金艷茹+胡晴+劉燁楠+胡錦程+吳帥+仉春華

摘 ? ?要：殼聚糖是由自然界廣泛存在的幾丁質(zhì)經(jīng)過(guò)脫乙酰作用得到的，被廣泛應(yīng)用在污水處理中。本文以活性污泥為研究對(duì)象，考察了不同濃度殼聚糖對(duì)活性污泥異養(yǎng)菌衰減系數(shù)（KdH）以及自養(yǎng)菌衰減系數(shù)（KdA）的影響。結(jié)果表明，殼聚糖對(duì)微生物的活性有一定的抑制作用，抑制作用的強(qiáng)弱受殼聚糖濃度的影響。與異養(yǎng)菌相比，殼聚糖對(duì)自養(yǎng)菌活性的抑制作用更明顯。

關(guān)鍵詞：殼聚糖;活性污泥;異養(yǎng)菌;自養(yǎng)菌

中圖分類號(hào)：S141.6 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.01.002

Impact of Chitosan on Heterotrophic Bacteria and Autotrophic Bacteria of Activated Sludge

JIN Yanru， HU Qing， LIU Yenan， HU Jincheng， WU Shuai， ZHANG Chunhua

（School of Environmental Science and Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian， Liaoning 116600， China）

Abstract： Chitosan is a natural chitin and widely used in wastewater treatment. Taking activated sludge as the research object， this paper examined impact of the different concentrations of chitosan on heterotrophic bacteria active sludge yield coefficient （YH）， attenuation coefficient （KdH） and autotrophic bacteria yield coefficient （YA）， attenuation coefficient （KdA）. The results showed that chitosan had a certain inhibition effect on YH ， KdH， YA and KdA four coefficients.

Key words：chitosan;activated sludge;autotrophic bacteria;heterotrophic bacteria

殼聚糖是由甲殼素脫乙?；苽涠桑置撘阴＜讱に?，是由氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖殘基通過(guò)1，4-β-糖苷鍵連接而成的高聚物，廣泛存在于甲殼類動(dòng)物及昆蟲(chóng)硬殼中[1-3]。殼聚糖是一種弱堿，不溶于水，溶于弱酸，存在著游離的氨基和羥基，在溶液中-NH2可質(zhì)子化為-NH3+的形式[4]。邵榮等[5]研究了殼聚糖對(duì)金黃色葡萄球菌的影響，結(jié)果顯示殼聚糖濃度越高，對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌效果越好;殼聚糖在pH值為6.0時(shí)能夠發(fā)揮最強(qiáng)的抗菌能力;殼聚糖溶于2%的醋酸溶液中，對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制效果最強(qiáng)。秦冰等人[6]研究了殼聚糖對(duì)微生物的影響以及殼聚糖處理廢水的效率，其研究結(jié)果表明，殼聚糖對(duì)微生物具有一定的抑制作用，但可以改善絮體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化沉降性能，提高污水處理的效率。根據(jù)本課題組先前的研究[7]，殼聚糖能導(dǎo)致活性污泥自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)減小，對(duì)異養(yǎng)菌的抑制作用明顯大于自養(yǎng)菌，對(duì)微生物的生長(zhǎng)具有一定的抑制作用。本研究將考察不同濃度殼聚糖對(duì)活性污泥中異養(yǎng)菌衰減系數(shù)（KdH）以及自養(yǎng)菌衰減系數(shù)（KdA）的影響，從微生物動(dòng)力學(xué)方面探討殼聚糖對(duì)微生物的抑制作用。

1 材料和方法

1.1 污泥的預(yù)處理

將取自污水處理廠的活性污泥800 mL置于混凝實(shí)驗(yàn)杯中，加入一定量的殼聚糖（濃度分別為10，15，20，25，30 mg·L-1），快速攪拌0.5 min，中速攪拌10 min，慢速攪拌10 min。再分別將加入殼聚糖的活性污泥用去離子水清洗3次，盡可能去除試驗(yàn)測(cè)定中的干擾物質(zhì)，備用。

1.2 耗氧速率的測(cè)定

待測(cè)污泥倒入BOD分析瓶中，置之于磁力攪拌器上將污泥混勻，曝氣，使污泥混合液的溶解氧（DO）達(dá)到 6 mg·L-1以上，停止充氣，密封，插入溶解氧測(cè)定儀，記錄DO值。測(cè)試結(jié)束后，測(cè)定污泥 MLVSS 并計(jì)算耗氧速率。試驗(yàn)過(guò)程溫度用恒溫水浴控制在（20±1） ℃。

1.3 異養(yǎng)菌衰減系數(shù)（KdH）和自養(yǎng)菌衰減系數(shù)（KdA）

異養(yǎng)菌衰減系數(shù)（KdH）和自養(yǎng)菌衰減系數(shù)（KdA）的測(cè)定見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

內(nèi)源呼吸狀態(tài)下有：

dX/dt = -KdX ? ? ? ?（1）

X= X0e-Kdt ? ? ? （2）

因此

vo=-dDO/dt =fvcKdX = fvcKdX0e-Kdt ? ? ? ?（3）

式（3）中：vo為內(nèi)源呼吸狀態(tài)下的耗氧速率，mg·（L·d） -1;fvc為單位質(zhì)量 VSS 被氧化的氧量，取1.42; Kd為衰減系數(shù)，d-1;X為試驗(yàn)污泥混合液的 MLVSS 值，mg·L-1; X0為試驗(yàn)污泥混合液的初始 MLVSS 值，mg·L-1。由式（3）可得

lnvo= ln（fvcKdX0）- Kdt ? ? ? ? ? ?（4）

以 lnvo和 t 作圖求斜率可得 Kd。

取上述2種污泥2 L連續(xù)曝氣7 d，每天取出200 mL污泥按1.2的方法記錄DO隨時(shí)間的變化值，測(cè)耗氧速率vo1，之后清洗3次，加入氯化銨（初始氮濃度為40 mg·L-1），按1.2的方法記錄DO隨時(shí)間的變化值，測(cè)耗氧速率vo2。由于污泥清洗過(guò)程可能導(dǎo)致少量污泥損失，需測(cè)定污泥清洗前后的 MLVSS，用于vo2的修正：

vo2修正值= vo2測(cè)定值×（MLVSS清洗前/ MLVSS清洗后）

內(nèi)源呼吸狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生少量氨氮，為抑制硝化反應(yīng)，分別在第1，3，5 天向污泥中加入一定濃度的丙烯基硫脲。

以 lnvo1和t作圖求KdH，以 ln（vo2修-vo1）和t作圖求KdA，單位均為d-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 KdH的變化

ln vo1隨時(shí)間t的變化如圖1所示。KdH隨殼聚糖濃度的變化如圖2（a）所示。

從圖1可以看出，lnvo1與時(shí)間t之間呈一定的線性關(guān)系，擬合方程的斜率即為異養(yǎng)菌衰減系數(shù)（KdH）。異養(yǎng)菌是污水處理工藝中主要的微生物種群，IWA推薦的活性污泥系統(tǒng)的異養(yǎng)菌衰減系數(shù)的典型值為0.24 d-1[9]。Rittmann等[10]以活性污泥作為研究對(duì)象獲得的衰減系數(shù)為0.254 4 d-1。由圖2（a）可以看出，活性污泥中加入殼聚糖后，異養(yǎng)菌衰減系數(shù)有較大的差異，說(shuō)明添加的殼聚糖濃度對(duì)異養(yǎng)菌衰減系數(shù)有明顯影響。殼聚糖濃度為10，15，20 mg·L-1時(shí)，KdH低于IWA的推薦值，說(shuō)明殼聚糖濃度對(duì)異養(yǎng)菌活性的抑制作用較小，異養(yǎng)菌能將殼聚糖作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行增殖等生理活動(dòng)。殼聚糖濃度為25，30 mg·L-1時(shí)，KdH大于IWA的推薦值。說(shuō)明殼聚糖對(duì)異養(yǎng)菌活性的抑制作用較大。張茹等[11]認(rèn)為隨著殼聚糖濃度的增大，抑菌效果增加，殼聚糖能在細(xì)胞外面形成一層致密的保護(hù)層，阻礙細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的吸收[12]，導(dǎo)致產(chǎn)率系數(shù)降低[7]，衰減系數(shù)增大。從圖2（a）還可以看出，殼聚糖濃度為20 mg·L-1時(shí)，KdH最小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IWA的推薦值。

2.2 KdA的變化

ln（vo2修-vo1）隨時(shí)間t的變化如圖3所示。KdA隨殼聚糖濃度的變化如圖2（b）所示。

從圖3可以看出，ln（vo2修-vo1）與時(shí)間t之間呈一定的線性關(guān)系，擬合方程的斜率即為自養(yǎng)菌衰減系數(shù)（KdA）。自養(yǎng)菌衰減系數(shù)均高于IWA推薦值。自養(yǎng)菌是直接利用無(wú)機(jī)物如空氣中的CO2及無(wú)機(jī)鹽作為碳源的一類微生物，與異養(yǎng)菌相比，自養(yǎng)菌在活性污泥中所占比例通常較小。由于自養(yǎng)菌不能將殼聚糖作為碳源利用，從營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的角度來(lái)說(shuō)殼聚糖濃度的大小應(yīng)對(duì)自養(yǎng)菌的繁殖沒(méi)有影響。從圖2（b）可以看出，除殼聚糖濃度20 mg·L-1外，其他殼聚糖濃度下的自養(yǎng)菌衰減系數(shù)均大于IWA推薦的典型值0.15 d-1[9]，這再一次表明殼聚糖對(duì)微生物活性有一定的抑制作用，殼聚糖濃度影響抑制作用的強(qiáng)弱。與異養(yǎng)菌的衰減系數(shù)相比，殼聚糖對(duì)自養(yǎng)菌活性的抑制作用明顯。

3 結(jié) 論

（1） 不同殼聚糖添加濃度下，活性污泥異養(yǎng)菌衰減系數(shù)和自養(yǎng)菌衰減系數(shù)的變化表明，殼聚糖對(duì)微生物的活性有一定的抑制作用，抑制作用的強(qiáng)弱受殼聚糖濃度的影響。

（2）與異養(yǎng)菌相比，殼聚糖對(duì)自養(yǎng)菌活性的抑制作用更明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蘇慶席， 蘇忠亮.殼聚糖抑菌活性的研究進(jìn)展[J].農(nóng)產(chǎn)品加工， 2015（1）：66-68.

[2] 楊薇. 殼聚糖及其應(yīng)用[J].農(nóng)技服務(wù)， 2009，26（3）：169-170.

[3] 潘虹， 趙濤. 殼聚糖改性及其在抗菌方面的應(yīng)用[J].紡織學(xué)報(bào)，2011，2（32）：96-101.

[4] SHEPHERD R， READER S， FALSHAW A. Chitosan functional properties [J]. Glycoconjugate Journal，1997（4）：535-542.

[5] 邵榮， 許琦， 余曉紅， 等.殼聚糖抗菌性能的研究[J].食品科學(xué)，2007，28（9）：121-124.

[6] 秦冰， 黃波濤， 陳東輝， 等.殼聚糖在活性污泥中的可生化性研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備， 2005， 6（10）：66-68.

[7] 劉曄楠， 胡晴， 金艷茹，等.殼聚糖對(duì)活性污泥YH和YA的影響[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2015，21（3）：82-85.

[8] 薛濤， 俞開(kāi)昌， 關(guān)晶，等. MBR 污水處理工藝中活性污泥動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定[J].環(huán)境科學(xué)，2011，32（4）：1027-1033.

[9] 國(guó)際水協(xié)廢水生物處理設(shè)計(jì)與運(yùn)行數(shù)學(xué)模型課題組. 活性污泥數(shù)學(xué)模型[M].張亞雷， 李詠梅，譯.上海： 同濟(jì)大學(xué)出版社， 2002.

[10] RITTMANN B E， MCCARTY P L. Evalution of steady-state biofilm kinetics[J].Biotechnology and Bioengineering，1980， 22： 2359-2373.

[11] 張茹，李金花，柴兆祥，等. 殼聚糖抑菌作用的研究[J].中國(guó)馬鈴薯，2009，23（6）：338-340.

[12] GHAOUTH A E， ARUL J， BENHAMOU N. Antifungal activity of chitosan on two post-harvest pathogen of strawberry fruits[J].Phytooath，1992，82：398-402.