好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge,AGS)是微生物在好氧環(huán)境中自凝聚形成的一種形狀規(guī)則、結(jié)構(gòu)緊密的顆粒狀活性污泥。相比傳統(tǒng)好氧工藝,具有更好的沉降性能、污染物去除能力以及對(duì)金屬陽離子的吸附能力等,具有廣泛的應(yīng)用前景,而AGS的形成所需時(shí)間較長(zhǎng)是工程應(yīng)用的一大挑戰(zhàn),其造粒機(jī)理也成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。諸多研究表明,金屬陽離子對(duì)AGS造粒有明顯的影響,能夠加快污泥顆粒的形成,促進(jìn)胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)的分泌,改變活性污泥微生物結(jié)構(gòu)等。而AGS技術(shù)也已經(jīng)應(yīng)用于紡織、電鍍、皮革、電池制備、電器產(chǎn)生、采礦等各類含有金屬陽離子的廢水中,同時(shí)也取得了良好的處理效果。目前,針對(duì)具體種類金屬陽離子對(duì)好氧污泥造粒的影響已有相關(guān)研究,但缺少金屬陽離子對(duì)AGS影響的綜合分析。本文總結(jié)了常見金屬陽離子對(duì)AGS造粒及穩(wěn)定性的影響,分析了造粒機(jī)理以及微生物群落的變化情況,旨在為金屬陽離子加快AGS造粒以及對(duì)顆粒穩(wěn)定性影響提供理論依據(jù)。

1 金屬陽離子對(duì)造粒的影響

金屬陽離子通過影響靜電作用直接影響細(xì)菌黏附,在絮體污泥形成顆粒污泥上起著不可或缺的作用。不同的金屬陽離子呈不同價(jià)態(tài),對(duì)微生物附著有不同的影響。不同金屬陽離子參與顆粒污泥內(nèi)部生理生化作用也不同。如表1所示,歸納了幾種可以加快AGS形成的金屬陽離子,包括金屬陽離子的投加量、進(jìn)水水質(zhì)、接種污泥以及反應(yīng)器類型等。不同金屬陽離子在相同濃度條件下對(duì)絮體污泥的促進(jìn)作用不同,如Ca2+、Mg2+;相同的金屬陽離子,在不同濃度作用下,對(duì)絮體污泥造粒影響也有差異,如Zn2+、Mo6+;同一種金屬陽離子在不同價(jià)態(tài)時(shí),對(duì)絮體污泥造粒也有不一樣的影響作用,如Fe3O4、Fe2+、Fe3+。根據(jù)表1,許多金屬陽離子促進(jìn)污泥造粒的試驗(yàn)均在序批式反應(yīng)器(sequencing batch reactor,SBR)反應(yīng)器中進(jìn)行,SBR具有良好的抗沖擊負(fù)荷能力,大多數(shù)AGS都是在SBR中培養(yǎng)出來的。

1.1 常見的金屬陽離子(Ca2+、Mg2+)

Ca2+、Mg2+是最常見的影響好氧污泥造粒的金屬陽離子,且在污泥造粒中發(fā)揮的作用不同。在培養(yǎng)顆粒污泥過程中,添加Ca2+更有利于縮短活性污泥顆?；倪M(jìn)程,顆粒污泥結(jié)構(gòu)更緊密,形狀較為規(guī)則,并且粒徑也較大,具有更好的沉降性能,表現(xiàn)出更優(yōu)越的物理特性。另外,添加Ca2+形成的AGS中含有高含量的多糖(polysaccharide,PS),可以形成黏性顆粒。早有研究表明,添加Mg2+后AGS造粒更快且污泥更緊密、沉降性更好、胞外PS含量更高。劉倩倩研究Mg2+對(duì)AGS培養(yǎng)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),添加Mg2+能夠促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和PS的產(chǎn)生,但對(duì)蛋白質(zhì)(protein,PN)沒有明顯影響。關(guān)于Mg2+對(duì)EPS中PN和PS的影響,Sajjad等得出了不一樣的結(jié)論,添加Mg2+則獲得了高含量的PN,產(chǎn)生更致密的顆粒污泥。Mg2+的加入使得成熟污泥顆粒中微生物的群落更加豐富,底物的生物降解能力更強(qiáng),且對(duì)EPS的產(chǎn)生有更積極的影響?？傮w來說,不管是單獨(dú)添加Ca2+或者M(jìn)g2+都會(huì)促進(jìn)污泥的造粒過程,促進(jìn)PS和PN的增長(zhǎng)。在成熟的顆粒中,Ca2+主要分布在外圍,而Mg2+主要分布在內(nèi)部。添加Mg2+更有利于細(xì)胞核的形成,而添加Ca2+更有利于顆粒的生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。且在相同質(zhì)量濃度(40 mg/L)條件下,Ca2+比Mg2+促進(jìn)造粒的速度更快。

值得注意的是,雖然Ca2+、Mg2+已被證實(shí)可以促進(jìn)污泥造粒,但離子濃度對(duì)污泥造粒的影響也不可以忽視,濃度過高可能帶來負(fù)面效應(yīng)。Jiang等發(fā)現(xiàn),100 mg/L的Ca2+條件下培養(yǎng)的顆粒污泥形成時(shí)間比不加Ca2+縮短了16 d,100 mg/L的Ca2+加快了污泥顆粒的形成。但Ca2+濃度并非越高越好,過高會(huì)破壞顆粒內(nèi)部環(huán)境。顆粒內(nèi)Ca2+的含量隨外界Ca2+增加而增加,顆粒中溶解氧和基質(zhì)傳遞主要靠擴(kuò)散運(yùn)輸,傳質(zhì)阻力受到無機(jī)物含量的影響,過高的無機(jī)物容易破壞顆粒內(nèi)環(huán)境從而使得顆粒中心形成死區(qū),使顆粒難以形成。因此,Ca2+需控制在適宜濃度,才能更好維持顆粒污泥的穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn),10 mg/L的Mg2+比100 mg/L的Mg2+對(duì)污泥造粒促進(jìn)作用更加明顯,平均粒徑更大。Ca2+、Mg2+有助于豐富顆粒污泥的微生物多樣性,但高濃度的Ca2+、Mg2+可能會(huì)抑制微生物酶的活性,考慮對(duì)活性污泥的脫氫酶活性和比耗氧率等的影響,Mg2+質(zhì)量濃度在5～20 mg/L時(shí)對(duì)污泥活性有促進(jìn)作用。另外,大多數(shù)AGS造粒都是在試驗(yàn)規(guī)模中進(jìn)行的,使用真實(shí)廢水快速好氧造粒是反應(yīng)系統(tǒng)一大挑戰(zhàn)。在實(shí)際廢水處理中,Liu等使用養(yǎng)豬廢水迅速培養(yǎng)出具有優(yōu)異沉降性的AGS,其廢水中25.4 mg/L的Ca2+對(duì)好氧造粒起到了關(guān)鍵的促進(jìn)作用,Ca2+加速了微生物聚集。不同于先進(jìn)水再出水的常規(guī)選擇壓模式下的SBR,Barros等研究100 mg/L的Ca2+在同時(shí)進(jìn)水/出水低選擇壓模式下SBR對(duì)AGS形成的影響,結(jié)果表明,在這種低選擇壓模式(0.92 m/h)的情況下,Ca2+并不會(huì)加速顆粒的形成,如果Ca2+要促進(jìn)造粒,可能需要更高的選擇壓。目前,大部分研究都是模擬廢水中投入針對(duì)性的Ca2+、Mg2+進(jìn)行金屬陽離子對(duì)造粒影響的研究,對(duì)于含有大量Ca2+、Mg2+的實(shí)際廢水對(duì)污泥造粒影響還值得進(jìn)一步探討。

1.2 Fe、Fe2+、Fe3+

Fe在一定濃度下是微生物各種生化和生理功能所必需的營(yíng)養(yǎng)素,而較高濃度的Fe會(huì)抑制污泥活性,導(dǎo)致生物處理系統(tǒng)的故障。研究表明,Fe可以與PN或PS螯合,形成一種可以有效地?cái)y帶氧氣的輔酶,這種輔酶還可以刺激EPS的形成。因此,廢水中的含F(xiàn)e無機(jī)物顯然有利于微生物聚集的加速。添加納米零價(jià)鐵(nZVI)會(huì)影響EPS的含量。AGS分泌的松散型胞外聚合物(loosely bound extracellular polymeric substance,LB-EPS)與緊密型胞外聚合物(tightly bound extracellular polymeric substance,TB-EPS)含量隨 nZVI 投加量的增加呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的現(xiàn)象,TB-EPS的增加更有利于提高污泥的絮凝能力,相反,LB-EPS不利于生物絮凝、沉降及脫水。Agridiotis等研究發(fā)現(xiàn)30 mg/L的Fe2+有利于絲狀絮凝污泥轉(zhuǎn)化為致密結(jié)構(gòu),從而顯著提高污泥沉降性,有利于顆粒的形成。持續(xù)投加Fe2+更有利于生物質(zhì)的增長(zhǎng),除了能形成物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的AGS之外,還表現(xiàn)出對(duì)有機(jī)物和總磷更高去除率。Fe2+也能夠加速顆粒的形成,但EPS沒有明顯增加。此外,低質(zhì)量濃度(2 mg/L)的Fe2+更有利于AGS中污泥微生物附著。劉頭水在AGS晶核假說基礎(chǔ)上,以Fe(OH)3絮體作為造粒晶核培養(yǎng)AGS,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(3%、5%)的Fe(OH)3絮體可促進(jìn)污泥微生物活性,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(7%)則會(huì)抑制微生物活性。也有研究表明,Fe3+對(duì)AGS的形成并無促進(jìn)作用,但是能夠促進(jìn)顆粒污泥分泌EPS并影響污泥顆粒的形態(tài),低質(zhì)量濃度的Fe3+(1 mg/L)可增加微生物多樣性,高質(zhì)量濃度(10 mg/L)卻抑制污泥顆粒的產(chǎn)生。而磁鐵粉(Fe3O4)可以很好地促進(jìn)污泥造粒,形成較大顆粒,沉降性能更好。

1.3 常見的重金屬陽離子(Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr6+)

Cu2+、Zn2+、Pb2+作為常見的重金屬,其生物毒性大小順序?yàn)镻b2+>Cu2+>Zn2+,3種金屬離子的加入會(huì)使得AGS粒徑變小,其中Pb2+對(duì)污泥微生物的抑制作用最為明顯。Pb2+對(duì)微生物的毒性作用較大,目前沒有相關(guān)Pb2+可以促進(jìn)污泥造粒的報(bào)道。Cu作為微生物生長(zhǎng)必需的微量元素,低質(zhì)量濃度(0.5～3.0 mg/L)的Cu2+可提高AGS的沉降性能,進(jìn)水Cu2+質(zhì)量濃度的逐步上升(0～10 mg/L)導(dǎo)致顆粒污泥更致密,沉降性增強(qiáng)。值得注意的是,Cu2+會(huì)干擾微生物的正常代謝,導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化、PN損傷和酶活性抑制,從而對(duì)微生物有害,而Cu2+對(duì)顆粒污泥穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制尚不清楚。Wei等研究EPS與Zn2+之間的相互作用,表明了AGS可作為處理重金屬的有效生物吸附劑,是EPS-PN物質(zhì)與Zn2+結(jié)合起到了重要作用。肖蓬蓬在研究生活廢水處理中Zn2+對(duì)AGS形成的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),添加0～100 mg/L的Zn2+均可成功培養(yǎng)形成AGS。1～50 mg/L的Zn2+可以促進(jìn)顆粒形成,但當(dāng)質(zhì)量濃度大于100 mg/L時(shí),形成的顆粒不穩(wěn)定或不能形成顆粒。而Zheng等研究Zn2+對(duì)成熟AGS長(zhǎng)期影響時(shí)發(fā)現(xiàn),Zn2+會(huì)影響AGS反應(yīng)系統(tǒng)的污染物去除性能,Zn2+質(zhì)量濃度達(dá)到10 mg/L就會(huì)影響污泥形態(tài),使其結(jié)構(gòu)松散,污泥沉降性能下降,最終導(dǎo)致污泥濃度降低。Marques等也得出相似的結(jié)論,在Zn2+存在的情況下,COD、氮和磷的去除均受到負(fù)面影響。Cr和Cr3+是重要的微量元素,而Cr6+是致癌物,對(duì)人和其他動(dòng)物以及生態(tài)都造成危害。鄭曉英等研究不同質(zhì)量濃度(0、1、3、5、10 mg/L)Cr6+對(duì)AGS穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,AGS對(duì)3 mg/L以下的Cr6+具有良好的抵御機(jī)制,而5 mg/L以上Cr6+則嚴(yán)重威脅AGS的穩(wěn)定性,使其結(jié)構(gòu)趨于扁平化并逐漸解體。同時(shí),Cr6+也可被AGS中的微生物還原成毒性較小的Cr3+。Yang等考察了成熟藻類-細(xì)菌AGS對(duì)廢水中Cr6+的生物吸附效應(yīng),發(fā)現(xiàn)藻類-細(xì)菌AGS上負(fù)載的Cr主要位于微生物細(xì)胞和礦物顆粒中,或者不存在于EPS中。暫無研究表明Cr6+能促進(jìn)造粒,而Cr6+的加入甚至對(duì)成熟的AGS有一定的毒害作用。

1.4 其他重金屬陽離子(Mn2+、Mo6+、Cd2+、Ni2+)

Mn2+是細(xì)胞長(zhǎng)所需的微量元素,有助于微生物活動(dòng)。以葡萄糖作為唯一的碳源時(shí),低質(zhì)量濃度的Mn2+(10 mg/L)可以增強(qiáng)COD和氨氮的去除,并促進(jìn)細(xì)胞活性和增加微生物群落的多樣。在20 mg/L Mn2+存在下,造粒過程會(huì)受到輕微抑制,可歸因于接種污泥代謝不適應(yīng)高濃度重金屬的負(fù)面影響。此外,Mn2+還可以與AGS結(jié)合,形成Mn-AGS處理其他廢水,He等通過向AGS反應(yīng)器中投加了10～40 mg/L的Mn2+,40 d便形成了Mn-AGS。形成的Mn-AGS用以處理含As3+、Sb3+以及Cr6+的金屬?gòu)U水和有機(jī)廢水。Mo有+2、+4、+6價(jià)3個(gè)價(jià)態(tài),其氧化態(tài)非常容易發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn),1～10 mg/L的Mo6+促進(jìn)了AGS的形成,其中2.5 mg/L Mo6+的效果更為明顯,然而添加25 mg/L Mo6+形成的顆粒污泥不穩(wěn)定。當(dāng)Cd2+質(zhì)量濃度低于1 mg/L時(shí),對(duì)AGS的影響不大;但高于5 mg/L時(shí),對(duì)AGS有明顯的毒害作用;當(dāng)質(zhì)量濃度繼續(xù)增加至40 mg/L以上時(shí),顆粒污泥嚴(yán)重解體,出水水質(zhì)惡化,工藝穩(wěn)定性遭到破壞。Ni2+廣泛存在于采礦、冶煉、電鍍、印染等工業(yè)廢水中,其質(zhì)量濃度大多高于10 mg/L。而印染廢水中大量存在的Cu2+和Ni2+,其濃度較高時(shí)會(huì)使得AGS活性顯著下降。0～2 mg/L Ni2+可提高AGS活性,使污泥結(jié)構(gòu)更加緊實(shí),沉降性能更好,但質(zhì)量濃度過高(>5 mg/L)時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響污泥系統(tǒng),甚至完全抑制某些微生物的生長(zhǎng)。相比100 mg/L的Ca2+能促進(jìn)造粒,Ni2+超過5 mg/L就會(huì)影響污泥系統(tǒng),抑制微生物生長(zhǎng),這可能也跟金屬陽離子的性質(zhì)差異有關(guān),考慮到重金屬離子的較強(qiáng)毒性,許多學(xué)者在投加金屬陽離子促進(jìn)污泥造粒的試驗(yàn)中,更青睞于輕金屬陽離子(Ca2+、Mg2+)。

2 金屬陽離子對(duì)污泥造粒的影響機(jī)理

AGS的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程,由物理、化學(xué)和生物共同作用形成。關(guān)于好氧污泥顆?；倪^程,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究,但并無統(tǒng)一的顆粒化機(jī)理。金屬陽離子對(duì)造粒的影響是復(fù)雜的,對(duì)于金屬陽離子促進(jìn)造粒的機(jī)理也尚未統(tǒng)一。目前主要有以下2種被廣大學(xué)者認(rèn)可:(1)金屬陽離子誘導(dǎo)核假說;(2)金屬陽離子促進(jìn)EPS分泌。

2.1 金屬陽離子誘導(dǎo)核假說

該假說認(rèn)為污泥以進(jìn)水中的金屬離子形成無機(jī)鹽沉淀作為誘導(dǎo)核,微生物在誘導(dǎo)核上附著生長(zhǎng),最終形成了成熟的顆粒污泥,而誘導(dǎo)核的存在可以加快污泥好氧顆粒化的進(jìn)度,機(jī)理如圖1所示。有研究發(fā)現(xiàn),Ca2+分布在顆粒污泥中心,證實(shí)了該假說。Ca2+的陽離子架橋作用對(duì)AGS的成長(zhǎng)過程有非常重要的作用,Ca2+作為誘導(dǎo)核能夠加速微生物凝聚,同時(shí)在顆粒表面形成離子鍵以及EPS-PS,通過架橋作用促進(jìn)細(xì)菌凝聚形成顆粒。+2價(jià)和+3價(jià)離子(如Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+)還可以通過中和、吸附與帶負(fù)電荷的細(xì)胞結(jié)合以形成微生物核,促進(jìn)微生物聚集。因此,許多學(xué)者嘗試在反應(yīng)系統(tǒng)中投加金屬陽離子來加快污泥造粒速度。

2.2 金屬陽離子促進(jìn)EPS分泌

EPS是在一定環(huán)境條件下由微生物(主要是細(xì)菌)分泌于體外的一些高分子聚合物。EPS可以通過黏附單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞增強(qiáng)微生物聚集,并促進(jìn)聚集細(xì)胞形成顆粒。EPS與微生物細(xì)胞之間還可以通過離子橋接相互作用,疏水相互作用和聚合物纏結(jié)使細(xì)胞緊密結(jié)合來誘導(dǎo)細(xì)菌細(xì)胞的附著,從而增強(qiáng)和促進(jìn)微生物顆粒的形成。作為EPS的主要成分,PN與PS在促進(jìn)污泥造粒過程中有不一樣的作用,PN可以與帶正電荷的離子反應(yīng),以保護(hù)微生物免受惡劣環(huán)境的影響,且AGS造粒受PN影響比PS更大,在好氧顆粒的形成和穩(wěn)定中起著更重要的促進(jìn)作用,顆粒的最小沉降速度、疏水性、表面電荷均隨PN含量的增加而增大。而PS可改善顆粒內(nèi)部黏附性以固定微生物和有機(jī)質(zhì),防止生物質(zhì)流失,從而提高AGS的結(jié)構(gòu)剛性。PN、PS作為EPS的主要成分,顆粒PN/PS對(duì)AGS的穩(wěn)定性有很大的影響。顆粒PN/PS較高時(shí)能夠分泌更多的胞外蛋白,能更好維持顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高AGS的穩(wěn)定性。也有研究表明,PN/PS在2.3～4.5時(shí),AGS結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。金屬陽離子可以通過促進(jìn)EPS,特別是PN、PS的分泌從而達(dá)到促進(jìn)AGS形成的目的。由于EPS表面有許多官能團(tuán),包括-COO-、磷酸、-NH2和-OH等,EPS被認(rèn)為是顆粒污泥吸附重金屬的主要途徑之一,在維持AGS結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度方面起著重要作用。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),金屬陽離子的存在會(huì)對(duì)EPS產(chǎn)生影響,可以通過EPS橋接細(xì)胞表面上帶負(fù)電荷的基團(tuán)來促進(jìn)造粒過程。金屬陽離子與細(xì)菌表面PS上的負(fù)電荷基團(tuán)相結(jié)合,從而作為促進(jìn)細(xì)菌聚集的橋梁。此外,金屬陽離子(如Ca2+、Mg2+、K+和Zn2+等)還通過降低污泥表面EPS的帶電特性,誘導(dǎo)EPS生成,從而有助于顆粒間黏附,以形成粒徑較大的顆粒。不同濃度的金屬陽離子對(duì)EPS的影響也有所不同,顆粒污泥中相對(duì)較高濃度的EPS可以結(jié)合更多的金屬陽離子,同時(shí)可以降低金屬陽離子帶來的毒性。以Ca2+、Mg2+為例,金屬陽離子促進(jìn)EPS分泌的機(jī)制如圖2所示,金屬陽離子與羰基(-C=O-)、-COO-、-NH2、-OH等PN、PS基團(tuán)結(jié)合,促進(jìn)TB-EPS、LB-EPS分泌,從而達(dá)到促進(jìn)AGS造粒的目的。Mg2+與PN基團(tuán)有更強(qiáng)的相互作用,更容易與PN結(jié)合;而Ca2+通過與-OH、-NH2等基團(tuán)結(jié)合附著于PS上,它們與PS結(jié)合的阻力小于PN。LB-EPS包含更多的PS,TB-EPS含有更多的PN,這也是Ca2+分布在顆粒外圍,而Mg2+分布在顆粒內(nèi)部的主要原因。

其他金屬陽離子也有類似的作用機(jī)理,Fe2+可以作為橋接離子與EPS形成網(wǎng)絡(luò),也可以S2-結(jié)合形成沉淀物以吸收細(xì)胞。此外Al3+、Fe2+等離子也可與微生物或EPS中的負(fù)電基團(tuán)連接,在微生物間起到架橋作用,促進(jìn)微生物的聚集。在AGS反應(yīng)系統(tǒng)中,Cu2+質(zhì)量濃度在0～10 mg/L時(shí),PN水平上升了13.7%,而PS水平下降了22.3%。而有研究得出了不一樣的結(jié)論,添加Cu2+(4 mg/L)可使得EPS中PN與PS均增加。這可能是由于重金屬離子在不同的有機(jī)負(fù)荷條件對(duì)污泥的影響有差異,但總體上EPS是增加的。Mo6+也可促進(jìn)EPS-PN的分泌,在一定程度上,Mo6+的添加促進(jìn)了AGS的脫氫酶活性,使其對(duì)有機(jī)質(zhì)的利用得到提高。Mn2+由于對(duì)微生物具有一定的毒性作用,向反應(yīng)系統(tǒng)投加Mn2+會(huì)降低污泥造粒速度,刺激EPS分泌,導(dǎo)致酪氨酸樣蛋白、色氨酸樣蛋白和腐殖質(zhì)樣物質(zhì)增加。另外,對(duì)于成熟的AGS,Zn2+的介入會(huì)使得AGS中EPS中PS/PN增加,表明成熟的AGS對(duì)Zn2+有一定的承受能力。Ni2+作為某些水解酶的激活劑,適量Ni2+(0～2 mg/L)可提高相對(duì)應(yīng)的酶活性,刺激微生物產(chǎn)生更多的EPS,進(jìn)而提高成熟AGS的活性。不難看出,目前的研究已經(jīng)證實(shí)金屬陽離子可以通過影響EPS分泌,尤其是對(duì)PN、PS的影響,進(jìn)而影響AGS的形成。然而在實(shí)際工業(yè)廢水中,通常有多種陽離子共存,濃度范圍也較大,目前尚缺少此類實(shí)際廢水中陽離子對(duì)AGS長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響研究。

其他金屬陽離子也有類似的作用機(jī)理,Fe2+可以作為橋接離子與EPS形成網(wǎng)絡(luò),也可以S2-結(jié)合形成沉淀物以吸收細(xì)胞。此外Al3+、Fe2+等離子也可與微生物或EPS中的負(fù)電基團(tuán)連接,在微生物間起到架橋作用,促進(jìn)微生物的聚集。在AGS反應(yīng)系統(tǒng)中,Cu2+質(zhì)量濃度在0～10 mg/L時(shí),PN水平上升了13.7%,而PS水平下降了22.3%。而有研究得出了不一樣的結(jié)論,添加Cu2+(4 mg/L)可使得EPS中PN與PS均增加。這可能是由于重金屬離子在不同的有機(jī)負(fù)荷條件對(duì)污泥的影響有差異,但總體上EPS是增加的。Mo6+也可促進(jìn)EPS-PN的分泌,在一定程度上,Mo6+的添加促進(jìn)了AGS的脫氫酶活性,使其對(duì)有機(jī)質(zhì)的利用得到提高。Mn2+由于對(duì)微生物具有一定的毒性作用,向反應(yīng)系統(tǒng)投加Mn2+會(huì)降低污泥造粒速度,刺激EPS分泌,導(dǎo)致酪氨酸樣蛋白、色氨酸樣蛋白和腐殖質(zhì)樣物質(zhì)增加。另外,對(duì)于成熟的AGS,Zn2+的介入會(huì)使得AGS中EPS中PS/PN增加,表明成熟的AGS對(duì)Zn2+有一定的承受能力。Ni2+作為某些水解酶的激活劑,適量Ni2+(0～2 mg/L)可提高相對(duì)應(yīng)的酶活性,刺激微生物產(chǎn)生更多的EPS,進(jìn)而提高成熟AGS的活性。不難看出,目前的研究已經(jīng)證實(shí)金屬陽離子可以通過影響EPS分泌,尤其是對(duì)PN、PS的影響,進(jìn)而影響AGS的形成。然而在實(shí)際工業(yè)廢水中,通常有多種陽離子共存,濃度范圍也較大,目前尚缺少此類實(shí)際廢水中陽離子對(duì)AGS長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響研究。

其他金屬陽離子也有類似的作用機(jī)理,Fe2+可以作為橋接離子與EPS形成網(wǎng)絡(luò),也可以S2-結(jié)合形成沉淀物以吸收細(xì)胞。此外Al3+、Fe2+等離子也可與微生物或EPS中的負(fù)電基團(tuán)連接,在微生物間起到架橋作用,促進(jìn)微生物的聚集。在AGS反應(yīng)系統(tǒng)中,Cu2+質(zhì)量濃度在0～10 mg/L時(shí),PN水平上升了13.7%,而PS水平下降了22.3%。而有研究得出了不一樣的結(jié)論,添加Cu2+(4 mg/L)可使得EPS中PN與PS均增加。這可能是由于重金屬離子在不同的有機(jī)負(fù)荷條件對(duì)污泥的影響有差異,但總體上EPS是增加的。Mo6+也可促進(jìn)EPS-PN的分泌,在一定程度上,Mo6+的添加促進(jìn)了AGS的脫氫酶活性,使其對(duì)有機(jī)質(zhì)的利用得到提高。Mn2+由于對(duì)微生物具有一定的毒性作用,向反應(yīng)系統(tǒng)投加Mn2+會(huì)降低污泥造粒速度,刺激EPS分泌,導(dǎo)致酪氨酸樣蛋白、色氨酸樣蛋白和腐殖質(zhì)樣物質(zhì)增加。另外,對(duì)于成熟的AGS,Zn2+的介入會(huì)使得AGS中EPS中PS/PN增加,表明成熟的AGS對(duì)Zn2+有一定的承受能力。Ni2+作為某些水解酶的激活劑,適量Ni2+(0～2 mg/L)可提高相對(duì)應(yīng)的酶活性,刺激微生物產(chǎn)生更多的EPS,進(jìn)而提高成熟AGS的活性。不難看出,目前的研究已經(jīng)證實(shí)金屬陽離子可以通過影響EPS分泌,尤其是對(duì)PN、PS的影響,進(jìn)而影響AGS的形成。然而在實(shí)際工業(yè)廢水中,通常有多種陽離子共存,濃度范圍也較大,目前尚缺少此類實(shí)際廢水中陽離子對(duì)AGS長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響研究。

3 結(jié)語

大部分二價(jià)金屬陽離子可以促進(jìn)污泥造粒,如Ca2+、Mg2+、Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Ni2+等。10 mg/L的Mg2+、Cu2+就能有效促進(jìn)污泥造粒,Mn2+質(zhì)量濃度超過20 mg/L會(huì)抑制造粒過程,Fe2+質(zhì)量濃度達(dá)到30 mg/L也能促進(jìn)顆粒的形成,50 mg/L的Zn2+可以促進(jìn)顆粒污泥形成,但當(dāng)Zn2+質(zhì)量濃度大于100 mg/L時(shí)形成的顆粒不穩(wěn)定或不能形成顆粒。而Ca2+表現(xiàn)出更強(qiáng)的促進(jìn)造粒的能力,質(zhì)量濃度高達(dá)100 mg/L時(shí)也能有效加快污泥造粒。另外,低質(zhì)量濃度(小于2 mg/L)的Ni2+可提高AGS活性,超過5 mg/L后會(huì)嚴(yán)重影響污泥系統(tǒng),甚至完全抑制某些微生物的生長(zhǎng);而不常見的金屬陽離子Mo6+也能促進(jìn)了AGS的形成,但質(zhì)量濃度超過25 mg/L形成的顆粒污泥不穩(wěn)定。Pb2+、Cr6+、Cd2+暫未被證明可以促進(jìn)污泥造粒,甚至對(duì)成熟的AGS有一定的毒害作用。

金屬陽離子對(duì)AGS造粒的影響機(jī)理主要?dú)w結(jié)于2種可能:一方面,微生物以金屬陽離子(如Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+)為誘導(dǎo)核,微生物在核上附著生長(zhǎng),形成成熟的顆粒污泥,加快污泥顆?；倪M(jìn)度;另一方面,金屬陽離子會(huì)誘導(dǎo)微生物分泌EPS,使EPS-PN、EPS-PS含量發(fā)生變化,從而進(jìn)一步影響好氧污泥造粒。

目前,金屬陽離子對(duì)AGS造粒影響的研究主要以模擬廢水、投加單一離子等形式展開,針對(duì)實(shí)際工業(yè)廢水中的金屬?gòu)U水對(duì)AGS造粒影響的研究較少,也存在一定的挑戰(zhàn)。本文通過綜述常見的幾種金屬陽離子對(duì)AGS造粒的影響,旨在為研究金屬陽離子對(duì)造粒影響提供一定的參考,后續(xù)可重點(diǎn)關(guān)注實(shí)際污水中多種金屬陽離子共存對(duì)AGS造粒以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響。