废水生物处理中溶解性微生物产物的产生及性质研究

论文摘要

以活性污泥法为代表的生物处理是目前应用最为广泛的污水处理技术。然而,在生物处理系统中,微生物在降解污染物的同时,还会产生大量的溶解性微生物产物（Soluble microbial products,简称SMP）。SMP是微生物在基质代谢、细胞生长及死亡等各项生命活动中产生并释放到外界环境中的一类溶解性有机质。其组成复杂,是腐殖质、多糖、蛋白质、核酸、有机酸、抗生素和硫醇等多种物质的混合体。其中有些组分不易生物降解,甚至难以生物降解,因此SMP构成了出水有机物的重要组成部分,降低了生物处理系统的效率及出水水质。此外,在污水回用日益迫切的今天,SMP更对后续生化出水的深度处理造成了巨大影响。SMP能够引起严重的膜污染,影响树脂的使用效率及稳定性,在消毒过程中还会产生有毒有害的消毒副产物。因此SMP是废水回用过程中重要的制约因素。而对SMP产生及性质的研究,则是对其控制的前提和基础。本论文正是基于上述背景,围绕废水生物处理中SMP的产生及性质开展了深入研究。研究了胁迫条件（解偶联剂和纳米材料）下SMP的产生规律及来源;应用荧光光谱法及定量分析手段研究了胁迫条件下SMP的产生;开展了 SMP与金属的相互作用研究,探讨了 SMP的螯合性及环境影响。主要研究内容和研究结论如下所述:（1）以3,3’,4’,5-四氯水杨酰苯胺（TCS）为解偶联剂典型代表,系统的研究了其对活性污泥SMP产生的影响及作用机制。结果表明:TCS能够降低污泥产率,减少剩余污泥的产生,是一种有效的化学解偶联剂。然而与此同时,TCS导致了 SMP产生量的增加,且其产生量与TCS的浓度成正相关。当TCS浓度较低时,产生的SMP主要是与底物降解有关的,而TCS浓度较高时产生了大量非基质有关的SMP。污泥减量化与SMP产生量均与TCS浓度有关,为了平衡两者之间的矛盾,选择2.5 mg/L作为最适宜的TCS浓度。在SMP来源分析方面,发现TCS刺激了胞外聚合物（EPS）的产生,加剧了细胞裂解,这两方面共同造成了 SMP的累积。TCS浓度较低时（<5 mg/l）,EPS是主要的来源,而当TCS浓度较高时（>7.5 mg/l）,细胞裂解可能起了主要的作用。SMP、EPS和细胞裂解产物具有相似的官能团和荧光特性,TCS的投加增加了 SMP中高分子量物质的释放,这部分主要来源于细胞裂解。（2）以纳米银（AgNPs）作为典型纳米材料,研究了其对活性污泥系统SMP产生的影响、作用机制及细胞毒性。研究结果表明:AgNPs的投加抑制了底物的降解速率和污泥的活性,刺激了 SMP中蛋白和腐殖酸类物质的增加,并且导致了 SMP中组分结构的变化。尽管增加的SMP并非来源于EPS的释放,然而EPS上的羧基可能是AgNPs与活性污泥的作用位点。乳酸脱氢酶活性分析、细菌染色和超薄切片等分析表明AgNPs能够损伤细胞膜,引起死菌数量的增加和胞内物质的释放,从而导致活性下降和SMP的增加。AgNPs产生的胞内活性氧造成的氧化压力是AgNPs产生细胞毒性的一个重要机制。AgNPs对污泥其他宏观物理化学性质如表面形貌、Zeta电势及絮体粒径的影响较小。形态分析表明,在该体系中AgNPs主要以零价态单质银的形式存在。（3）利用三维荧光光谱（EEM）结合平行因子（PARAFAC）和区域积分（FRI）研究了盐度对活性污泥SMP产生的影响。研究结果表明,相对于多糖类物质,SMP中蛋白的产生量受盐度的影响较大。对不同盐浓度下SMP的EEM图谱利用PARAFAC进行定量分析,通过核心一致度判断最适宜的组分数。PARAFAC分离出三个组分分别为类蛋白组分、长波长腐殖酸和短波长腐殖酸组分。三个组分表现出了不同的变化规律。其中类蛋白组分的得分值随着盐度的增加而增加,并与化学分析得到的结果具有较好的线性相关。此外,对EEM谱图划分了六个激发发射区域,通过FRI进行分析,发现SMP中蛋白类的荧光主要归因于色氨酸和色氨酸蛋白。蛋白区域所占的归一化体积分数随着NaCl浓度的增加而升高,而腐殖酸和富里酸区域所占的比例却逐渐下降。（4）利用荧光光谱法如EEM和同步荧光光谱研究了金属与SMP的相互作用,并通过发光细菌法评价了该相互作用对金属急性毒性的影响。结果表明:金属离子的存在能够引起SMP的荧光猝灭。相对于其他金属离子,Cu2+与SMP的相互作用更强。在pH=6时,Cu2+能够引起SMP中一个蛋白峰和两个腐殖酸荧光峰的荧光猝灭,且猝灭方式属于静态猝灭,Cu与SMP的结合摩尔比为2:1。温度和pH能够影响SMP与Cu2+的相互作用。低温和高pH条件下相互作用更强。同步荧光光谱的研究表明,本实验的温度和pH条件下,SMP中蛋白的构象均未发生改变。SMP与金属Cu相互作用后,降低了离子态Cu的浓度,从而在一定程度上降低金属的急性毒性

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 论文创新点
• 第一章 绪论
• 1.1 水资源短缺与水体污染
• 1.2 废水的再生及回用
• 1.2.1 废水再生及回用现状
• 1.2.2 废水处理及回用技术
• 1.3 溶解性微生物产物SMP
• 1.3.1 SMP的定义及组成
• 1.3.2 SMP的来源及产生机制
• 1.3.3 SMP的性质
• 1.3.4 影响SMP产生的因素
• 1.3.5 SMP对生物反应器的影响
• 1.3.6 SMP对废水深度处理的影响
• 1.3.7 SMP的环境影响
• 1.4 研究目的与研究内容
• 1.4.1 研究目的和意义
• 1.4.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 解偶联剂3,3',4',5-四氯水杨酰苯胺（TCS）对活性污泥系统SMP产生的影响
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料与方法
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 SMP产生实验
• 2.2.3 胞外聚合物及细胞裂解产物提取
• 2.2.4 分析方法
• 2.3 结果
• 2.3.1 TCS的污泥减量化效果
• 2.3.2 TCS存在时SMP的产生规律
• 2.3.3 TCS的存在对SMP组成的影响
• 2.3.4 EPS和DNA含量分析
• 2.3.5 SMP、EPS和细胞裂解产物的FTIR、EEM和分子量分布
• 2.4 讨论
• 2.4.1 TCS对SMP产生的影响
• 2.4.2 污泥减量化和SMP之间的平衡
• 2.4.3 TCS存在条件下SMP的来源
• 2.4.4 SMP、EPS及细胞裂解产物的化学特征
• 2.5 本章结论
• 参考文献
• 第三章 纳米银对活性污泥系统的影响:SMP的产生及细胞毒性
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料与方法
• 3.2.1 AgNPs的合成
• 3.2.2 活性污泥及废水成分
• 3.2.3 短期暴露实验
• 3.2.4 污泥活性测定
• 3.2.5 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 AgNPs的性质表征
• 3.3.2 AgNPs对底物降解及污泥活性的影响
• 3.3.3 AgNPs对活性污泥SMP产生的影响
• 3.3.4 AgNPs对活性污泥微生物的细胞毒性
• 3.3.5 AgNPs对活性污泥其他物理化学性质的影响
• 3.3.6 AgNPs的形态变化
• 3.3.7 EPS在AgNPs与活性污泥之间相互作用中所起的作用
• 3.4 本章结论
• 参考文献
• 第四章 三维荧光光谱结合平行因子及区域积分研究盐度对活性污泥SMP产生的影响
• 4.1 引言
• 4.2 试验材料与方法
• 4.2.1 试验所用污泥及废水成分
• 4.2.2 批式试验
• 4.2.3 三维荧光光谱测定
• 4.2.4 PARAFAC分析
• 4.2.5 FRI分析
• 4.2.6 其他分析方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 不同盐度水平的基质降解
• 4.3.2 不同盐浓度下活性污泥SMP的产生量
• 4.3.3 不同盐浓度下活性污泥SMP的EEM光谱
• 4.3.4 PARAFAC分析结果
• 4.3.5 FRI分析结果
• 4.4 本章结论
• 参考文献
• 第五章 SMP与金属离子间的相互作用及对金属毒性的影响
• 5.1 引言
• 5.2 试验材料与方法
• 5.2.1 试验水样
• 5.2.2 SMP与金属离子相互作用研究
• 5.2.3 三维荧光光谱测定
• 5.2.4 同步荧光测定
• 5.2.5 急性毒性测定
• 5.2.6 其他分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 SMP的基本性质
• 2+与SMP的相互作用'>5.3.2 金属Cu²⁺与SMP的相互作用
• 2+、CO²⁺、Mn²⁺、Cd²⁺与SMP相互作用'>5.3.3 Ni²⁺、CO²⁺、Mn²⁺、Cd²⁺与SMP相互作用
• 2+与SMP相互作用的同步荧光光谱'>5.3.4 金属Cu²⁺与SMP相互作用的同步荧光光谱
• 2+与SMP相互作用的影响'>5.3.5 温度和pH对Cu²⁺与SMP相互作用的影响
• 2+与SMP相互作用对Cu急性毒性的影响'>5.3.6 金属Cu²⁺与SMP相互作用对Cu急性毒性的影响
• 5.4 结论
• 参考文献
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 攻读博士学位期间的主要科研成果
• 致谢