低温活性污泥EPS 特性及其对污泥沉降性能影响试验研究

张海罡，边德军，2，艾胜书，2，万立国，2，田 曦，2，蓝 君

（1.长春工程学院，长春130012；2.吉林省城市污水处理重点实验室，长春130012）

0 引言

目前我国污水处理厂污水处理主体工艺为污水的生物处理技术，其中活性污泥处理技术较为成熟，具备处理效果好，设备要求低并被广泛应用［1］。但在我国东北地区，冬季气候寒冷，冰冻期长达3～6个月，最低气温可达到－30℃，根据有关资料显示，我国东北地区城市污水水温最低时可达4～7℃，寒冷的气候对于污水的生物处理极为不利［2］。低温对微生物生长和活性，酶促反应都有较大的影响，并且通常还伴随着污泥膨胀，改变了活性污泥特性，其中胞外聚合物（EPS）也是受低温影响较大的污泥特性之一。

胞外聚合物（EPS）的化学组成成分主要有多糖、蛋白质、核酸以及腐殖质，其中多糖和蛋白质两者含量占EPS总量的绝大部分，比例高达80%以上［3］。污泥的沉降性能受很多因素影响，其中包括颗粒大小、颗粒疏水性、表面面积等，这些性质都与EPS有关［4］。有关研究表明当EPS中多糖成分多时，不利于污泥沉降，而当EPS中蛋白质成分多时则有利于沉降［5］。

本研究以长春市某污水处理厂初沉池出水作为原水，以其曝气池中的污泥作为接种污泥，模拟曝气池的运行，研究其在15～3℃低温条件下胞外聚合物（EPS）含量的变化，并通过测定不同温度下EPS中多糖的含量和污泥的SVI，初步探索EPS及其组分多糖的变化规律，分析其对污泥沉降性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验装置

本实验采用有机玻璃板作为材料，制作模拟的曝气池和沉淀池，其有效容积均为56L，采用穿孔管曝气并通过转子流量计控制曝气。原水由进水泵打入模拟曝气池中，出水经沉淀池排出，沉淀池中的污泥通过污泥回流泵打回到模拟曝气池的前段。装置如图1所示。

图1 反应器装置示意图

1.2 反应器的运行

1.2.1 运行温度

本试验的反应器置于恒温房中，通过制冷机以及温度检测仪调节恒温房内的温度并使其恒定，从而达到控制反应器温度恒定的目的。本试验反应器运行为连续运行模式，从15～3℃不间断运行，每个温度运行2周为1个阶段，每个阶段下降2℃，具体内容见表1。

1.2.2 运行参数

本模拟试验运行参数见表2。

表1 温度控制与时间的关系

表2 反应器运行参数

1.3 试验方法

污泥胞外聚合物（EPS）的提取方法参考国内外学者对EPS提取的研究成果［6－8］，并结合本实验室研究条件制定。

将原污泥样从反应器中取出，通过注射器和磁力搅拌器均匀地将污泥定量注入比色管中，再将其放入水浴箱中水浴2h，水浴温度为恒定80℃。水浴后将泥样倒入离心管中，用离心机以9 000rpm，离心15min，离心后将上清液通过40nm的滤膜和抽滤装置进行过滤，得到的液体就是提取好的EPS原液。

测量EPS中蛋白质含量的方法为考马斯亮蓝法。

测量EPS中多糖含量的方法为蒽酮比色法。

2 实验结果

2.1 EPS的含量变化

经试运行调试后，反应器处于稳定运行阶段。本研究以温度变化为唯一影响因素，对不同温度下各个阶段的活性污泥EPS进行了研究，检测结果如图2所示。

通过对图2数据进行分析整理，得到各温度稳定阶段的污泥EPS含量随温度变化的平均值，如图3所示，变化率见表1。

图3 污泥EPS含量与温度变化关系

由各温度下反应器内污泥EPS含量值可知：反应器内温度为15℃时，污泥EPS平均含量为81.78mg／gMVSS，温度下降到13℃后，污泥EPS平均含量为81.36mg／gMVSS，EPS含量下降了0.5%，降低幅度很小。在11℃时，污泥EPS平均含量为68.41mg／gMVSS，污泥EPS含量下降了15.92%。在9℃时，污泥EPS平均含量为77.04mg／gMVSS，污泥EPS含量上升了12.62%。污泥EPS含量在7℃、5℃、和3℃时分别为73.22、69.78、69.80mg／gMVSS，污泥EPS含量在7℃和5℃时分别依次降低了4.96%和4.70%，在3℃时污泥EPS含量相较于5℃上升了0.03%，上升幅度极小。

2.2 EPS中多糖的含量变化

检测污泥EPS含量的同时也得到了EPS中多糖的含量，其随温度降低的变化如图4所示。

通过对图4中的数据进行分析整理，得到各温度稳定阶段的污泥EPS中多糖含量随温度变化的平均值，如图5所示，变化率见表2。

图4 系统低温运行期反应器内污泥EPS中多糖含量变化情况

图5 污泥EPS中多糖含量与温度变化关系

由各温度下反应器内污泥EPS中多糖含量值可知：温度为15℃时污泥EPS中多糖的含量为24.99mg／gMVSS。温度为13℃时，污泥EPS中多糖的含量为28.15mg／gMVSS，上升了12.65%。当温度下降到11℃时，污泥EPS中多糖的含量为30.24mg／gMVSS，上升了7.42%。温度再次下降，到9℃时，污泥EPS中多糖的含量为29.76mg／gMVSS，下降了1.59%。当温度为7℃、5℃和3℃时，EPS中多糖的含量分别为31.49、33.18和36.46mg／gMVSS，分别较上一阶段污泥EPS中多糖的含量上升了5.81%、5.37%和9.89%。

2.3 污泥体积指数（SVI）的变化

通过检测不同温度下的SVI，得到了SVI随温度降低的变化情况，如图6所示。

图6 系统低温运行期反应器内污泥SVI变化情况

通过对图6数据进行分析整理，得到各温度稳定阶段的SVI随温度变化的平均值，如图7所示。

图7 污泥SVI与温度变化关系

由各温度下SVI的平均值可知：温度在15℃时，SVI平均值为134.26（mL／g）。温度在13℃时，SVI平均值为115.45（mL／g），下降了14.01%。当温度一次下降到11℃、9℃、7℃、5℃、和3℃时，SVI平均值分别为189.03、215.95、230.01、276.85和280.73（mL／g），相较于每个温度的上一阶段依次上升了63.73%、14.24%、6.51%、20.36%和1.40%。

3 数据分析

反应器内的温度从15℃开始，每个阶段降低2℃，直至3℃，污泥EPS含量总体呈下降趋势。从13℃到11℃再到9℃，污泥EPS含量出现了先降低再上升的情况。当温度为11℃时，通过微生物镜检看到活性污泥中丝状菌开始大量出现，但是并没发生污泥膨胀，在温度为9℃时污泥发生了膨胀，由此可知在11℃时，污泥中丝状菌大量繁殖，污泥中微生物的优势种群发生了变化，因此对EPS含量产生了一定影响，而在9℃时污泥发生膨胀，相较于11℃时微生物种群又进入了较为稳定的阶段，污泥EPS含量上升了12.62%，但9℃的污泥EPS含量相较于13℃的污泥EPS含量还是下降了5.31%。从9℃开始，污泥膨胀一直存在，污泥中EPS的含量也持续下降，从15～3℃，污泥中EPS含量最高为81.78mg／gMVSS，最低时为 69.78mg／gMVSS，下降了14.67%。

污泥EPS中多糖的含量随温度降低总体呈上升趋势，在9℃时，污泥EPS中多糖含量较11℃略有下降，此时正是污泥开始膨胀的阶段，对EPS中多糖含量有一定影响，之后随着温度持续降低，EPS中多糖的含量持续上升。最高时的多糖含量高达36.46mg／gMVSS，相较于最低时的 24.99mg／gMVSS上升了45.90%。

污泥SVI随温度下降呈上升趋势。在15℃和13℃阶段，污泥的沉降性能良好，SVI都在150mL／g以下。当污泥在11℃时发生了污泥膨胀，污泥的沉降性能变差，SVI随即上升到了189.03mL／g，之后随着温度继续下降，污泥SVI越来越大，沉降性能越来越差，最高SVI相较于最低SVI上升幅度高达143.16%。

污泥EPS的含量随温度下降而下降，其中多糖含量随温度下降而上升，EPS中的主要化学成分就是蛋白质和多糖，因此蛋白质含量也随温度下降而减少且占的组分更大。EPS中蛋白质成分多时有利于污泥沉降，反之则不利于污泥沉降。有关研究表明，LB－EPS的数量的增加对应着污泥体积指数（SVI）的升高与区域沉降速率的降低，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 结语

本研究表明，在15℃以下低温条件运行中，活性污泥中EPS的含量随着温度下降呈下降趋势，下降幅度为14.67%。而EPS中多糖含量则呈上升趋势，上升幅度高达45.90%，EPS含量变化和EPS中多糖含量变化成反比关系。在低温条件下，污泥膨胀现象对污泥中EPS的变化有一定影响，当污泥刚发生膨胀时污泥中EPS含量变化会与总体变化趋势相反，其中多糖含量的变化也是如此。污泥的沉降性能受EPS中多糖含量变高以及蛋白质含量变低的影响，随温度降低而变差。

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