壳聚糖强化生物作用的机理

壳聚糖强化生物作用的机理研究

摘要：将不同分子量的壳聚糖投加于SBR生物反应器处理生活废水，通过比较处理效率、污泥活性、污泥结构等指标来探明壳聚糖强化活性污泥生物作用的机理。研究表明，壳聚糖虽对污泥活性有一定抑制作用，但能很好地改善污泥的絮体结构，从而提高活性污泥的处理效率，其中分子量越大的壳聚糖强化生物处理的效果越佳。

关键字：壳聚糖活性污泥分子量壳聚糖及其其衍生物在水水处理中有很很大的潜力和和应用前景。近近年来国内外外的报导主要要集中在吸附附和絮凝方面面[1～6]。也有报报道表明，壳壳聚糖是一种种很好的污泥泥调理剂，将将其用于活性性污泥法废水水处理，有助助于形成良好好的活性污泥泥菌胶团，并并能提高处理理效率[7～10]。但研研究其对活性性污泥中微生生物活性的影影响以及其强强化生物作用用的机理，国国内外均未见见有报导。本实验是在在不改变现有有设备及工艺艺流程的条件件下，在普通通活性污泥法法中投加不同同分子量的壳壳聚糖，通过过比较处理效效率、污泥活活性及污泥结结构等指标，研研究不同分子子量的壳聚糖糖对活性污泥泥处理效果的的影响，进一一步探索壳聚聚糖改善出水水效果，强化化生物作用的的机理，并选选出最佳的壳壳聚糖的类型型，为壳聚糖糖的进一步应应用提供了实实践指导和理理论基础。1

实验验方法和材料料1.1实实验材料壳聚糖：本本实验室由浙浙江玉环县化化工厂购得甲甲壳素，再自自制成一系列列脱乙酰度69%的壳聚糖，分分子量分别为为6.56万、22.30万、31.25万(根据Mark--Houmiink方程：，用乌乌氏粘度计测测定表面粘度度后计算得到到)。活性污泥：：取自天山污污水净化厂曝曝气池中的污污泥，驯化两两周。实验水样：：采用自配的的模拟生活污污水，含有碳碳、氮、磷及及多种微量元元素。1.2实实验方法本实验采用用模拟SBR法。在4套相同的装装置中分别投投加3种不同分子子量的壳聚糖糖，另一个不不投加作空白白来处理同一一模拟生活废废水，进行平平行对照实验验。按照壳聚聚糖调理污泥泥的最佳投量量，一般为总总固体含量的的0.5%～1.5%[99]。实验运运行中根据排排泥排水量适适量补充壳聚聚糖。采用限限制性曝气，每每天运行4个周期，每每个周期6h，其中进水水时间0.75h，曝气反应应时间3.75h，沉淀时间0.75h，排水闲置置时间0.75h。实验运行行时各反应器器内污泥浓度度均保持在3～4g/L，pH保持在7.0左右，溶解解氧保持在3～4mg//L。各生物反反应器的有效效容积为9L，进排水均均为4L。2

结果果与讨论2.1加加不同分子量量的壳聚糖对对废水中有机机物(CODCr、NH3-N、BOD5)去除率的比比较由图1、图图2和表1可看出，投投加不同分子子量的壳聚糖糖后，活性污污泥对CODCr、NH3-N及BOD5的去除率均均比空白样高高约10%，其中以投投加大分子量量壳聚糖的污污泥处理效果果最好。由于实验验水样是采用用自配的模拟拟生活污水，可可生化性较好好，易降解，所所以在不投加加壳聚糖的情情况下，也能能达到较好的的处理效果。但但总的来说，壳壳聚糖的投加加会在普通活活性污泥法的的基础上改善善出水水质。表1

进、出出水BOD5及其去除效效率项目运行方式投加大分子量壳壳聚聚糖(31.2252万)投加中分子量壳壳聚聚糖(22.3304万)投加小分子量壳壳聚聚糖(6.56万)空白进水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污污泥活性的比比较MLVSSS/MLSSS是一种最简简单的表征污污泥活性的方方法，它是考考察污泥混合合液中挥发性性组分与总固固体的比值。测测定MLVSS及MLSS，对比投加加不同分子量量壳聚糖后污污泥活性变化化的情况，实实验结果见图图3。由图3可看看出，投加壳壳聚糖后活性性污泥的有效效成分均低于于空白值，说说明壳聚糖的的投加对污泥泥活性不仅没没有促进作用用，反而有一一定的抑制作作用。对比3种不同分子子量的壳聚糖糖，投加小分分子量壳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壳壳聚糖。2.2.22耗氧速率活性污泥微微生物在代谢谢有机物时最最显著的特征征就是消耗水水中的溶解氧氧，因此通过过微生物耗氧氧速率的大小小可以间接反反映酶活性的的强弱，即反反映污泥活性性的强弱。在在相同的条件件下，取出各各生物反应器器中的污泥混混合液，曝气气至饱和后测测定耗氧速率率，结果见图图4。图4中各回回归曲线斜率率的绝对值即即为耗氧速率率(mgO2/（L·min）)。从图中可可看出，投加加壳聚糖后，混混合液的耗氧氧速率均小于于空白样。这这间接地反映映出空白样微微生物的酶活活性要高于投投加壳聚糖后后微生物的酶酶活性。说明明投加壳聚糖糖后会对污泥泥活性产生一一定的抑制作作用；对比3种不同分子子量壳聚糖可可发现，投加加小分子量壳壳聚糖后耗氧氧速率最小，其其微生物的酶酶活性最差，说说明投加小分分子量壳聚糖糖对污泥活性性抑制最为明明显。2.2.33脱氢酶活性性废水生物处处理的实质，是是经微生物所所产生的多种种酶催化的生生物氧化还原原反应。在有有机物的氧化化过程中，脱脱氢酶则是氧氧化还原酶的的一种，是微微生物降解有有机污染物获获得能量的必必须酶，它催催化基质脱氢氢反应，并将将脱下来的氢氢传递给受氢氢体，同时为为细胞体提供供能量，它参参与从有机物物到分子氧化化的电子得失失的整个过程程，由活的生生物体所产生生。脱氢酶活活性的大小不不仅影响该途途径进行的程程度，而且还还直接表示生生物细胞对基基质降解能力力的强弱，因因而成为废水水生物处理中中一项考察污污泥活性的重重要指标[111]。采用2，3，5－三苯基氯氯化四氮唑(简称TTC)为受氢体测测定各生物反反应器内污泥泥的脱氢酶活活性[12]]，实验结果果见图5。由图5可以以看出，投加加壳聚糖后污污泥的脱氢酶酶活性明显比比空白样的脱脱氢酶活性差差。这是由于于壳聚糖游离离氨基的存在在，它在稀酸酸溶液中转化化成正铵盐，这这种铵盐与微微生物带负电电荷的原生质质接触而破坏坏了它的细胞胞壁，从而杀杀灭细菌。上上述实验结果果正说明了壳壳聚糖有抑菌菌作用，从而而抑制污泥的的脱氢酶活性性；对于投加加不同分子量量的壳聚糖，测测得的脱氢酶酶活性差别不不是十分明显显。投加小分分子量壳聚糖糖的脱氢酶活活性略微小于于大分子量和和中分子量的的壳聚糖。由图3、44、5可看出，壳壳聚糖随着分分子量的降低低抑菌性能增增强的规律，这这是因为分子子量越小，其其越容易进入入细胞壁的空空隙结构内，与与带负电荷的的细胞质发生生作用，扰乱乱细胞正常代代谢，从而抑抑菌性越强。2.3污污泥絮凝沉降降性能和污泥泥容积指数的的比较2.3.11污泥絮凝沉沉降性能在相同的条条件下，测定定各生物反应应器内污泥的的絮凝沉降性性能，实验结结果见图6。图6表明，投投加壳聚糖后后，污泥的沉沉降压实性能能比空白样的的好。其原因因主要是：（1）壳聚糖分分子链上存在在大量的游离离氨基，能较较好地中和污污泥胶体颗粒粒的负电荷，使使污泥颗粒聚聚集絮凝；（2）壳聚糖分分子链上带有有多种高活性性的吸附基团团，如羰基、氢氢氧根、氨基基等，它们能能通过范德华华力、氢键力力、配位键力力等物理化学学作用与污泥泥颗粒发生作作用，增强其其吸附絮凝能能力，不易破破碎；（3）壳聚糖能能发挥高分子子链的架桥作作用使污泥颗颗粒易于絮凝凝而沉淀。而而在3种不同分子子量壳聚糖中中，以投加大大分子量壳聚聚糖的污泥沉沉降性能最好好。因为小分分子量壳聚糖糖由于分子链链较短，其带带有的吸附基基团较少，所所以絮凝作用用没有大分子子量的明显，污污泥絮体结构构不如大分子子量的紧密。2.3.22污泥容积指指数(SVI30)在4套装置置稳定运行状状态下，连续续不排泥，观观察污泥容积积指数，实验验测定结果见见表2。表2

各生物物反应器内SVI30值的比较较运行天数/d运行方式投加大分子量壳壳聚聚糖(31.2252万)投加中分子量壳壳聚聚糖(22.3304万)投加小分子量壳壳聚聚糖(6.56万)空白样(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在不排泥期期间，各生物物反应器内污污泥的增长并并无较大的区区别，说明投投加壳聚糖对对污泥的增长长无明显的促促进作用。但但可看出，当当污泥浓度变变高时，普通通活性污泥的的SVI变高，甚至至超过180，污泥沉降降性能变差，污污泥开始膨胀胀，出水水质质变差。因此此，对于普通通活性污泥法法，不能通过过提高曝气池池中污泥浓度度来提高处理理效率和处理理水量，否则则会发生污泥泥膨胀现象；；壳聚糖的投投加改善了污污泥凝聚沉降降性能。当污污泥浓度变高高时，仍保持持较好的污泥泥沉降性能，SVI30低。同时时污泥浓度的的提高又降低低了污泥负荷荷，还可进一一步改善污泥泥沉降性能，从从而可提高处处理水量和处处理效率；小小分子量壳聚聚糖由于分子子链较短，其其絮凝作用没没有大分子量量的明显，污污泥絮体结构构不是非常紧紧密，当达到到一定的污泥泥浓度时也有有污泥膨胀的的趋势，但仍仍优于普通活活性污泥，这这与图6的结论也是是一致的。2.4污污泥结构的比比较2.4.11污泥絮体形形态图7大分子量壳壳聚糖的污泥泥絮体形态图8中分子量壳壳聚糖的污泥泥絮体形态图9小分子量壳壳聚糖的污泥泥絮体形态图10不投加壳聚聚糖的污泥絮絮体形态从以上4幅幅图中可看出出，污泥絮体体结构有较大大区别：（1）投加壳聚聚糖后污泥絮絮体结构要明明显优于空白白样。空白样样的污泥絮体体分布较松散散，每个絮体体形状较小，絮絮体与絮体之之间没有连接接；而壳聚糖糖污泥的絮体体结构紧密，絮絮凝物密实，菌菌胶团形状较较大，且能紧紧密地连接成成一个整体。这这说明投加壳壳聚糖有助于于细菌包覆成成粘性的团块块，结合为紧紧密的菌胶团团絮体，使污污泥的结构明明显改善。（2）对于不同同分子量的壳壳聚糖，投加加大分子量壳壳聚糖的污泥泥絮体结构最最为紧密，菌菌胶团形状最最大，且污泥泥颗粒之间结结合得最紧密密；中分子量量和小分子量量壳聚糖的絮絮体结构略微微松散一些。这这说明壳聚糖糖的分子量对对污泥絮体结结构产生影响响，且分子量量越大，污泥泥结构越好。这这是因为分子子量越大，其其分子链就越越长，带有的的吸附基团就就越多，絮凝凝能力就越强强。2.4.22毛细吸水时时间（CST）

污泥CSTT可作为衡量量污泥脱水性性能的指标，其其实质是污泥泥通过滤纸的的毛细作用从从一点渗透到到另一点所需需要的时间。CST值越小，即即其渗透的速速度越快，说说明污泥的脱脱水性能越好好。而污泥的的脱水性能可可以间接地反反映出污泥的的凝聚压缩性性能，即反映映污泥絮体结结构的好坏。测测定各生物反反应器内污泥泥的CST值，实验结结果见表3。表3

投加不不同壳聚糖与与空白CST值（秒）的的比较测定次数运行方式投加大分子量壳壳聚聚糖（31.25万）投加中分子量壳壳聚聚糖（22.30万）投加小分子量壳壳聚聚糖（6.56万）空白样137384552242455248平均值39.541.548.550由表3可看看出，投加壳壳聚糖的污泥泥CST值均小于空空白样，且污污泥脱水性能能由好到差依依次为投加大大分子量壳聚聚糖、中分子子量壳聚糖、小小分子量壳聚聚糖和空白样样。这从另一一个侧面再次次验证了壳聚聚糖活性污泥泥的絮体结构构优于普通活活性污泥，且且壳聚糖的分分子量越大，污污泥絮体结构构越好，这与与前面讨论的的污泥沉降性性能部分所得得的结论也是是一致的。3

结

论（1）处理理效率对比实实验表明，投投加壳聚糖能能较好地提高高污泥对有机机污染物的处处理效率。而而在投加的3种不同分子子量壳聚糖中中，大分子量量壳聚糖的处处理效果最好好。（2）微生生物耗氧速率率和脱氢酶活活性的对比实实验表明，投投加壳聚糖会会在一定程度度上抑制污泥泥活性，而分分子量越小，抑抑制作用越强强。（3）污泥泥沉降性能和和污泥结构的的对比实验表表明，投加壳壳聚糖可以大大大提高污泥泥的沉降压缩缩性能，并能能很好地改善善污泥絮体结结构。而壳聚聚糖分子量越越大，污泥的的沉降压缩性性能和絮体结结构越好。（4）在活活性污泥法中中投加壳聚糖糖可以强化生生物作用，并并且应选择分分子量较大的的。参考文献1

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