（环境工程专业论文）贫营养条件下微生物代谢产物和生物多样性的研究.pdf

中文摘要 在膜生物反应器中，随着污泥停留时间的延长，反应器中的活性污泥微生物 会处于一种营养相对贫乏的环境。当贫营养环境长期存在时，微生物在内源呼吸 作用下会不断自我消耗，释放大量的溶解性微生物产物( s m p ) ，并且胞外聚合物 ( e p s ) 向s m p 的转化加快，导致反应器中s m p 浓度急剧增加，从而加剧膜污染， 抑制污泥微生物活性，直接影响工艺的出水水质和处理效率。 本课题在以往研究的基础上，主要探讨在贫营养条件下微生物代谢产物的产 出和降解行为，以及由此引起的污泥混合液特性的变化。并采用分子生物学技术 聚合酶链式反应一变性梯度凝胶电泳( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n d e n a t u r i n g g r a d i e n tg e le l e e t r o p h o r e s i s ，p c r d g g e ) 对污泥微生物群落的演替展开研究。结 合对总细菌的多样性分析、相似性分析和族群归属分析等探索微生物代谢产物、 污泥混合液特性和生物多样性三者之间的协同变化关系。 通过对取自c a s 和m b r 两种典型污水处理工艺的活性污泥分别进行贫营 养培养试验，发现m b r 污泥对于贫营养极端环境的适应能力要强于c a s 污泥。 微生物能够通过降解e p s 和产出s m p 来获取碳源，并且e p s 和s m p 之间存在 一定的相互转化关系。c a s 污泥的初始污泥活性要远高于m b r 污泥，但在内源 呼吸和毒性物质的抑制作用下，污泥活性会迅速丧失。e p s 和s m p 对污泥沉降 性，表面相对疏水性和污泥活性等具有重要的影响，并且随着e p s 、s m p 在组 成和性质上的不同而各有所重。 两种活性污泥的d g g e 指纹图谱显示，m b r 污泥中微生物种群非常丰富， 而c a s 污泥则略显单一。在贫营养条件下，两种污泥的微生物种群演替过程非 常明显，微生物种群间的相似性变化较大。总细菌s h a n n o n 多样性指数、p i e l o u 均匀性指数、p a t r i c k 丰富度指数和戴斯系数能很好的反映微生物种群结构的演替 过程。污泥微生物种群结构和多样性从根本上决定着微生物代谢产物和污泥混合 液特性的变化，它们之间的变化具有高度的协同性和一致性。 克隆测序结果表明，两种污泥中既存在共同的微生物种属也有各自特异的种 属，这与各自污泥来源工艺的进水水质和运行条件有关。微生物种群的特异性是 造成不同活性污泥对贫营养环境适应能力不同的根本原因。 关键词： 膜生物反应器传统活性污泥法贫营养条件微生物代谢产物污泥 混合液特性生物多样性克隆测序 a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g em i c r o o r g a n i s m sa r ei n c l i n e dt o g e ti n t oa no l i g o t r o p h i c e n v i r o n m e n ta l o n gw i t ht h ep r o l o n g a t i o no fs l u d g er e m a i nt i m ei nm e m b r a n e b i o r e a c t o r w h e nt h eo l i g o t r o p h i ce n v i r o n m e n te x i s to v e ral o n gp e r i o do ft i m e ， m i c r o o r g a n i s m sw i l la u t o l y z ea sar e s u l to fe n d o g e n o u sr e s p i r a t i o np r o c e s s e s ，a n d r e l e a s eal a r g en u m b e ro fs o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ( s m p ) a tt h es a m et i m e ， t r a n s l a t i o nf r o me x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ( e p s ) t os m pi st os p e e du p a sa r e s u l t ，t h ec o n c e n t r a t i o no fs m pi nt h er e a c t o rw i l li n c r e a s e ，w h i c hw i l ll e a dt os e r i o u s m e m b r a n ef o u l i n ga n di n h i b i t i o nt oa c t i v a t e ds l u d g em i c r o o r g a n i s m s ，d e t e i m i n et h e e f f l u e n tq u a l i t ya n dp r o c e s se f f i c i e n c yd i r e c t l y u p o nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h e s ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e do nt h ef o r m a t i o na n d b i o d e g r a d a t i o no fm i c r o b i a lm e t a b o l i t e sa n di t se f f e c to nm i x e dl i q u o rc h a r a c t e r i s t i c s u n d e rt h e o l i g o t r o p h i c e n v i r o n m e n t t h em i c r o b i a l c o m m u n i t ys t r u c t u r e s a n d s u c c e s s i o nw e r es t u d i e db yp o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n d e n a t u r i n g g r a d i e n tg e l e l e e t r o p h o r e s i s ( p c r - d g g e ) t h ec o m b i n a t i o no fb i o d i v e r s i t ya n a l y s i s 、s i m i l a r i t y a n a l y s i sa n dc l u s t e ra n a l y s i sw a sc a r r i e do u tt od i s c u s st h ec o v a r i a n c er e l a t i o n s h i p a m o n gm i c r o b i a lm e t a b o l i t e s 、m i x e dl i q u o rc h a r a c t e r i s t i c sa n db i o d i v e r s i t y t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tu n d e rt h eo l i g o t r o p h i ce n v i r o n m e n tu s i n gt h ea c t i v a t e d s l u d g ef r o mt w ot y p i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s ，c a sa n dm b l li ti n d i c a t e st h a t t h ea d a p t a b i l i t yo fm b r s l u d g et oo l i g o t r o p h i ce n v i r o n m e n ti sb e t t e rt h a nt h a to fc a s s l u d g e m i c r o o r g a n i s m sa r el i k e l yt oa c q u i r ec a r b o ns o u r c eb ye x c r e t i n gs m pa n d b i o d e g r a d i n ge p s ，a n dt h e r ei sc e r t a i ni n t e r - t r a n s f o r m a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e t w o t h ei n i t i a ls l u d g ea c t i v i t yo fc a ss l u d g ei sm u c hh i g h e rt h a nt h a to fm b r s l u d g e h o w e v e r , t h es l u d g ea c t i v i t yl o s er a p i d l yb e c a u s eo fe n d o g e n o u sr e s p i r a t i o n p r o c e s s e sa n di n h i b i t i o no ft o x i cs u b s t a n c e s e p sa n ds m ps h o wi m p o r t a n ti n f l u e n c e o ns e t t l e a b i l i t y 、s u r f a c er e l a t i v eh y d r o p h o b i c i t ya n ds l u d g ea c t i v i t y , w h i c ha r er e l a t e d t ot h ec o m p o s i t i o na n dn a t u r eo fe p sa n ds m pt h e m s e l v e s t h ed g g ep r o f i l e sr e v e a lt h a tm i c r o b i a lc o m m u n i t i e sa r ee x t r e m e l yr i c hi n m b rs l u d g eb u tr a t h e ru n i t a r yi nc a s s l u d g e s u c c e s s i o no fm i c r o b i a lc o m m u n i t yi s v e r ye v i d e n tu n d e rt h eo l i g o t r o p h i ce n v i r o n m e n t d i f f e r e n tm i c r o b i a lc o m m u n i t i e s h a v ew e a ks i m i l a r i t y s h a n n o ni n d e x 、p i e l o ue q u i t a b i l i t yi n d e x 、p a t r i c kr i c h n e s si n d e x a n dd i c ec o e 衔c i e n th a v ea d m i r a b l ec o r r e l a t i o nw i t ht h ec h a n g ec o u r s eo fm i c r o b i a l c o m m u n i t ys t r u c t u r e s t h em i c r o b i a l c o m m u n i t y s t r u c t u r e sa n d b i o d i v e r s i t y d e t e r m i n em i c r o b i a lm e t a b o l i t e sa n dm i x e dl i q u o rc h a r a c t e r i s t i c sf u n d a m e n t a l l y , a n d t h ev a r i a t i o na m o n gt h e mm a i n t a i na h i g hd e g r e eo fc o o r d i n a t i o na n dc o n s i s t e n c y t h ec l o n ea n ds e q u e n c er e s u l t sr e f l e c t m i c r o b i a lc o m m u n i t i e si nb o t ha c t i v a t e d t h a tt h e r ee x i s ts o m ec o m m o na n ds p e c i f i c s l u d g e s ，w h i c hc o r r e l a t ec l o s e l yt ot h e p r o c e s si n f l u e n tq u a l i t ya n do p e r a t i o nc o n d i t i o n s t h e s p e c i t i v i t yo fm i c r o b i a i c o m m u n i t i e si st h e t h eo r i g i n a lr e a s o nf o rv a r i o u s a d a p t a b i l i t yt oo l i g o t r o p h i c e n v i r o n m e n to fd i f f e r e n ta c t i v a t e ds l u d g e s k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，c o n v e n t i o n a l a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ， o l i g o t r o p h i ce n v i r o n m e n t , m i c r o b i a l m e t a b o l i t e s ，m i x e dl i q u o rc h a r a c t e r i s t i c s ， b i o d i v e r s i t y , c l o n ea n ds e q u e n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：艺盐勇 签字日期 1 等月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 三监勇 签字日期：厶7 年6 月二日 导师签名 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论帚一早殖记 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 是生物处理系统和膜分离技术有 机结合的新型高效污水处理工艺。与传统活性污泥法( c a s ) 相比，m b r 具有污 泥浓度高、污泥龄长、容积负荷高、出水水质好等优点。m b r 工艺在污水处理 和再生水回用方面的优势突出，但其同时带来的膜污染问题，严重影响了工艺的 稳定性与经济性，已逐渐成为m b r 进一步推广应用的瓶颈。 由于m b r 的高效截留作用，从理论上讲完全可以实现污泥零排放，从而使 得污泥停留时间可以无限长。但随着污泥停留时间的延长，反应器中污泥浓度会 不断升高，过高的污泥浓度会导致f m 下降，一部分微生物会处于一种营养相 对贫乏的环境。当贫营养环境长期存在时，反应器中微生物的正常生长将无法维 持，并且由于内源呼吸作用而不断自我消耗。微生物在死亡的同时会释放大量的 溶解性微生物产物( s m p ) ，并且胞外聚合物( e p s ) 向s m p 的转化加快，从而导 致s m p 浓度急剧增加。s m p 的积累会使m b r 上清液中有机污染物浓度升高， 从而加剧膜污染，抑制污泥微生物活性，直接影响工艺的出水水质和处理效率。 e p s 和s m p 均是微生物代谢产物。e p s 是由微生物细胞分泌的粘液、荚膜、 微生物的排泄物、代谢和水解产物、以及吸附的废水中的有机物等组成。s m p 是微生物在生长代谢过程中产生的中间代谢产物及其消亡过程中产生的终产物 和细胞碎片。e p s 和s m p 会引起反应器中有机污染物浓度增加，造成污泥混合 液特性恶化，加速膜污染，是膜污染的优势污染物。m b r 系统内活性污泥微生 物群落结构和多样性的发展变化直接决定了e p s 和s m p 的产出及降解特性，对 污泥混合液特性会产生深远影响。而活性污泥混合液各组分是造成膜污染的物质 来源，混合液中的悬浮物、胶体颗粒及溶解性物质等均会影响膜污染。 本课题以碳源作为限制营养，针对微生物处于内源呼吸状态下，重点考察 s m p 和e p s 的产出和降解行为，以及由此引起的污泥混合液特性的变化。结合 聚合酶链式反应一变性梯度凝胶电泳( p c r - d g g e ) 技术对污泥微生物群落结构 的演替展开研究。探索微生物代谢产物、污泥混合液特性以及污泥微生物多样性 三者之间的协同变化关系，从而为控制m b r 系统的贫营养状况，延缓膜污染提 供一定的理论依据。 第一章绪论 1 2 微生物代谢产物的研究进展 1 2 1 胞外聚合物 在污水生物处理过程中微生物会产生一种被称为胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a r p o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 的代谢产物。它是一种由多种成分组成的高分子聚合 物，不溶于水，紧密附着在细胞壁上用于形成预防细胞免遭恶劣环境伤害的保护 层，并在细胞饥饿期间为细胞提供碳源和能源【。e p s 具有粘性，可形成三维的、 类似凝胶的、高度水化的絮凝体基质( 常带电) ，将微生物包裹在它里面形成活性 污泥生物絮凝体i2 | 。e p s 是决定生物絮凝体物理化学性质和生物性质的关键物质， 在m b r 和污水生物处理过程中起着重要作用。 1 2 1 1 胞外聚合物的结构 e p s 的主要成分是多糖、蛋白质、腐殖酸、核酸等聚合物，其中蛋白质和多 糖是主要成分，约占总量的7 0 0 0 - 9 0 3 1 。从结构上可以将e p s 分为两种形式1 4 】： 一种是紧密粘附着在细胞壁上的胞囊聚合物( t b ) ；另一种是以胶体或溶解态松 散存在于液相主体中的黏性聚合物( l b ) 。在e p s 的这种结构中，t b 位于细胞体 表面，与细胞壁结合牢固；l b 在t b 外层，结构松散，密度小，具有流变性。 e p s 是生物絮凝体的主要组成部分，e p s 占活性污泥中总有机物的比例大致在 5 0 9 0 之间1 2 j ，絮体中总的e p s 质量占活性污泥质量的8 0 左右【5 1 。e p s 结构 简图如图1 1 所示。 l b 图1 1e p s 的结构简图 1 2 1 2 胞外聚合物的性质 e p s 通过连接细胞和其他物质以稳定污泥的絮体结构，为微生物提供最基本 的生长条件。同时，e p s 也从废水中吸收新陈代谢所需的营养，并形成保护屏障， 抵抗苛刻的外界环境。e p s 对于污泥的絮凝性能、沉降性能、脱水性能以及对重 第一章绪论 金属的吸附性能存在重要影响【锚j 。e p s 是带负电荷、高含水的凝胶状基质，能 较长时间固存微生物，利于形成稳定的互生微生物菌落。e p s 由细菌在生长过程 中分泌，具有极度多样化的特征，相对分子质量处于几千到几百万范围之间，分 子结构还带有各种各样的官能团。由于e p s 中含有较多的硫酸根、磷酸根和羧 基等负电官能团而氨基等正电官能团较少，因而几乎所有的活性污泥表面电荷都 是负值，其绝对值一般在0 2 0 6 m e qg - 1 m l s s 之间。e p s 还可以吸附金属、非 金属、大分子物质，能与许多金属离子螯合形成单价、双价、多价阳离子与自身 阴离子结合的复合物。 1 2 1 3 胞外聚合物的可生物降解性 关于e p s 的可生物降解性，研究者的结论并不一致。有学者认为，e p s 的可 生物降解性很差，其b o d c o d 值( 约为0 1 ) 很低。在细菌生长的内源代谢阶段， 系统中只有4 0 的胞外聚合物可生物降解。w i l k i n s o n 等【9 】也认为微生物一般不能 降解它们自己的胞外聚合物。l 旦o b a y a s h i 等【1 0 】不同意e p s 是不可生物降解的，如 胞外多聚糖不能被划分为生物惰性物质。而且生物膜e p s 可以被处于饥饿状态的 自身产出者和其他微生物所降解。如果微生物处于高度的饥饿状态，微生物可能 要更长的时间来适应新的营养环境。这时e p s 可以用来作为有机底物，并且多聚 糖被利用的速率比蛋白质快。z h a n g 等【l l 】从生物膜上提取e p s ，并将提取后所剩 余的微生物体加入到缺乏碳源的无机盐溶液中，使之悬浮并在室温下进行曝气。 试验结果表明，当微生物处于完全饥饿状态时，e p s 不仅可以被分泌自身的来源 微生物所降解，还可以作为底物被其它微生物所利用。 1 2 2 溶解性微生物产物 1 2 2 1 溶解性微生物产物的定义 n a m k u n g 和r i t t m a n n i1 2 j 从生物学角度将溶解性微生物产物( s o l u b l em i c r o b i a l p r o d u c t s ，s m p ) 分为两类：一类是与基质利用相关型产物( u t i l i z a t i o na s s o c i a t e d p r o d u c t s ，u a p ) ，它与基质代谢及微生物生长有关，其产生的速率与基质利用率 成正比；另一类是与微生物有关的产物( b i o m a s sa s s o c i a t e dp r o d u c t s ，b a p ) ，它 与微生物的内源代谢有关，其产生的速率与微生物的浓度成正比。 在不同的底物及运行参数下，产生u a p 与b a p 的比例是不同的1 1 3 】。n o g u e r a 等报道，在厌氧处理中有2 1 的底物没有转化为能量和新的微生物，而是转化为 u a p 释放出来，死亡的微生物约有3 5 转化为b a p 。b a r k e r 和s t u c k e y 用1 4 c 标记研究表明，在以葡萄糖作为底物的厌氧反应器中，在不同的浓度下有2 9 的c o d 转化为b a p ，而死亡微生物约有1 转化为u a p 释放。但也有人认为 第一章绪论 s m p 应是简单基质完全矿化过程中基质代谢和微生物内源代谢产生的溶解性有 机物质。厌氧处理系统的中间产物，如挥发性脂肪酸( v f a ) 和难降解物质的中间 产物不应包括在s m p 内，因为这些中间产物直接来源于基质而非微生物。 1 2 2 2 溶解性微生物产物的来源 正常的细胞生长及新陈代谢均会产生s m p ，如细胞分泌的胞外酶等。为了 缓解环境压力，如温度的急剧变化，营养物质的缺乏，渗透压的冲击，有毒物质 的出现等，微生物都会产出s m p 。罗酬m 】概括总结了k u o 的研究成果，详细地 列出了可能产生s m p 的因素： ( 1 ) 浓度平衡：为达到物质浓度平衡通过细胞膜向外界分泌有机物质； ( 2 ) 饥饿：由于微生物必须通过新陈代谢获取能量以维持生存，当基质严重缺乏 时，会分泌有机物质作为营养； ( 3 ) 外部能源：突然提高外界的能量会刺激s m p 的分泌； ( 4 ) 基质骤增加速死亡：处于饥饿状态的细菌突然得到大量碳源和能源会加速细 菌死亡，s m p 可能来自于这个过程； ( 5 ) 所需营养的摄取：当某种重要的营养物质浓度非常低时，微生物会分泌s m p 以摄取该物质，含铁细菌就是一个典型的例子； ( 6 ) 缓解环境压力：产生s m p 以缓解极端温度变化和有毒物质等环境压力； ( 7 ) 常规的细菌生长和新陈代谢：s m p ( 如胞外酶) 不仅仅在压力状态下产生，普 通的生长和新陈代谢也会产生。 1 2 2 3 溶解性微生物产物产生的影响因素 p a r k i n 等l l5 j 认为，出水s m p 的浓度与操作参数有关，如f m 的比率、负 荷率、基质和微生物的浓度、污泥停留时间等。多金环等【l6 】考察了在不同进水 c o d 降解量的情况下污泥龄对s m p 的影响，发现s m p 的浓度随着污泥龄的增 加呈现先减小后增加的趋势，存在一个最佳的污泥龄使得s m p 的浓度最小。 p r i b y l 等1 1 7 j 研究表明，s m p 的生成量依赖于s b r 的污泥停留时间、水力停留时 间和浓度梯度。当s r t 为5 - 1 5 d ，有机负荷为0 3 0 6 k gc o d ( k gm l s s d ) 时， 出水中s m p 最少。 苏欣捷等 1 8 1 在以葡萄糖和正丁醇为基质的间歇式活性污泥反应器中考察了 温度对s m p 产出的影响，发现在低温下基质降解过程中c o d 的最低点要低于高 温下c o d 的最低点，并且随着温度的升高，s m p 的产生速度逐渐加快。但 b a r k e r ”】等发现在a b r 中s m p 的生成量随温度的升高而降低。 基质类型和微生物种群结构同样影响着s m p 的生成量和性质。h a o 和l a o 【2 0 】 第一章绪论 发现在纯培养试验中，不同的微生物种类生成的s m p 浓度不同，其浓度变化的 范围是基质浓度的4 9 。b o e r o 等【2 l 】在c s t r 反应器中分别以酚和葡萄糖为 基质，发现以酚为基质较以葡萄糖产生了更多的s m p ，但由酚产生的s m p 较由 葡萄糖产生的s m p 更易降解。 通常认为s m p 的生成量与微生物的浓度成比例，这是因为微生物细胞溶解 会释放有机物质。因此，系统中微生物的积累会造成s m p 的增加。这也是在较 长的s r t 下，出水中c o d 较高的原因。 1 2 3 胞外聚合物和溶解性微生物产物的关系 关于e p s 和s m p 的认识一直存在分歧。到目前为止，学术界一直存在两种截 然不同的学派：s m p 学派和e p s 学派。s m p 学派的研究方向是出水质量和污泥产 量，e p s 学派则主要研究生物膜和絮体的性质。为解决这种矛盾，l a s p i d o u 掣2 2 】 在以往的基础上提出了一元化理论，使得两个学派的观点达成一致。一元化理论 揭示了活性微生物、e p s 、u a p 、b a p 及惰性微生物之间的相互关系，反映了六 点假设中的所有机理：( 1 ) s o l u b l ee p s 和s m p 是相同的；( 2 ) b o u n de p s 可以水解 生成b a p ；( 3 ) u a p 直接由基质利用过程生成，并且生成速率与基质利用速率成 比例；( 4 ) b o u n de p s 在基质利用过程中产生，其产生速率与基质利用速率成比 例；( 5 ) 活性微生物由b o u n de p s 和活性细胞组成，但部分e p s 属于惰性微生物； ( 6 ) 死亡的细胞残渣由微生物内源衰减过程产生，是惰性微生物的组成之一；( 7 ) u a p 和b a p 具有一定的可生物降解性，能被细胞当作电子供体循环利用。 a u q i n o 掣2 3 j 对一元化理论进行了完善，他们认为b o u n de p s 不是b a p 的唯一 来源，微生物细胞衰减过程也会释放相对分子质量较高的s m p ，这也是b a p 的来 源之一。 1 3 微生物代谢产物对膜生物反应器运行的影响 1 3 1 胞外聚合物对膜生物反应器运行的影响 e p s 将微生物包埋在里面，为固着的细胞创造了一个由其本质所决定的微生 物环境。特别是直接覆盖于细菌细胞壁外的e p s ，其特殊的位置决定着它的成分 及数量必然会影响污泥的表面特性、生物絮凝、沉降性能及脱水性能等，对膜污 染也会产生重要的影响，在活性污泥中具有重要作用【3 4 ，6 2 4 ，2 5 1 。 第一章绪论 1 3 1 1e p s 对污泥沉降性能的影响 e p s 能影响活性污泥絮体的絮体密度、絮体颗粒大小、表面积、电荷密度、 结合水含量和疏水性等，而这些物化性质是反映活性污泥沉降性能的重要指标。 e p s 的存在不利于污泥沉降，e p s 的主要成分蛋白质、糖类、核酸含量都与污泥 体积指数( s v i ) 成正比关系，沉降性能恶化与高浓度e p s 有关。目前，有关e p s 对污泥沉降性能影响的研究，主要集中在e p s 对污泥表面电荷的影响上。 蔡春光等【2 6 j 研究表明，e p s 中蛋白质与多糖的比值与污泥的表面负电荷负相 关，与污泥的疏水性正相关。王红武等f 4 】研究表明，l b 含量与s v i 有很好的相 关性，不同运行方式和泥龄的污泥t b 含量与s v i 之间基本没有规律。其中多糖 浓度与s v i 有更好的相关性，与l b 含量和s v i 的相关性几乎一致，而蛋白质 浓度与s v i 的相关性很差。同时人们也发现，当污泥负荷较高、泥龄短时，细菌 分泌的e p s 少，多糖含量低，丝状菌可利用的基质少，世代周期短，不利于丝 状菌的增殖，污泥也就不易膨胀；当污泥负荷降低，污泥e p s 中多糖、核酸和 蛋白质的含量较高，丝状菌就会优先利用部分可生物降解的e p s 增殖，从而引 起污泥膨胀。 1 3 1 2e p s 对污泥脱水性能的影响 e p s 的存在使污泥脱水性能变差，这与e p s 中羟基等负电性官能团有关2 7 1 ， e p s 可以结合大量的水，能够加强活性污泥的浓缩和过滤性能。高含水率的e p s 能为微生物提供良好的保护，但增加结合水也成为污泥脱水的巨大障碍。e p s 中 蛋白质和多糖对絮体的水结合能力有显著影响，而腐殖质则没有显著影响。随着 污泥e p s 中多糖和蛋白质含量的增加，蛋白质水解酶分解引起絮体解体，污泥 脱水性能变好；随着类脂的增加，污泥脱水性能变差。此外，亲水性的多糖对脱 水也有负面影响。e p s 会和二价阳离子共同作用，降低污泥的消化程度和消化后 的脱水性能【2 8 】。 王红武等1 2 9 】认为，e p s 的总量对污泥的沉降和脱水性能影响很小，但其组成 ( l b t b ) 则影响显著。l b t b 越大，污泥表面的z e t a 电位值越大，小粒径的污 泥颗粒则越多，污泥的沉降脱水性能越差。事实上，有关e p s 物质的研究是比 较困难的。研究人员使用的污泥样品、提取方法和组分鉴定方法有很大的差异， 这给研究结果带来了很大的影响。 1 3 1 3e p s 对污泥吸附重金属的影响 由于e p s 具有巨大的表面积和带有负电荷的表面而起到架桥的作用，污泥 可以通过e p s 中带负电的配合基与重金属相互作用而吸附重金属离子【3 0 】。 第一章绪论 l i u 等【3 l j 从活性污泥中提取e p s 对水中金属离子进行吸附，发现e p s 对 c d 2 + 、c 0 2 + 、c ，、n i 2 + 的吸附容量比树脂高出6 0 0 0 - 9 0 ，显现出e p s 在重金属 污染废水治理中的良好前景。郑蕾掣3 2 】以蛋白质和多糖含量比分别为2 5 ：l 、7 ：l 和9 ：l 的3 种活性污泥e p s 作为吸附剂，研究e p s 对水中c d 2 + 、z n 2 + 的吸附效 能。试验结果表明f r e u n d l i e h 和l a n g m u i r 方程均可描述3 种e p s 对c d 2 + 、z n 2 + 的吸附过程。方程参数拟合结果表明2 种金属同e p s 之间存在多种作用方式。 当e p s 中多糖所占比例增加时，其对重金属的吸附能力也提高，表明多糖在e p s 吸附重金属离子过程中起着重要作用。 1 3 1 4e p s 对膜污染的影响 e p s 在m b r 中的累积对m b r 性能具有重要影响，表现为膜通量不断下降 和操作压力不断上升，最终造成严重的膜污染，膜的过滤性能下降【3 3 - 3 9 1 。n a g a o k a 等【3 3 】研究发现，污泥的过滤性能会紧随e p s 量的增加而变差；许艳红掣3 4 1 研究 发现，e p s 的浓度增加时污泥混合液的粘度增大，导致活性污泥过滤过程中膜通 量下降。特别是e p s 沉积会造成膜过程操作压力的不断上升【3 5 】。张风君等 3 6 】研 究发现，e p s 中蛋白质多糖的比值是影响膜通量衰减速度的最重要的因素。 h e m a n d e z 【圳发现溶解性e p s 浓度和比阻值之间存在正相关性，但污泥固体中 e p s 浓度与比阻的变化并不一致。臧倩掣3 8 】发现，反应器内悬浮性e p s 浓度和 单位膜面积吸附的e p s 质量与过滤阻力均存在正相关性。王雪梅等 3 9 1 发现溶解 性e p s 的积累对膜的过滤性能有较大的影响，并且疏水性越大膜污染程度越严 重，但出水水质并不受e p s 影响。 此外，人们还对e p s 中蛋白质和多糖分别对m b r 性能的影响展开了多方研 究。但就两者对膜污染、膜通量和比阻之间的定量研究还比较少，这应是今后重 点研究的内容。 1 3 2 溶解性微生物产物对膜生物反应器运行的影响 有关膜生物反应器中s m p 特性的研究始于2 0 世纪9 0 年代，由于研究时间 较短，目前取得的成果还很少，但足以体现出其对系统稳定运行的重要影响。s m p 的存在对废水生物处理过程会产生很大影响，不仅会导致处理出水c o d 提高， 难以达到排放标准，而且会使处理出水产生毒性。此外，膜的高效截留作用使 m b r 成为一个对于微生物来说相对封闭的系统，并且在反应器中伴随着污水生 物处理过程产生的s m p 有可能被膜所截留，在反应器中积累，从而对系统的稳 定运行和微生物代谢特性产生影响，引起严重的膜污染1 4 0 】。 第一章绪论 1 3 2 1s m p 对污泥活性的影响 有关s m p 对膜生物反应器中污泥活性影响的研究尚存争议。多数学者1 4 | - 4 3 认为，膜生物反应器中s m p 的积累会抑制微生物活性。张海丰纠4 l 】发现，不同 相对分子质量的s m p 对于污泥活性的影响有所差异。相对分子质量大于1 0 0 0 0 的s m p 和污泥活性呈显著负相关，随着s m p 浓度的增加，污泥活性不断降低。 而相对分子质量小于10 0 0 的s m p 几乎不影响污泥活性。h u a n g 等【4 2 】在用自配水 运行膜生物反应器的过程中发现，随着反应器中s m p 浓度的上升，污泥脱氢酶 活性显著下降。 少数学者则认为，s m p 不仅不会抑制污泥活性，反而会使污泥活性有所提 高。有文献提到】，二阶堂聪在考察处理高浓度葡萄糖废水的生物反应器中产生 的s m p 对微生物活性的影响时，发现s m p 能明显提高微生物降解葡萄糖的速率。 1 3 2 2s m p 的毒性及抑制作用 有关s m p 毒性的报道还较少。许多研究者认为，生物处理出水中的s m p 实 际上可能比污水中原有的污染物质更具毒性【13 1 。r a p p a p o r t 等【4 5 】对生物处理系统 出水进行了a m e s 试验，发现二级出水较一级出水表现出更强的致突变反应。 c h u d o b a 发现有些s m p 对硝化作用会产生抑制。z h a n g 和y a m a m o t o 4 3 】的研究也 认为，s m p 很可能是抑制微生物活性的一个因数。也有人报道s m p 是形成氯化 有机物的前驱物，当进行氯化消毒时，s m p 会转化为有毒或是致癌的氯化物。 有关s m p 的产生和毒性问题还有待于进一步深入研究，这是因为生物处理过程 中s m p 的产生不仅会导致出水毒性增加，并且微生物在接触毒性物质时会释放 更多的s m p 。 1 3 2 3s m p 的螯合功能 在污水处理系统中，若金属元素浓度过高，会对微生物产生毒害，而含量太 低，则会造成微生物的营养缺乏。s m p 中包含大量螯合官能团，如羧酸盐、羟 基、氢硫基和氨基等，这些螯合官能团能够与水中的金属元素，如铜、铁、铅、 镍和锌等发生螯合，从而减轻金属元素的毒性。微生物螯合剂对金属的螯合可以 减缓毒性，但同时也对细菌获取作为营养物质的金属造成了一定的困难。k u o 和 p a r k i n 删研究发现，厌氧微生物产生的s m p 浓度对镍的螯合适中，在s r t ：= 4 0 d 的厌氧反应器中，3 0 0 m g l 的s m p 可以螯合约4 4 m g l 的镍。由此可见，s m p 在减轻金属毒性方面起着非常重要的作用。与此同时，厌氧微生物对微量金属营 养元素( 尤其是f e 、c o 、n i ) 有特殊需求，但生物处理系统中复杂的生化反应， 尤其是s m p 的螯合作用，严重影响着这些营养元素的生物有效度 4 7 1 。 第一章绪论 1 3 2 4s m p 对膜污染的影响 近年来，溶解性有机物对膜污染的贡献越来越得到重视【4 4 1 。s m p 虽然是由 微生物产生的，但是其中的高分子量物质的含量较高且可生物降解性差f 4 引。因此， 在膜生物反应器中会产生积累。s m p 极易堵塞膜孔，通过对溶解性有机物成分 分析可知，造成膜污染的溶解性有机物主要可分为两大类：一是数千分子量的肽 类；二是数百万分子量的多糖、蛋白质类，这些物质均主要来源于微生物的代谢 过程。肽类有机物主要吸附于膜孔内，造成膜孔堵塞；而多糖、蛋白质类主要吸 附于膜表面，形成凝胶层【4 引。 陈宏宇等1 4 0 】的研究表明，在膜生物反应器中，s m p 浓度对膜过滤压差的上 升速率有比较明显的影响，膜传质阻力r l o 与m l s s 和s m p 浓度成正比例变动。 伴随沉积层的形成发展，s m p 会不断填充微生物絮体的间隙，造成沉积层空隙 率减小，透过性降低，表观上体现为沉积层比阻随s m p 浓度的增加而升高。张 海丰等【4 l j 的研究表明，s m p 浓度与膜阻力有一定的正相关性，m w 1 0 0 0 0 的s m p 与膜阻力之间呈显著正相关性， 此区间上s m p 浓度的增加造成膜污染阻力显著上升。k i m u r a 等【5 0 】研究表明，s m p 的相对分子质量分布对于膜污染的影响比s m p 浓度或料液粘度更为显著，低浓 度的大分子有机物可能比高浓度的低分子有机物造成的膜污染更为严重。 1 4p c r d g g e 技术及其在环境微生物多样性领域的应用 1 4 1p c r - d g g e 技术的引入 膜生物反应器的最大特点是利用膜的高效分离作用使得微生物和大分子物 质等全部截留在反应器内，与传统活性污泥法存在较大区别。对于不同反应时间 段的生物群落和多样性，国内外学者的意见还存在分歧 5 1 , 5 2 】，有待进一步实验研 究。国内外对于污水处理过程中微生物群落的作用和生态学特性一直没有得到深 入的研究。只有了解微生物群落多样性和动态性等信息，才能提高对处理系统的 控制能力。因此，对于反应器内活性污泥中微生物种群结构和多样性的研究可以 从根本上找出影响其结构与功能的主要因素及其内在联系。 利用分子生态学理论和技术，研究各种不同生态系统微生物物种种群组成、 结构及其演替规律，揭示自然界环境中( 尤其是极端环境) 微生物多样性的真实水 平及物种组成，既可以避免传统微生物学方法在研究微生物群落结构方面的局限 性，又能够从本质上对自然界微生物多样性、适应生存及其与环境之间的关系有 系统和全面的认识1 5 3 j 。 第一章绪论 近年来，基于1 6 sr d n a 的分子生物学技术极大地促进了微生态研究的发展。 聚合酶链式反应一变性梯度凝胶电泳技术( p c r d g g e ) 自19 9 3 年被引入微生物 生态学研究以来，已经广泛应用于环境微生物领域的各个方面f 5 4 】。在活性污泥、 生物膜、土壤、底泥等环境样品中微生物多样性检测、微生物鉴定、微生物变异 以及种群演替等方面的研究发挥了重要作用。 1 4 2p c r d g g e 技术的基本原理与方法 1 4 2 1p c r 扩增技术 聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ，p c r ) 扩增技术最早i 刍m u l l i s 于 1 9 8 7 年发明，是目前分子生物学最成熟、最普及的技术，几乎可以应用于生物学 研究的各个领域。它也是目前微生物生态学研究，特别是微生物多样性研究中最 常用的技术。p c r 扩增技术的基本原理主要依赖于以下3 点：双链d n a 的解链和 复制特点；碱基配对原则；d n a 聚合酶