CN110117078A - 一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，制作方法为：将正常状态下的污泥超声、离心后收集上清液，得到活性污泥的胞外组分；将乙酸乙酯加入到活性污泥的胞外组分中，涡旋混匀、静沉后收集上层有机相，再旋蒸至乙酸乙酯挥发殆尽后得到残留物A，即为第一信使分子AHLs；用水重悬浮离心后剩余的底泥，加入蛋白酶抑制剂后破碎细胞，得到活性污泥胞内组分，将提取剂加入到活性污泥胞内组分中，得到残留物B，即为第二信使分子c‑di‑GMP；用甲醇溶解残留物A和残留物B的混合物，得到丝状真菌膨胀抑制剂。本发明的抑制剂具有成本低、绿色环保、高效抑制丝状菌性污泥膨胀的优势。

Description

一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂及其使用方法

技术领域

本发明属于污水生物处理领域，具体涉及一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂及其使用方法。

背景技术

一、污泥膨胀的爆发与危害

污泥膨胀是活性污泥污水处理体系运行的异常情况。污泥膨胀表现为污泥絮体结构松散、沉降性能降低，从而严重的影响出水水质和污水处理工艺的正常运行。污泥膨胀一直是困扰废水处理工艺的全球性技术问题。据调查，美国、欧盟等发达地区每年分别有60％和50％的城市遭受着严重的污泥膨胀现象，同样，中国绝大部分的污水处理厂也存在不同程度的污泥膨胀，严重情况下每年约有1/4的时间污水处理工艺不能正常运行，造成重大的经济损失。其中，90％以上的污泥膨胀均属于丝状菌性污泥膨胀。丝状菌在活性污泥中具有“骨架”的作用，其对于维系污泥絮体结构的稳定性，保证污泥具有良好的沉降性起着至关重要的作用，然而，丝状菌的过度生长和繁殖会引发严重的丝状菌性污泥膨胀。活性污泥体系中，丝状菌的生长是一个动态的、复杂的过程，最初单细胞孢子发芽后长成基内菌丝，随后基内菌丝尖端和分叉生长，部分菌丝转化成气生菌丝，最后分裂成孢子进入下一生长周期。丝状菌由于具有“多细胞菌丝”特殊结构，增大了自身的比表面积，生存能力远强于菌胶团，当外界环境恶劣时，丝状菌迅速生长繁殖取代菌胶团。实际工程中外界环境及其复杂且波动较大，因此，污水处理过程中丝状菌性污泥膨胀的发生不可避免。目前，如何有效控制之丝状菌性污泥膨胀是全球污水处理厂普遍面临的技术难题。

群体感应(Quorum Sensing，QS)作为细菌之间最普遍的交流途径之一。QS细菌产生并释放化学信号分子，称为自体诱导物(Autoinducers，AIs)，其浓度随着细胞密度的增加而增加，当信号分子浓度达到阈值时，通过诱导整个微生物群落的基因表达和生理行为来适应外界环境的变化。目前，N-酰基高丝氨酸内脂(N-acyl-homoserine lactones，AHLs)作为革兰氏阴性菌中重要QS信号分子在水处理领域一直备受关注。研究发现污水处理工艺中环境因素的改变显著影响活性污泥中AHLs的分泌情况。进水pH为酸性条件时，活性污泥中C6-HSL、3-oxo-C6-HSL和C8-HSL的含量分别增加了58.3％、63.14％和66.84％；当进水有机负荷从12kg COD/m3d降低到4kg COD/m3d，活性污泥中C4-HSL和3-oxo-C6-HSL含量从37.08pmol/L和0.55pmol/L分别增加到91.78pmol/L和1.76pmol/L，而C6-HSL含量从4.49pmol/L降低到1.68pmol/L。由此可见，微生物细菌长期处于不利自身生长的状态，会释放更多的AHLs，来抵御外界环境胁迫。细菌和真菌之间能够通过“语言”——群体感应信号分子来调控自身行为，微生物之间存在着跨界胞间通讯行为，目前，针对真菌能够感知并响应细菌分泌的AHLs的研究成为焦点。研究发现，铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)与曲霉菌(Aspergillus fumigatus)共培养条件下，相比于野生型的铜绿假单胞菌，缺乏控制QS系统LasI/R的铜绿假单胞菌不能显著地抑制曲霉菌生物膜和菌丝的形成。铜绿假单胞菌分泌的3-oxo-C12-HSL具有独特能力，可以模仿法尼醇(Farnesol)的行为，通过结合Cyr1p中的法尼醇抑制位点，从而抑制白色念珠菌(Candida albicans)自身从酵母相到菌丝相的转换。与QS相关的第二信使分子环二鸟苷酸(c-di-GMP)能够控制链霉菌(Streptomycetes)基内菌丝向气生菌丝的转变，抑制气生菌丝形成孢子，阻断了丝状菌的繁殖。

传统抑制丝状菌污泥膨胀的方法是添加合成有机聚合物、无机混凝剂和絮凝剂，如铝盐、铁盐、滑石、氯和过氧化氢。然而，这种非特异性方法存在成本高、污泥量增加和干扰硝化作用等弊端，不总是行之有效。此外，特异性方法也逐渐被尝试，如添加大量和微量营养元素、安装选择器、或者根据优势菌丝和操作条件之间的关系，改变操作条件来限制优势丝状菌的生长。目前，大量诱发污泥膨胀的丝状细菌已经被成功识别，如Type 021N、微丝菌(Microthrix parvicella)和发硫细菌(Thiothrix)等，针对这些丝状细菌的生长特点，通过改变操作条件抑制丝状菌的生长。然而，这种特异性方法专一性强，只对某种丝状菌诱发的污泥膨胀起作用，其他情况下不够充分，尤其是针对丝状真菌性污泥膨胀抑制效果不明显。由于识别丝状真菌的局限性和难培养性，有关诱发膨胀污泥的丝状真菌的研究报道较少。低pH一直是诱发真菌丝状性污泥膨胀的特殊因素，然而，新进研究表明，低溶解氧浓度、低有机负荷率、氮限制和磷限制等条件下也容易诱发丝状真菌性污泥膨胀，丝状真菌性污泥膨胀的发生同样普遍和严重。然而，当污泥膨胀爆发时，通过调控操作条件以及环境因素等措施通常不能快速抑制污泥丝状菌膨胀。

发明内容

本发明的目的是提供一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，应用细菌分泌的第一信使分子AHLs和胞内第二信使分子c-di-GMP的协同作用制备丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，从微生物通讯响应行为上控制污泥膨胀，具有成本低、绿色环保、高效抑制丝状菌性污泥膨胀的优势。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，通过如下步骤制得：

(1)将没有发生膨胀的污泥超声、离心后收集上清液，得到活性污泥的胞外组分；

(2)将乙酸乙酯加入到活性污泥的胞外组分中，涡旋混匀、静沉后收集上层有机相，再旋蒸至乙酸乙酯挥发殆尽后得到残留物A，即为第一信使分子AHLs，再用甲醇复溶，氮吹存储-20℃备用；

(3)用水重悬浮步骤(1)中离心后剩余的底泥，加入蛋白酶抑制剂后破碎细胞，得到活性污泥胞内组分；

(4)乙腈：甲醇体积比为1：1制作提取剂，将提取剂加入到活性污泥胞内组分中，提取剂与活性污泥胞内组分体积比最后为4：1，4℃条件15000r/min下离心20min后收集上清液，旋蒸至溶液挥发殆尽得到残留物B，即为第二信使分子c-di-GMP，再用甲醇复溶，氮吹存储-20℃备用；

(5)用甲醇溶解残留物A和残留物B的混合物，得到丝状真菌膨胀抑制剂。

作为本发明更优的技术方案：所述的蛋白酶抑制剂为苯甲基磺酰氟和Cocktail(EDTA-Free，100×in DMSO)中的一种。

作为本发明更优的技术方案：所述的蛋白酶抑制剂为苯甲基磺酰氟，成本低，对胞内残留物A提取率高。

作为本发明更优的技术方案：步骤(1)所述的污泥浓度为5～15g/L。

作为本发明更优的技术方案：步骤(1)所述的超声条件为：4℃条件下，20Hz下超声10min，离心条件为：4℃条件下10000r/min离心15min。活性污泥中胞内信号分子的提取效率与细胞破碎程度有很大的相关性，细胞破碎效果越好，胞内信号分子的提取效率越高。本发明对超声强度和超声时间都进行了优化，既不会不损坏信号分子结构，又能够保证胞内信号分子大量溶出。

作为本发明更优的技术方案：步骤(2)所述的旋蒸温度为35摄氏度，复溶所用的甲醇与步骤(1)中的污泥的体积比为2：1。

作为本发明更优的技术方案：步骤(3)所述的重悬浮所用的去离子水与步骤(1)中的污泥的体积比为0.2：1。

作为本发明更优的技术方案：步骤(3)所述的浓度为1μg/mL蛋白酶抑制剂与步骤(1)中的污泥的体积比为0.05：200000。

作为本发明更优的技术方案：所述的步骤(4)为将乙腈：甲醇体积比为1：1制作提取剂，将提取剂加入到活性污泥胞内组分中，提取剂与活性污泥胞内组分体积比最后为4：1，4℃条件15000r/min下离心20min后收集上清液，旋蒸至溶液挥发殆尽得到残留物B，再用甲醇复溶，氮吹存储-20℃备用。

作为本发明更优的技术方案：步骤(4)所述的旋蒸温度为25摄氏度。

本发明还有一个目的是提供上述丝状真菌性污泥膨胀抑制剂的使用方法，将上述步骤制得的污泥膨胀抑制剂投加到污泥反应池中，所述的污泥膨胀抑制剂与反应池的有效体积比为1：100～500。

作为本发明更优的技术方案：所述的污泥膨胀抑制剂与反应池的有效体积比为1：250。

有益效果如下：

本发明应用细菌分泌的第一信使分子AHLs和胞内第二信使分子c-di-GMP的协同作用制备丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，以活性污泥作为提取信使分子来源，胞外分泌的第一信使分子和胞内第二信使均被提取，节省成本，操作简单，从污泥本身中提取信使分子制备抑制剂，回填到膨胀的污泥中，绿色环保、无二次污染。具有经济、高效的优势，从微生物通讯响应行为上控制污泥膨胀。

附图说明

图1是本发明的一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂制备方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明基于细菌-丝状真菌跨界胞间通讯理论提出了一种丝状菌性活性污泥抑制剂制备方法：一、提取细菌释放的第一信使AHLs信号分子：将正常状态下的污泥超声、离心后收集上清液，得到活性污泥的胞外组分；将乙酸乙酯加入到活性污泥的胞外组分中，涡旋混匀、静沉后收集上层有机相，再旋蒸至乙酸乙酯挥发殆尽后得到残留物A，再用甲醇复溶，氮吹存储-20℃备用；二、提取第二信使分子c-di-GMP：将离心后的底泥加入蛋白酶抑制剂后破碎细胞，得到活性污泥胞内组分，用乙腈：甲醇体积比为1：1制作提取剂，将提取剂加入到活性污泥胞内组分中，体积比最后为4：1，4℃条件15000r/min下离心20min后收集上清液，旋蒸至溶液挥发殆尽得到残留物B，再用甲醇复溶，氮吹存储-20℃备用；三、将用甲醇溶解残留物A和残留物B的混合物，得到丝状真菌膨胀抑制剂，通过二者的协同效应，高效、快速的抑制丝状菌的生长繁殖。

制备实施例1：制备丝状真菌膨胀抑制剂，步骤如图1所示；

(1)正常状态的活性污泥，污泥浓度5g/L，取2L污泥，4℃条件下，20Hz下超声10min，4℃条件下10000r/min离心15min，离心后收集上清液，得到活性污泥胞外组分；

(2)等量乙酸乙酯加入活性污泥的胞外组分中，涡旋混匀2h，静沉30min，收集上层有机相，35℃下旋蒸至乙酸乙酯挥发殆尽，4mL甲醇复溶残留物A，氮吹存储-20℃备用；

(3)200mL去离子水重悬浮离心后剩余的底泥，加入50μL浓度为1μg/mLFreeCocktail，利用破碎仪在声强度200W，3s开和3s关(冰水浴)破碎细胞20min，得到活性污泥胞内组分；

(4)配制乙腈：甲醇体积比为1：1制作提取剂，加入的提取剂和悬浮液的体积比最后为4：1，4℃条件15000r/min下离心20min，离心后收集上清液，25℃下旋蒸仪旋蒸至溶液挥发殆尽，4mL甲醇复溶残留物B，氮吹存储-20℃备用；

(5)现用现配，2mL甲醇同时溶解残留物A和残留物B，混合均匀，制成丝状真菌膨胀抑制剂。

制备实施例2：

本实施例和制备实施例1的区别在于：所述的污泥浓度为15g/L，所述的蛋白酶抑制剂为苯甲基磺酰氟。

制备实施例3：

本实施例和制备实施例1的区别在于：所述的污泥浓度为10g/L，所述的蛋白酶抑制剂为苯甲基磺酰氟。

在工程实际中5-15g/L的浓度范围是正常水平，污泥浓度超出这个范围会影响反应器正常运行。被提取信号分子的活性污泥浓度浓度越高，生物量越多，细菌释放的信号分子以及胞内的信号分子含量越高，对丝状真菌的抑制作用更加明显，有效控制丝状真菌性污泥膨胀。成本低，对胞内残留物A提取率高。提取胞内信号分子时蛋白酶抑制剂的加入。活性污泥中胞内信号分子提取过程中，对细胞进行破碎，同时导致胞内各种水解酶溶出，能够水解胞外信号分子，使其失活，抑制剂失效，因此，抑制剂苯甲基磺酰氟的加入，有效解决了抑制剂失效的问题。

应用实施例1：

连续运行的传统活性污泥反应器，反应池的有效体积为4L，二沉池有效体积为1L，污泥回流比为1：1，气水比为10：1，水力停留时间(HRT)及污泥停留时间(SRT)分别为6h及30d，日处理水量16L。生活污水进水化学需氧量(CODcr)为250～460mg/L，污泥浓度波动范围为2.5～3g/L，运行过程中SV30范围20～30％，SVI波动范围80～100mL/g，稳定运行20d后，由于进水pH降低到6，污泥发生严重的丝状真菌性膨胀现象，SVI达到180mL/g左右，出水悬浮物20mg/L。按照抑制剂与反应池有效体积比为1：500，投加制备实施例2中得到的丝状真菌性污泥膨胀抑制剂抑制剂7d后，SVI降低到90mL/g，出水悬浮物30mg/L，与未投加丝状真菌膨胀抑制剂的工况1相比，本实施例有效抑制了污泥丝状真菌膨胀。

应用实施例2：

本实施例中，所用CAS结构与实施例2相同。生活污水进水化学需氧量(CODcr)为360～500mg/L，污泥浓度波动范围为3～3.5g/L，运行过程中SV30范围20～30％，SVI波动范围70～85mL/g，稳定运行20d后，由于进水pH降低到5，污泥发生严重的丝状真菌性膨胀现象，SVI达到250mL/g左右，出水悬浮物15mg/L。按照抑制剂与反应池有效体积比为1：250，投加制备实施例2中得到的丝状真菌性污泥膨胀抑制剂抑制剂7d后，SVI降低到100mL/g，出水悬浮物25mg/L，与未投加丝状真菌膨胀抑制剂的工况1相比，本实施例显著抑制了污泥丝状真菌膨胀。

应用实施例3：

本实施例中，所用CAS结构与实施例2相同。生活污水进水化学需氧量(CODcr)为450～600mg/L，污泥浓度波动范围为4～5.5g/L，运行过程中SV30范围30～40％，SVI波动范围80～85mL/g，稳定运行20d后，由于进水pH降低到4.5，污泥发生严重的丝状真菌性膨胀现象，SVI达到300mL/g左右，出水悬浮物10mg/L。按照抑制剂与反应池有效体积比为1：500，投加制备实施例2中得到的丝状真菌性污泥膨胀抑制剂抑制剂7d后，SVI降低到100mL/g，出水悬浮物20mg/L，与未投加丝状真菌膨胀抑制剂的工况1相比，本实施例显著抑制了污泥丝状真菌膨胀。

应用实施例4：

本实施例中，所用CAS结构与实施例2相同。生活污水进水化学需氧量(CODcr)为450～600mg/L，污泥浓度波动范围为4～5.5g/L，运行过程中SV30范围30～40％，SVI波动范围80～85mL/g，稳定运行20d后，由于进水pH降低到4.5，污泥发生严重的丝状真菌性膨胀现象，SVI达到300mL/g左右，出水悬浮物10mg/L。按照抑制剂与反应池有效体积比为1：250，投加制备实施例1中得到的丝状真菌性污泥膨胀抑制剂抑制剂7d后，SVI降低到100mL/g，出水悬浮物20mg/L，与未投加丝状真菌膨胀抑制剂的工况1相比，本实施例显著抑制了污泥丝状真菌膨胀。

应用实施例5：

本实施例中，所用CAS结构与实施例2相同。生活污水进水化学需氧量(CODcr)为450～600mg/L，污泥浓度波动范围为4～5.5g/L，运行过程中SV30范围30～40％，SVI波动范围80～85mL/g，稳定运行20d后，由于进水pH降低到4.5，污泥发生严重的丝状真菌性膨胀现象，SVI达到300mL/g左右，出水悬浮物10mg/L。按照抑制剂与反应池有效体积比为1：100，投加制备实施例3中得到的丝状真菌性污泥膨胀抑制剂抑制剂7d后，SVI降低到110mL/g，出水悬浮物20mg/L，与未投加丝状真菌膨胀抑制剂的工况1相比，本实施例显著抑制了污泥丝状真菌膨胀。

综上所述：本发明提供的丝状真菌膨胀抑制剂的制备方法结合了胞内第二信使分子c-di-GMP的提取，与活性污泥胞外所有的信号分子，在胞内外细菌信号分子的共同作用下，利用跨界胞间通讯机制，抑制丝状真菌的生长和繁殖，从根本上控制丝状真菌性污泥膨胀。

Claims (10)

1.一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，其特征在于：通过如下步骤制得，

(1)将正常状态下的污泥超声、离心后收集上清液，得到活性污泥的胞外组分；

(2)将乙酸乙酯加入到活性污泥的胞外组分中，涡旋混匀、静沉后收集上层有机相，再旋蒸至乙酸乙酯挥发殆尽后得到残留物A，即为第一信使分子AHLs，再用甲醇复溶，氮吹存储备用；

(3)用水重悬浮步骤(1)中离心后剩余的底泥，加入蛋白酶抑制剂后破碎细胞，得到活性污泥胞内组分；

(4)将乙腈和甲醇混合制作提取剂，将提取剂加入到活性污泥胞内组分中，离心后收集上清液，旋蒸至溶液挥发殆尽得到残留物B，即为第二信使分子c-di-GMP，再用甲醇复溶，氮吹存储备用；

(5)用甲醇溶解残留物A和残留物B的混合物，得到丝状真菌膨胀抑制剂。

2.如权利要求1所述的一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，其特征在于：所述的蛋白酶抑制剂为苯甲基磺酰氟和Cocktail(EDTA-Free，100×in DMSO)中的一种。

3.如权利要求1所述的一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，其特征在于：所述的蛋白酶抑制剂为苯甲基磺酰氟。

4.如权利要求1所述的一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，其特征在于：步骤(1)所述的污泥浓度为5～15g/L。

5.如权利要求1所述的一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，其特征在于：步骤(1)所述的超声条件为：4℃条件下，20Hz下超声10min，离心条件为：4℃条件下10000r/min离心15min，氮吹存储温度为-20℃。

6.如权利要求1所述的一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，其特征在于：步骤(2)所述的旋蒸温度为35摄氏度，复溶所用的甲醇与步骤(1)中的污泥的体积比为2：1。

7.如权利要求1所述的一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，其特征在于：步骤(3)所述的重悬浮所用的去离子水与步骤(1)中的污泥的体积比为0.2：1。

8.如权利要求1所述的一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，其特征在于：步骤(3)所述的浓度为1μg/mL蛋白酶抑制剂与步骤(1)中的污泥的体积比为0.05：200000。

9.如权利要求1所述的一种丝状真菌性污泥膨胀抑制剂，其特征在于：所述的步骤(4)为将乙腈：甲醇体积比为1：1制作提取剂，将提取剂加入到活性污泥胞内组分中，提取剂与活性污泥胞内组分体积比最后为4：1，4℃条件15000r/min下离心20min后收集上清液，旋蒸至溶液挥发殆尽得到残留物B，再用甲醇复溶，氮吹存储-20℃备用，所述的旋蒸温度为25摄氏度。

10.一种所述的丝状真菌性污泥膨胀抑制剂的使用方法，将上述步骤制得的污泥膨胀抑制剂投加到污泥反应池中，所述的污泥膨胀抑制剂与反应池的有效体积比为1：100～500。