瞬時(shí)有機(jī)負(fù)荷沖擊下胞外聚合物變化及其與供氧量之間的相關(guān)性*

王 帆 劉松林 蔣維卿 么興榮 王喜超 邊德軍#

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012；3.海南省水務(wù)集團(tuán)有限公司，海南 ?？?571126)

微壓內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(MPR)是在序列間歇式活性污泥法(SBR)基礎(chǔ)上研制的一種新型反應(yīng)器，通過(guò)單側(cè)供氧并調(diào)高出口水位高度，在反應(yīng)器內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)流態(tài)[7]，可在同一空間和時(shí)間形成不同氧含量區(qū)域[8]，這種氧環(huán)境可使不同種群微生物協(xié)同生長(zhǎng)，當(dāng)環(huán)境突然改變時(shí)，多種生物共存可使整個(gè)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗沖擊能力。由于出口水位高于主反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生微小的壓力，這種微壓力可延長(zhǎng)氣泡行程，同時(shí)提高氣泡氧傳質(zhì)效率。關(guān)于研究有機(jī)負(fù)荷對(duì)MPR的影響也曾有過(guò)報(bào)道[9-10]，但有機(jī)負(fù)荷沖擊不僅影響COD，還影響活性污泥胞外聚合物(EPS)等。在高濃度有機(jī)負(fù)荷條件下，微生物能夠代謝并分泌更多的產(chǎn)物至細(xì)胞外形成EPS[11-12]。EPS具有雙層結(jié)構(gòu)，能為微生物形成屏障抵抗水質(zhì)、水量變化的沖擊以及毒性物質(zhì)的入侵[13]。目前大多數(shù)關(guān)于高有機(jī)負(fù)荷下EPS的組分及含量變化的研究都基于中長(zhǎng)期的有機(jī)負(fù)荷條件[14-18]，關(guān)于單周期瞬時(shí)有機(jī)負(fù)荷沖擊前后，活性污泥系統(tǒng)EPS的組分及含量變化的研究較少。

本試驗(yàn)基于MPR穩(wěn)定運(yùn)行出水達(dá)標(biāo)后，開展單周期瞬時(shí)高有機(jī)負(fù)荷沖擊試驗(yàn)，考察瞬時(shí)有機(jī)負(fù)荷沖擊下系統(tǒng)內(nèi)EPS變化規(guī)律，分析兩者之間的相關(guān)性。同時(shí)提高供氧量應(yīng)對(duì)有機(jī)負(fù)荷沖擊，考察此時(shí)EPS的組分及含量變化，分析供氧量與EPS變化之間的相關(guān)性，解析提高供氧量應(yīng)對(duì)瞬時(shí)有機(jī)負(fù)荷沖擊EPS的變化機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置示意圖見圖1，MPR采用有機(jī)玻璃板制成，反應(yīng)器整體分為兩部分，一部分是類似“圓餅”狀的主反應(yīng)區(qū)，另一部分是上部的微壓力形成區(qū)，其中主反應(yīng)區(qū)直徑900 mm，厚度90 mm，微壓力形成區(qū)的長(zhǎng)×寬×高為130 mm×90 mm×400 mm，總有效容積為36 L。試驗(yàn)期間水溫為(19.0±1.5) ℃。使用水泵(BT300-2J)進(jìn)水，電磁式空壓機(jī)(ACO-308)供氧，并用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)(LZB-DK600-4F)進(jìn)行氣量控制，反應(yīng)器內(nèi)曝氣管為穿孔玻璃管。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)污泥與水質(zhì)

試驗(yàn)所用污泥為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)其他反應(yīng)器剩余活性污泥，試驗(yàn)期間混合液懸浮固體(MLSS)質(zhì)量濃度為3 200～3 800 mg/L。采用模擬城鎮(zhèn)污水進(jìn)行試驗(yàn)，污水主要成分：淀粉、牛肉膏、蛋白胨、乙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀、碳酸氫鈉、硫酸鎂、氯化鈣、硫酸亞鐵、微量元素。微量元素成分：氯化鋅、硫酸銅、硫酸錳、氯化鋁。通過(guò)淀粉和乙酸鈉控制COD濃度。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前反應(yīng)器已穩(wěn)定運(yùn)行20 d，反應(yīng)器常負(fù)荷運(yùn)行期間每日兩個(gè)周期，每個(gè)周期12 h，采用非限制性供氧，供氧量為1.65 L/min，進(jìn)水5 min，進(jìn)水的同時(shí)開始供氧，供氧8 h，沉淀3 h，排水10 min，閑置50 min，排水比50%。控制其他條件不變，僅提高單周期瞬時(shí)有機(jī)負(fù)荷(本研究中以COD濃度計(jì))進(jìn)行沖擊，沖擊后恢復(fù)常負(fù)荷，檢測(cè)污染物去除效果和EPS變化規(guī)律，待反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定大體恢復(fù)初始狀態(tài)后再進(jìn)行下一次有機(jī)負(fù)荷沖擊。3種有機(jī)負(fù)荷沖擊結(jié)束后改變供氧量，考察不同供氧量下的污染物去除效果、恢復(fù)時(shí)間和EPS變化規(guī)律。試驗(yàn)部分運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 運(yùn)行參數(shù)

1.4 水質(zhì)檢測(cè)

每個(gè)周期供氧階段7.5 h時(shí)取反應(yīng)器內(nèi)活性污泥樣品進(jìn)行EPS提取和測(cè)定。混合液經(jīng)濾紙過(guò)濾后檢測(cè)分析各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，COD、氨氮、TN、TP、MLSS均采用文獻(xiàn)[19]的方法測(cè)定，溫度和DO用WTW Oxi3310便攜式DO測(cè)定儀檢測(cè)。EPS采用甲醛/NaOH法提取[20]，EPS中多糖(PS)含量采用苯酚/硫酸法測(cè)定[21]，蛋白質(zhì)(PN)含量采用Folin-酚法測(cè)定[22]，PS和PN的含量均以1 g干污泥中的MLSS質(zhì)量計(jì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)負(fù)荷沖擊對(duì)EPS的影響

EPS是細(xì)胞莢膜和細(xì)胞周圍黏液物質(zhì)的主要成分，可為處于內(nèi)源呼吸階段的微生物提供碳源和能源[23]，EPS的主要成分為PS和PN[24]。EPS具備固定微生物的潛能，在水處理、廢水絮凝和沉降應(yīng)用中充當(dāng)吸附劑和絮凝劑的角色[25]。

供氧量為1.65 L/min時(shí)，3種有機(jī)負(fù)荷沖擊下的典型單周期內(nèi)EPS組分及含量變化見圖2(周期0為常負(fù)荷下數(shù)值，周期1～7為沖擊開始后數(shù)值)。如圖2(a)所示，沖擊開始后周期1 PS和PN分別為18.28、8.60 mg/g，周期4 PS達(dá)到峰值(30.50 mg/g)，PN為9.06 mg/g(無(wú)太大變化)，再經(jīng)過(guò)3個(gè)周期后PS降至21.65 mg/g。如圖2(b)所示，沖擊開始后周期1 PS和PN分別為20.60、9.06 mg/g，周期5 PS增至38.42 mg/g，再經(jīng)過(guò)4個(gè)周期PS降至21.14 mg/g。如圖2(c)所示，沖擊開始后周期1 PS和PN分別為21.85、9.29 mg/g，周期5 PS增至46.20 mg/g，再經(jīng)過(guò)6個(gè)周期PS降至23.21 mg/g。

為達(dá)到較好的課堂教學(xué)效果，案例教學(xué)法要求在選擇教學(xué)案例上應(yīng)該有重點(diǎn)、有特點(diǎn)?；凇睍?huì)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)”的課程性質(zhì)，在選擇教學(xué)案例時(shí)，首先應(yīng)滿足針對(duì)性特點(diǎn)，即必須滿足以下要求：(1)案例必須能夠體現(xiàn)本節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)，尤其應(yīng)突出重難點(diǎn)。(2)案例應(yīng)該來(lái)源于真實(shí)事件，不應(yīng)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相脫節(jié)。(3)案例應(yīng)該能夠完整地反映出待處理的經(jīng)濟(jì)業(yè)務(wù)及相關(guān)問題。例如，在講授借貸記賬法原理時(shí)，應(yīng)選擇能夠體現(xiàn)不同科目借貸方向特點(diǎn)的案例，結(jié)合案例讓學(xué)生了解不同科目借貸方向上的區(qū)別 。

圖2 3種有機(jī)負(fù)荷沖擊下的EPS變化

對(duì)比3種有機(jī)負(fù)荷沖擊下的EPS組分及含量變化，不同有機(jī)負(fù)荷沖擊下EPS恢復(fù)至初始狀態(tài)的過(guò)程中，PN變化較小，PS變化較大。有機(jī)負(fù)荷沖擊越大，PS峰值增量越大。原因是在瞬時(shí)高濃度有機(jī)負(fù)荷沖擊時(shí)，微生物分泌EPS抵抗沖擊，PS由單糖組成，合成速度快，含量變化大；而PN由氨基酸組成，合成速度慢，含量變化小。3種有機(jī)負(fù)荷沖擊中PS的峰值相比于周期1分別增加了12.22、17.82、24.35 mg/g，EPS含量大體恢復(fù)至初始狀態(tài)時(shí)分別需要6、8、10個(gè)周期。隨著有機(jī)負(fù)荷沖擊增大，微生物無(wú)法短期內(nèi)去除多余有機(jī)負(fù)荷，導(dǎo)致有機(jī)負(fù)荷剩余，微生物利用有機(jī)負(fù)荷的時(shí)間增加，所以EPS恢復(fù)時(shí)間變長(zhǎng)?；钚晕勰嘞到y(tǒng)受有機(jī)負(fù)荷沖擊后，EPS含量隨著運(yùn)行周期增加先增大后減小，有機(jī)負(fù)荷沖擊對(duì)EPS的影響具有滯后特點(diǎn)，說(shuō)明有機(jī)負(fù)荷沖擊下的活性污泥微生物先攝取物質(zhì)并儲(chǔ)存在胞內(nèi)，而多余的碳源被分泌至胞外，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷減少，PS又作為碳源被微生物利用，從而導(dǎo)致試驗(yàn)中PS含量先增加后降低。

2.2 供氧量對(duì)EPS的影響

有機(jī)負(fù)荷1下，不同供氧量時(shí)的EPS變化情況見圖3。兩種供氧量下的PN含量幾乎無(wú)變化，PS含量變化明顯。兩種供氧量(1.80、1.95 L/min)下的PS峰值增量分別為8.24、7.16 mg/g，與供氧量為1.65 L/min時(shí)PS的峰值增量12.22 mg/g相比，提高供氧量后PS峰值增量變少。提高供氧量，微生物呼吸速率加快，活性提高，微生物利用EPS的速率增大，故PS峰值增量減少。兩種供氧量下，都經(jīng)過(guò)3個(gè)周期EPS含量才恢復(fù)到?jīng)_擊前的狀態(tài)，這表明提高供氧量存在一定的局限性，提高供氧量可以在一定范圍內(nèi)使反應(yīng)速率達(dá)到較大值，繼續(xù)增大供氧量反應(yīng)速率變化不大。因此，有機(jī)負(fù)荷1條件下的最適供氧量為1.80 L/min。

圖3 有機(jī)負(fù)荷1下不同供氧量時(shí)的EPS變化

有機(jī)負(fù)荷2下，不同供氧量時(shí)的EPS變化情況見圖4。供氧量為1.95、2.25、2.45 L/min時(shí)的PS峰值增量分別為15.87、15.75、12.13 mg/g，與供氧量為1.65 L/min時(shí)PS的峰值增量17.82 mg/g相比，提高供氧量后PS峰值增量變少。3種供氧量下，分別經(jīng)過(guò)了7、5、5個(gè)周期，EPS含量才恢復(fù)到?jīng)_擊前的狀態(tài)。供氧量由2.25 L/min變?yōu)?.45 L/min時(shí)，PS的峰值由32.87 mg/g變?yōu)?2.99 mg/g，變化不明顯。這與在有機(jī)負(fù)荷1條件下提高供氧量后的規(guī)律一致。分析結(jié)果表明有機(jī)負(fù)荷2條件下的最佳供氧量為2.25 L/min。

圖4 有機(jī)負(fù)荷2下不同供氧量時(shí)的EPS變化

有機(jī)負(fù)荷3下，不同供氧量時(shí)的EPS變化情況見圖5。供氧量為1.95、2.25、2.45、2.65 L/min時(shí)的PS峰值增量分別為15.86、14.30、14.74、10.56 mg/g，與供氧量為1.65 L/min時(shí)PS的峰值增量24.35 mg/g相比，提高供氧量后PS峰值增量也呈變少趨勢(shì)。4種供氧量下，分別經(jīng)過(guò)了7、7、5、5個(gè)周期，EPS含量才恢復(fù)到?jīng)_擊前的狀態(tài)。供氧量由2.45 L/min變?yōu)?.65 L/min時(shí)，PS的峰值由32.50 mg/g變?yōu)?1.59 mg/g，變化不明顯。這與在有機(jī)負(fù)荷1和有機(jī)負(fù)荷2條件下提高供氧量后的規(guī)律一致。分析可得在有機(jī)負(fù)荷3條件下的最佳供氧量為2.45 L/min。

圖5 有機(jī)負(fù)荷3下不同供氧量時(shí)的EPS變化

由以上對(duì)比可以看出，在相同有機(jī)負(fù)荷不同供氧量下，PS的峰值和峰值增量大體隨供氧量升高而降低，恢復(fù)至初始狀態(tài)的時(shí)間也大致隨著供氧量的升高逐漸縮短。但供氧量對(duì)EPS的影響有一定的局限性，當(dāng)供氧量增大到一定程度時(shí)，EPS含量基本不變。為進(jìn)一步探究有機(jī)負(fù)荷與EPS的關(guān)系，下面對(duì)兩者的相關(guān)性進(jìn)行了分析。

2.3 有機(jī)負(fù)荷與EPS的相關(guān)性

2.3.1 不同有機(jī)負(fù)荷與EPS變化的相關(guān)性

供氧量為1.65 L/min時(shí)，不同有機(jī)負(fù)荷沖擊下的EPS變化見表2，在本研究的有機(jī)負(fù)荷范圍內(nèi)，有機(jī)負(fù)荷增加率(x，%)與EPS峰值增加率(y，%)有明顯的相關(guān)性(R2=0.998)，擬合公式為y=0.385 5x+0.003 6。

表2 1.65 L/min供氧量下不同有機(jī)負(fù)荷沖擊對(duì)EPS的影響

2.3.2 不同供氧量與EPS變化的相關(guān)性

有機(jī)負(fù)荷1沖擊時(shí)，不同供氧量下的EPS變化見表3，供氧量增加率(x，%)與EPS峰值減少率(y，%)有較好的相關(guān)性(R2=0.923), 擬合公式為y=0.422 6x-0.006 4。

表3 有機(jī)負(fù)荷1下不同供氧量對(duì)EPS的影響

有機(jī)負(fù)荷2沖擊時(shí)，不同供氧量下的EPS變化見表4，供氧量增加率(x，%)與EPS峰值減少率(y，%)有較好的相關(guān)性(R2=0.919), 擬合公式為y=0.320 6x-0.014 4。

表4 有機(jī)負(fù)荷2下不同供氧量對(duì)EPS的影響

有機(jī)負(fù)荷3沖擊時(shí)，不同供氧量下的EPS變化見表5，供氧量增加率(x，%)與EPS峰值減少率(y，%)有較好的相關(guān)性(R2=0.976), 擬合公式為y=0.453 1x+0.014 2。在供氧量增加率為60.61%時(shí)有所偏離，這證明了供氧量增加率對(duì)EPS峰值減少率影響的局限性。

表5 有機(jī)負(fù)荷3下不同供氧量對(duì)EPS的影響

2.3.3 不同工況下運(yùn)行效能的變化

在常負(fù)荷條件下，COD的降解速率為53.94 mg/(L·h)。在供氧量為1.65 L/min下3種有機(jī)負(fù)荷沖擊時(shí)，COD的降解速率分別為73.27、93.54、137.52 mg/(L·h)(見表6)。在有機(jī)負(fù)荷沖擊下，COD降解速率變快，主要與底物濃度有關(guān)，底物濃度越高，反應(yīng)速率越快。但隨著有機(jī)負(fù)荷增大，氨氮的降解速率由1.65 mg/(L·h)依次下降為1.49、1.23、1.03 mg/(L·h)，分析原因是供氧量未提高，大量的DO用于降解COD，少量DO用于氨氮的硝化反應(yīng)，故氨氮降解速率下降；由于硝化反應(yīng)速率降低，系統(tǒng)脫氮速率有所下降，TN的降解速率由1.82 mg/(L·h)分別下降為1.73、1.43、1.29 mg/(L·h)。

表6 不同工況下污染物降解速率

通過(guò)調(diào)節(jié)供氧量，可使COD的降解速率增大。由于供氧充足，COD很快被降解，更多的DO用于進(jìn)行硝化反應(yīng)，與1.65 L/min供氧量相比，同樣有機(jī)負(fù)荷(有機(jī)負(fù)荷1、有機(jī)負(fù)荷2、有機(jī)負(fù)荷3)下，提高供氧量后的氨氮降解速率分別提升為1.72、1.66、1.56 mg/(L·h)，系統(tǒng)硝化速率提升，系統(tǒng)脫氮速率提高，TN的降解速率分別提高為1.83、1.80、1.65 mg/(L·h)。綜上所述，提高供氧量，系統(tǒng)整體的運(yùn)行效能得到提高，說(shuō)明提高供氧量是應(yīng)對(duì)沖擊的有效措施，對(duì)實(shí)際污水處理廠的運(yùn)行具有重大意義。

3 結(jié) 論

(1) MPR在單周期瞬時(shí)高濃度有機(jī)負(fù)荷沖擊過(guò)程中，有機(jī)負(fù)荷對(duì)EPS的影響具有滯后性，EPS含量隨著運(yùn)行周期增加先增大后減小，PN基本無(wú)變化，PS變化較大；有機(jī)負(fù)荷沖擊越大，PS峰值越大，峰值增量越大，EPS恢復(fù)至沖擊前所需時(shí)間越長(zhǎng)。在供氧量為1.65 L/min時(shí)，808.2～810.0、1 212.0～1 228.0、1 586.0～1 605.0 mg/L 3種有機(jī)負(fù)荷條件下，PS峰值分別為30.50、38.42、46.20 mg/g，峰值增量分別為12.22、17.82、24.35 mg/g。EPS含量恢復(fù)至初始狀態(tài)依次需6、8、10個(gè)周期。

(2) 在同一有機(jī)負(fù)荷沖擊下，提高供氧量，PS的峰值增量減小，PS峰值降低，恢復(fù)至初始狀態(tài)時(shí)間大體會(huì)縮短；但供氧量提高也有一定的局限性，在供氧量達(dá)到一定值時(shí)，過(guò)高的供氧量并不能有效緩解有機(jī)負(fù)荷沖擊對(duì)EPS的影響。有機(jī)負(fù)荷分別為808.2～810.0、1 212.0～1 228.0、1 586.0～1 605.0 mg/L時(shí)，相應(yīng)最適供氧量分別為1.80、2.25、2.45 L/min。

(3) 在1.65 L/min供氧量下，有機(jī)負(fù)荷的增加率與EPS峰值增加率有著明顯的相關(guān)性；3種有機(jī)負(fù)荷沖擊時(shí)，供氧量增加率與EPS峰值減少率有較好的相關(guān)性。