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有机底物对活性污泥胞外聚合物的影响.doc

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有机底物对活性污泥胞外聚合物的影响.doc

论文写作指导、各类文案代写QQ625880526摘要随着社会工业化发展的加快和人口的增加,水体重金属污染越来越严重,这对生态环境和人体健康造成了严重危害。水体重金属污染处理方法很多,同传统重金属处理方法相比,生物吸附法具有明显的优势,尤其对低浓度重金属废水的处理效果非常好。本文首先以污水处理厂活性污泥III为菌种,用分别含有葡萄糖和蛋白胨的人工配置污水培养得到活性污泥I和II。实验主要以3种污泥为研究对象,考察了3种污泥的絮凝沉降性能、污泥形态、EPS热提取法最优提取条件、EPS成分、EPS所含官能团等实验结果表明,3种活性污泥的SV都在1550之间,SVI都在80120ML/G之间,MLSS都在20003000MG/L之间,污泥的絮凝沉降性能良好,其中活性污泥I的絮凝沉降性能最差,活性污泥III的絮凝沉降性能最好;热提取法(80℃,35MIN)提取EPS的量最多,且微生物细胞破坏程度较小,为最佳提取条件;在一个培养周期内,3种活性污泥生成多糖、蛋白质、EPS总量的速度为活性污泥I活性污泥III活性污泥II;3种EPS中多糖的含量几乎占了EPS总量的50,蛋白质的含量却非常低,并且多糖含量顺序为EPSIEPSIIEPSIII,蛋白质含量顺序为EPSIIEPSIIIEPSI;3种EPS中多糖/蛋白质分别为213、48、64,C/N分别为85、55、61;3种EPS的红外谱图非常相似,都含有羧基、羟基、蛋白质肽键等多种官能团,其中蛋白质和多糖所含官能团产生的特征峰比较强。关键词活性污泥;胞外聚合物;多糖;蛋白质;有机底物2ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFINDUSTRYANDTHEINCREASEOFPOPULATION,THEPROBLEMOFHEAVYMETALPOLLUTIONINWATERBECOMESMOREANDMORESERIOUS,WHICHISHARMFULTOECOENVIRONMENTSANDHUMANBEINGTHEREAREMANYMETHODSTOTREATHEAVYMETALPOLLUTEDWATERCOMPAREDWITHTRADITIONALMETHODTOTREATHEAVYMETALPOLLUTION,BIOSORPTIONHASMANYADVANTAGESESPECIALLYWHENITISUSEDTODEALWITHWASTEWATERCONTAININGLOWLEVELMETALS,THEEFFICIENCYISSATIFYINGTHREEACTIVATEDSLUDGESHAVEBEENSTUDIEDINTHISPAPER,ACTIVATEDSLUDGEIANDIIWERESEEDEDWITHACTIVATEDSLUDGEIIICOLLECTEDFROMAFULLSCALEMUNICIPALWASTEWATERPLANTCULTIVATEDWITHSYNTHETICWASTEWATERTHATCONTAINEDDIFFERENTCARBONSOURCEGLUCOSEANDPEPTONE,RESPECTIVELYTHEEXPERIMENTALRESULTSDEMONSTRATETHATFLOCCULATIONANDSETTLEMENTOFTHREEACTIVATEDSLUDGESARESATISFYINGTHESETTLINGVELOCITYSVOFTHREESLUDGESARE1550,SLUDGEVOLUMEINDEXSVIARE80120ML/G,MIXEDLIQUORSUSPENDEDSOLIDSMLSSARE20003000MG/LFURTHERMORE,ACTIVATEDSLUDGEIHASTHEWORSTFLOCCULATIONANDSETTLEMENTPERFORMANCE,WHILEACTIVATEDSLUDGEIIIHASTHEBESTTHEOPTIMALEXTRACTIONPARAMETERSOFHEATINGEXTRACTIONIS80℃AND35MIN,WHICHEXTRACTSTHEMOSTEPSANDTHELEVELOFDESTRUCTIONONCELLISTHESMALLESTDURINGACULTURECYCLE,ORDEROFPOLYSACCHARIDE,PROTEINANDEPSGENERATESPEEDISACTIVATEDSLUDGEIACTIVATEDSLUDGEIIIACTIVATEDSLUDGEII;EPSSAREHIGHINPOLYSACCHARIDEBUTLOWINPROTEINPOLYSACCHARIDECONTRIBUTESTONEARLY50OFEPSORDEROFTHEAMOUNTOFPOLYSACCHARIDEISEPSIEPSIIEPSIII,ORDEROFTHEAMOUNTOFPROTEINISEPSIIEPSIIIEPSI;THERATIOOFPOLYSACCHARIDETOPROTEINOFTHREEEPSSARE213、48、64,RESPECTIVELY;THERATIOOFCTONOFTHREEEPSSARE85、55、61,RESPECTIVELY;THEIRSPECTRUMSHOWTHEPRESENCEOFTHEFUNCTIONALGROUNPSOFTHREEEPS,THEYAREEXCEEDINGLYSIMILARTHEMAINCHEMICALGROUPSINTHREEEPSSARECARBOXYL,ALCOHOL,PEPTIDEBONDSINPROTEINSANDSOONTHEPEAKSOFCHEMICALGROUPSINPOLYSACCHARIDEANDPROTEINARESTRONGKEYWORDSACTIVATEDSLUDGE;EXTRACELLULARPOLYMERIC;POLYSACCHARIDE;PROTEIN;ORGANICSUBSTRATE论文写作指导、各类文案代写QQ625880526ABSTRACT2参考文献29错误未定义书签。绪论错误未定义书签。11引言1121胞外聚合物(EPS)的来源和组成1122胞外聚合物的提取方法413胞外聚合物的作用机理414胞外聚合物的应用5142胞外聚合在环境工程中的研究和应用6143胞外聚合物在食品工程中的研究和应用6144胞外聚合物在生物医学工程中的研究和应用6第二章有机底物对活性污泥及其胞外聚合物的影响721前言722实验仪器与试剂7221实验仪器7222实验试剂823分析与测试方法924活性污泥的制备及有机底物对其沉降性能的影响研究11241活性污泥I、II的培养11242活性污泥MLSS、SV和SVI的测定11243活性污泥扫描电镜分析1225活性污泥胞外聚合物的制备13251EPS热提取方法条件优选13252活性污泥胞外聚合物的提取1626EPSI、EPSII、EPSIII分析16261有机底物对EPS多糖、蛋白质、EPS量的影响16262EPSI、EPSII、EPSIII成分分析18263EPSI、EPSII、EPSIII元素分析19264EPSI、EPSII、EPSIII的红外光谱测定20参考文献1致谢1论文写作指导、各类文案代写QQ625880526绪论11引言活性污泥胞外聚合物(EXTRACELLULARPOLYMERICSUBSTANCESEPS)对生物絮凝有促进作用。胞外多糖包裹细胞壁,降低了细胞的有效临界电势而发生凝絮。而EPS中含有的脂类、蛋白质等疏水分子,可使污泥表面呈局部疏水性;同时,EPS含有能与阳离子结合的阴离子基团,这种高分子聚合物可以在颗粒间起到架桥作用。同时有研究表明EPS的存在不利于污泥沉降,污泥表面离子化聚合物的浓度和性质决定了污泥表面的电荷,随着EPS浓度增大,污泥电泳迁移率增大,由于系统间斥力导致污泥沉降性能恶化;并且EPS的主要成分蛋白质、糖类和DNA含量都与污泥容积指数成正比关系,认为污泥的沉降性能与高浓度的EPS有关21。同时,EPS为高浓度胶体状态的生物聚合物,它对污泥的浓缩脱水性能也会产生影响22。此外,活性污泥的EPS还能大量吸附溶液中的金属离子,尤其是重金属离子与EPS的络合产物更为稳定。EPS吸附废水重金属与其它重金属废水处理方法相比,具有操作简便,经济,二次污染小等优点,应用前景广阔,能实现环境效益、社会效益、经济效益三者的完美统一。微生物胞外聚合物可以应用于多种工业,如石油开采工业、农业、环境保护和环境工程等方面。其主要作用表面活性剂、絮凝剂或助凝剂和沉淀剂。研究者逐渐发现一些微生物的胞外聚合物(EPS)在湿法冶金领域中有着非常重要的作用,它介导了细菌和矿物的接触,改变矿物表面化学性质,帮助矿物在水溶液中溶解,去除冶金废水中的金属离子,在湿法冶金的选矿和废水处理等各环节都发挥着重大作用。故而胞外聚合物的研究越来越深入。12胞外聚合物的研究现状121胞外聚合物(EPS)的来源和组成1211胞外聚合物(EPS)的来源活性污泥EPS存在于活性污泥的细菌细胞外,主要由微生物代谢产物或死亡的细胞以及从周围环境中吸附的有机物构成。EPS是细胞和水分外第三大类活性污泥组成物质26,27,约占活性污泥质量的8028、总有机物的5090、污泥干重的1529,因此EPS是阻碍污泥高效减容减量的关键物质;同时,EPS对自然界重金属具有良好的富集作用25,是影响污泥资源利用的重要物质。胞外聚合物(EPS)是微生物细胞分泌的粘性物质,是生物膜的主要组成成分。许多微生物在细胞壁外围有荚膜和粘2液层,荚膜和粘液层可自细胞上除去而不影响其生命。在形态上它们可以分为三类大荚膜、微荚膜和粘液层。按照EPS结构组成,可分为紧密粘附的EPS(TIGHTLYBOUNDEPS,TB)和松散附着的EPS(LOOSELYBOUNDEPS,TB)两部分32。结构简图如11B所示。EPS的结构为流变性的双层结构,TB位于结构内层,与细胞表面结合紧密,稳定地附着于细胞壁外,具有一定的外形。LB位于外层,结构比较松散,可向周边环境扩展,无明显边缘。不同的培养工艺会影响LB的含量,而且LB是一种在特殊条件下能够被细菌作为碳源和能源的物质,随着污泥龄的延长,内源呼吸作用增强,LB因不断被消耗而减少。这正是LB随着污泥龄延长而含量减少的原因。根据文献数据显示,LB占EPS总量的06135,其含量的变化对EPS总量的变化影响较小,因此,EPS总量随运行方式和泥龄的变化不大15。图11EPS与细胞位置结构简图活性污泥胞外聚合物是在污水生化处理过程中,活性污泥中细胞表面的有机聚合物。EPS为细胞形成一个保护层以抵抗外面不利的环境,也可以作为饥饿期碳和能量的来源5。EPS对活性污泥的絮凝和脱水性能起着关键的作用,对产甲烷的粒状污泥的微观结构也同样起着作用。在废水处理过程中,胞外聚合物的空间结构和组成在较大程度上决定了基质在生物膜内传质阻力的大小,若要提高废水的处理效率,首先应对胞外聚合物展开细致的研究。1212胞外聚合物(EPS)的组成EPS是大分子物质的集合,因此成分复杂,通常含有蛋白质(PROTEIN,大约占EPS的L60)、多糖(POLYSACCARIDES,4095)、腐殖质(HUMICLIKESUBSTANCES,以下简称HUMIC)、糖醛酸(URONICACID)、脂类(1IPID)和DNA等3337,其中以蛋白质和多糖最为重要6。LIU和FANG38总结了多种EPS提取方法后发现,EPS成分中量最多的两大类物质是蛋白质和多糖,其它的如腐殖质、糖醛酸、脂类和DNA等的量则相对少些。胞外多糖含有多种功能团,如羧基、羟基和磷酸基,这些基团对不同类型离子表现了强烈的亲和性。除了多聚糖和蛋白质外,胞外聚合物其他成分的作用还不是十分清楚。胞外聚合物的具体组成如表11。论文写作指导、各类文案代写QQ625880526表11胞外聚合物的基本组成EPS的成分主要组成(及组成单元)组成单元中的主要联系方式聚合物骨架结构取代基团(例子)聚糖单糖糖醛酸氨基糖糖苷键线性,分支有机基团O十六烷基,N十六烷基蛋白质(聚多肽)氨基酸肽键线性低聚糖(糖蛋白)脂肪酸(脂蛋白)核酸核苷脂肪酸丙三醇磷酸二脂键线性脂类磷酸盐乙醇胺丝氨酸脂键侧链腐殖质腐植酸单糖氨基酸脂键,CC键,缩氨酸键交叉有人对胞外聚合物中糖类和蛋白质的成分进行了定性的分析,胞外多糖所含单糖种类较多。METHANOBACTERIUMFORMICIZNM和METHANOSARCINAMAZEII是从厌氧颗粒物上分离到的两种优势菌。METHANOBACTERIUMFORMICIZNM产生的胞外多糖主要由鼠里糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖、氨基酸组成,而由METHANOSARCINAMAZEII产生的包括核酸、半乳糖、葡萄糖和葡萄胺。生物膜中最丰富的单体氨基酸为天冬氨酸、甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、亮氨酸、赖氨酸和古氨酸7,8。EPS将微生物包埋在内,相当于微生物的房子,为固着的细胞创造了一个由其本质所决定的微生物环境,保护微生物免于脱水,使其避免干燥,又可以起到离子交换树脂一样的作用,防止离子进入细胞内而使其它溶解9。如图12所示。4图12EPS与细胞位置结构10122胞外聚合物的提取方法胞外聚合物提取的各组成成分及其含量的多少,很大程度上取决于所用的提取方法。经过近些年的不断探索与尝试,人们已研究出十多种胞外聚合物提取方法。这些方法可大致分为两类。一类是物理法,另一类是化学试剂法。见下表12表12EPS提取方法及特点分析提取方法特点文献物理法超声法避免加热,无化学试剂,不会影响提取物的化学组成。影响因素多,在提取单一菌种EPS时受限制11离心法操作程序简单,但受操作参数(主要是离心力)影响大12蒸汽法操作简单,获取的EPS含量较高,耗时少,常规仪器即可,可行性高11搅拌法操作简单,但提取效率低13化学法EDTA操作简单,但蛋白质和糖类物质含量较少,耗时长,不适宜大量提取11CER法可保持细胞完整,提取效率高;操作复杂,耗时,树脂分离要求高离心速度,对仪器要求高14NAOH法操作周期长,不适宜大量提取1113胞外聚合物的作用机理在研究生物腐蚀过程中研究者发现,正是胞外聚合物的存在,使得生物腐蚀的速

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