受四环素影响的活性污泥胞内外聚合物特征

利用离心加超声的方法对处理四环素抗生素废水的活性污泥胞外聚合物(EPS)和胞内聚合物(IPS)进行提取,将其分为-溶解型胞外聚合物(slime)、松散附着型胞外聚合物(LB)、紧密附着型胞外聚合物(TB)、胞内聚合物(IPS).用BCA法和蒽酮-硫酸法测定了各层EPS和IPS溶液中的蛋白质和多糖含量,同时用三维荧光光谱扫描(EEM)和同步荧光光谱扫描(SFS)对其中的溶解性有机物(DOM)进行定性和定量分析,结果表明在EPS中的蛋白质和多糖的含量高于IPS,且蛋白质含量均比多糖含量高,而在slime和IPS中的蛋白质和多糖的含量高于LB和TB;低激发波长类色氨酸和高激发波长类色氨酸是EPS和IPS溶液的主要成分,且溶液中的溶解性代谢产物和芳香蛋白类物质相对含量在slime、LB、TB和IPS逐渐增加,而难降解有机物-腐殖酸类物质的相对含量逐渐降低;进水四环素浓度与污泥各层EPS和IPS溶液中DOM也具有较好的相关性;三维荧光法检测溶液中的DOM与化学分析测试出的蛋白质含量具有较好的相关性.     

活性污泥絮体粒径分布与分形维数的影响因素

絮体粒径分布和分形维数是活性污泥的重要参数.应用激光粒度仪测量了好氧活性污泥絮体在絮凝过程的粒径分布,研究了速度梯度、VSS/SS、EPS含量及Zeta电位对絮体粒径分布的影响.结果表明,絮体平均粒径与速度梯度显著负相关(R2>0.80),与Kolmogorov尺度数量级基本相当,其间差异性与污泥VSS/SS、絮体强度等有关;相同的速度梯度下,絮体平均粒径与VSS/SS或EPS含量显著正相关(R2>0.85),与Zeta电位负相关.有机质和EPS在活性污泥絮凝中作用明显,会增强絮体强度,提升絮凝效果;EPS中蛋白质比多糖对絮凝的促进作用更明显.基于显微图像分析方法,得到了好氧活性污泥絮体二维分形维数为1.28~1.72,三维分形维数为1.70~2.69.絮体分形维数随VSS/SS或EPS含量的增加而减小;对于相同的活性污泥,絮体三维分形维数随粒径增大而减小,符合幂函数关系式.     

活性污泥胞外聚合物的组成与结构特点及环境行为

在活性污泥处理系统中,微生物大多以污泥絮体的形式悬浮在水中。胞外聚合物(EPS)作为污泥絮体的重要组成部分,以其独特的聚合结构和化学组成,在污水生物处理系统中起到重要作用。为了更好的描述EPS的环境行为,文章综合了近年来国内外相关的研究成果,首先分析了EPS的来源、化学组成及结构分布,得出EPS中包含蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸、糖醛酸及脂类大分子等化学物质,其中蛋白质和多糖之和占总有机物含量的70%~80%;在结构上,EPS分为SB-EPS、LB-EPS和TB-EPS,三者与细胞结合的紧密程度递增,其中所含化学成分比例的不同将使其具有不同的理化特性。其次,文章对EPS的理化特征对污水处理系统的影响,如对系统中微生物降解特性的影响、磷和重金属的吸附等进行了讨论,并总结了EPS中相关的官能团对上述环境行为的贡献。同时,文章还论述了EPS中官能团的亲疏水特性及化学成分对污泥絮体的脱水性、絮凝沉降性能的影响。     

污泥生物沥滤中硫细菌变化和胞外多聚物作用的研究

通过序批试验,分析污泥生物沥滤过程中pH值、异养菌数量变化以及硫细菌的形态,探讨了污泥中重金属在胞外多聚物(EPS)中的分布变化.结果表明,污泥经生物沥滤后异养菌大量死亡.扫描电镜和透射电镜对污泥微生物形态的观测发现,随着生物沥滤时间的延长,生物沥滤污泥明显比对照污泥中的微生物分布紧密,而且杆状和短杆状菌呈现逐渐增多趋势.生物沥滤后期出现受损的细菌胞体以及释放了细胞物质的细菌空壳.污泥沥滤液中EPS含量有所增加,沥滤过程中EPS的松散结合态与紧密结合态的比值呈现先上升后下降趋势,可反映沥滤前期细菌处于加速生长期的居多,而后期处于减速生长期的细菌逐渐增多.污泥EPS中重金属含量在生物沥滤几天后表现持续增长,Cu、Pb和Zn分布于EPS中的最高含量分别占污泥中总量的14.7%、20.3%和24.2%.延长酸化时间,EPS可被水解,而导致其中重金属含量呈现一定下降趋势.     

基质种类对活性污泥絮体性状的影响

利用葡萄糖、淀粉、乙酸钠和苯酚4种典型基质,分别在4个相同的序批式反应器(Sequencing Batch Reactor,SBR)中培养活性污泥,并研究了基质种类对活性污泥絮体性状的影响.结果表明,以葡萄糖为底物培养的活性污泥胞外多糖含量最少,而苯酚所培养的活性污泥胞外蛋白质最多;从形成的EPS总量来看,苯酚最多,乙酸钠次之,葡萄糖和淀粉较少.不同基质培养的污泥Zeta电位也有一定差别,这是由EPS中多糖和蛋白质的比例不同造成的.红外分析表明,4种基质培养的污泥EPS中的主要基团较为相似,羧基、醇羟基、羧酸、酰胺和多聚糖均是EPS中的主要基团.此外,进水基质对活性污泥絮体的粒度分布及分形结构也有重要影响.     

藻-菌颗粒污泥胞外聚合物及其表面特性研究

藻-菌颗粒污泥具有能耗低、温室气体排放量少等优点,近年来在污水处理领域受到关注.胞外聚合物(EPS)在保护微生物免受恶劣环境影响及促进细胞聚集方面发挥重要作用,而关于藻-菌颗粒EPS及其表面特性鲜有报道.选取了粒径范围在0.36~0.71、1~1.25、1.6~2.0 mm的3组藻-菌颗粒,分析了其EPS中多糖和蛋白质的含量,并进一步地对其组成差别以及官能团特征进行探究,探讨了EPS提取前后藻-菌聚集体表面电荷的变化.结果表明,随着粒径的增大,藻-菌颗粒污泥EPS中多糖和蛋白质的含量均有增加,而蛋白质与多糖的比值减小.不同粒径的藻-菌颗粒污泥EPS中芳香蛋白与酪氨酸类物质的含量明显增加,腐殖酸类物质含量亦呈总体增加趋势,与胞外蛋白相比,胞外多糖特征峰的波峰强度增加较明显.进一步分析表明,粒径较大的颗粒可能更能抵御外界环境因素的变化,以维持颗粒性能.以上结果表明,粘性和亲水性的多糖、芳香蛋白和酪氨酸类物质可能更有利于藻-菌颗粒的微生物细胞聚集.本文的研究结果进一步地拓展了对藻-菌颗粒污泥的认识,并为其进一步的工程应用提供基础.     

好氧污泥颗粒化过程中Zeta电位与EPS的变化特性

研究了好氧颗粒污泥在形成过程中Zeta电位、胞外多聚物的变化以及两者之间的关系.通过对污泥调控生长,形成完全颗粒化的好氧污泥.在好氧颗粒形成过程中,污泥的Zeta电位由接种时的-19.1 mV逐渐降至-10.1 mV.完全颗粒化以后,成熟后的好氧颗粒污泥Zeta电位稳定维持在-10 mV左右,说明维持污泥较低的Zeta电位是好氧颗粒污泥形成的重要条件.颗粒化过程中污泥EPS中多糖含量基本不变,蛋白含量增加明显,从13.65 mg.g-1增加到54.12 mg.g-1,蛋白/多糖比值从0.67增加到3.31;污泥的Zeta电位与蛋白/多糖的比值呈正相关,相关系数为0.849,这些结果说明蛋白质对降低污泥表面电位,促进污泥聚集以及好氧颗粒污泥的形成生长等可能起着重要作用.     

基于Fe3+/EDTA-2Na的类芬顿对剩余污泥脱水性能的影响

剩余污泥的高含水率限制了对其后续处理以及资源化利用. 为了改善污泥脱水性能,利用Fe3+/EDTA-2Na类芬顿试剂作为调理剂强化污泥脱水,通过粒径分析、差示扫描量热仪(DSC)、傅里叶红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对剩余污泥进行表征,探究其强化脱水机理. 结果表明:经过氧化调理后的污泥泥饼含水率降至67.8%,并有62.32%的结合水得以释放. 污泥胞外聚合物(EPS)结构被氧化破解,紧密结合的胞外聚合物(TB-EPS)中的多糖和蛋白质浓度显著减少;污泥絮体减小,但从SEM图可以看出絮体结构变得规整、平滑,且出现不规则孔洞,增加了污泥水分的输送通道,改善了污泥的脱水性能. FTIR分析表明,氧化处理后的污泥清液中水的吸收峰变小,多糖和蛋白质对应的吸收峰增强,而富里酸对应的峰消失. 研究显示,基于Fe3+/EDTA-2Na类芬顿的污泥调理可以高效氧化破解污泥,提高污泥脱水性能.      

连续进水对好氧颗粒污泥稳定维持的影响

为了考察连续进水对好氧颗粒污泥稳定维持的影响,在SBR反应器中接种成熟的好氧颗粒污泥,采用连续进水、间歇出水的方式运行.在反应器运行过程中,部分好氧颗粒污泥解体,完整存在的好氧颗粒污泥表面附着生长树枝状污泥和少量丝状菌.SVI在最初的13d内逐步上升,随后趋于稳定.同时,考察了好氧颗粒污泥在连续进水运行过程中EPS含量的变化以及EPS的空间分布变化:胞外多糖的含量在运行过程中呈下降趋势;胞外蛋白的含量整体呈先上升后下降的趋势;反应器运行15d后,胞外蛋白和胞外多糖的含量趋于稳定.连续进水运行30d后,EPS空间分布最大变化是β-D吡喃葡萄糖,它大量聚集在颗粒的表层及颗粒中伸出的树枝状污泥及丝状菌的表层.本研究表明,连续进水的运行方式不利于好氧颗粒污泥的稳定维持,底物浓度梯度为好氧颗粒污泥稳定维持的重要因素之一;EPS的分泌量以及空间分布对好氧颗粒污泥的形成及其稳定维持起着至关重要的作用.     

营养失衡下的分层分质EPS对异型膨胀污泥及其沉降性差异影响

为探索EPS对膨胀污泥沉降性的影响,通过减少进水P源、N源的方式培养异型膨胀活性污泥,分析不同层、不同组分EPS对异型膨胀污泥沉降性影响.结果表明：异型膨胀（非丝状菌粘性膨胀、丝状菌膨胀）活性污泥EPS多糖组分Total-PS、中层组分（L-PS）含量均高于正常污泥.非丝状菌粘性膨胀污泥EPS各层多糖含量高于丝状菌膨胀污泥,而各层蛋白质（PN）含量均低于丝状菌膨胀污泥.非丝状菌粘性膨胀污泥Total-EPS（（229±94）mg/g MLSS）、PS/PN值不仅显著高于正常活性污泥（（86±16）mg/g MLSS）,也高于丝状菌膨胀污泥（（108±30）mg/g MLSS）.非丝状菌粘性膨胀污泥EPS多糖总量Total-PS、蛋白质总量Total-PN越高,SVI值越大,污泥沉降性越差,越易膨胀,且EPS蛋白质组分对污泥膨胀作用大于多糖;从不同层EPS看,松散外层（S层）EPS对非丝状菌粘性膨胀作用最大（S-PN与SVI值相关性最大,r为0.881,P<0.05）,是主要影响因子.丝状菌膨胀污泥,除了内层紧密型T-PN对SVI值影响较大外,其他各层、各组分EPS含量与SVI均呈微弱负相关.     

污泥蚯蚓堆肥过程中胞外聚合物的结构变化

为揭示污泥胞外聚合物(EPS)特征与蚯蚓堆肥产物腐熟的关系,以无蚯蚓为对照组,探究蚯蚓堆肥对污泥EPS结构变化的影响。结果表明,蚯蚓堆肥显著加快了蚯蚓堆肥产物有机质的矿化速率,其电导率和硝酸盐氮含量比对照组产物分别显著提升了0.64和0.22倍(P<0.05)。蚯蚓堆肥产物EPS层中的蛋白质和多糖的总含量比对照组产物分别降低了32.77%和31.54%。三维荧光结果表明,蚯蚓堆肥过程中蛋白质的荧光强度下降速率比对照组更高,其腐殖质在堆肥后期一直处于较高水平。污泥蚯蚓堆肥产物的紧密结合层(TB-EPS)和松散结合层(LB-EPS)中的色氨酸含量比对照组分别减少7.69%和13.62%,而LB-EPS和粘液层(SEPS)中腐殖酸含量比对照组分别增加了25.1%和7.82%。蚯蚓堆肥期间的硝酸盐氮含量和电导率均同SEPS、LB-EPS结构中的DOC、蛋白质和多糖含量呈显著正相关(P<0.05),其总DOC含量与EPS各层中的DOC及多糖含量呈显著相关性(P<0.05)。实验过程中对照组仅有机质和DOC含量同EPS各层多糖含量呈显著相关(P<0.05)。研究表明,蚯蚓堆肥能够破坏污泥EPS结构以促进有机物的分解,加快污泥的腐殖化和稳定化进程,且污泥EPS结构的变化可作为反映污泥蚯蚓堆肥产物腐熟程度的关键指标。     

处理番茄酱加工废水的活性污泥颗粒化过程

为解决新疆番茄酱加工废水排放量大、处理效果参差不齐的情况,在SBR（序批式反应器）中接种絮体污泥,以人工合成番茄酱加工废水为基质成功培养出粒径为0.50~1.61 mm的好氧颗粒污泥,并采用扫描电镜、三维荧光光谱（3D EEM）、激光共聚焦（CLSM）、死活细菌染色以及高通量测序等技术表征活性污泥的颗粒化过程.结果表明,颗粒污泥沉降性能良好,COD_Cr、NH₄+-N、PO₄3--P的平均去除率分别为90%、85%、45%.扫描电镜下,椭球状的颗粒污泥轮廓清晰,结构密实.蛋白质在颗粒化过程中逐渐增加,α-多糖、β-多糖和蛋白质贯穿整个颗粒截面,在颗粒中分布广泛,构成了颗粒的骨架.颗粒内部的孔隙为溶解氧和营养物质传递提供了条件,因此活细菌则更多地靠近颗粒边缘及内部的孔隙周围,并包裹着死细菌.颗粒化过程中,微生物的丰富度和均匀性逐渐上升,物种多样性也不断变化,Chao1指数先由515.26降至444.30后又增至526.72,Shannon-Wiener指数由2.81增至5.45.优势降解菌拟杆菌和变形菌相对丰度不断发生变化,拟杆菌由8.85%增至45.95%,而变形菌由78.17%逐渐减至36.66%.研究显示,不同的细菌种群之间的相互作用对有机物的降解以及反应体系的稳定起到重要的作用.      

处理含油废水的好氧颗粒污泥形成过程及其特性研究

含油废水中因含有较高浓度的油脂类物质和聚合物而对环境造成危害,威胁人类健康,同时,为解决采用传统膜分离工艺运行成本较高的难题,开展了基于好氧颗粒污泥技术的含油废水处理研究.结果表明,以含油废水启动反应器,经35 d好氧颗粒污泥培养成熟,COD和溶解性油的去除率高达86.0%和94.2%;在絮状污泥颗粒化过程中,污泥胞外聚合物中蛋白质类物质含量提高3.7倍,蛋白质类物质与多糖类物质比值升高到2.72,证明胞外聚合物内蛋白质类物质浓度增加是活性污泥颗粒化的重要因素;好氧颗粒污泥荧光光谱结果显示好氧颗粒污泥中蛋白质类物质的稳定存在是好氧颗粒污泥形成的重要因素.选取好氧颗粒污泥技术处理含油废水的效果和成本均优于常规生物处理工艺和膜分离工艺,由于污泥及其胞外聚合物中多糖类和蛋白质类物质含量均较高,适用于回收污泥资源,对含油污泥的资源化利用意义重大.     

c-di-GMP在低温好氧颗粒污泥形成过程中的作用

在低温条件下运行好氧颗粒污泥反应器,絮状污泥颗粒化过程中信号分子可通过传导作用引起各层物质之间的组分变化,通过研究胞外聚合物及污泥相关疏水性的变化规律,并观察此过程中微生物菌群的群落演替特点,揭示环二鸟苷酸（c-di-GMP）在低温好氧颗粒污泥形成过程中的变化规律与影响作用.结果表明：接种污泥在颗粒化过程中,胞外聚合物含量从48mg/gMLVSS增长至139mg/gMLVSS,其中以TB层蛋白质增长为主,在颗粒化过程中,c-di-GMP含量由62μg/gMLVSS增至600μg/gMLVSS,始终影响微生物运动及生物膜形成,促使具备胞外聚合物分泌功能的菌群加快分泌胞外聚合物,促进好氧颗粒污泥的形成.各个阶段污泥中微生物种群存在较大差异,在反应器运行初始阶段与c-di-GMP合成相关的菌群占据优势,同时在后期表现出较好的脱氮除磷能力,在低温条件下好氧颗粒污泥微生物菌群发生演替并最终形成稳定的菌群结构.     

胞外多聚物在好氧颗粒污泥形成中的作用机制

在SBR反应器活性污泥好氧颗粒化过程中,分析不同时期污泥EPS主要成分的变化、污泥表面特性的变化及二者相关关系.不同时期污泥样品胞外蛋白的SDS-PAGE表明,蛋白分子量条带主要分布在（31.0～97.4）×10³,与种泥相比,颗粒污泥在形成过程中增加了一些新蛋白条带,且条带颜色逐渐变深,定性表明蛋白种类及含量的增加.定量测定也表明,胞外蛋白分泌量随颗粒污泥的形成逐渐从49.4 mg·g^-1增至148.3 mg·g^-1,多糖则无明显变化,蛋白/多糖值也从2.3逐渐增至4.9.颗粒污泥表面疏水性比种泥约增加1倍,疏水性的变化与蛋白/多糖值正相关,相关系数为0.969.测得种泥与颗粒污泥表面Zeta电位平均值分别为-28.5 mV和-13.2　mV,颗粒污泥表面的电负性明显降低.由蛋白质自身特性,可推测其通过增加污泥表面相对疏水性和降低污泥表面电负性而促进好氧颗粒污泥形成的作用机制.     

好氧颗粒污泥耐受PFOS的结构稳定性及微生物响应

以好氧颗粒污泥为接种污泥,通过全氟辛烷磺酸(PFOS)长期驯化实现耐PFOS颗粒的培养,考察不同驯化时期的污泥基本特性,并结合微生物群落演替过程、微生物表型分布以及功能途径的变化情况,以揭示其耐受机制。结果表明,好氧颗粒污泥经历解体、再形成和成熟3个阶段后可在PFOS暴露下稳定维持。驯化成熟后的好氧颗粒污泥表面丝状菌减少,并且被大量胞外聚合物(EPS)所包裹,结构更加致密。驯化期间颗粒污泥中存在大量抗性细菌以及维持颗粒稳定相关细菌,主要包括unclassified_f__Comamonadaceae、Defluviicoccus、Dongia、Rhodoplanes、Flavobacterium、Thauera、Azospira、Candidatus_Competibacter、Azoarcus和norank_f__A4b,且部分菌属间存在显著的正相关性。群体感应途径和细菌趋化途径相关基因丰度在解体期上调,在颗粒形成和成熟期恢复至初始水平,说明细菌的群体感应效应和趋化性能够在颗粒应激过程中起重要作用。因此,好氧颗粒污泥可以通过特定菌群积极响应、促进细菌趋化作用和群体感应作用、提高EPS分泌量、增强系统抗氧化胁迫能力等多种方式耐受PFOS。采用菌胶团型好氧颗粒污泥以及向好氧颗粒污泥系统中投加上述菌剂或添加信号分子有利于处理含PFOS废水。     

Ca~(2+)、Mg~(2+)对好氧污泥快速颗粒化的影响研究

为研究金属离子的投加对好氧污泥颗粒化进程的影响,在3个构造一致的序批式活性污泥反应器(SBR)中分别接种普通活性污泥、投加50 mg·L-1Ca2+的活性污泥和投加50 mg·L-1Mg2+的活性污泥来培养好氧颗粒污泥.结果表明:金属离子的投加能缩短好氧污泥颗粒化时间,改善颗粒污泥的性质,Ca2+更多地影响颗粒污泥的物理性质,Mg2+主要影响生化性质.Ca2+、Mg2+的投加可促进细胞分泌胞外聚合物(EPS),以及蛋白质(PN)和多糖(PS)的含量增加,且Mg2+较Ca2+对EPS中组分及组分比例影响更大.此外,Ca2+、Mg2+投加下培养的好氧颗粒污泥具有更强的除污性能.