活性污泥EPS生成的影響因素研究

代莎莎，包常華

（1.日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 日照 276826；2.榮成市環(huán)境保護(hù)局，山東 榮成 264300）

活性污泥EPS生成的影響因素研究

代莎莎1，包常華2

（1.日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 日照 276826；2.榮成市環(huán)境保護(hù)局，山東 榮成 264300）

研究活性污泥EPS生成量的影響因素，討論了DO、pH值、污泥負(fù)荷、溫度、C/N對(duì)EPS產(chǎn)生量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨DO升高，產(chǎn)生較多的EPS，多糖、蛋白質(zhì)含量也隨之緩慢增加；pH值對(duì)EPS影響顯著；在低負(fù)荷條件下微生物有較慢的生長速率和較高的內(nèi)源代謝水平，EPS較多；介于10～25℃適宜溫度下或者在C/N為100/10～100/5環(huán)境中，微生物生長效率最高。

EPS；DO；pH值；污泥負(fù)荷；溫度；C/N

微生物產(chǎn)生的EPS是活性污泥絮體的主要組成部分，在污水生物處理中起著至關(guān)重要的作用。在活性污泥中微生物的生長除了營養(yǎng)外，還需要合適的環(huán)境因子。本實(shí)驗(yàn)研究DO、pH值、負(fù)荷、溫度、C/N對(duì)EPS產(chǎn)生量的影響，為污水生物處理實(shí)際過程中控制EPS的生成量，實(shí)現(xiàn)高效生物處理提供必要理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)廢水

本實(shí)驗(yàn)采用人工配制生活污水，以淀粉、蛋白胨、磷酸二氫鉀、氯化銨、氯化鈣、硫酸鎂及硫酸銅作為碳源和其他營養(yǎng)物質(zhì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求改變進(jìn)水COD，調(diào)節(jié)進(jìn)水pH。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用SBR反應(yīng)器，時(shí)間控制器及曝氣機(jī)，如圖1。SBR有效容積15L，通過流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量。試驗(yàn)運(yùn)行周期8h，采用瞬間進(jìn)水→曝氣 （4h）→沉淀（8h）→出水（0.5h）→靜置（0.5h）。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 DO對(duì)EPS的影響

在實(shí)驗(yàn)正常運(yùn)行的情況下，保持反應(yīng)器進(jìn)水濃度400mg/L，污泥濃度3g/L，pH=7，溫度20℃，控制反應(yīng)器中DO濃度分別在1，2，3.5，4.5，5.5mg/L情況下，測(cè)定EPS的量。

1.3.2 pH值對(duì)EPS的影響

在保證實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，控制反應(yīng)器進(jìn)水濃度400mg/L，DO3.5mg/L，調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的pH值分別為5，6，7，9，MLSS為3g/L，測(cè)定EPS、出水COD的量。

1.3.3 污泥負(fù)荷對(duì)EPS的影響

調(diào)節(jié)進(jìn)水COD濃度分別為200，400，600mg/L，同時(shí)保證反應(yīng)器中污泥的濃度3g/L，pH=7，DO=3.5mg/L，測(cè)定EPS、COD的量。

1.3.4 溫度對(duì)EPS的影響

在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，控制系統(tǒng)進(jìn)水濃度400mg/L，污泥濃度3g/L，DO濃度3.5mg/L，測(cè)定不同季節(jié)下溫度差和不同溫度下EPS的量。

1.3.5 C/N對(duì)EPS的影響

保持反應(yīng)器中污泥濃度為3g/L，pH=7，DO濃度3.5mg/L，改變進(jìn)水有機(jī)物中C/N，測(cè)定EPS的量。

1.4 檢測(cè)項(xiàng)目方法

常規(guī)測(cè)試項(xiàng)目和方法如表1，特殊測(cè)試項(xiàng)目和方法如表2。

表1 常規(guī)測(cè)試項(xiàng)目和方法

表2 特殊測(cè)試項(xiàng)目和方法

本實(shí)驗(yàn)EPS檢測(cè)采用加熱—離心，將預(yù)處理的活性污泥在80℃恒溫水浴加熱60min，然后將其在轉(zhuǎn)速為13000r/min下離心20min，離心后上清液用0.22μm醋酸纖維膜過濾，以總有機(jī)碳的量（TOC）表征其含量。通過非色散紅外線吸收差減法測(cè)定提取液中TOC的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)菌不同生長階段EPS總量及組成成分的變化

圖2給出了污泥系統(tǒng)中EPS總量及其組分在有機(jī)底物降解過程中的變化。由圖2可知，在曝氣初期EPS的量增長較快，EPS總量從209mg/MLSS增加到268mg/MLSS，而隨著曝氣過程的持續(xù)，底物的快速降解，EPS增長緩慢而趨于穩(wěn)定；EPS中多糖含量變化趨勢(shì)和EPS變化趨勢(shì)相近，變化趨勢(shì)較為平緩，運(yùn)行一個(gè)周期內(nèi)多糖含量從117mg/MLSS增加156mg/MLSS；蛋白質(zhì)含量與多糖及總量的變化情況略有不同，運(yùn)行初期蛋白質(zhì)含量從66mg/MLSS減少到60mg/MLSS，含量略有下降。

圖2 一個(gè)周期內(nèi)EPS量變化

在廢水生物處理中，活性污泥增長曲線可以分為3個(gè)時(shí)期：對(duì)數(shù)生長期、減速生長期和內(nèi)源呼吸期。在前兩個(gè)階段，微生物處于高的F/M狀態(tài)，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，微生物的增長很快，水中的污染物被快速降解，首先達(dá)到細(xì)胞表面并部分停留在表面，引起EPS的增加；隨著底物濃度的消耗，微生物可利用營養(yǎng)物質(zhì)急速降低，當(dāng)?shù)孜餄舛冉档偷阶畹?，營養(yǎng)物質(zhì)已經(jīng)被耗盡，微生物處于很低的F/M狀態(tài)，即內(nèi)源代謝期，這時(shí)微生物的生長受營養(yǎng)物質(zhì)的限制，DO值不再增加處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3，停留在表面而貯積的EPS被細(xì)菌的代謝活動(dòng)進(jìn)一步分解，或被轉(zhuǎn)移胞內(nèi)，合成細(xì)胞原生質(zhì)引起細(xì)胞生長，或直接在細(xì)胞外被徹底降解二氧化碳和水，而同時(shí)隨著內(nèi)源代謝的進(jìn)行，大量的細(xì)菌發(fā)生自溶，釋放出胞內(nèi)聚合物，使EPS增加，微生物的絮凝性能也逐漸增強(qiáng)并趨于穩(wěn)定。

圖3 DO變化

污水與活性污泥接觸在較短時(shí)間內(nèi)，有機(jī)底物被活性污泥絮凝吸附去除，吸附在微生物細(xì)胞表面的有機(jī)物，在經(jīng)過數(shù)小時(shí)曝氣后，才相繼被攝入微生物體內(nèi)，曝氣初期多糖含量明顯增多，聚集在細(xì)胞表面的多糖要做進(jìn)一步的運(yùn)輸或代謝，最終轉(zhuǎn)入胞內(nèi)或在胞外分解代謝。而EPS中的蛋白質(zhì)可能在污泥的吸收和吸附過程中起到載體的作用。高濃度的基質(zhì)使細(xì)菌分泌出較多的胞外酶與基質(zhì)相結(jié)合而被轉(zhuǎn)移進(jìn)細(xì)胞體內(nèi)，因此在有機(jī)物初期快速降解的過程中，蛋白質(zhì)的含量略有下降。當(dāng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)后期時(shí)，細(xì)菌所處的條件相對(duì)比較穩(wěn)定，大部分細(xì)菌在內(nèi)源呼吸時(shí)可能都更多地利用多糖而不是蛋白質(zhì)，胞外的蛋白質(zhì)含量基本不變。

2.2 DO對(duì)EPS影響

DO對(duì)EPS影響如圖4，DO在1～6mg/L變化時(shí)，EPS的含量從120mg/MLSS升至250mg/MLSS，多糖、蛋白質(zhì)的含量也分別由70，40mg/MLSS上升到140，80mg/ MLSS。隨著DO升高，多糖、蛋白質(zhì)及EPS的含量均緩慢增加，其中多糖增量為蛋白質(zhì)的2倍。

圖4 DO對(duì)EPS影響

在活性污泥系統(tǒng)中，由于傳質(zhì)阻力的存在，DO及基質(zhì)在污泥絮體內(nèi)部存在明顯的濃度梯度。當(dāng)污泥混合液中DO濃度低于1.0mg/L時(shí)，活性污泥絮體難以形成或形成的污泥絮體解體；較高的DO才能保證微生物進(jìn)行正常的代謝活動(dòng)，污泥絮體解體釋放的EPS逐漸降低。隨著主體溶液中DO濃度的增加，DO可以穿透到菌膠團(tuán)中一個(gè)更深的厚度，導(dǎo)致菌膠團(tuán)中好氧區(qū)域的增加，微生物的代謝活動(dòng)加劇，高含量的DO強(qiáng)化了微生物自產(chǎn)底物的氧化分解，加速了含氮有機(jī)物的循環(huán)利用和分解代謝，底物消耗加快，微生物具有較強(qiáng)的新陳代謝能力，通過分泌和自溶產(chǎn)生較多的EPS。

2.3 pH值對(duì)EPS影響

表3給出了活性污泥中EPS含量及組成在不同pH條件下的變化情況，可以看出，pH值對(duì)EPS的產(chǎn)生有顯著影響。在pH值為5～6的酸性條件下，產(chǎn)生的EPS較低；在pH值為7的中性條件和pH值為8的偏堿條件下，微生物產(chǎn)生的EPS較多；當(dāng)pH值為8.5～9的堿性條件下，微生物產(chǎn)生的EPS明顯增多，各成分含量增大。

表3 pH值對(duì)EPS的影響

微生物的生命活動(dòng)、物質(zhì)代謝與pH值密切相關(guān)，環(huán)境中pH值對(duì)微生物的生命活動(dòng)影響很大。由于pH值的改變，引起微生物表面的電荷變化，進(jìn)而影響微生物對(duì)營養(yǎng)物的吸收。同時(shí)微生物酶在最適宜的pH時(shí)才能發(fā)揮最大活性，不適宜的pH值反而使酶的活性降低，進(jìn)而影響微生物細(xì)胞的生物化學(xué)過程。不同種屬的微生物生理活動(dòng)適應(yīng)的pH值都有一定范圍，在污水生物處理的pH值宜維持在6.5～8.5，過高或過低的pH值對(duì)微生物是不利的。pH值在6.5以下的酸性環(huán)境不利于細(xì)菌和原生動(dòng)物生長，尤其對(duì)菌膠團(tuán)不利，菌膠團(tuán)細(xì)菌的減少就會(huì)導(dǎo)致活性污泥的吸附能力降低，絮凝性能變差，結(jié)構(gòu)松散不易沉降，甚至導(dǎo)致活性污泥絲狀膨脹。細(xì)菌大多數(shù)要求中性和偏堿性，過酸或過堿均不利于EPS的產(chǎn)生。

2.4 污泥負(fù)荷對(duì)EPS的影響

圖5為在進(jìn)水有機(jī)物濃度不變的情況下，隨著MLSS的升高，污泥的胞外聚合物隨之有所增加，即在污泥負(fù)荷越低，EPS含量越大。當(dāng)MLSS由3000mg/L升高到5000mg/L時(shí)，EPS由100mg/MLSS增加到178mg/MLSS。當(dāng)MLSS較低時(shí)，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，微生物活性高、代謝旺盛；隨著MLSS的增加，更多的微生物參加代謝，EPS含量也相應(yīng)上升。

圖5 MLSS對(duì)EPS影響

圖6 EPS變化曲線

在保持污泥濃度不變的情況下，改變進(jìn)水有機(jī)物濃度，如圖6。在底物濃度不同的條件下，進(jìn)水有機(jī)物濃度為500mg/L的污泥混合液，EPS總量的極值出現(xiàn)的時(shí)間早，而進(jìn)水濃度為200mg/L的混合液，代謝產(chǎn)物積累的EPS極值出現(xiàn)相對(duì)靠后。EPS總量隨著運(yùn)行時(shí)間的延長先升高，達(dá)到最高值后，出現(xiàn)不規(guī)則的上下波動(dòng)現(xiàn)象，之后由于微生物營養(yǎng)物質(zhì)的匱乏，微生物以EPS作為碳源和能源進(jìn)行新陳代謝，EPS的量出現(xiàn)減少趨勢(shì)，最終進(jìn)水濃度為200mg/L的混合液EPS總量較多。

污泥負(fù)荷對(duì)EPS影響顯著，主要原因：①優(yōu)勢(shì)菌種不同。由于進(jìn)水有機(jī)物含量不同，反應(yīng)器的運(yùn)行負(fù)荷不同，導(dǎo)致不同負(fù)荷情況下優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種類不同。不同的菌種，細(xì)菌在其生長過程中分泌的胞外聚合物或內(nèi)源呼吸時(shí)自溶產(chǎn)生的胞外聚合物數(shù)量可能有所差別。②在不同的負(fù)荷下，細(xì)菌的生長狀態(tài)不同。高負(fù)荷反應(yīng)器中由于有機(jī)物濃度較高，細(xì)菌的營養(yǎng)物較為充足，微生物活動(dòng)旺盛，細(xì)菌處于對(duì)數(shù)增長期，產(chǎn)生EPS的極值出現(xiàn)時(shí)間早；低負(fù)荷反應(yīng)器中，營養(yǎng)物較為缺乏，底物濃度較小，細(xì)菌處于內(nèi)源呼吸期，代謝產(chǎn)物積累EPS的極值出現(xiàn)相對(duì)靠后。

2.5 溫度對(duì)EPS影響

在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10℃，酶促反應(yīng)速度就提高1～2倍，微生物的代謝速率和生長速率均可相應(yīng)提高。在污水生物處理中，參入活性污泥處理的微生物，多屬嗜溫菌，其適宜溫度介于10～45℃。

表4 溫度對(duì)EPS的影響

在本實(shí)驗(yàn)中，如表4，當(dāng)溫度為8℃，EPS的量較高，隨著溫度升高到14℃時(shí)EPS的量反而降低，而當(dāng)溫度繼續(xù)升高至22℃時(shí)EPS的量又有所增加。當(dāng)水溫太低時(shí)，能夠減弱甚至破壞微生物的生理活動(dòng)，導(dǎo)致微生物形態(tài)和生理特性發(fā)生變化，甚至可能使微生物死亡而釋放出胞內(nèi)聚合物，導(dǎo)致EPS增加；當(dāng)溫度上到14℃，細(xì)菌死亡減少，釋放出的胞內(nèi)聚合物減少，污泥中的EPS降低，隨著溫度的繼續(xù)上升，EPS的量開始增加。微生物在適宜溫度的條件下，生理活動(dòng)強(qiáng)勁旺盛，酶促反應(yīng)速度提高，同時(shí)微生物的代謝速率和生長速率較高，由底物的快速降解和細(xì)菌分泌導(dǎo)致EPS升高。

2.6 C/N對(duì)EPS影響

隨著C/N值的提高，當(dāng)C/N值從100/10升高至100/5時(shí)，EPS量隨之增加，各種成份的含量變化并不大；當(dāng)C/N值進(jìn)一步升高至100/2.5時(shí)，此時(shí)污泥發(fā)生絲狀菌膨脹，沉降性能變差，EPS中各種成分的含量有了較大變化；當(dāng)C/N值為100/0這種極限狀態(tài)時(shí)，由于過量的碳源存在，使微生物不能充分利用而轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗵穷惏赓A存物，此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)污泥EPS中各種成分的含量均有不同程度的增大，污泥發(fā)生嚴(yán)重的高黏性膨脹。C/N對(duì)EPS影響如圖7。

圖7 C/N對(duì)EPS影響

由此可見，基質(zhì)中C/N值對(duì)EPS及其各組分含量影響較為顯著，在C/N為100/10～100/5環(huán)境中，營養(yǎng)物質(zhì)基本能夠滿足微生物生長需要，微生物生長效率最高。在C/N為100/2.5環(huán)境中，絲狀菌開始大量生長，并逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌種，并且由于進(jìn)水中氮營養(yǎng)基質(zhì)不足，污泥活性降低。Delia等人認(rèn)為細(xì)菌與絲狀菌在低基質(zhì)的條件下進(jìn)行競爭，導(dǎo)致了一些形成絮體的細(xì)菌死亡解體，另外營養(yǎng)不足降低了微生物的同化作用，使絮體中死亡微生物增加，而絮體中死亡細(xì)菌的增加及細(xì)胞自溶導(dǎo)致了EPS中蛋白質(zhì)、多糖含量的增加。當(dāng)進(jìn)水基質(zhì)中不再有氮營養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，由于過量的碳源存在，使微生物不能充分利用而轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗵穷惏赓A存物，因此EPS總量及多糖含量進(jìn)一步升高。

3 結(jié)語

（1）DO在從1mg/L升到6mg/L時(shí)，EPS及其主要組成部分多糖、蛋白質(zhì)的含量分別從120，70，40mg/MLSS升至250，140，80mg/MLSS。隨著DO升高，微生物具有較強(qiáng)的新陳代謝能力，通過分泌及自溶產(chǎn)生較多的EPS，多糖、蛋白質(zhì)的含量也隨之緩慢增加，但在不同DO情況下，EPS各組成成分比例變化不大。

（2）當(dāng)pH值從5升到9時(shí)，EPS的量從150mg/MLSS升到250mg/MLSS。pH值在酸性條件下，不利于活性污泥菌膠團(tuán)細(xì)菌的生長，大量細(xì)菌死亡，污泥絮凝性較差。pH值為中性或偏堿性環(huán)境下，污泥活性最好，絮體結(jié)構(gòu)密實(shí)，污水處理效果好。pH值為8.5～9時(shí)，污泥中微生物不適應(yīng)堿性環(huán)境，細(xì)菌自溶而釋放大量胞外聚合物，EPS的量增加。

（3）污泥負(fù)荷對(duì)污泥EPS影響很大，隨著污泥負(fù)荷減小，EPS明顯增加。在低負(fù)荷條件下微生物有較慢的生長速率和較高的內(nèi)源代謝水平，大量的細(xì)胞發(fā)生自溶，EPS較多。在高負(fù)荷條件下，可以利用的碳源沒有被完全消耗完，多余的基質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)貯存顆粒儲(chǔ)存在體內(nèi)，EPS總量相對(duì)較少。

（4）介于10～25℃適宜溫度下，有利于微生物的生長，微生物的代謝和生長速度較高，污泥中EPS的量隨著溫度的升高而增加；而當(dāng)水溫低于10℃時(shí)，不適宜微生物生長，由于微生物大量死亡釋放出大量的胞內(nèi)聚合物，EPS的量增多。

（5）隨C/N的增加，EPS及其主要成分均有一定程度的增加。當(dāng)進(jìn)水中過量的碳源存在，氮營養(yǎng)基質(zhì)不足時(shí)，活性污泥絮體中死亡細(xì)菌的增加及細(xì)胞自溶導(dǎo)致了EPS中蛋白質(zhì)、多糖含量的增加。

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（責(zé)任編輯：尹健婷）

Study on influence factors of EPS in activated sludge

DAi Sha-sha1，BAO Chang-hua2
（1.Rizhao Polytechnic Institute，Rizhao 276826，China；2.Rongcheng Environmental Protection Agency，Rongcheng 264300，China）

The topic obtained from the influence factor of the EPS，discussed the influence of DO、pH、the loading rate、temperature and C/N on the quantity of the EPS.The results show that the microorganism produced more EPS when DO increased gradually in the process，carbohydrate and protein increased individually；The role of pH was clear；Under the low condition，the microorganism had slower growth rate and higher endogenous metabolism，EPS became more；Growth of the microorganism was highest under the temperature between10℃～25℃or under C/N in100/10～100/5.

EPS；DO；pH；loading rate；temperature；C/N

X703

：B

：1672-9900（2017）02-0001-05

2017-01-16

代莎莎（1981-），女（漢族），山東日照人，講師，主要從事市政工程方向研究，（Tel）13863336672。