重慶純水設備解讀：活性炭吸附過濾池方式有效去除SMP避免SMP生物毒性發生
【重慶水處理設備網http://xqccscq.com/】前言
污水經生物處置后的出水中難免存在一些難降解溶解性有機物（DOM其中，除原水帶進的未能降解的天然有機物（NOM和人工合成有機物（SOC外，還有一局部源于活性污泥微生物代謝過程中釋放的溶解性微生物代謝產物（SMP其含量一般占進水COD含量的2%~20%并主要由多糖、類蛋白質、類腐殖酸等組成。SMP分子質量分布廣泛，多處于1ku以下或10ku以上范圍（以生活污水為底物時）對SMP研究起源于其對MBR膜污染產生的作用；近20年研究發現，SMP也可能對微生物和水環境發生其他一些潛在影響。
保守認識中僅將出水殘留溶解性COD歸咎于外源CODNOM與SOC而對內源SMP往往缺乏認識。因SMP自身具有特殊理化性質而又不能簡單從COD數值中反映出來，這就勢必影響出水COD排放規范的制定。為此，綜述SMP發生與化學成分，并根據SMP含量的環境與工藝因素提出防控措施，探討SMP對制定出水標準的影響。
1SMP發生與組成
1.1SMP發生
根據統一代謝模型，SMP可劃分為外源底物利用相關中間產物（UA P和EPS水解產物（BA P實現細胞間信息交流的信號物質）因此，外源有機底物被微生物利用后存在3種去向：1直接被分解代謝（外源有機底物完全被氧化為CO2和H2O后產能；2形成UA P3合成細胞并形成EPS及BA P
此外，也有穩態和有機/水力負荷沖擊條件下的厭氧SMP模型認為BA P應包括GBA P和EBA P以及細胞裂解所釋放的溶解性胞內物質。按嚴格定義而不考慮簡化模型，細胞裂解產物確實應屬于SMP范疇。所以，UA PBA P以及細胞裂解產物均可歸結為SMP未能在內源過程被完全消耗的這些SMP會呈現在出水COD中，一種內源產生的難以降解的有機物。圖1為SMP與EPS關系。 重慶純水設備
另外，UA PGBA PEBA P三種產物存在不同生成與消耗速率，UA P生成速率較快，易生物降解外源底物消耗殆盡后達到峰值；BA P生成速率較慢，底物匱乏階段進行積累，最高時可占到總SMP95%其中EBA P為BA P主要成分。
出水中內源代謝有機物發生與影響
圖1SMP與EPS關系描述與概括
1.2化學成分
實際污水處置廠出水COD中SMP成分非常復雜，現有研究并未建立起SMP成分規范分析方法，主要根據有機物親、疏水性與分子質量大小進行劃分，可歸納為圖2所列的宏觀分類與表征方法。
出水中內源代謝有機物發生與影響
圖2SMP宏觀分類與表征方法歸納
目前大部分研究分析得到SMP成分都比較籠統：小分子質量SMP通常由親水性羧基、羥基和氨基構成；大分子質量SMP主要包括多糖、腐殖質和細胞裂解物。表1顯示了不同處置工藝出水中存在主要小分子SMP成分含量。可以看出，小分子SMP成分與其光學性質分析結果并不匹配。厭氧/好氧環境下形成的SMP成分具有一定的相似性，主要包括烷烴、烯烴、芳香族化合物、醇類和酯類；微生物代謝短鏈有機底物時也會形成長鏈烷烴、烯烴和酯類SMP
表1不同處置工藝出水COD中小分子SMP主要成分
出水中內源代謝有機物發生與影響
2SMP含量與特性
2.1出水中SMP含量
SMP局部官能團的化學結構與NOM和SOC相同，導致無法對實際出水中SMP進行單獨檢測。目前，還沒有將出水中SMP與其他DOM分開的準確定量分析方法，主要是通過進出水光學特性、分子質量變化來判斷SMP出水中的相對含量與理化性質。
美國東北部一個污水處置廠生物處置出水中SMP比外源性NOM有著更高的類蛋白質含量和更低的類腐殖質酸，出現出更強的熒光特性。另外有實驗利用同一SBR裝置，用社區原污水與同等COD濃度的葡萄糖配水進行對比，發現原污水實驗出水中SMP只占出水DOM45%原污水經過生物處置后具有較高的SUVA UV245/DOC值；樣品分析中三維熒光（EMM所顯示的出水中DOM成分相對含量見表2因慣例生物處置難以降解NOM和SOC故出水中DOM主要受SMP含量影響，實際污水處置廠出水DOM中SMP否為主要成分還需要實驗分析獲得。重慶實驗室純水設備
表2某實驗SBR裝置出水中不同組分DOM含量
出水中內源代謝有機物發生與影響
2.2影響SMP含量因素
不同工藝運行參數對微生物系統代謝過程會發生不同影響，進而影響到出水SMP含量。表3為局部影響出水SMP含量的因素。
表3影響SMP主要因素
出水中內源代謝有機物發生與影響
研究發現，微生物種群對SMP含量與組分影響不大，環境因素在SMP增多過程中起主要作用。高滲透壓、低濃度重金屬的存在并不會對SMP分子質量大小與化學組分造成太大影響，且市政污水處置廠運行過程中pH與溫度變化不大。因此影響出水SMP含量的主要因素應該是進水水質動搖和工藝運行條件的變化。
2.3生物降解性
微生物內源代謝階段可利用SMP以維持細胞正常代謝活動。但微生物利用SMP速率通常不及其釋放速率，導致SMP累積。其中來源于EPS水解的BA P占據了主要成分。但從廣義組分來看，主要成分為類蛋白質和多糖的小分子UA P比主要成分為類腐殖酸、富里酸的大分子BA PMW>10ku容易降解，BA PBOD5/COD比值僅為2.8%~14%所以，出水殘留COD中SMP成分大多是生物難降解的有機組分。
研究發現，微生物量、重慶純水設備初始底物狀態和微生物對底物組成變化的適應性可能決定了SMP成分的可降解性。當微生物經歷初始底物馴化后進入底物匱乏階段時，會主動利用易降解的UA P和可降解的BA P此時并不會伴隨新的SMP釋放。環境適應力較好的生物脫氮系統中，好氧環境下部分UA P也會因外源底物逐漸消耗而被異養細菌利用；當初始底物消耗殆盡時，缺氧環境下剩余UA P仍可參與反硝化脫氮，分子質量<100kuBA P也有“機會”被生物降解，難生物降解的溶解性COD中有21.8%可被異養菌利用，對出水TN去除提升可達24.6%從化學組分來看，可被降解的SMP包括類酪氨酸蛋白質、類色氨酸蛋白質和類富里酸，其中，類色氨酸蛋白質是參與脫氮的主要SMP有機負荷較低的厭氧環境同樣有利于微生物對SMP降解，產甲烷菌古菌可以將60%左右的來源于產酸菌的SMP用于產甲烷過程。
3SMP環境影響及其控制
3.1生物毒性
早期研究發現，污水處置廠二級出水較原污水致沙門氏菌/微粒體細菌突變性增強。有利環境因素（高氨氮、高鹽度、重金屬）一定水平上會增加SMP致細菌的突變型，同時，SMP經加氯消毒后的致突變性最高可提高3倍。微生物可釋放糖類有毒芳香族化合物，如鄰苯二甲酸酯。SMP也會抑制某些細菌代謝活動（如，A/O工藝中厭氧段PA O對于VFA 攝取以及好氧段硝化細菌的硝化反應）但這種影響很微弱。
3.2對天然水體的影響
從污水處置廠流出的SMP進入天然水體并不會對溶解氧（DO造成影響，但隨時間推移（>15dSMP化學結構發生變化，如圖3所示。光照可破壞類腐殖酸物質的碳骨架和官能團，接受48h光照的SMP加氯消毒后會形成更多的三鹵甲烷（THM和三氯硝基甲烷（TCNM對UV吸收強的芳香基團和不同供電基團（例如羥基、酚基）類腐殖酸物質中存在越多，自身受光照淬滅程度越大。重慶實驗室純水設備
出水中內源代謝有機物發生與影響
圖3天然水體中SMP轉化及其潛在影響
另一方面，大分子SMP光降解形成的小分子SMP會被水環境中的微生物利用，因此會消耗水體中的DO小分子SMP厭氧/好氧環境中均可降解，水平幾乎相當，且疏水性物質比親水性物質更容易降解。經好氧生化反應后，一部分SMP會發生化學性質變化，這種發生變化后的產物經加氯消毒后會增加三鹵甲烷、水合氯醛等DPB含量；厭氧環境下的底物競爭關系導致厚壁菌門占據主導地位，其中梭狀芽孢桿菌可有效代謝上述消毒副產物前驅物（DPBFB有研究發現，經臨時厭氧后短時間恢復好氧環境會增強一些兼性厭氧菌（例如脫氯單胞菌屬和地桿菌屬）酶活性，從而增強其對SMP代謝過程的影響。顯然，水體復氧或藻類放氧過程會導致SMP向DPB前驅物方向轉變。
3.3控制措施
由上述可知SMP會影響出水COD~45%TN~10%濃度，且會增加下游給水處置廠消毒單元DPB形成。此外，SMP潛在生物毒性亦不可忽視，特別是中水回用的情況。
因SMP為內源產物，所以只能從工藝運行過程或處置末端采取相應控制措施。控制工藝最優SRT調節缺氧池回流、控制低有機負荷率均可減少出水中的SMP低碳源污水可控制SMP生成，另外研究發現反硝化除磷菌（DPB可以SMP作為內源反硝化除磷的碳源。所以UCT工藝可在一定水平上減少出水SMP并獲得可觀的營養物去除率。
SMP出水溶解性COD中的占比只有24%~45%且其進入水體前期并不耗氧，后期即使耗氧因含量不高也無大礙。只有在考慮中水回用時，為降低SMP生物毒性才會對他施加深度處置工藝。臭氧會增加SMP生物可降解性，導致直接耗氧；亦會使THM和CH消毒副產物增多。紫外消毒、氧化存在類似問題。鋁鹽強化混凝作用效果不是很明顯。采用粉末活性炭（粒徑<0.2mm吸附SMP可有效降低出水COD濃度（64%和SUVA 59%值，對DBPFP生成量減少達70%以上；粉末活性炭可同時去除小分子親水物質和大分子類腐殖酸，對于酚羧酸類腐殖酸去除率甚至可達到100%因此，重慶實驗室純水設備活性炭吸附是去除出水SMP同時又減少給水處置過程DBP較為有效的深度處置方法。
4結論
污水生物處置出水COD中除NOM和SOC外還有一局部微生物代謝產物SMP最高可達45%甚至以上。SMP難以生物降解，但微生物量、初始底物狀態和微生物對底物組成變化的適應性可能決定了SMP成分的可降解性。SMP排入水體短時間內不會耗氧，但存在一定生物毒性，并會在光解作用下轉化為DBPFP通過調節運行條件可減少SMP尤其低碳源污水并采用反硝化除磷工藝有助于SMP減少。因此從控制黑臭水體耗氧物質角度，只需要嚴格控制BOD5NH4+即可。若考慮中水回用，可采用活性炭吸附過濾池方式有效去除SMP以最大程度避免SMP生物毒性發生。
“本文由重慶皙全水處理設備網提供任何人和單位不得轉載盜用”。
- 上一篇：成都純水設備解讀：環保圈”就給大家盤點一下2022年新釋放的 2023/1/14
- 下一篇：重慶實驗室純水設備解讀：“5級跨界潮”背后的邏輯與環保行業發 2022/11/23
