曝氣時(shí)間對(duì)活性污泥絮體吸附和聚集性能的影響

郭旋，劉俊新

（中國(guó)科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心，北京　100085）

曝氣時(shí)間對(duì)活性污泥絮體吸附和聚集性能的影響

郭旋，劉俊新

（中國(guó)科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心，北京100085）

活性污泥工藝中，曝氣時(shí)間是影響系統(tǒng)處理效果的重要運(yùn)行參數(shù)。研究了曝氣時(shí)間對(duì)污泥吸附性能和聚集性能的影響，考察了期間胞外聚合物（EPS）特性。結(jié)果表明，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為100 mg［CODCr］/g［MLSS］時(shí)，恢復(fù)污泥性能的最佳曝氣時(shí)間為2 h，過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間將降低其性能。污泥性能與LB-EPS和TB-EPS的質(zhì)量比及多糖和蛋白質(zhì)的質(zhì)量比具有負(fù)相關(guān)性。曝氣使污泥EPS中的LB-EPS和TB-EPS的質(zhì)量比及多糖和蛋白質(zhì)的質(zhì)量比均下降，從而使得絮體中具有更多的氫鍵締合傾向的官能團(tuán)，提高了活性污泥絮體的吸附聚集性能。

活性污泥；曝氣；吸附性能；聚集性能；胞外聚合物

活性污泥工藝中，污水的處理效果取決于污泥絮體的性能。污泥對(duì)污水中有機(jī)物的去除包括吸附、降解和固液分離3個(gè)過(guò)程。其中，好氧降解既可將有機(jī)物降解為CO2、H2O等物質(zhì)，同時(shí)使污泥的吸附能力恢復(fù)（再生），對(duì)污泥絮體的聚集能力也有重要影響［1-2］，從而提高固液分離效率。而曝氣時(shí)間是實(shí)現(xiàn)活性污泥性能恢復(fù)的關(guān)鍵控制參數(shù)。

胞外聚合物（EPS）是由微生物分泌的高分子聚合物，分為松散附著EPS（LB-EPS）和緊密粘附EPS（TB-EPS）。EPS的含量和組分對(duì)污泥的吸附和聚集性能有重要影響，不同的EPS在污泥吸附和聚集過(guò)程中起到的作用不同［3-5］。然而，在不同有機(jī)負(fù)荷條件下曝氣時(shí)間的確定、曝氣對(duì)污泥中EPS特征的改變，及其對(duì)污泥吸附和聚集性能的影響等缺乏深入的研究。

本文研究了曝氣時(shí)間對(duì)污泥吸附容量和聚集性能的影響，并對(duì)污泥中EPS特征及表面官能團(tuán)的變化進(jìn)行了分析，探討EPS與污泥吸附聚集性能的關(guān)系，以期揭示污泥再生的機(jī)制。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由帶有程序自控?cái)嚢杵鞯姆磻?yīng)器、激光粒度儀、蠕動(dòng)泵和計(jì)算機(jī)組成，裝置示意如圖1所示。反應(yīng)器的容積為1 L，并帶有曝氣裝置。通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)攪拌器的轉(zhuǎn)速為污泥絮體的聚集提供適宜的水力梯度條件，污泥絮體在反應(yīng)器和激光粒度儀之間循環(huán)，可對(duì)絮體粒徑進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

圖1　試驗(yàn)裝置示意

1.2試驗(yàn)污泥和污水

試驗(yàn)用活性污泥取自北京某污水處理廠A2O工藝二沉池。該污水處理廠進(jìn)水為生活污水，規(guī)模為6.0×105m3/d。污泥保存于4℃下，MLSS的質(zhì)量濃度為 2 926～3 486 mg/L，SVI為 97.0～108.8 mL/g。

試驗(yàn)污水取自中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心污水站，CODCr的質(zhì)量濃度為380～420 mg/L。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1試驗(yàn)污泥樣品的準(zhǔn)備

清洗污泥：為去除原始污泥吸附的物質(zhì)，將污泥用去離子水清洗3遍，去掉部分上清液。清洗后污泥的質(zhì)量濃度約為4 000 mg/L左右。

吸附有機(jī)物：取4個(gè)反應(yīng)器，各加入清洗后的污泥樣品200 mL，然后分別加入污水0、200、400和600 mL，并用去離子水定容至800 mL。4個(gè)反應(yīng)器中污泥的有機(jī)負(fù)荷分別為0、100、200和300 mg［CODCr］/g［SS］左右。將攪拌槳的轉(zhuǎn)速設(shè)置為52 s-1（以G值計(jì)，下同），攪拌反應(yīng)30 min，沉淀2 h，去掉上清液600 mL，各反應(yīng)器內(nèi)剩余溶液的體積均為200 mL。

污泥再生：①取有機(jī)負(fù)荷為100 mg［CODCr］/ g［SS］反應(yīng)器中的污泥，分別曝氣再生0、1、2、3和4 h。②將有機(jī)負(fù)荷分別為0、100、200和300 mg［CODCr］/g［SS］反應(yīng)器中的污泥樣品進(jìn)行曝氣再生2 h。上述步驟結(jié)束后，用去離子水清洗3遍，提取EPS并測(cè)定其特性。然后分別測(cè)定活性污泥的吸附和聚集性能。

1.3.2污泥吸附性能測(cè)定

分別取清洗、再生后的污泥樣品20 mL和生活污水30 mL加入至50 mL離心管中（吸附負(fù)荷為150 mg［CODCr］/g［SS］左右）。置于恒溫振蕩器中，在常溫下以52 s-1的轉(zhuǎn)速振蕩30 min后，沉淀2 h。然后取其上清液測(cè)定CODCr濃度，計(jì)算活性污泥對(duì)有機(jī)物的比吸附量q。

1.3.3污泥聚集性能測(cè)定

分別取清洗、再生后的污泥100 mL置于反應(yīng)器中，加入去離子水定容至800 mL，保持污泥的質(zhì)量濃度在500 mg/L左右。將反應(yīng)器轉(zhuǎn)速調(diào)整為52 s-1，攪拌反應(yīng)30 min，在此期間在線監(jiān)測(cè)污泥絮體粒徑，并計(jì)算聚集因子Af。

1.4分析方法

MLSS、SS和CODCr等污泥與污水指標(biāo)均采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定［6］。

污泥的LB-EPS和TB-EPS的提取采用熱提取法［7］。LB-EPS和TB-EPS含量用多糖、蛋白質(zhì)和腐殖質(zhì)綜合計(jì)算。蛋白質(zhì)和腐殖質(zhì)含量用修正的Lowry法來(lái)測(cè)定［8］。多糖含量用蒽酮法來(lái)測(cè)定［9］。EPS官能團(tuán)采用傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定，掃描波長(zhǎng)范圍為400～4 000 nm。

1.5計(jì)算方法

活性污泥對(duì)有機(jī)物的比吸附量q按下式計(jì)算：

q=（Ce-C0）/Cs×100%（1）

式中：q---活性污泥對(duì)有機(jī)物的比吸附量，mg［CODCr］/g［SS］；

Ce---吸附平衡后上清液中有機(jī)物的質(zhì)量濃度，mg/L；

C0---吸附初始反應(yīng)體系中有機(jī)物的質(zhì)量濃度，mg/L；

Cs---活性污泥的質(zhì)量濃度，mg/L?；钚晕勰嘈躞w聚集因子Af可用來(lái)描述絮體的聚集成長(zhǎng)能力［10］。由下式計(jì)算：

Af=（D1-D0）/D0×100%（2）式中：D0---絮體的初始粒徑，μm；

D1---絮體聚集平衡后的平均粒徑，μm。

2　結(jié)果與討論

2.1曝氣時(shí)間對(duì)活性污泥性能的影響

2.1.1對(duì)活性污泥吸附容量的影響

不同有機(jī)負(fù)荷下，曝氣時(shí)間對(duì)污泥吸附容量的影響如圖2所示。

圖2　曝氣再生后活性污泥的吸附容量

由圖2a可知，隨著曝氣時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥吸附容量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。在吸附負(fù)荷為100 mg［CODCr］/g［SS］的情況下，最佳曝氣再生時(shí)間為2 h，其吸附容量較原污泥（曝氣再生0 h）增加了50 mg［CODCr］/g［SS］左右。由圖2b可知，在相同的曝氣再生時(shí)間下，隨著有機(jī)負(fù)荷的增加，污泥曝氣再生后的吸附容量逐漸下降，表明再生時(shí)間不足將影響污泥的下一輪吸附能力。

值得注意的是，經(jīng)過(guò)曝氣再生后污泥吸附性能并沒(méi)有得到充分釋放（原污泥已吸附了 100 mg［CODCr］/g［SS］的有機(jī)物），這可能與污泥對(duì)污染物的吸附機(jī)制有關(guān)。與傳統(tǒng)吸附理論中吸附劑依靠吸附點(diǎn)位結(jié)合吸附質(zhì)不同的是，污泥對(duì)污染物的吸附依靠的是污泥表面的EPS對(duì)污水中顆粒態(tài)和膠體態(tài)污染物的網(wǎng)捕、卷掃和接觸絮凝［1-2］。

2.1.2對(duì)活性污泥聚集性能的影響

聚集性能決定了污泥絮體的大小，從而在后續(xù)的泥水分離中具有更好的效率。不同有機(jī)負(fù)荷下，曝氣時(shí)間對(duì)污泥絮體的聚集性能影響的結(jié)果如圖3所示。

圖3　活性污泥的聚集性能

由圖3a可知，隨著曝氣時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥再生后的Af呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。最佳再生時(shí)間為2 h，再生后污泥的Af由600%左右增加至950%左右；此后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，Af反而下降。由圖3b可知，污泥再生后聚集性能隨有機(jī)負(fù)荷的增加，呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

對(duì)比圖2和圖3，污泥絮體吸附容量和聚集性能呈現(xiàn)出類(lèi)似的變化趨勢(shì)。這與污泥的吸附機(jī)制有關(guān)：污泥的吸附也是絮體相互聚集的過(guò)程，小絮粒與小絮粒之間相互碰撞、長(zhǎng)大，最終成長(zhǎng)為粒徑較大的絮體，從而促進(jìn)后續(xù)的泥水分離過(guò)程［1，11］。因此，污泥絮體良好的聚集性能也可促進(jìn)污泥對(duì)顆粒態(tài)、膠體態(tài)物質(zhì)的吸附，表現(xiàn)為聚集性能和吸附容量的一致性。

2.2曝氣時(shí)間及有機(jī)負(fù)荷對(duì)污泥EPS特性的影響

2.2.1曝氣時(shí)間對(duì)EPS特性的影響

EPS作為污泥絮體的主要組分，其含量和組分的變化可能會(huì)直接影響活性污泥性能。有機(jī)負(fù)荷為100 mg［CODCr］/g［SS］時(shí)，曝氣時(shí)間對(duì)EPS含量和組分的影響如圖4所示。

圖4 曝氣時(shí)間對(duì)污泥EPS的影響

由圖4a可知，0～2 h范圍內(nèi)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥中的LB-EPS含量下降，而TB-EPS增加，EPS總量在2 h時(shí)達(dá)到最大值，增加了29%當(dāng)曝氣時(shí)間大于2 h，EPS總量大幅下降。由圖4可知，多糖和腐殖質(zhì)含量的變化較小，而蛋白質(zhì)含量的變化幅度較大。隨著曝氣時(shí)間的延長(zhǎng)，EPS組分從以多糖為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘鞍踪|(zhì)為主。由此可見(jiàn)曝氣時(shí)間對(duì)EPS各組分的比值有明顯的影響。

曝氣時(shí)間對(duì)污泥EPS組分的影響，可能與曝氣時(shí)間對(duì)微生物營(yíng)養(yǎng)水平的影響有關(guān)。隨著曝氣的進(jìn)行，系統(tǒng)內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)水平逐漸趨于匱乏，為維持污泥結(jié)構(gòu)的完整與穩(wěn)定性，微生物分泌了較多EP來(lái)抵抗不利影響；相比于多糖，疏水性的蛋白質(zhì)更有利于污泥結(jié)構(gòu)的維持［12］，因此，在0～2 h范圍內(nèi)，EPS和蛋白含量逐級(jí)增加；而2 h后，微生物開(kāi)始消耗EPS來(lái)維持生命活動(dòng)，EPS被降解，因此其含量開(kāi)始下降。與LB-EPS相比，微生物更多地利用TB-EPS，這可能與TB-EPS與細(xì)胞更近有關(guān)。微生物在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富裕/匱乏的狀態(tài)轉(zhuǎn)換中，改變了EPS含量和組分比例。

2.2.2有機(jī)負(fù)荷對(duì)EPS特性的影響

不同有機(jī)負(fù)荷條件下，再生2 h后污泥中EPS的含量和組分結(jié)果如圖5所示。

圖5　有機(jī)負(fù)荷對(duì)活性污泥再生后EPS的影響

由圖5a可知，在相同的曝氣時(shí)間下，隨著有機(jī)負(fù)荷的增加，EPS總量有所降低，但LB-EPS與TB-EPS的質(zhì)量比逐漸增加。這說(shuō)明在過(guò)高的有機(jī)負(fù)荷條件下，污泥再生后松散型EPS比例增加，EPS與污泥的結(jié)合程度降低，污泥結(jié)構(gòu)趨于松散。

由圖5b可知，腐殖質(zhì)的含量變化幅度較小，維持在30 mg/g［MLSS］左右；蛋白質(zhì)的含量則隨著有機(jī)負(fù)荷的增加而降低；多糖的含量則呈現(xiàn)出波動(dòng)增加的趨勢(shì)。有機(jī)負(fù)荷對(duì)污泥EPS的含量和組分的影響，可能與在不同營(yíng)養(yǎng)水平下，活性污泥中微生物分泌EPS的策略不同有關(guān)。在較低的有機(jī)負(fù)荷下，微生物營(yíng)養(yǎng)匱乏，傾向于分泌更多的EPS來(lái)維持細(xì)胞和污泥結(jié)構(gòu)的完整性［13］。蛋白質(zhì)相比于多糖，其疏水性更好，在維持污泥絮體結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性方面優(yōu)于多糖［12］，因此在營(yíng)養(yǎng)匱乏時(shí)，EPS含有更高的蛋白質(zhì)含量。當(dāng)有機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，污泥中的微生物營(yíng)養(yǎng)水平高，微生物代謝水平高，從而更傾向于將系統(tǒng)內(nèi)的底物進(jìn)行氧化降解，進(jìn)而分解代謝，因此合成的EPS含量較少。

2.3曝氣對(duì)污泥性能影響機(jī)制研究

2.3.1污泥性能與EPS特性的響應(yīng)關(guān)系

為探究污泥性能與EPS的含量、組分的關(guān)系，分析了EPS總量、LB-EPS和TB-EPS的質(zhì)量比以及多糖和蛋白質(zhì)的質(zhì)量比與污泥吸附容量和Af的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖6所示。

圖6　活性污泥吸附容量和聚集因子Af與EPS含量、組分的相關(guān)關(guān)系

由圖6可知，污泥絮體中EPS總量與污泥的性能的相關(guān)關(guān)系較小，說(shuō)明EPS總量對(duì)污泥的性能影響不大。污泥中LB-EPS和TB-EPS的質(zhì)量比與吸附容量和Af呈現(xiàn)出較為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.816、0.874，說(shuō)明LB-EPS在總EPS中含量占劣勢(shì)有利于活性污泥的吸附和聚集性能的提高。由于EPS帶有負(fù)電荷，因此外層的LB-EPS含量較高，會(huì)增加污泥絮體表面的電荷數(shù)量，使絮體之間的排斥力增加，進(jìn)而導(dǎo)致絮體的聚集能力下降［3］。

污泥EPS中組分的比例也影響了污泥的性能。EPS中多糖和蛋白質(zhì)的質(zhì)量比與吸附容量和Af呈現(xiàn)出一定負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.758、0.837，說(shuō)明EPS中蛋白質(zhì)比例的增加有利于污泥聚集性能的發(fā)揮。有研究表明，EPS中蛋白質(zhì)含量對(duì)污泥絮體的聚集有著積極的影響作用，而EPS中的碳水化合物則沒(méi)有明顯的關(guān)系［14］，這可能與蛋白質(zhì)中含有更多的氫鍵締合傾向的官能團(tuán)有關(guān)［15］。相比于多糖，蛋白質(zhì)在污泥絮體的聚集性能中起到更為關(guān)鍵的作用［8，16-17］，例如去除了表面蛋白質(zhì)之后，污泥絮體趨于解體［18］，而采用一定的方式富集污泥絮體的蛋白質(zhì)，則會(huì)提高絮體的聚集性能［19］。

2.3.2再生前、后污泥EPS官能團(tuán)特征

考察原始污泥和曝氣再生后污泥的LB-EPS和TB-EPS的官能團(tuán)信息，其紅外光譜如圖7所示。

圖7　污泥絮體再生前、后EPS紅外光譜

由圖7可知，2種EPS中均存在一些蛋白質(zhì)和多糖對(duì)應(yīng)的強(qiáng)頻段，其中比較強(qiáng)的有：N-H和O-H的伸縮振動(dòng)（3 500～3 100 cm-1）、C==O伸縮振動(dòng)（1 635 cm-1）、CH2的彎曲振動(dòng)（1 384 cm-1）、多糖中的C-O-C的伸縮振動(dòng)（1 153～1 072 cm-1）以及指紋區(qū)（＜1 000 cm-1）［3，20］。根據(jù)紅外光譜顯示，在O-H伸縮振動(dòng)（3 450～3 000 cm-1）［21］波段中，TB-EPS是較為寬闊和較強(qiáng)的分布模式，而LBEPS的分布則是較窄的分布模式。與LB-EPS相比，TB-EPS具有非常強(qiáng)的分子內(nèi)和分子間氫鍵的締合傾向。

對(duì)比曝氣前、后EPS的紅外光譜，無(wú)論是LB-EPS還是TB-EPS，在3 184 cm-1附近的吸收峰均逐漸增強(qiáng)，而在3 433 cm-1和1 635 cm-1附近的吸附峰均逐漸減弱。3 500 cm-1附近吸收峰為多糖的特征峰，對(duì)應(yīng)羧基等特性峰［22］；而3 000 cm-1附近吸收峰為蛋白質(zhì)特征峰，對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)中的-OH、-NH［23］。說(shuō)明曝氣再生后的污泥EPS具有更多氫鍵締合傾向的基團(tuán)。這說(shuō)明，適當(dāng)?shù)钠貧鈺r(shí)間有助于污泥絮體中具有更高氫鍵締合傾向的官能團(tuán)含量增加，而氫鍵是絮體之間結(jié)合的主要鍵能［7］，從而提升了污泥絮體的吸附和聚集特性。

綜上所述，曝氣再生的實(shí)質(zhì)是為污泥中的微生物提供氧氣，使其氧化降解吸附在其上的污染物，微生物進(jìn)行新陳代謝、增長(zhǎng)，同時(shí)，微生物分泌新的EPS，使得污泥絮體EPS中的LB-EPS和TBEPS的質(zhì)量比下降、EPS中蛋白質(zhì)和多糖的質(zhì)量比增加，從而使得絮體中具有更多的氫鍵締合傾向的官能團(tuán)，提高了活性污泥絮體的吸附和聚集性能。過(guò)短的再生時(shí)間會(huì)導(dǎo)致吸附在絮體上的污染物氧化降解不徹底，微生物新陳代謝、分泌新的EPS量不夠；而過(guò)長(zhǎng)的再生時(shí)間則會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)體系中微生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的匱乏，導(dǎo)致微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸階段，開(kāi)始消耗EPS等，從而導(dǎo)致EPS含量降低、污泥絮體趨于松散，污泥的吸附性能和聚集性能下降。

3　結(jié)論

（1）曝氣時(shí)間對(duì)污泥吸附容量的恢復(fù)和聚集性能均有明顯的影響，但曝氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致污泥吸附與聚集性能的下降。

（2）隨著曝氣時(shí)間的延長(zhǎng)，EPS的組分LBEPS與TB-EPS的質(zhì)量比和多糖與蛋白質(zhì)的質(zhì)量比均呈現(xiàn)先降低后增加的現(xiàn)象。紅外光譜的檢測(cè)結(jié)果表明，曝氣過(guò)程使得EPS產(chǎn)生了更多氫鍵締合傾向的官能團(tuán)。

（3）污泥的吸附容量和Af與污泥中LB-EPS與TB-EPS的質(zhì)量比以及多糖與蛋白質(zhì)的質(zhì)量比呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.7～0.8以上。LBEPS在總EPS中含量占劣勢(shì)有利于活性污泥的吸附和聚集性能的提高，而污泥EPS中蛋白質(zhì)比例的增加有利于污泥聚集性能的發(fā)揮。

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Effect of aeration time on adsorption capacity and aggregation performance of activated sludge

GUO Xuan，LIU Jun-xin
（Research Center for Eco-Environmental Science，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China）

In the activated sludge process，aeration time is an essential operation parameter which affects the treatment efficiency of the system.The effect of aeration time on adsorption capacity and aggregation performance of activated sludge was studied，meanwhile，the characteristics of extracellular polymers substances（EPS）during the operation was also investigated.The results showed that，when the organic loading rate was 100 mg［CODCr］/g［MLSS］，the optimal aeration time for sludge performance recovery was 2 h，over-long aeration time would degrade its property.There were negative correlations between the performance of activated sludge and the mass ratio of LB-EPS to TB-EPS as well as the mass ratio of polysaccharide to protein.The mass ratios of LBEPS to TB-EPS and polysaccharide to protein were both decreased by aeration，and as a result，the amount of functional groups which had strong tendency of forming hydrogen bonds increased，thus the adsorption and aggregation performance of the activated sludge was improved.

activated sludge；aeration；adsorption capacity；aggregation performance；extracellular polymer substances

X703.1

A

1009-2455（2016）04-0022-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51138009）

郭旋（1988-），男，山東濟(jì)寧人，博士研究生在讀，主要從事水污染控制技術(shù)研究，（電子信箱）ytzxguoxuan@126.com。

2016-03-25（修回稿）