不同基质条件对亚硝化污泥胞外聚合物的影响

李 冬，吴 青，梁瑜海，苏庆岭，张金库，卫家驹，张 杰，2

(1.水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室(北京工业大学)，100124北京;2.城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)，150090哈尔滨)

胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)是在一定环境条件下由微生物分泌于体外的高分子聚合物，其组分以多糖、蛋白质为主，质量分数约占污泥中总有机质的50%～90%，是细胞和水分外第3大类活性污泥组成物质［1］.EPS直接分散于污泥絮体的间质中，这种特殊位置决定了EPS必然影响污泥的特性.有研究［2-3］报道了EPS中的多糖、蛋白质等大分子物质对活性污泥疏水性和絮凝沉降性能的影响.此外，胞外聚合物假说是目前比较流行的颗粒污泥形成假说［4-5］，Ross［6］提出细胞通过 EPS 的架桥作用连接在一起，从而形成了颗粒污泥.因此，EPS在絮状污泥颗粒化过程中具有重要作用.EPS组成及质量分数的变化与进水基质及基质中营养物质水平密切相关［7］.废水中基质不同，活性污泥系统中优势菌种种类不同，细菌分泌的EPS产量和成分也不同.D.T.Sponza［8］发现酿酒、城市污泥 EPS 以蛋白质为主，化学、皮革、染料3种污泥EPS中蛋白质和核酸质量分数相差不大.基质中碳氮比、碳磷比及K、Ca、Mg、Fe等元素质量分数影响着EPS的产生.周玲君等［9］研究的亚硝化污泥比普通污泥中的EPS质量分数高，且多糖与蛋白质比值较低.

目前国内外关于EPS的研究主要集中在EPS的组成成分、物理化学性质以及改变污泥特性等方面［10-13］.本研究在已有研究的基础上，采用SBR反应器在室温(18～20℃)环境下，系统研究了氨氮质量浓度和基质类型对EPS质量分数及其组分的影响，以期探索形成颗粒污泥的最佳水质条件，研究EPS对污泥特性的影响，为其在城市污水处理中取得更好的效果提供基础数据与技术支持.

1 实验

1.1 实验装置

采用6个完全相同的SBR反应器，均由有机玻璃制成，高18 cm，内径10 cm，有效容积为1 L，反应器换水比为50%.反应器底部安装内径为8 cm的曝气环进行微孔曝气，由气泵及气体流量计控制曝气强度，并利用六连搅拌机的搅拌装置使菌种与基质充分接触混匀.

1.2 接种污泥及实验用水

接种污泥采用氨氮质量浓度为200 mg/L配水启动成功的亚硝化污泥，亚硝化率达90%以上.每个反应器接种的污泥量约4 g.实验用水1#-5#为人工配水，6#为某大学家属区实际生活污水.人工配水中以(NH4)2SO4、KH2PO4为营养物质，NaHCO3为无机碳源，葡萄糖为有机碳源.各反应器具体水质见表1.

表1各反应器实验水质 mg·L-1

1.3 实验方法及控制条件

采用SBR的运行方式，包括瞬时进水、搅拌(80 r/min)、曝气(DO 为 0.3～0.5 mg/L)、沉淀(20 min)、排水(2 min).SBR反应器成功运行后，对活性污泥循环进行加水(自来水)—搅拌—沉淀—排水过程，将反应器中上次运行周期残留的NH4+-N、NO2--N、NO3--N、COD淘洗干净后重新进行SBR运行，每天运行1～2周期.温度为室温18℃左右，各反应器进水pH为7.4～7.8，运行中搅拌速度为80 r/min.

以氨氧化率达60%～65%确定各反应器的反应时间.为比较不同底物条件亚硝化活性污泥分泌EPS的量，具体操作方法为:在各反应刚刚结束未静置前取泥水混合液并做3个平行样，立刻进行EPS的提取和多糖、蛋白质质量分数的测定，取3个平行样的平均值作为不同基质条件下EPS(多糖、蛋白质)的质量分数.为比较不同反应时期亚硝化活性污泥分泌EPS的量，具体操作方法为:于各反应器不同时期(进水15 min、氨氮氧化60%、氨氮氧化100%、饥饿17 h)分别取泥水混合液并做3个平行样，提取其中的EPS后进行EPS(多糖、蛋白质)的测定，取3个平行样的平均值作为各反应时期EPS(多糖、蛋白质)的质量分数.为考察EPS质量分数对污泥沉降性的影响，在各反应刚刚结束未静置前取泥水混合液，进行沉降性SVI的测定.

1.4 分析项目与监测方法

DO、T、pH均采用WTW便携测定仪测定，MLSS采用MODEL711手提式测定仪测定，COD采用COD快速测定仪测定.水样分析中测定采用纳氏试剂光度法测定采用N-(1-萘基)乙二胺光度法，NO3--N测定采用紫外分光光度法.亚硝化率、氨氧化率按下式计算:

式中:ΔρNO-2-N为进出水亚硝酸盐氮的质量浓度差，mg/L;ΔρNO-3-N为进出水硝酸盐氮的质量浓度差，mg/L;ΔρNH+4-N为进出水氨氮的质量浓度差，mg/L;ρNH4+-N为进水氨氮质量浓度，mg/L.

EPS的提取分为物理提取法、化学提取法、物理法和化学法联用的组合方法［14］.为最大限度地提取细胞表面的EPS，且对细胞不破坏或破坏程度最小，本实验采用了高速离心-超声波-热提取的物理联合法.首先取泥水混合样品于10 mL离心管中，室温下用离心机以5 000 r/min离心15 min，倒掉上清液，加入适量磷酸盐缓冲溶液，将污泥稀释至原体积，之后将污泥摇散后超声处理3 min，80℃水浴30 min(每隔10 min左右将泥摇匀一次)，最后用离心机5 000 r/min离心15 min，取上清液测定多糖、蛋白质质量分数，剩余污泥测定MLSS.EPS中多糖质量分数的测定采用苯酚-硫酸比色法［15］，蛋白质质量分数的测定采用考马斯亮蓝法［16］.SVI为混合液沉淀30 min后污泥容积(mL)与污泥干质量比(g).

2 结果与讨论

2.1 氨氮质量浓度对污泥系统中EPS质量分数的影响

在控制温度、pH、DO等运行条件相同的情况下，1#、2#、3#、4#反应器进水设计不同的氨氮质量浓度，对比各氨氮水平下亚硝化污泥系统中的EPS质量分数.图1为4个反应器反应结束时EPS质量分数的对比，图2为不同氨氮质量浓度对多糖与蛋白质比值的影响.

图1 氨氮质量浓度对污泥系统中EPS质量分数的影响

如图 1 所示，1#、2#、3#、4#反应器的氨氮质量浓度为 60，200，600，1 000 mg/L，其多糖质量分数分别为 11.766，22.777，24.744，24.443 mg/g，随氨氮质量浓度的增加，多糖质量分数整体呈逐渐增大的趋势，氨氮质量浓度在60～200 mg/L时，蛋白质随氨氮质量浓度增大而增大，之后蛋白质质量分数随氨氮质量浓度增大呈降低趋势.由图2可以看出，氨氮质量浓度在60～1 000 mg/L时，多糖与蛋白质的比与氨氮质量浓度显著线性相关，随着氨氮质量浓度增加，比值增加.

图2 氨氮质量浓度对多糖与蛋白质比的影响

分析认为，1#、2#、3#、4#反应器中基质相同、控制条件相同、活性污泥系统中优势菌种种类相同，细菌分泌的EPS产量和成分的不同主要取决于氨氮质量浓度.研究表明，EPS的组成物质中只有多糖是胞外合成的，而蛋白质、脂类物质是从胞内分泌出来的［17］，因此，多糖的质量分数受微生物代谢活性和基质两方面影响，而蛋白质质量分数主要受微生物代谢活性影响.本研究中氨氮质量浓度在60～200 mg/L时，随着氨氮质量浓度增加，多糖和蛋白质质量分数均明显增加，主要是细菌可利用的基质增多，微生物处于较高的食物/微生物(F/M)条件下，细胞合成量大，增殖速率升高，细菌数量逐渐增多，代谢增强，此时细菌分泌的 EPS 量 较 高［18］.氨 氮 质 量 浓 度 为 600，1 000 mg/L，游离氨分别达 14，25 mg/L，高游离氨对AOB菌活性有一定的抑制作用，细菌活性降低，因此，蛋白质的量又呈减少趋势，EPS量无增加趋势.

有研究表明［19-20］，多糖与蛋白质比的降低可以促进絮状污泥之间相互聚集，形成颗粒污泥.因为蛋白质与多糖比值的增加提高了污泥的相对疏水性.根据热动力学原理，污泥相对疏水性的增加将导致表面Gibbs能的降低，污泥间的亲和力增强，进而形成一个致密的结构，进一步促使凝聚成团的污泥脱离水相［21］;另外，蛋白质中氨基等正电官能团产生的正电荷能够中和多糖中羧基等负电官能团产生的负电荷，降低污泥表面的负电荷及污泥间的静电斥力，有利于污泥间相互接近聚集形成稳定的颗粒结构.

综上，氨氮质量浓度在60～200 mg/L时，EPS质量分数随氨氮质量浓度增大而增大，氨氮质量浓度超过200 mg/L时，EPS质量分数无明显增加趋势;随着氨氮质量浓度的增加，多糖与蛋白质比呈线性增加趋势.实际应用于亚硝化污泥的颗粒化过程中，初期亚硝化污泥纯化过程宜选择较高的氨氮质量浓度，形成较高游离氨抑制NOB菌，纯化亚硝化污泥，但是过高的游离氨质量浓度也会对AOB菌有一定的抑制作用.结合本实验氨氮质量浓度在200 mg/L左右即可实现亚硝化污泥的纯化，后期污泥颗粒化过程应适当降低氨氮质量浓度为60～200 mg/L，因为氨氮质量浓度的降低可以减小多糖与蛋白质的比值，从而促进絮状污泥之间相互聚集形成颗粒.因此，后期应适当降低氨氮质量浓度，快速实现亚硝化污泥的颗粒化.

2.2 基质类型对污泥系统中EPS质量分数的影响

关于基质类型对污泥系统中EPS质量分数的影响，设计了1#、5#、6#反应器，氨氮质量浓度均为60 mg/L左右.1#不含有机物，6#为生活污水，5#模拟生活污水，加入葡萄糖作为有机物，5#、6#进水COD均在280 mg/L左右.图3为3个反应器反应结束时污泥系统中EPS组分的质量分数及多糖与蛋白质比的对比图.可以看出，3个反应器中EPS产量和成分明显不同.人工配水以葡萄糖为有机物的5#和以生活污水为基质的6#污泥系统中EPS质量分数均明显高于不含有机物的1#.其中5#系统中多糖质量分数最高，6#系统中蛋白质质量分数明显高于其他反应器，多糖与蛋白质比明显低于其他反应器.

图3 基质类型对亚硝化污泥系统中EPS组分的质量分数及其比值的影响

分析认为，废水中基质类型不同使得活性污泥系统中优势菌种种类不同，细菌分泌的EPS产量和成分不同.一方面，5#、6#中有机物的加入使得菌种种类及菌量增多，可以分泌更多的EPS.另一方面，COD的存在会使含碳基质转化为胞内储存粒子和在EPS中积累的胞外高分子，使EPS质量分数增加，故5#、6#污泥系统中EPS质量分数均高于1#.5#污泥系统中多糖水平较高，原因是以葡萄糖为有机物的配水中含有大量的碳水化合物，使多糖成为活性污泥的主要成分.6#污泥系统中蛋白质水平较高，可能是由于城市污水可生化性较好，含有大量可生物降解的有机物，并且微生物对废水中可生物降解有机物的降解和摄取可以导致分泌大量蛋白质，因此，6#蛋白质水平高于其他反应器，多糖与蛋白质比明显低于其他反应器.

综上，亚硝化污泥的EPS明显受基质类型的影响:废水中含有机物的污泥系统中EPS质量分数明显高于相同氨氮质量浓度、不含有机物质的污泥系统;废水中以葡萄糖为有机物的污泥系统EPS组分中多糖质量分数偏高，以生活污水为基质的污泥系统EPS组分中蛋白质质量分数偏高，多糖与蛋白质的比值明显偏低.国内外研究表明［19-20］，多糖与蛋白质比的降低可以促进污泥颗粒化，因此，将基质类型对EPS质量分数的影响应用于污泥的颗粒化，以生活污水为基质的污泥系统中EPS质量分数较高，多糖与蛋白质比较低，生活污水更利于亚硝化污泥的颗粒化.

2.3 各反应时期亚硝化污泥系统中EPS质量分数的变化

以1#反应器为例分析不同阶段污泥系统中EPS质量分数的变化，结果见图4.可以看出，由进水15 min、氨氮氧化60%至氨氮完全氧化时，多糖质量分数分别为 9.890，11.766，13.982 mg/g，蛋白质质量分数分别为 3.061，3.442，4.428 mg/g.多糖、蛋白质质量分数均呈逐渐增加趋势.而当无基质静置饥饿17 h时，多糖、蛋白质质量分数分别降至 7.673，1.200 mg/g，多糖、蛋白质质量分数均明显减少.多糖与蛋白质比在有氨氮存在时均在3.1～3.4，无明显变化，但在静置饥饿 17 h后比值增至6.4，表明在环境中营养饥饿时首先减少EPS中的蛋白质.原因可能是反应时期，微生物处于较高的食物/微生物(F/M)条件，微生物的代谢速率和生长速率均很高，此时主要由细菌的分泌导致EPS质量分数增加.而饥饿期，初期由于没有底物基质的存在，营养缺乏使得微生物处于较低的代谢活性.随着饥饿期的延长，微生物逐渐进入休眠或内源呼吸阶段，积累的EPS中多糖、蛋白质等大分子物质又充当为细菌的碳源或能源被消耗，因此，在静置饥饿17 h后，EPS中多糖、蛋白质质量分数明显降低.张云霞等［22］的研究也证明了EPS可以被处于饥饿状态的其产生者和其他微生物降解，与本实验的研究结果相符.

图4 典型亚硝化污泥系统中EPS质量分数的变化

综上，EPS可以抵御反应系统内恶劣环境对细胞的危害，在外部基质缺乏时充当碳源和能源物质，维持细胞的正常生命活动.对于亚硝化污泥系统，饥饿会导致多糖与蛋白质比值增大，不利于絮状污泥之间相互聚集.因此，应用到亚硝化污泥的颗粒化过程时，应避免长时间的静置饥饿，相比SBR的静置饥饿期，连续流更有利于亚硝化污泥的颗粒化.

2.4 EPS对污泥沉降性的影响

EPS影响活性污泥絮体的物化性质，如絮体密度、絮体颗粒大小、表面面积、电荷密度、结合水质量分数和疏水性，而这些物化性质是反映活性污泥沉降性能的重要指标.6组反应器的EPS质量分数与SVI的关系如图5.可以看出，随EPS质量分数增大，SVI整体呈逐渐减小趋势.EPS质量分数从 15.207 mg/g 增加到 38.511 mg/g，SVI由175.610 mL/g 降至 74.074 mL/g.原因为:一方面，EPS架桥学说认为，当EPS中高分子物质与微生物接触时，EPS中含线性或分支状长链结构的活性基团借助离子键、氢键、配位键等与微生物细胞结合形成三维网状结构的絮凝体，有利于污泥沉降;另一方面，多糖、蛋白质等疏水性聚合物的疏水基团或疏水侧链与微生物细胞表面的疏水性区域出于避开水的需要而被迫接近，形成更大比表面积的空间三维间质复合物.以上两种学说均支持EPS对活性污泥絮凝沉降有促进作用，与本研究结果相符.

综上，EPS质量分数的增加有利于污泥的沉降.应用于亚硝化污泥的颗粒化过程，3#、4#、6#反应器系统中污泥的沉降性好.但对于颗粒形成，絮状污泥之间的相互聚集及污泥的良好沉降性都是重要因素.在2.1节中，2#反应器多糖与蛋白质比较低利于污泥相互聚集，3#、4#反应器的污泥沉降性好.而2.2节以生活污水为基质的6#系统中，多糖与蛋白质比较低有利于污泥之间的相互聚集，且污泥沉降性好，因此，含有机物的生活污水更有利于亚硝化污泥的颗粒化.

图5 EPS质量分数与污泥容积指数SVI的关系

3 结论

1)氨氮质量浓度影响污泥系统中EPS质量分数.氨氮质量浓度在60～200 mg/L时，EPS质量分数随氨氮质量浓度增大而增大.氨氮质量浓度超过200 mg/L时，EPS质量分数无明显增加趋势.且EPS组分中多糖与蛋白质的比与氨氮质量浓度线性相关，其R2为0.972 3.亚硝化污泥的颗粒化过程，初期宜选择200 mg/L的氨氮质量浓度，形成较高游离氨抑制NOB菌，纯化亚硝化污泥.后期应适当降低氨氮质量浓度为 60～200 mg/L，以降低多糖与蛋白质的比，从而快速实现亚硝化污泥的颗粒化.

2)污泥的EPS明显受基质类型的影响.氨氮质量分数相同的情况下，以含有机物的废水为基质的活性污泥比单纯以含氨氮的废水为基质的活性污泥能分泌更多的EPS.废水中以葡萄糖为有机物的污泥系统EPS组分中多糖质量分数偏高，以生活污水为基质的污泥系统EPS组分中蛋白质质量分数偏高，多糖与蛋白质的比明显偏低，因此，生活污水更利于亚硝化污泥的颗粒化.

3)EPS中蛋白质和多糖均具有可生化降解性，在外部基质缺乏时可以充当碳源和能源物质，维持细胞的正常生命活动.但饥饿会导致污泥系统中多糖与蛋白质的比升高，不利于亚硝化污泥的颗粒化.

4)EPS质量分数影响污泥沉降性.EPS质量分数增大，SVI呈逐渐减小趋势.对于颗粒污泥形成，絮状污泥之间的相互聚集及污泥的良好沉降性都是重要影响因素.

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