低溫活性污泥EPS 特性及其對(duì)污泥沉降性能影響試驗(yàn)研究

張海罡，邊德軍，2，艾勝書(shū)，2，萬(wàn)立國(guó)，2，田 曦，2，藍(lán) 君

（1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012；2.吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130012）

0 引言

目前我國(guó)污水處理廠(chǎng)污水處理主體工藝為污水的生物處理技術(shù)，其中活性污泥處理技術(shù)較為成熟，具備處理效果好，設(shè)備要求低并被廣泛應(yīng)用［1］。但在我國(guó)東北地區(qū)，冬季氣候寒冷，冰凍期長(zhǎng)達(dá)3～6個(gè)月，最低氣溫可達(dá)到－30℃，根據(jù)有關(guān)資料顯示，我國(guó)東北地區(qū)城市污水水溫最低時(shí)可達(dá)4～7℃，寒冷的氣候?qū)τ谖鬯纳锾幚順O為不利［2］。低溫對(duì)微生物生長(zhǎng)和活性，酶促反應(yīng)都有較大的影響，并且通常還伴隨著污泥膨脹，改變了活性污泥特性，其中胞外聚合物（EPS）也是受低溫影響較大的污泥特性之一。

胞外聚合物（EPS）的化學(xué)組成成分主要有多糖、蛋白質(zhì)、核酸以及腐殖質(zhì)，其中多糖和蛋白質(zhì)兩者含量占EPS總量的絕大部分，比例高達(dá)80%以上［3］。污泥的沉降性能受很多因素影響，其中包括顆粒大小、顆粒疏水性、表面面積等，這些性質(zhì)都與EPS有關(guān)［4］。有關(guān)研究表明當(dāng)EPS中多糖成分多時(shí)，不利于污泥沉降，而當(dāng)EPS中蛋白質(zhì)成分多時(shí)則有利于沉降［5］。

本研究以長(zhǎng)春市某污水處理廠(chǎng)初沉池出水作為原水，以其曝氣池中的污泥作為接種污泥，模擬曝氣池的運(yùn)行，研究其在15～3℃低溫條件下胞外聚合物（EPS）含量的變化，并通過(guò)測(cè)定不同溫度下EPS中多糖的含量和污泥的SVI，初步探索EPS及其組分多糖的變化規(guī)律，分析其對(duì)污泥沉降性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用有機(jī)玻璃板作為材料，制作模擬的曝氣池和沉淀池，其有效容積均為56L，采用穿孔管曝氣并通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣。原水由進(jìn)水泵打入模擬曝氣池中，出水經(jīng)沉淀池排出，沉淀池中的污泥通過(guò)污泥回流泵打回到模擬曝氣池的前段。裝置如圖1所示。

圖1 反應(yīng)器裝置示意圖

1.2 反應(yīng)器的運(yùn)行

1.2.1 運(yùn)行溫度

本試驗(yàn)的反應(yīng)器置于恒溫房中，通過(guò)制冷機(jī)以及溫度檢測(cè)儀調(diào)節(jié)恒溫房?jī)?nèi)的溫度并使其恒定，從而達(dá)到控制反應(yīng)器溫度恒定的目的。本試驗(yàn)反應(yīng)器運(yùn)行為連續(xù)運(yùn)行模式，從15～3℃不間斷運(yùn)行，每個(gè)溫度運(yùn)行2周為1個(gè)階段，每個(gè)階段下降2℃，具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

1.2.2 運(yùn)行參數(shù)

本模擬試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 溫度控制與時(shí)間的關(guān)系

表2 反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

污泥胞外聚合物（EPS）的提取方法參考國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)EPS提取的研究成果［6－8］，并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室研究條件制定。

將原污泥樣從反應(yīng)器中取出，通過(guò)注射器和磁力攪拌器均勻地將污泥定量注入比色管中，再將其放入水浴箱中水浴2h，水浴溫度為恒定80℃。水浴后將泥樣倒入離心管中，用離心機(jī)以9 000rpm，離心15min，離心后將上清液通過(guò)40nm的濾膜和抽濾裝置進(jìn)行過(guò)濾，得到的液體就是提取好的EPS原液。

測(cè)量EPS中蛋白質(zhì)含量的方法為考馬斯亮藍(lán)法。

測(cè)量EPS中多糖含量的方法為蒽酮比色法。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 EPS的含量變化

經(jīng)試運(yùn)行調(diào)試后，反應(yīng)器處于穩(wěn)定運(yùn)行階段。本研究以溫度變化為唯一影響因素，對(duì)不同溫度下各個(gè)階段的活性污泥EPS進(jìn)行了研究，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)對(duì)圖2數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得到各溫度穩(wěn)定階段的污泥EPS含量隨溫度變化的平均值，如圖3所示，變化率見(jiàn)表1。

圖3 污泥EPS含量與溫度變化關(guān)系

由各溫度下反應(yīng)器內(nèi)污泥EPS含量值可知：反應(yīng)器內(nèi)溫度為15℃時(shí)，污泥EPS平均含量為81.78mg／gMVSS，溫度下降到13℃后，污泥EPS平均含量為81.36mg／gMVSS，EPS含量下降了0.5%，降低幅度很小。在11℃時(shí)，污泥EPS平均含量為68.41mg／gMVSS，污泥EPS含量下降了15.92%。在9℃時(shí)，污泥EPS平均含量為77.04mg／gMVSS，污泥EPS含量上升了12.62%。污泥EPS含量在7℃、5℃、和3℃時(shí)分別為73.22、69.78、69.80mg／gMVSS，污泥EPS含量在7℃和5℃時(shí)分別依次降低了4.96%和4.70%，在3℃時(shí)污泥EPS含量相較于5℃上升了0.03%，上升幅度極小。

2.2 EPS中多糖的含量變化

檢測(cè)污泥EPS含量的同時(shí)也得到了EPS中多糖的含量，其隨溫度降低的變化如圖4所示。

通過(guò)對(duì)圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得到各溫度穩(wěn)定階段的污泥EPS中多糖含量隨溫度變化的平均值，如圖5所示，變化率見(jiàn)表2。

圖4 系統(tǒng)低溫運(yùn)行期反應(yīng)器內(nèi)污泥EPS中多糖含量變化情況

圖5 污泥EPS中多糖含量與溫度變化關(guān)系

由各溫度下反應(yīng)器內(nèi)污泥EPS中多糖含量值可知：溫度為15℃時(shí)污泥EPS中多糖的含量為24.99mg／gMVSS。溫度為13℃時(shí)，污泥EPS中多糖的含量為28.15mg／gMVSS，上升了12.65%。當(dāng)溫度下降到11℃時(shí)，污泥EPS中多糖的含量為30.24mg／gMVSS，上升了7.42%。溫度再次下降，到9℃時(shí)，污泥EPS中多糖的含量為29.76mg／gMVSS，下降了1.59%。當(dāng)溫度為7℃、5℃和3℃時(shí)，EPS中多糖的含量分別為31.49、33.18和36.46mg／gMVSS，分別較上一階段污泥EPS中多糖的含量上升了5.81%、5.37%和9.89%。

2.3 污泥體積指數(shù)（SVI）的變化

通過(guò)檢測(cè)不同溫度下的SVI，得到了SVI隨溫度降低的變化情況，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)低溫運(yùn)行期反應(yīng)器內(nèi)污泥SVI變化情況

通過(guò)對(duì)圖6數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得到各溫度穩(wěn)定階段的SVI隨溫度變化的平均值，如圖7所示。

圖7 污泥SVI與溫度變化關(guān)系

由各溫度下SVI的平均值可知：溫度在15℃時(shí)，SVI平均值為134.26（mL／g）。溫度在13℃時(shí)，SVI平均值為115.45（mL／g），下降了14.01%。當(dāng)溫度一次下降到11℃、9℃、7℃、5℃、和3℃時(shí)，SVI平均值分別為189.03、215.95、230.01、276.85和280.73（mL／g），相較于每個(gè)溫度的上一階段依次上升了63.73%、14.24%、6.51%、20.36%和1.40%。

3 數(shù)據(jù)分析

反應(yīng)器內(nèi)的溫度從15℃開(kāi)始，每個(gè)階段降低2℃，直至3℃，污泥EPS含量總體呈下降趨勢(shì)。從13℃到11℃再到9℃，污泥EPS含量出現(xiàn)了先降低再上升的情況。當(dāng)溫度為11℃時(shí)，通過(guò)微生物鏡檢看到活性污泥中絲狀菌開(kāi)始大量出現(xiàn)，但是并沒(méi)發(fā)生污泥膨脹，在溫度為9℃時(shí)污泥發(fā)生了膨脹，由此可知在11℃時(shí)，污泥中絲狀菌大量繁殖，污泥中微生物的優(yōu)勢(shì)種群發(fā)生了變化，因此對(duì)EPS含量產(chǎn)生了一定影響，而在9℃時(shí)污泥發(fā)生膨脹，相較于11℃時(shí)微生物種群又進(jìn)入了較為穩(wěn)定的階段，污泥EPS含量上升了12.62%，但9℃的污泥EPS含量相較于13℃的污泥EPS含量還是下降了5.31%。從9℃開(kāi)始，污泥膨脹一直存在，污泥中EPS的含量也持續(xù)下降，從15～3℃，污泥中EPS含量最高為81.78mg／gMVSS，最低時(shí)為 69.78mg／gMVSS，下降了14.67%。

污泥EPS中多糖的含量隨溫度降低總體呈上升趨勢(shì)，在9℃時(shí)，污泥EPS中多糖含量較11℃略有下降，此時(shí)正是污泥開(kāi)始膨脹的階段，對(duì)EPS中多糖含量有一定影響，之后隨著溫度持續(xù)降低，EPS中多糖的含量持續(xù)上升。最高時(shí)的多糖含量高達(dá)36.46mg／gMVSS，相較于最低時(shí)的 24.99mg／gMVSS上升了45.90%。

污泥SVI隨溫度下降呈上升趨勢(shì)。在15℃和13℃階段，污泥的沉降性能良好，SVI都在150mL／g以下。當(dāng)污泥在11℃時(shí)發(fā)生了污泥膨脹，污泥的沉降性能變差，SVI隨即上升到了189.03mL／g，之后隨著溫度繼續(xù)下降，污泥SVI越來(lái)越大，沉降性能越來(lái)越差，最高SVI相較于最低SVI上升幅度高達(dá)143.16%。

污泥EPS的含量隨溫度下降而下降，其中多糖含量隨溫度下降而上升，EPS中的主要化學(xué)成分就是蛋白質(zhì)和多糖，因此蛋白質(zhì)含量也隨溫度下降而減少且占的組分更大。EPS中蛋白質(zhì)成分多時(shí)有利于污泥沉降，反之則不利于污泥沉降。有關(guān)研究表明，LB－EPS的數(shù)量的增加對(duì)應(yīng)著污泥體積指數(shù)（SVI）的升高與區(qū)域沉降速率的降低，LB－EPS中起作用的正是多糖，因此EPS中多糖含量的上升也不利于污泥沉降。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究表明，在15℃以下低溫條件運(yùn)行中，活性污泥中EPS的含量隨著溫度下降呈下降趨勢(shì)，下降幅度為14.67%。而EPS中多糖含量則呈上升趨勢(shì)，上升幅度高達(dá)45.90%，EPS含量變化和EPS中多糖含量變化成反比關(guān)系。在低溫條件下，污泥膨脹現(xiàn)象對(duì)污泥中EPS的變化有一定影響，當(dāng)污泥剛發(fā)生膨脹時(shí)污泥中EPS含量變化會(huì)與總體變化趨勢(shì)相反，其中多糖含量的變化也是如此。污泥的沉降性能受EPS中多糖含量變高以及蛋白質(zhì)含量變低的影響，隨溫度降低而變差。

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