铁盐对活性污泥微生物DHA与ETS活性的影响研究.pdf

经 验 交 流 铁盐对活性污泥微生物 DHA 与 ETS 活性的影响研究 * 袁磊毕学军 青岛理工大学， 山东 青岛 266033 摘要 通过活性污泥脱氢酶活性与电子传递体系活性的测定， 对比分析铁盐对活性污泥系统微生物活性影响及其变化 规律。研究结果表明 活性污泥 TTC-DHA 活性与 INT-ETS 活性之间具有较好的相关性， 分批次向活性污泥处理系统 投加 Fe OH 3并保持连续运行污水处理系统内的活性污泥含铁质量分数在 5 条件下， 其活性污泥微生物 TTC-DHA 与 INT-ETS 活性可分别达到 25 ～ 30， 275 ～ 360 μg/mg h ， 其较对比系统提高 50 左右， 铁盐对活性污泥的微生物 活性的影响较为显著。 关键词 活性污泥; 微生物; 铁离子; 脱氢酶活性; 电子传递体系活性 EFFECT OF FERRIC SALT ON MICROBIAL DHA AND ETS ACTIVITY IN ACTIVATED SLUDGE Yuan LeiBi Xuejun Qingdao Technological University，Qingdao 266033， China AbstractBy detecting dehydrogenase activity and electron transport system activity of the activated sludge，the impact of ferric salt on microbial activity in the activated sludge system was comparatively analyzed. The results showed that there was a good correlation between TTC-DHA activity and INT-ETS activity of the activated sludge. Adding Fe OH 3 to the activated sludge system in batches and keeping 5 ferric content in the activated sludge in the continuous running system，the microbial TTC-DHA activity and INT-ETS activity of activated sludge respectively reached 25 ～ 30 μg TFmg VSS － 1h－ 1 and 275 ～ 360 μg INTFmgVSS － 1h－ 1，which were increased by 50 as compared with the comparative system. The impact of ferric salt on activated sludge microbial activity was more significant. Keywordsactivated sludge;microbe;ferric;dehydrogenase activity;electron transport system activity *国 家 水 重 大 专 项 2009ZX07210- 008- 003 ; 国 家 自 然 科 学 基 金 51078192 ; 山东省科技攻关项目 2009GG10006014 ; 青岛市应用基 础研究计划项目 09- 1- 3- 1-jch ; 山东省环保产业研发项目。 0引言 截至 2008 年底， 我国 661 个城市已建污水处理 厂 1500 余座， 设计处理能力达到 9092 万 m3/d， 处理 率达到 58 ， 同时 90 以上的城市污水处理厂采用 活性污泥法处理工艺， 但现有城市污水处理厂普遍存 在运行处理能力与效率较低的问题， 以往研究主要通 过工艺与过程的变化以期解决污水生物处理能力与 效率问题。由于污水生物处理的实质是微生物的多 种酶催化一系列的氧化还原反应， 系统外在性能的改 变归根到底是由决定微生物基本生理功能的呼吸系 统电子传递体系与代谢酶等活性变化引起的， 因而主 导生物处理能力与效率的主要因素在于微生物的活 性。目前污水生物处理技术的研究正是忽略了微生 物活性这一限制性问题。 近年来， 国内外开展了有关铁离子对微生物活性 影响的研究工作， 陈绍兴等对不同铁离子对荧光假单 胞菌生长与产铁载体的影响研究结果表明 ［ 1］， 适当 的铁离子浓度对荧光假单胞菌生长具有促进作用。 任南琪等用铁锰离子对硝化反应的影响效应研究结 果亦表明 ［ 2］， 铁离子对硝化反应具有促进作用， 作用 关系为质量浓度型， 中低质量浓度 5 ～ 20 mg/L 时 促进作用明显， 高质量浓度促进作用下降， 但并没有 显著的抑制作用， 同时铁锰共存时， 铁可在一定程度 79 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 上减弱锰对微生物的毒性作用。在污水生物处理过 程中， 有机底物的生物氧化是通过微生物的一系列生 化反应完成的。脱氢酶 DHA 在生物细胞内催化有 机物氧化脱氢 电子 ， 脱离的电子通过电子传递体 系 ETS 最终转移到最终电子受体 O2、 NO － 3 、 SO2 － 4 等 ， 从而实现有机污染物的无机化。因此， 生物体 的 DHA 活性及 ETS 活性在很大程度上反映了微生 物的活性状态。本研究即向活性污泥中投加适量铁 盐以强化活性污泥， 通过检测微生物 DHA 活性及 ETS 活性变化考察铁盐强化活性污泥对微生物活性 的影响。 1材料与方法 1. 1实验装置 本实验在青岛市某污水处理厂进行。实验期间 分别设置铁盐强化活性污泥与普通活性污泥对比试 验系统。试验装置的生化反应有效容积为 289L， 其 布置型式为缺氧区 2 格、 厌氧区 2 格、 好氧区 4 格， 形 成局部完全混合， 沿程推流的生化反应形式。其中非 曝气段采用机械搅拌方式， 曝气段采用穿孔管曝气方 式， 并通过调节曝气量保证生化反应溶解氧需求。实 验装置平面图如图 1 所示。 图 1实验装置平面示意 1. 2实验方案 本实验污水取自污水处理厂曝气沉砂池出水， 水 质条件见表 1。在实验开始阶段， 取污水处理厂回流 污泥作为接种污泥， 并控制两平行对比系统运行参数 见表 1。待上述两平行对比系统运行相对稳定后， MLSS 按照 0. 05 g/g 采用分批次 Fe3 计 投加人工 配制的 Fe OH 3进行铁盐强化活性污泥的培养， 以 NaHCO3作为碱性调节剂控制生化反应系统 pH 值在 中性偏碱性条件下， 以未投加 Fe OH 3作为本实验 研究的对比参照系统。由于随剩余污泥排放导致污 泥内铁的流失， 本实验以 FeCl3形式向铁盐强化活性 污泥系统补充相应的铁。 1. 3常规水质指标与微生物活性分析方法 常规水质指标分析采用水和废水监测分析方 表 1实验水质与系统运行参数 污水水质条件系统运行参数 ρ COD / mg L － 1 400 ～ 600 HRT/h12 ρ BOD5 / mg L － 1150 ～ 300 SRT/d12 ρ NH3-N / mg L－1 70 ～ 110 污泥回流比 /200 ρ NO － 3 -N / mg L －1 0 ～ 2. 0 ρ DO / mg L －1 2. 0 ～ 4. 0 ρ PO3 － 4 -P / mg L －1 6 ～ 11pH7. 4 ～ 8. 0 水温 /℃25 初始 ρ MLSS / g L － 1 3. 0 法 第四版 的国标方法; 表征微生物活性的脱氢酶 活性 DHA 活性 与电子传递体系活性 ETS 活性 分别采用 TTC 法 ［ 3］与 INT 法［ 4］。 2结果与讨论 2. 1投加铁盐前两系统微生物活性沿程变化分析 本实验在投加铁盐培养铁盐强化活性污泥之前， 对两平行对比试验系统不同反应区段内的活性污泥 分别沿程取样， 测定反映微生物活性的脱氢酶及电子 传递体系活性， 通过该研究不仅发现两系统微生物活 性基础条件， 而且进一步确定后续实验微生物活性分 析的合理取样点位。沿程取样微生物活性分析结果 见表 2。 表 2TTC- DHA 活性与 INT- ETS 活性的沿程变化 活性位置 TTC-DHA 活性 / μg mg － 1h－ 1 INT-ETS 活性 / μg mg － 1h－ 1 系统 1 系统 2 系统 1 系统 2 缺氧区 1 格10. 009. 72126. 72119. 36 缺氧区 2 格10. 7010. 29130. 63141. 57 厌氧区 1 格9. 929. 98121. 55125. 68 厌氧区 2 格9. 4510. 01118. 63133. 02 好氧区 1 格11. 0812. 33156. 74169. 97 好氧区 2 格8. 379. 85154. 01162. 42 好氧区 3 格8. 428. 87139. 26140. 06 好氧区 4 格7. 658. 29108. 28111. 36 表 2 中 TTC-DHA 活性与 INT-ETS 活性分析结果 表明， 在投加铁盐之前两平行对比系统内的微生物活 性较为一致， 且表征的微生物活性的 TTC-DHA 与 INT-ETS 之间具有良好的相关性， 同时二者均在好氧 区第 1 格达到最大值， 由此表明 在好氧反应初始阶 段活性污泥微生物生化反应代谢活性最高。但随着 好氧反应的进行， TTC-DHA 活性、 INT-ETS 活性呈逐 渐下降趋势， 该实验现象符合好氧反应过程基质浓度 下降导致微生物生化反应活性降低的规律。对于本 89 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 实验， 由厌氧反应状态转入好氧反应后， 在好氧区第 1 格内活性污泥微生物代谢活性最高而且反应条件 相对稳定， 因此， 本研究后续实验有关微生物活性分 析取样点确定在反应系统好氧区第 1 格内。 2. 2铁盐强化活性污泥对微生物活性的影响 本实验向其中一个反应系统投加 Fe OH 3， 另 一系统保持原有运行条件， 形成铁盐强化活性污泥与 传统活性污泥的平行对比系统。在此实验过程中， 同 时在两平行对比实验系统好氧区第 1 格取活性污泥 进行微生物活性 测定， 其 对 比 分 析 结 果 见 图 2 与 图 3。 图 2 TTC-DHA 活性的变化 图 3 INT-ETS 活性的变化 由图 2 可以 看出， 在分 批 次向 系 统 1 内 投加 Fe OH 3过 程 中，其 污 泥 TTC-DHA 活 性 由 初 始 10. 94 μg/ mg h 第 1 天 提高到 24. 02 μg/ mg h 第 5 天 ， 而对比系统 2 的污泥 TTC-DHA 活性基 本保持 10 ～ 12 μg/ mgh 不变， 由此可见在相同运 行控制参数与进水水质条件下， 投加铁盐导致系统内 微生物活性发生变化， 而且在分次投加 Fe OH 3过 程中， 微生物脱氢酶活性持续提高。分析其原因在 于 对于酶促反应， 当某种具有激活作用的物质存在 时， 其表现出酶的催化活性或强化其催化活性， 称为 对酶的激活作用， 铁是一种常见的无机阳离子激活 剂 ［ 5］， 其能起辅酶激活剂的作用， 同时对强化酶的催 化活性与提高活性污泥微生物的氧化能力具有重要 意义 ［ 6- 7］。本研究通过分次投加 Fe OH 3使铁盐强 化活性污泥系统污泥含铁质量分数达到 5 左右， 在 Fe OH 3投加后的稳定运行阶段， 亦表现出铁对活 性污泥脱氢酶活性的强化作用， 通过两平行对比系统 微生物活性的比较， 铁盐强化活性污泥系统的微生物 TTC-DHA 活性在 25 ～ 30 μg/ mgh ， 而对比试验系 统内微生物的 TTC-DHA 活性在 15 ～ 20 μg/ mg h 。 虽然在实验过程中， 由于进水水质的波动导致两对比 系统内微生物 TTC-DHA 活性发生局部的波动性变 化， 但两者发生波动变化的规律性较为一致。从总体 上来看， 铁盐活性污泥脱氢酶活性具有较好的强化作 用， 与传统活性污泥相比较， 铁盐强化活性污泥系统 的微生物 TTC-DHA 活性可以提高 50 以上。 由图 2 与图 3 比较可以看出， 两对比系统内活性 污泥的 INT-ETS 活性与 TTC-DHA 活性变化具有较好 的一致性。对于活性污泥的 INT-ETS 活性， 在分批次 向系统 1 内投加 Fe OH 3过程中， 其污泥 INT-ETS 活性 由 初 始 137. 5 μg/ mgh 第 1 天 提高到 272. 52 μg/ mg h 第 5 天 ， 而对比系统 2 的污泥 INT-ETS 活性基本保持在 110 ～ 150 μg/ mg h 。 在完成初期投加 Fe OH 3后的稳定运行阶段， 两对比系统微生物 INT-ETS 活性随着进水水质条件 的变化而发生局部性的波动与变化， 但铁盐强化活性 污泥系统的微生物 INT-ETS 活性在 275 ～ 360 μg/ mg h ， 而对比实验系统内微生物的 INT-ETS 活性 在 150 ～ 220 μg/ mgh ， 显然铁盐强化活性污泥的 电子传递体系活性始终高于对比传统活性污泥。分 析铁盐对活性污泥电子传递体系的影响在于 铁是电 子传递体系细胞色素重要组成部分， 细胞色素系统位 于电子传递链的后端， 其主要功能为传递电子， 细胞 色素按其吸收光谱和氧化还原电位的差别可分成多 种类型， 如 cyt. a， cyt. a3， cyt. b， cyt. c 和 cyt. o 等， 它们 都有血红素作为辅基， 而血红素则通过其分子中心铁 的价态的变化而传递电子 ［ 8］， 因此， 铁在微生物细胞 内氧化还原反应电子传递体系中是一种必不可少的 电子载体。本研究通过人工方法投加一定量的铁盐， 通过铁盐化学絮体与微生物絮体的结合， 部分铁通过 一定的途径被微生物吸收利用并成为细胞色素的重 要组成部分， 由此提高了微生物新陈代谢过程细胞内 氧化还原反应电子传递的能力与效率， 活性污泥微生 物 INT-ETS 活性得到显著提高。 上述研究表明， 利用铁离子参与电子传递作用与 酶促反应激活剂作用原理， 强化铁离子介入微生物生 下转第 107 页 99 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 29. 9269 m3/h。同时得到了该工况的优化调整策略， 如表 2 所示。 表 2优化前后工况点 给料量 / t h － 1 给水量 / t h － 1 球磨机 电流 /A 漩流器入口 压力 /kPa 制浆速度 / m3h － 1 优化前7. 217. 221. 710028. 6 优化后7. 482617. 89721. 16995. 57729. 9269 3结论 1本文应用 LSSVM 建立了制浆优化模型， 并分 析了模型的泛化能力、 收敛速度和最优性， 结果表明 LSSVM 运用于制浆优化建模是可行性的。 2利用遗传算法对制浆优化模型寻优， 仿真计 算表明遗传算法能很好地对以制浆速度为目标的制 浆模型优化。所得到的制浆优化参数值， 可指导制浆 参数优化调整。现场试验表明， 按此基准值运行， 可 以使制浆速度由28. 6 m3/h提高到29. 9269 m3/h。 3该模型具有较好的自学习功能， 能满足不同 设备状况、 不同运行工况下最佳的制浆速度调整方式 来提高制浆速度， 降低制浆电耗。 参考文献 ［ 1］ 陈敏生， 刘定平. 基于核主元分析和支持向量机的电站锅炉飞 灰含碳量软测量建模［J］ . 华北电力大学学报，2006， 33 1 72- 73. ［ 2］ 郭辉， 刘贺平， 王玲. 最小二乘支持向量机参数选择方法及其应 用研究［J］ . 系统仿真学报，2006 7 50- 54. ［ 3］ 闫维明， 李振海， 宋国升. 湿法烟气脱硫工程中石灰石浆液制备 过程分析［J］ . 节能技术，2008 4 40- 46. ［ 4］ Liu S Y，Xiao W D，Liu P，et al. 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IEEE Transactions on Power Systems， 2002，17 1 87- 91. 作者通信处刘定平510640广州华南理工大学电力学院 电话 020 88371923 E- mailliudingping 126. com 2010 － 04 － 30 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 99 页 化反应过程， 提高功能微生物代谢反应活性， 有望成 为一种新的提高活性污泥法处理能力与效率的方法。 3结论 1对于污水生物处理活性污泥， 表征污泥微生 物活性的 TTC-DHA 与 INT-ETS 之间具有良好的相关 性， 对缺氧 /厌氧 /好氧生化反应过程， 在好氧反应初 期活性污泥微生物代谢活性最高。 2在本实验条件下， 投加 Fe OH 3可以显著提 高活性污泥微生物活性。铁盐强化活性污泥微生物 TTC-DHA 与 INT-ETS 活 性 分 别 达 到 25 ～ 30 μg/ mg h 、 275 ～ 360 μg/ mgh ， 其较对比系统提高 50 左右。 3利用铁离子参与电子传递作用与酶促反应激 活剂作用原理， 强化铁离子介入微生物生化反应过 程， 提高功能微生物代谢反应活性， 有望成为一种新 的提高活性污泥法处理能力与效率的有效方法。 参考文献 ［ 1］ 陈绍兴，谢志雄. 铁离子对荧光假单胞菌生长及产铁载体的影 响［J］ . 江苏农业科学，2008 4 294- 295. ［ 2］王秀蘅， 任南琪， 王爱杰， 等. 铁锰离子对硝化反应的影响效应 研究［J］ . 哈尔滨工业大学学报， 2003， 35 1 122- 125. ［ 3］ 尹军， 谭学军， 任南琪. 用 TTC 与 INT － 电子传递体系活性表征 重金属对污泥活性的影响［J］ . 环境科学， 2005， 26 1 56- 62. ［ 4］ 周恢， 左永生， 赵怀颖， 等. 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