研究EPS在環(huán)境生物處理技術(shù)中的重要性

隨著我國水環(huán)境污染的不斷加劇，“富營養(yǎng)化”問題日益突出，在污水生物處理過程中，污泥絮體的絮凝和沉降性能對(duì)處理效果至關(guān)重要，而胞外聚合物（EPS）作為活性污泥的重要組成部分，是污泥絮體的核心，對(duì)污泥的沉降和脫水性能、重金屬的吸附性能及生物除磷都有一定的影響。因此，水處理系統(tǒng)中EPS的存在對(duì)污水處理效果起著至關(guān)重要的作用。

水是人類生命活動(dòng)中最重要的物質(zhì)之一，是人類文明不斷發(fā)展的基礎(chǔ)條件。然而隨著工業(yè)化、城市化加快，世界面臨著水資源短缺、水污染嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，這一現(xiàn)象在我國尤為突出。

目前我國人均水資源占有量為2100m3，僅為世界人均水平的28%，約為世界人均占有量的1/4，是世界上13個(gè)水資源貧乏的國家之一。據(jù)水利部門預(yù)測：至2030年，我國人口將增長至16億，人均水資源占有量將下降到1760m3，到2050年，全國實(shí)際能合理利用的水資源約為（8000～9500）×108m3，己近可合理利用水量的極限[1]。

盡管如此，我國水污染依然很嚴(yán)重。據(jù)2012年5月25日國家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的2011年《中國環(huán)境狀況公報(bào)》顯示：2011年，我國污水排放總量高達(dá)652.1億噸，COD排放總量為2499.9萬噸，氨氮排放總量為260.4萬噸，湖泊（水庫）富營養(yǎng)化問題仍嚴(yán)重，城市用水現(xiàn)狀不容樂觀。各類水體都受到不同程度的污染，I、Ⅱ類水體日趨減少。全國197條河流407個(gè)檢測斷面中，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)的斷面比例分別為49.9%、26.5%和23.6%，七大水系的主要污染指標(biāo)為氨氮、石油類和BOD5，其中，珠江、長江總體水質(zhì)良好，松花江為輕度污染，黃河、淮河為中度污染，遼河、海河為重度污染；27個(gè)國控重點(diǎn)湖（庫）中，滿足Ⅱ類水質(zhì)的3個(gè)，占11.1%；Ⅲ類的6個(gè)，占22.2%；Ⅳ類的4個(gè)，占14.8%；Ⅴ類的5個(gè)，占18.6%；劣Ⅴ類的9個(gè)，占33.3%，湖泊的主要污染指標(biāo)為TN和TP。在監(jiān)測的湖（庫）中，重度富營養(yǎng)的2個(gè)，占7.4%；中度富營養(yǎng)的3個(gè)，占11.1%；輕度富營養(yǎng)的8個(gè)，占29.6%。對(duì)全國共200多個(gè)城市的共計(jì)4727個(gè)監(jiān)測點(diǎn)開展了地下水水質(zhì)監(jiān)測中顯示：優(yōu)良-良好-較好水質(zhì)的監(jiān)測點(diǎn)和較差-極差水質(zhì)的監(jiān)測點(diǎn)比例分別為44.0%，為56.0%，其中4282個(gè)監(jiān)測點(diǎn)有連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，與上年比，17.4%的監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)好轉(zhuǎn)，67.4%的監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)保持穩(wěn)定，15.2%的監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)變差[2]。

我國水資源形式如此嚴(yán)峻，縱觀全球，廢水回用已成為緩解水危機(jī)的主要方式。南非共和國1968年就建成世界上第一座將城市污水再生直接作飲用水源的再生水廠，再生水量為4500m3/d；以色列全國有210個(gè)市政回用工程，城市污水回用率達(dá)72%；日本20世紀(jì)60年代就開始回用污水，污水排放減少量為1.42×108m3/a；美國也是世界上最早使用污水再生利用的國家之一，全國污水回用總量為9.4×109m3/a。此外英國、德國、波蘭、墨西哥、俄羅斯、沙特阿拉伯等國皆使用回用水。我國從“八五”科技攻關(guān)計(jì)劃開始課題進(jìn)行城市污水回用方面的研究工作，至今在污水回用方面已取得顯著成就。

然而，近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，居民飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，城市生BOD5、COD濃度都比較低，屬于低濃度甚至是超低濃度污水。過去，低C/N比生活污水在我國南方城市居多，而如今在全國范圍內(nèi)十分常見。“十一五”期間，我國雖然超額完成了COD的減排任務(wù)，但是氨氮和氮氧化物的排量卻呈上升趨勢。故而在“十二五”規(guī)劃中，新增氨氮和氮氧化物總量減排指標(biāo)，再加上我國越來越嚴(yán)格的水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)，這些無疑給水處理工藝的優(yōu)化改進(jìn)提出必然要求，特別對(duì)處理高氮負(fù)荷，高氮去除率的新型水處理工藝的產(chǎn)生提供強(qiáng)大的推動(dòng)力。

活性污泥工藝自1912年以來至今已有100年的發(fā)展，其因?qū)θ芙庑约澳z體有機(jī)物的高效去除能力和工藝的可靠性，使之成為了污水生物處理的主導(dǎo)工藝。雖然目前，以活性污泥為代表的污水生物處理技術(shù)相當(dāng)成熟[4]，并廣泛應(yīng)用于城市和工業(yè)污水處理中，在防治水體污染中發(fā)揮了巨大的作用。但是，對(duì)造成水體富營養(yǎng)化的氮磷等營養(yǎng)物的去除工藝尚處于研究的起步階段，缺乏高效穩(wěn)定的廢水脫氮除磷技術(shù)。

活性污泥工藝的凈化過程一般包括吸附絮凝、生物代謝、沉淀分離等階段。在該過程中，微生物與污水中呈懸浮狀或部分可溶性有機(jī)物接觸，使后者失穩(wěn)、絮凝，并被其吸附在表面；另一方面由微生物組成的活性污泥具有較大的表面積，在較短的時(shí)間內(nèi)能吸附大量有機(jī)污染物，這些有機(jī)污染物一部分被微生物攝入體內(nèi)作為營養(yǎng)物質(zhì)加以代謝去除；另一部分則通過剩余污泥排放的形式排除，最后在集中進(jìn)行填埋或焚燒處理，從而完成活性污泥的整個(gè)處理過程[5]。

活性污泥工藝的關(guān)鍵取決于曝氣池中好氧微生物對(duì)有機(jī)物的去除以及二沉池中有效的泥水分離[6]。曝氣池中好氧活性污泥是由多種多樣的好氧微生物和兼性厭氧微生物（兼有少量的厭氧微生物）與其上吸附的有機(jī)的和無機(jī)的固體雜質(zhì)組成，微生物產(chǎn)生的胞外聚合物（ExtraceLLuLar PoLymeric Substances，以下簡稱EPS）是活性污泥絮體的主要組成部分，是活性污泥工藝的核心。近年來國內(nèi)外對(duì)污水處理中起關(guān)鍵作用的活性污泥絮體的研究非常重視，尤其是有關(guān)胞外聚合物的研究。EPS分布在細(xì)胞外具有流變性雙層結(jié)構(gòu)，由此可將其分為兩類：內(nèi)層與細(xì)胞表面結(jié)合較緊密，相對(duì)穩(wěn)定地附著于細(xì)胞壁外，稱為緊密粘附的EPS（TightLy Bound EPS，TB-EPS）；外層為松散附著EPS （LooseLy Bound EPS，LB-EPS）是比內(nèi)層疏松、能向周圍環(huán)境擴(kuò)散、無明顯邊緣的粘液層。王紅武等[7]研究表明，隨SRT增大，MLB/MTB減小，污泥脫水性能越好，而當(dāng)MLB/MTB越大，污泥表面的Zeta電位值越大，污泥顆粒間的靜電斥力增大，污泥的沉降脫水性能變差。周健等[8]認(rèn)為EPS與SVI具有顯著的正相關(guān)性。趙軍等[9]研究表明，隨EPS增加，污泥的吸附能力會(huì)提高，大量吸附的金屬離子可以中和污泥表面的負(fù)電荷，降低靜電斥力，從而改善污泥沉降性能。劉亞男等[10]的研究表明，EPS對(duì)磷有一定吸附和去除效果。李紅巖等[11]研究發(fā)現(xiàn)EPS對(duì)硝化細(xì)菌的活性有影響。此外，在膜污染研究中，大量研究表明EPS是膜生物反應(yīng)器（MBR）膜污染的主要污染物。

由此可見，胞外聚合物在環(huán)境生物處理技術(shù)中起著重要作用，在對(duì)生物脫氮工藝優(yōu)化的研究中，對(duì)EPS的研究必不可少。研究并透徹理解脫氮過程EPS作用機(jī)制和變化規(guī)律有助于優(yōu)化脫氮工藝，有助于探索更高效的污水生物處理工藝，有利于推進(jìn)我國水處理事業(yè)的發(fā)展。

（作者單位：中鐵十一局）