溶解性微生物产物在水处理领域中的研究进展

Posted 2023-01-12 微生物

篇首语：有了知识不运用，等于耕耘播种。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了溶解性微生物产物在水处理领域中的研究进展相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

溶解性微生物产物(SMP)在污水的微生物处理出水中占剩余COD的绝大部分。它不仅是影响废水生物处理出水水质的一个重要因素，也是制约生物处理出水回用的主要污染物。本文将具体从SMP的组成、螯合性、可生物降解性、毒性等方面对国内外水处理领域中SMP的研究进展作介绍。
溶解性微生物产物(Solublemicrobialprod-ucts，SMP)是微生物在降解污染物的同时，通过细胞裂解、细胞膜扩散、合成代谢损失等方式向周围环境中释放出的溶解性物质。Laspidou根据细菌生长的不同阶段可以把SMP分为两类：一类是与基质利用相关的产物(utilizationassociatedproducts，UAP)，它是微生物在分解基质产生能量和进行自身繁殖时产生的；另一类是与微生物有关的产物(biomassassociatedproducts，BAP)，是微生物在进行内源呼吸过程中，伴随着细胞衰亡解体释放出来的。Jarusutthirak则发现大部分出水有机物中主要存在SMP-BAP。还有学者认为BAP中有7%是溶解性胞外聚合物(Solubleextracellularpolymericsubstances，sEPS)。
在生物水处理中，SMP占出水剩余COD的绝大部分[5-6]，也是出水中溶解性有机物(Dissolvedor-ganicmatter，DOM)的主要成分。它不仅是影响废水生物处理出水水质的一个重要因素，而且还是制约生物处理出水回用的主要污染物。有研究表明[8-9]，SMP可成为氯化消毒副产物的前驱物。在膜生物反应器(MBR)中SMP还是主要的膜污染物。利用SMP可螯合重金属的特点，SMP还可作为生物吸附剂对重金属污染物进行处理。本文从SMP的组成、螯合性、可生物降解性等方面对其在水处理领域中的研究进展进行介绍。
1.SMP的组成
1.1化学成分
从化学成分组成的角度上来看，SMP的成分比较复杂，主要包括蛋白质、多聚糖、酯类、腐殖酸、核酸、有机酸和胞外酶等，如表1所示。

1.2分子质量分布
生物处理出水中SMP分子质量(MW)分布呈典型的双峰特征，如表2所示。

部分学者认为，SMP中高分子质量部分主要是由于细胞衰亡而产生的。HSShin指出，在MBR的上清液中，芳香族物质和疏水有机物质增加是由于细胞自溶过程而产生。ZPWang研究发现，在高温和强酸条件下，由于细胞发生衰亡而导致了出水中MW>10kDa的物质增加了。Aquino和Stuckey也发现当水力停留时间(HRT)从15d减少到3d时，MW>1kDa部分的物质由于细胞衰亡而出现了增加的趋势。
另外一些学者认为运行参数的影响也能使SMP中高分子量部分占主导地位。Pan等发现，当污泥停留时间(SRT)从30d减少到10d时，MW>30kDa的SMP占出水的大部分。Holakoo等的测定结果也显示，当SRT从40d减少到20d时，虽然MW>100kDa的部分由(42.4±11.4)%减少到(33.0±11.4)%，但是MW>100kDa的部分仍然占多数。张海丰等人研究表明，在MBR中，过高的曝气强度加速了MW>10kDa的可溶性有机物的积累。Thanh等运用序批式气升反应器(SBAR)对反应器中好氧颗粒污泥的特性及反应器的出水特征进行分析时也发现，高频率的曝气强度导致了分子质量为30kDa～50kDa部分的物质增加。Menniti等认为在MBR中随着剪切力的增加，sEPS的高分子质量部分(MW>80kDa)增加了94%。
Nakhla和Vyrides认为毒物的冲击会使SMP中高分子质量部分增加，Nakhla等投加Cu到MBR后发现，Cu的加入使MW>100kDa的部分从33%提高到87.2%。Vyrides和Stuckey认为厌氧微生物受到高浓度NaCl的冲击后，产生的SMP分子质量分布在1.147～7.12kDa之间。
2.SMP的特性
2.1螯合性和吸附性
在微生物的胞外聚合物上存在许多潜在的结合位点，包括肽聚糖、糖醛酸、多糖、纤维素、蛋白质、葡聚糖、甘露聚糖、几丁质和黑色素，还有各种官能团如羧基、羟基、巯基、酚基和氨基，其可以和水中的金属元素(如铜、铅、镍和锌等)进行鳌合和吸附，这些基团一方面可以降低金属元素的生物毒性；另一方面可以提高微生物对金属元素的利用率。
Patidar等比较了3种不同反应器：UASB、厌氧折流板反应器(ABR)和混合式厌氧折流板反应器(HABR)中的SMP与Zn、Co、Fe、Ni4种金属的螯合能力，结果得出这四种金属与SMP螯合后的微生物可利用率的顺序为：Zn(0.606，0.564，0.583)>Co(0.48，0.33，0.353)≥Fe(0.32，0.303，0.4)>Ni(0.287，0.307，0.272)。Nakhla等认为SMP可以和Cu离子形成螯合物，从而使Cu离子的质量浓度从0.08mg.L-1减少到了0.05mg.L-1。Holakoo等发现SMP各分子质量部分的螯合能力不同，分子质量在1～10kDa范围内的SMP与Cu的螯合能力最强，而且Cu的加入使SMP积累浓度从0.20mol.mg-1下降到0.11mo.lmg-1。
Laspidou曾提出过SMP与EPS的统一理论，认为EPS中含有结合性胞外聚合物(boundEPS，bEPS)和溶解性EPS(solubleEPS，sEPS)，而其中的sEPS与SMP是同一种物质。Comte基于此理论提出sEPS也有很强的吸附能力。Comte等把活性污泥中的sEPS和bEPS对重金属的吸附能力进行比较，结果发现，两者对金属阳离子具有相同的亲和顺序：Cu2+>Pb2+>Ni2+>Cd2+，sEPS吸附Cu2+，Pb2+和Ni2+的能力要强于bEPS，说明sEPS不仅有强的吸附重金属能力，而且还能够降低有毒金属对微生物的毒害作用。
2.2可生物降解性
在SMP的可生物降解性方面，以下学者认为其难被降解。Hasar和Menniti都认为由微生物衰亡所产生的SMP不易被降解。Hasar等发现在MBR中，由于微生物的衰亡和代谢所产生的物质占出水COD的绝大部分。Menniti的研究也表明，微生物衰亡所产生的SMP很难被降解。Aquino和Stuckey认为不同的外界条件能够影响SMP不同分子量部分的降解能力，他们报道，SMP分子质量MW>10kDa的部分在好氧条件下能够被降解，厌氧条件下很难被降解；而MW<1kDa的部分在厌氧条件下容易被降解，好氧条件下难被降解。Nakhla认为运行参数的影响也能使SMP的可生物降解性降低，经过实验得出，长的SRT会使得BAP占主要成分，从而导致SMP的可生物降解能力下降。另外王金翠等报道，在贫营养条件下微生物产出的SMP可生物降解性较差。
虽然SMP在一般情况下可生物降解性较差，但是随着反应器长时间的运行，SMP可被驯化过的微生物所降解。Ni通过在序批式反应器中投加亚硝酸氧化细菌后发现，在亚硝酸氧化细菌的培养过程中，SMP一开始出现增加的趋势，而后又逐渐减少，表明了SMP是可以被生物降解的。Aquino等也发现，随着SAMBR中微生物对环境的适应，高分子质量(MW>30kDa)的SMP被逐渐降解为低分子质量(MW<1kDa)的SMP。HSShin等表明驯化了的微生物在长的SRT下能够分解高分子有机物，导致了在MBR的上清液中分子质量>10kDa的SMP从73.1%降低到58.2%，而分子质量<1kDa的则从15%增加到25%。黄光团等也认为，长的水力停留时间HRT能使SMP中的多糖和蛋白质逐渐被降解。
2.3毒性及抑制性
由于SMP含有各种亲电取代基团(如-OH、-SH和-NH2等)，很容易受到电子的诱导和共轭效应的影响，能与生物分子发生反应从而对微生物产生毒性。王金翠等人通过活性污泥内源呼吸实验发现，贫营养条件下SMP能够对微生物表现出一定的毒性作用，使微生物的脱氢酶活性丧失。
SMP的抑制性是由于微生物在进行内源呼吸过程中发生解体，造成了大量SMP的积累，以至于对活性污泥代谢活性产生了抑制作用。近期的大量研究主要集中于SMP对活性污泥的抑制性方面。Liu等报道，微生物细胞经过超声处理后产生了大量的溶解性物质，这些物质部分能对活性污泥的活性能产生抑制作用。Ichihashi等运用厌氧-好氧活性污泥法，在两个反应器中以HRT为48h和6.4h进行比较试验，研究发现，HRT为48h的反应器上清液中大量积累的SMP会对污泥的硝化作用以及醋酸盐的吸收率产生抑制作用。张海丰等研究了浸没式膜生物反应器(SMBR)中积累的SMP各分子质量部分对活性污泥的抑制性，发现MW>10kDa的SMP对活性污泥的抑制性最大。
Shin等则认为SMP对活性污泥的抑制作用不大，并发现在MBR中，当SRT为79d时污泥中活细胞总数下降到32%，然而随着SMP大量积累，活细胞数逐渐增加，表明了MBR中积累的SMP对活性污泥的新陈代谢并无抑制作用。齐庚申等也发现在膜生物反应器中，不同的SRT下所产生的SMP对微生物的活性影响不大，这证明SMP对微生物的抑制作用不显著。
3.SMP对膜污染的影响
SMP对膜污染的机理主要是肽类物质吸附于膜孔内，造成膜孔堵塞，引起膜的不可逆污染；多糖、蛋白质类物质吸附于膜的表面，形成凝胶层，使膜过滤阻力增大。
Pan和Okamura认为SMP中的糖类是膜污染的主要成分。Pan等分析了SMP的不同成分对膜污染的影响，他们认为SMP中的亲水物质，如糖类是形成膜污染的主要物质。Okamura等在浸没式MBR中，经过微滤实验后得出结论，膜表面上的凝胶层成分主要是糖类和糖醛酸。而李文凤和Zhang等认为疏水性物质是造成膜通量下降的主要因素，相对而言，亲水性物质对膜通量的影响要小。
Arabi和赵军发现SMP不同分子质量部分对膜污染的影响不同。Arabi在MBR中对SMP的各分子质量部分(>100，10～100，1～10kDa和<1kDa)与膜污染的关系进行分析后得出结论，SMP中分子质量在10～100kDa的部分容易在MBR反应器中造成膜污染。赵军在MBR中通过死端过滤实验方法，对SMP在膜孔及膜表面的分布进行研究发现，SMP中分子质量在3～10kDa部分对膜的不可逆污染贡献最大，分子质量>10kDa的部分与滤饼层阻力之间呈显著的正相关。
还有许多学者认为在不同的运行参数下，SMP对膜污染造成影响也不同。Liang等经过实验研究得出结论，在短的SRT下，SMP成为膜污染的可能性更大。Dong和Jiang也发现，在序批式膜生物反应器中，短的SRT能使糖类成为膜污染的主要物质。王琳等认为，低的有机负荷能使SMBR上清液中的多糖明显高于膜出水多糖，表明大部分多糖被截留在了膜上。Menniti等人发现在剪切力的作用下，sEPS是导致膜污染的关键因素。Drews等报道，只有在低污泥龄下SMP才会成为引起膜污染的因素。董滨等同意Drews的观点，认为SMP在MBR中的积累程度及对膜的污染潜势会随着污泥龄的延长而呈下降的趋势。
Koseoglu和Kimura并不赞同以上学者的观点，Koseoglu认为SMP与膜污染物的关系并不密切，其他聚合物的粘度和理化性质以及机械压力等都有可能造成膜污染。Kimura也认为在MBR中，膜污染的程度并不与反应器中的SMP浓度直接相关。
4.结语
随着对SMP研究地不断深入，人们已经认识到对生物处理出水产生的SMP进行进一步研究和控制的重要性。由于SMP的产生机制存在一定的复杂性，因此要全面认识废水生物处理出水中的SMP还需做进一步深入研究；另外，由于SMP中有些成分能与重金属螯合成为生物吸附剂，可以降低重金属的毒性，因此对生物吸附剂方面的研究可以进一步加强。