殼聚糖強(qiáng)化生物作用的機(jī)理研究

摘要：將不同分子量的殼聚糖投加于SBR生物反應(yīng)器處理生活廢水，通過比較處理效率、污泥活性、污泥結(jié)構(gòu)等指標(biāo)來探明殼聚糖強(qiáng)化活性污泥生物作用的機(jī)理。研究表明，殼聚糖雖對(duì)污泥活性有一定抑制作用，但能很好地改善污泥的絮體結(jié)構(gòu)，從而提高活性污泥的處理效率，其中分子量越大的殼聚糖強(qiáng)化生物處理的效果越佳。

關(guān)鍵字：殼聚糖活性污泥分子量殼聚糖及其其衍生物在水水處理中有很很大的潛力和和應(yīng)用前景。近近年來國內(nèi)外外的報(bào)導(dǎo)主要要集中在吸附附和絮凝方面面[1～6]。也有報(bào)報(bào)道表明，殼殼聚糖是一種種很好的污泥泥調(diào)理劑，將將其用于活性性污泥法廢水水處理，有助助于形成良好好的活性污泥泥菌膠團(tuán)，并并能提高處理理效率[7～10]。但研研究其對(duì)活性性污泥中微生生物活性的影影響以及其強(qiáng)強(qiáng)化生物作用用的機(jī)理，國國內(nèi)外均未見見有報(bào)導(dǎo)。本實(shí)驗(yàn)是在在不改變現(xiàn)有有設(shè)備及工藝藝流程的條件件下，在普通通活性污泥法法中投加不同同分子量的殼殼聚糖，通過過比較處理效效率、污泥活活性及污泥結(jié)結(jié)構(gòu)等指標(biāo)，研研究不同分子子量的殼聚糖糖對(duì)活性污泥泥處理效果的的影響，進(jìn)一一步探索殼聚聚糖改善出水水效果，強(qiáng)化化生物作用的的機(jī)理，并選選出最佳的殼殼聚糖的類型型，為殼聚糖糖的進(jìn)一步應(yīng)應(yīng)用提供了實(shí)實(shí)踐指導(dǎo)和理理論基礎(chǔ)。1

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)方法和材料料1.1實(shí)實(shí)驗(yàn)材料殼聚糖：本本實(shí)驗(yàn)室由浙浙江玉環(huán)縣化化工廠購得甲甲殼素，再自自制成一系列列脫乙酰度69%的殼聚糖，分分子量分別為為6.56萬、22.30萬、31.25萬(根據(jù)Mark--Houmiink方程：，用烏烏氏粘度計(jì)測測定表面粘度度后計(jì)算得到到)。活性污泥：：取自天山污污水凈化廠曝曝氣池中的污污泥，馴化兩兩周。實(shí)驗(yàn)水樣：：采用自配的的模擬生活污污水，含有碳碳、氮、磷及及多種微量元元素。1.2實(shí)實(shí)驗(yàn)方法本實(shí)驗(yàn)采用用模擬SBR法。在4套相同的裝裝置中分別投投加3種不同分子子量的殼聚糖糖，另一個(gè)不不投加作空白白來處理同一一模擬生活廢廢水，進(jìn)行平平行對(duì)照實(shí)驗(yàn)驗(yàn)。按照殼聚聚糖調(diào)理污泥泥的最佳投量量，一般為總總固體含量的的0.5%～1.5%[99]。實(shí)驗(yàn)運(yùn)運(yùn)行中根據(jù)排排泥排水量適適量補(bǔ)充殼聚聚糖。采用限限制性曝氣，每每天運(yùn)行4個(gè)周期，每每個(gè)周期6h，其中進(jìn)水水時(shí)間0.75h，曝氣反應(yīng)應(yīng)時(shí)間3.75h，沉淀時(shí)間0.75h，排水閑置置時(shí)間0.75h。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行行時(shí)各反應(yīng)器器內(nèi)污泥濃度度均保持在3～4g/L，pH保持在7.0左右，溶解解氧保持在3～4mg//L。各生物反反應(yīng)器的有效效容積為9L，進(jìn)排水均均為4L。2

結(jié)果果與討論2.1加加不同分子量量的殼聚糖對(duì)對(duì)廢水中有機(jī)機(jī)物(CODCr、NH3-N、BOD5)去除率的比比較由圖1、圖圖2和表1可看出，投投加不同分子子量的殼聚糖糖后，活性污污泥對(duì)CODCr、NH3-N及BOD5的去除率均均比空白樣高高約10%，其中以投投加大分子量量殼聚糖的污污泥處理效果果最好。由于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)水樣是采用用自配的模擬擬生活污水，可可生化性較好好，易降解，所所以在不投加加殼聚糖的情情況下，也能能達(dá)到較好的的處理效果。但但總的來說，殼殼聚糖的投加加會(huì)在普通活活性污泥法的的基礎(chǔ)上改善善出水水質(zhì)。表1

進(jìn)、出出水BOD5及其去除效效率項(xiàng)目運(yùn)行方式投加大分子量殼殼聚聚糖(31.2252萬)投加中分子量殼殼聚聚糖(22.3304萬)投加小分子量殼殼聚聚糖(6.56萬)空白進(jìn)水BOD5平平均值//mg·LL--1580出水BOD5平平均值//mg·LL--1出水BOD5去除效率/%1115194998.1097.4196.7291.552.2污污泥活性的比比較MLVSSS/MLSSS是一種最簡簡單的表征污污泥活性的方方法，它是考考察污泥混合合液中揮發(fā)性性組分與總固固體的比值。測測定MLVSS及MLSS，對(duì)比投加加不同分子量量殼聚糖后污污泥活性變化化的情況，實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖圖3。由圖3可看看出，投加殼殼聚糖后活性性污泥的有效效成分均低于于空白值，說說明殼聚糖的的投加對(duì)污泥泥活性不僅沒沒有促進(jìn)作用用，反而有一一定的抑制作作用。對(duì)比3種不同分子子量的殼聚糖糖，投加小分分子量殼聚糖糖后污泥的有有效成分略微微低于投加大大分子量和中中分子量的殼殼聚糖。2.2.22耗氧速率活性污泥微微生物在代謝謝有機(jī)物時(shí)最最顯著的特征征就是消耗水水中的溶解氧氧，因此通過過微生物耗氧氧速率的大小小可以間接反反映酶活性的的強(qiáng)弱，即反反映污泥活性性的強(qiáng)弱。在在相同的條件件下，取出各各生物反應(yīng)器器中的污泥混混合液，曝氣氣至飽和后測測定耗氧速率率，結(jié)果見圖圖4。圖4中各回回歸曲線斜率率的絕對(duì)值即即為耗氧速率率(mgO2/（L·min）)。從圖中可可看出，投加加殼聚糖后，混混合液的耗氧氧速率均小于于空白樣。這這間接地反映映出空白樣微微生物的酶活活性要高于投投加殼聚糖后后微生物的酶酶活性。說明明投加殼聚糖糖后會(huì)對(duì)污泥泥活性產(chǎn)生一一定的抑制作作用；對(duì)比3種不同分子子量殼聚糖可可發(fā)現(xiàn)，投加加小分子量殼殼聚糖后耗氧氧速率最小，其其微生物的酶酶活性最差，說說明投加小分分子量殼聚糖糖對(duì)污泥活性性抑制最為明明顯。2.2.33脫氫酶活性性廢水生物處處理的實(shí)質(zhì)，是是經(jīng)微生物所所產(chǎn)生的多種種酶催化的生生物氧化還原原反應(yīng)。在有有機(jī)物的氧化化過程中，脫脫氫酶則是氧氧化還原酶的的一種，是微微生物降解有有機(jī)污染物獲獲得能量的必必須酶，它催催化基質(zhì)脫氫氫反應(yīng)，并將將脫下來的氫氫傳遞給受氫氫體，同時(shí)為為細(xì)胞體提供供能量，它參參與從有機(jī)物物到分子氧化化的電子得失失的整個(gè)過程程，由活的生生物體所產(chǎn)生生。脫氫酶活活性的大小不不僅影響該途途徑進(jìn)行的程程度，而且還還直接表示生生物細(xì)胞對(duì)基基質(zhì)降解能力力的強(qiáng)弱，因因而成為廢水水生物處理中中一項(xiàng)考察污污泥活性的重重要指標(biāo)[111]。采用2，3，5－三苯基氯氯化四氮唑(簡稱TTC)為受氫體測測定各生物反反應(yīng)器內(nèi)污泥泥的脫氫酶活活性[12]]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果果見圖5。由圖5可以以看出，投加加殼聚糖后污污泥的脫氫酶酶活性明顯比比空白樣的脫脫氫酶活性差差。這是由于于殼聚糖游離離氨基的存在在，它在稀酸酸溶液中轉(zhuǎn)化化成正銨鹽，這這種銨鹽與微微生物帶負(fù)電電荷的原生質(zhì)質(zhì)接觸而破壞壞了它的細(xì)胞胞壁，從而殺殺滅細(xì)菌。上上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果果正說明了殼殼聚糖有抑菌菌作用，從而而抑制污泥的的脫氫酶活性性；對(duì)于投加加不同分子量量的殼聚糖，測測得的脫氫酶酶活性差別不不是十分明顯顯。投加小分分子量殼聚糖糖的脫氫酶活活性略微小于于大分子量和和中分子量的的殼聚糖。由圖3、44、5可看出，殼殼聚糖隨著分分子量的降低低抑菌性能增增強(qiáng)的規(guī)律，這這是因?yàn)榉肿幼恿吭叫。淦湓饺菀走M(jìn)入入細(xì)胞壁的空空隙結(jié)構(gòu)內(nèi)，與與帶負(fù)電荷的的細(xì)胞質(zhì)發(fā)生生作用，擾亂亂細(xì)胞正常代代謝，從而抑抑菌性越強(qiáng)。2.3污污泥絮凝沉降降性能和污泥泥容積指數(shù)的的比較2.3.11污泥絮凝沉沉降性能在相同的條條件下，測定定各生物反應(yīng)應(yīng)器內(nèi)污泥的的絮凝沉降性性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果見圖6。圖6表明，投投加殼聚糖后后，污泥的沉沉降壓實(shí)性能能比空白樣的的好。其原因因主要是：（1）殼聚糖分分子鏈上存在在大量的游離離氨基，能較較好地中和污污泥膠體顆粒粒的負(fù)電荷，使使污泥顆粒聚聚集絮凝；（2）殼聚糖分分子鏈上帶有有多種高活性性的吸附基團(tuán)團(tuán)，如羰基、氫氫氧根、氨基基等，它們能能通過范德華華力、氫鍵力力、配位鍵力力等物理化學(xué)學(xué)作用與污泥泥顆粒發(fā)生作作用，增強(qiáng)其其吸附絮凝能能力，不易破破碎；（3）殼聚糖能能發(fā)揮高分子子鏈的架橋作作用使污泥顆顆粒易于絮凝凝而沉淀。而而在3種不同分子子量殼聚糖中中，以投加大大分子量殼聚聚糖的污泥沉沉降性能最好好。因?yàn)樾》址肿恿繗ぞ厶翘怯捎诜肿渔滄溳^短，其帶帶有的吸附基基團(tuán)較少，所所以絮凝作用用沒有大分子子量的明顯，污污泥絮體結(jié)構(gòu)構(gòu)不如大分子子量的緊密。2.3.22污泥容積指指數(shù)(SVI30)在4套裝置置穩(wěn)定運(yùn)行狀狀態(tài)下，連續(xù)續(xù)不排泥，觀觀察污泥容積積指數(shù)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)測定結(jié)果見見表2。表2

各生物物反應(yīng)器內(nèi)SVI30值的比較較運(yùn)行天數(shù)/d運(yùn)行方式投加大分子量殼殼聚聚糖(31.2252萬)投加中分子量殼殼聚聚糖(22.3304萬)投加小分子量殼殼聚聚糖(6.56萬)空白樣(不投加加))1120.91105.87111.97121.212107.58106.26111.80126.333106.9797.97123.70156.984121.03109.98165.11188.365126.82118.51178.23187.84在不排泥期期間，各生物物反應(yīng)器內(nèi)污污泥的增長并并無較大的區(qū)區(qū)別，說明投投加殼聚糖對(duì)對(duì)污泥的增長長無明顯的促促進(jìn)作用。但但可看出，當(dāng)當(dāng)污泥濃度變變高時(shí)，普通通活性污泥的的SVI變高，甚至至超過180，污泥沉降降性能變差，污污泥開始膨脹脹，出水水質(zhì)質(zhì)變差。因此此，對(duì)于普通通活性污泥法法，不能通過過提高曝氣池池中污泥濃度度來提高處理理效率和處理理水量，否則則會(huì)發(fā)生污泥泥膨脹現(xiàn)象；；殼聚糖的投投加改善了污污泥凝聚沉降降性能。當(dāng)污污泥濃度變高高時(shí)，仍保持持較好的污泥泥沉降性能，SVI30低。同時(shí)時(shí)污泥濃度的的提高又降低低了污泥負(fù)荷荷，還可進(jìn)一一步改善污泥泥沉降性能，從從而可提高處處理水量和處處理效率；小小分子量殼聚聚糖由于分子子鏈較短，其其絮凝作用沒沒有大分子量量的明顯，污污泥絮體結(jié)構(gòu)構(gòu)不是非常緊緊密，當(dāng)達(dá)到到一定的污泥泥濃度時(shí)也有有污泥膨脹的的趨勢，但仍仍優(yōu)于普通活活性污泥，這這與圖6的結(jié)論也是是一致的。2.4污污泥結(jié)構(gòu)的比比較2.4.11污泥絮體形形態(tài)圖7大分子量殼殼聚糖的污泥泥絮體形態(tài)圖8中分子量殼殼聚糖的污泥泥絮體形態(tài)圖9小分子量殼殼聚糖的污泥泥絮體形態(tài)圖10不投加殼聚聚糖的污泥絮絮體形態(tài)從以上4幅幅圖中可看出出，污泥絮體體結(jié)構(gòu)有較大大區(qū)別：（1）投加殼聚聚糖后污泥絮絮體結(jié)構(gòu)要明明顯優(yōu)于空白白樣。空白樣樣的污泥絮體體分布較松散散，每個(gè)絮體體形狀較小，絮絮體與絮體之之間沒有連接接；而殼聚糖糖污泥的絮體體結(jié)構(gòu)緊密，絮絮凝物密實(shí)，菌菌膠團(tuán)形狀較較大，且能緊緊密地連接成成一個(gè)整體。這這說明投加殼殼聚糖有助于于細(xì)菌包覆成成粘性的團(tuán)塊塊，結(jié)合為緊緊密的菌膠團(tuán)團(tuán)絮體，使污污泥的結(jié)構(gòu)明明顯改善。（2）對(duì)于不同同分子量的殼殼聚糖，投加加大分子量殼殼聚糖的污泥泥絮體結(jié)構(gòu)最最為緊密，菌菌膠團(tuán)形狀最最大，且污泥泥顆粒之間結(jié)結(jié)合得最緊密密；中分子量量和小分子量量殼聚糖的絮絮體結(jié)構(gòu)略微微松散一些。這這說明殼聚糖糖的分子量對(duì)對(duì)污泥絮體結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響響，且分子量量越大，污泥泥結(jié)構(gòu)越好。這這是因?yàn)榉肿幼恿吭酱螅淦浞肿渔溇驮皆介L，帶有的的吸附基團(tuán)就就越多，絮凝凝能力就越強(qiáng)強(qiáng)。2.4.22毛細(xì)吸水時(shí)時(shí)間（CST）

污泥CSTT可作為衡量量污泥脫水性性能的指標(biāo)，其其實(shí)質(zhì)是污泥泥通過濾紙的的毛細(xì)作用從從一點(diǎn)滲透到到另一點(diǎn)所需需要的時(shí)間。CST值越小，即即其滲透的速速度越快，說說明污泥的脫脫水性能越好好。而污泥的的脫水性能可可以間接地反反映出污泥的的凝聚壓縮性性能，即反映映污泥絮體結(jié)結(jié)構(gòu)的好壞。測測定各生物反反應(yīng)器內(nèi)污泥泥的CST值，實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果見表3。表3

投加不不同殼聚糖與與空白CST值（秒）的的比較測定次數(shù)運(yùn)行方式投加大分子量殼殼聚聚糖（31.25萬）投加中分子量殼殼聚聚糖（22.30萬）投加小分子量殼殼聚聚糖（6.56萬）空白樣137384552242455248平均值39.541.548.550由表3可看看出，投加殼殼聚糖的污泥泥CST值均小于空空白樣，且污污泥脫水性能能由好到差依依次為投加大大分子量殼聚聚糖、中分子子量殼聚糖、小小分子量殼聚聚糖和空白樣樣。這從另一一個(gè)側(cè)面再次次驗(yàn)證了殼聚聚糖活性污泥泥的絮體結(jié)構(gòu)構(gòu)優(yōu)于普通活活性污泥，且且殼聚糖的分分子量越大，污污泥絮體結(jié)構(gòu)構(gòu)越好，這與與前面討論的的污泥沉降性性能部分所得得的結(jié)論也是是一致的。3

結(jié)

論（1）處理理效率對(duì)比實(shí)實(shí)驗(yàn)表明，投投加殼聚糖能能較好地提高高污泥對(duì)有機(jī)機(jī)污染物的處處理效率。而而在投加的3種不同分子子量殼聚糖中中，大分子量量殼聚糖的處處理效果最好好。（2）微生生物耗氧速率率和脫氫酶活活性的對(duì)比實(shí)實(shí)驗(yàn)表明，投投加殼聚糖會(huì)會(huì)在一定程度度上抑制污泥泥活性，而分分子量越小，抑抑制作用越強(qiáng)強(qiáng)。（3）污泥泥沉降性能和和污泥結(jié)構(gòu)的的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表表明，投加殼殼聚糖可以大大大提高污泥泥的沉降壓縮縮性能，并能能很好地改善善污泥絮體結(jié)結(jié)構(gòu)。而殼聚聚糖分子量越越大，污泥的的沉降壓縮性性能和絮體結(jié)結(jié)構(gòu)越好。（4）在活活性污泥法中中投加殼聚糖糖可以強(qiáng)化生生物作用，并并且應(yīng)選擇分分子量較大的的。參考文獻(xiàn)1

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