huì)產(chǎn)生不同影響,進(jìn)而影響到出水SMP含量。表3為部分影響出水SMP含量的因素。
表3 影響SMP的主要因素
研究發(fā)現(xiàn),微生物種群對(duì)SMP含量與組分影響不大,環(huán)境因素在SMP增多過(guò)程中起主要作用。高滲透壓、低濃度重金屬的存在并不會(huì)對(duì)SMP分子質(zhì)量大小與化學(xué)組分造成太大影響,且市政污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中pH與溫度變化不大。因此影響出水SMP含量的主要因素應(yīng)該是進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)和工藝運(yùn)行條件的變化。
2.3 生物降解性
微生物內(nèi)源代謝階段可利用SMP,以維持細(xì)胞正常代謝活動(dòng)。但微生物利用SMP的速率通常不及其釋放速率,導(dǎo)致SMP累積。其中來(lái)源于EPS水解的BAP占據(jù)了主要成分。但從廣義組分來(lái)看,主要成分為類(lèi)蛋白質(zhì)和多糖的小分子UAP比主要成分為類(lèi)腐殖酸、富里酸的大分子BAP(MW>10 ku)容易降解,BAP的BOD5/COD比值僅為2.8%~14%。所以,出水殘留COD中SMP成分大多是生物難降解的有機(jī)組分。
研究發(fā)現(xiàn),微生物量、初始底物狀態(tài)和微生物對(duì)底物組成變化的適應(yīng)性可能決定了SMP成分的可降解性。當(dāng)微生物經(jīng)歷初始底物馴化后進(jìn)入底物匱乏階段時(shí),會(huì)主動(dòng)利用易降解的UAP和可降解的BAP,此時(shí)并不會(huì)伴隨新的SMP釋放。在環(huán)境適應(yīng)力較好的生物脫氮系統(tǒng)中,好氧環(huán)境下部分UAP也會(huì)因外源底物逐漸消耗而被異養(yǎng)細(xì)菌利用;當(dāng)初始底物消耗殆盡時(shí),缺氧環(huán)境下剩余UAP仍可參與反硝化脫氮,分子質(zhì)量<100 ku的BAP也有“機(jī)會(huì)”被生物降解,難生物降解的溶解性COD中有21.8%可被異養(yǎng)菌利用,對(duì)出水TN去除提升可達(dá)24.6%。從化學(xué)組分來(lái)看,可被降解的SMP包括類(lèi)酪氨酸蛋白質(zhì)、類(lèi)色氨酸蛋白質(zhì)和類(lèi)富里酸,其中,類(lèi)色氨酸蛋白質(zhì)是參與脫氮的主要SMP。有機(jī)負(fù)荷較低的厭氧環(huán)境同樣有利于微生物對(duì)SMP的降解,產(chǎn)甲烷菌古菌可以將60%左右的來(lái)源于產(chǎn)酸菌的SMP用于產(chǎn)甲烷過(guò)程。
3 SMP環(huán)境影響及其控制
早期研究發(fā)現(xiàn),污水處理廠二級(jí)出水較原污水致沙門(mén)氏菌/微粒體細(xì)菌突變性增強(qiáng)。不利環(huán)境因素(高氨氮、高鹽度、重金屬)在一定程度上會(huì)增加SMP致細(xì)菌的突變型,同時(shí),SMP經(jīng)加氯消毒后的致突變性最高可提高3倍。微生物可釋放糖類(lèi)有毒芳香族化合物,如鄰苯二甲酸酯。SMP也會(huì)抑制某些細(xì)菌代謝活動(dòng)(如,A/O工藝中厭氧段PAOs對(duì)于VFAs的攝取以及好氧段硝化細(xì)菌的硝化反應(yīng)),但這種影響很微弱。
3.2 對(duì)天然水體的影響
從污水處理廠流出的SMP進(jìn)入天然水體并不會(huì)對(duì)溶解氧(DO)造成影響,但隨時(shí)間推移(>15 d)SMP化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,如圖3所示。光照可破壞類(lèi)腐殖酸物質(zhì)的碳骨架和官能團(tuán),接受48 h光照的SMP加氯消毒后會(huì)形成更多的三鹵甲烷(THM)和三氯硝基甲烷(TCNM)。對(duì)UV吸收強(qiáng)的芳香基團(tuán)和不同供電基團(tuán)(例如羥基、酚基)在類(lèi)腐殖酸物質(zhì)中存在越多,自身受光照淬滅程度越大。
圖3 天然水體中SMP轉(zhuǎn)化及其潛在影響
另一方面,大分子SMP光降解形成的小分子SMP會(huì)被水環(huán)境中的微生物利用,因此會(huì)消耗水體中的DO。小分子SMP在厭氧/好氧環(huán)境中均可降解,程度幾乎相當(dāng),且疏水性物質(zhì)比親水性物質(zhì)更容易降解。經(jīng)好氧生化反應(yīng)后,一部分SMP會(huì)發(fā)生化學(xué)性質(zhì)變化,這種發(fā)生變化后的產(chǎn)物經(jīng)加氯消毒后會(huì)增加三鹵甲烷、水合氯醛等DPBs含量;厭氧環(huán)境下的底物競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系導(dǎo)致厚壁菌門(mén)占據(jù)主導(dǎo)地位,其中梭狀芽孢桿菌可有效代謝上述消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物(DPBFB)。有研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)長(zhǎng)期厭氧后短時(shí)間恢復(fù)好氧環(huán)境會(huì)增強(qiáng)一些兼性厭氧菌(例如脫氯單胞菌屬和地桿菌屬)的酶活性,從而增強(qiáng)其對(duì)SMP代謝過(guò)程的影響。顯然,水體復(fù)氧或藻類(lèi)放氧過(guò)程會(huì)導(dǎo)致SMP向DPBs前驅(qū)物方向轉(zhuǎn)變。
3.3 控制措施
由上述可知SMP會(huì)影響出水COD(~45%)、TN(~10%)濃度,且會(huì)增加下游給水處理廠消毒單元DPBs形成。此外,SMP潛在生物毒性亦不可忽視,特別是中水回用的情況。
因SMP為內(nèi)源產(chǎn)物,所以只能從工藝運(yùn)行過(guò)程或處理末端采取相應(yīng)控制措施�?刂乒に囎顑�(yōu)SRT、調(diào)節(jié)缺氧池回流、控制低有機(jī)負(fù)荷率均可減少出水中的SMP。低碳源污水可控制SMP生成,另外研究發(fā)現(xiàn)反硝化除磷菌(DPB)可以SMP作為內(nèi)源反硝化除磷的碳源。所以UCT工藝可在一定程度上減少出水SMP并獲得可觀的營(yíng)養(yǎng)物去除率。
SMP在出水溶解性COD中的占比只有24%~45%,且其進(jìn)入水體前期并不耗氧,后期即使耗氧因含量不高也無(wú)大礙。只有在考慮中水回用時(shí),為降低SMP生物毒性才會(huì)對(duì)他們施加深度處理工藝。臭氧會(huì)增加SMP生物可降解性,導(dǎo)致直接耗氧;亦會(huì)使THMs和CH消毒副產(chǎn)物增多。紫外消毒、氧化存在類(lèi)似問(wèn)題。鋁鹽強(qiáng)化混凝作用效果不是很明顯。采用粉末活性炭(粒徑<0.2 mm)吸附SMP,可有效降低出水COD濃度(64%)和SUVA(59%)值,對(duì)DBPFP生成量減少達(dá)70%以上;粉末活性炭可同時(shí)去除小分子親水物質(zhì)和大分子類(lèi)腐殖酸,對(duì)于酚羧酸類(lèi)腐殖酸去除率甚至可達(dá)到100%。因此,活性炭吸附是去除出水SMP同時(shí)又減少給水處理過(guò)程DBPs較為有效的深度處理方法。
4 結(jié)論
污水生物處理出水COD中除NOM和SOC外還有一部分微生物代謝產(chǎn)物SMP,最高可達(dá)45%甚至以上。SMP難以生物降解,但微生物量、初始底物狀態(tài)和微生物對(duì)底物組成變化的適應(yīng)性可能決定了SMP成分的可降解性。SMP排入水體短時(shí)間內(nèi)不會(huì)耗氧,但存在一定生物毒性,并會(huì)在光解作用下轉(zhuǎn)化為DBPFP。通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)行條件可減少SMP,尤其低碳源污水并采用反硝化除磷工藝有助于SMP減少。因此從控制黑臭水體耗氧物質(zhì)角度,只需要嚴(yán)格控制BOD5、NH4+即可。若考慮中水回用,可采用活性炭吸附過(guò)濾池方式有效去除SMP,以最大程度避免SMP生物毒性發(fā)生。
原文信息:郝曉地,葉嘉洲,劉然彬,李季.污水廠出水中溶解性微生物代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生及影響[J].中國(guó)給水排水,2020,36(12):37-44.
本期編輯:任思伶
進(jìn)入原文鏈接點(diǎn)擊“閱讀原文”