污泥转移SBR工艺中EPS对生物除磷的作用

周晓华，潘杨，陈茜茜，邓猛，郑莹，夏健伟



污泥转移SBR工艺中EPS对生物除磷的作用

周晓华1,2，潘杨1,2，陈茜茜1，邓猛1，郑莹1,2，夏健伟3

(1苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009；2苏州科技大学环境生物技术研究所，江苏苏州215009；3苏州市环境应急与事故调查中心，江苏苏州215002)

采用新型强化生物除磷工艺——污泥转移SBR处理合成废水，探讨胞外聚合物（EPS）在工艺强化除磷过程中的作用。当污泥转移量为0、15%及30%时，污泥中的EPS含量分别为（108.14±9.68）mg·(g MLSS)-1、（128.17±1.45）mg·(g MLSS)-1和（123.35±22.98）mg·(g MLSS)-1；工艺的除磷率分别为82.14%±0.85%、96.35%±1.25%及98.99%±0.98%，反应末端EPS中TP含量占污泥中TP的比重分别为27.9%±2.55%、57.23%±2.33%和63.88%±2.87%。此外，污泥中EPS在该工艺的好氧吸磷过程中吸磷量分别为（2.04±0.32）mg·(g MLSS)-1、（5.90±0.38）mg·(g MLSS)-1和（6.00±0.52）mg·(g MLSS)-1，在污泥吸磷量中的贡献率 均达到90%以上。研究结果表明：污泥转移SBR工艺中随着污泥转移量的增大有利于提高EPS中的磷含量， 从而提升了工艺的除磷性能，EPS在该工艺的吸磷过程中起主要作用。但污泥转移对污泥中EPS含量影响不 显著。

污泥转移SBR工艺；胞外聚合物；生物除磷；废水；吸附；回收

引 言

对于强化生物除磷工艺（enhanced biological phosphorus removal，EBPR）来说，目前大部分研究者[1-2]认为，强化生物除磷过程是通过厌氧/好氧条件交替运行富集聚磷微生物，并借助聚磷微生物细胞内部聚磷酸盐、聚羟基烷酸酯和糖原的合成代谢，对废水中的磷进行有效去除。但是近年来有研究[3]认为胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）参与了生物除磷过程。Cloete等[4]首先在研究中发现EPS中含有27%～30%的磷，此后Zhou等[5]及Fang等[6]相继在研究中发现EPS中含有相当数量的磷，分别为15%～18%及34%～57%，明确了EPS具有一定的储磷能力，并认为EPS是污泥絮体中的磷库。然而EPS在生物除磷过程中起到的何种作用观点不一，Wang等[7]研究发现EPS在生物除磷过程中充当细胞与液相的中转通道起到缓冲的作用；Zhang等[8]研究发现EPS中磷含量在生物除磷过程中的释磷及吸磷趋势与污泥中磷含量一样，但EPS在吸磷过程中的吸磷量仅为污泥吸磷量的19.78%；而Long等[9-10]研究发现EPS参与了生物除磷过程，并且在系统的除磷体系中发挥了重要作用。上述研究中，不同学者得到的结论虽然有差异性，但都认为EPS参与了生物除磷，而差异性主要体现在EPS在生物除磷过程中所起到的作用。

污泥转移SBR工艺是Huang等[11]以CAST工艺为基础提出的新型EBPR工艺，由前置的厌氧生物选择器与数个并联运行的SBR主反应器构成。厌氧生物选择器的功能是利用基质浓度差实现聚磷微生物的动态筛选，交替运行的SBR反应器之间以污泥回流的方式将处于沉淀阶段的SBR反应器中的活性污泥经厌氧生物选择器连续转移至反应阶段的SBR反应器中。从而实现在并联SBR反应器间，处于反应阶段的SBR生物量增多，而沉淀阶段的SBR污泥量减少，从而提高容积利用率和反应器的运行稳定性及除污性能[12-13]。

本文以污泥转移SBR工艺为研究对象，通过考察污泥转移对活性污泥中EPS含量以及EPS中磷含量的影响，探讨EPS在生物除磷过程的作用，诠释新工艺的除磷机制。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

图1为污泥转移SBR工艺试验装置。污泥转移SBR工艺由1个厌氧生物选择器和3个以A/O方式交替运行的SBR反应器构成，每个SBR反应器底部设有一个泥斗。生物选择器的有效体积为4.8 L，每个SBR反应器的有效体积为16.8 L。SBR反应器中设有搅拌及曝气装置，进水和污泥转移通过3台蠕动泵控制，所有控制阀和蠕动泵的启闭均采用PLC实现自动控制。

图1 污泥转移SBR工艺装置

污泥转移SBR工艺的运行过程为：①污水与处于沉淀阶段的SBR反应器C中的回流污泥进入厌氧生物选择器（释磷），然后进入SBR反应器A；②SBR反应器A首先开启搅拌（缺氧反硝化），随后开启曝气装置实现去碳、除磷等功能（搅拌及曝气时间视具体工况需要而定）；③SBR反应器A反应结束后进入沉淀撇水阶段，通过蠕动泵从底部回流至厌氧选择器。SBR反应器A完成一个周期循环。生物选择器为连续运行，3个SBR按时序交替运行，保持系统进水和污泥回流的连续性。以污泥回流量与进水流量之比（污）表征污泥转移量。

1.2 原水水质及试验方法

污泥转移SBR工艺接种的污泥来自于苏州市某污水处理厂以氧化沟工艺为主体的脱氮除磷工艺的好氧段末端。试验期间，水源是以学校附近的生活污水为基础的合成废水，投加丙酸钠和磷酸二氢钾补充碳源及磷源。其水质情况如下：COD为230～450 mg·L-1，氨氮为10～50 mg·L-1，磷酸盐为4～6 mg·L-1，pH为6.5～8.5，温度为23～30℃。3个并联运行的SBR主反应器在时间上实现连续进水，运行周期4.8 h（搅拌进水30 min，曝气进水66 min，曝气反应32 min，沉淀撇水160 min），充水比为46%，容积负荷为0.48～0.94 kg COD·(m3·d)-1，采用半限制性曝气DO＞1 mg·L-1，泥龄为10 d，污分为0、15%、30% 3个阶段（污为0时按传统SBR工艺A/O方式运行），试验历时9～10个月，下述试验数据为均值。

1.3 测定项目及方法

利用欧洲标准测试测量组织提出的SMT协议分别测定污泥及细胞中TP含量，具体的测定方法见图2；利用差减法计算出EPS中TP含量，EPS中TP含量的具体测算公式如下

图2 SMT流程

EPS的提取采用甲醛-氢氧化钠法[14]；蛋白质（PN）采用考马斯亮蓝法；多糖（PS）采用苯酚硫酸法；DNA采用二苯胺法。其他水质指标为：CODCr采用重铬酸钾法；NH4-N采用纳氏试剂分光光度法；NO3-N采用氨基磺酸紫外分光光度法；NO2-N采用-(1-萘基)-乙二胺光度法；TP采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法；MLSS采用Myratek污泥浓度测定仪测定；DO和pH采用inlab OXI7300溶氧仪/ inlab OXI7300 pH计测定。其他参数均参照《水和废水监测标准分析方法》[15]。

2 试验结果

2.1 污泥转移对工艺除磷性能的影响

由表1可以看出，厌氧时反应器中液相的TP浓度升高，好氧时TP浓度降低，说明在厌氧时污泥絮体中的磷进行了释放，在好氧时发生了磷的吸收；且污为0、15%及30%时，工艺对进水中TP的平均去除率分别为82.14%±0.85%、96.35%± 1.25%及98.99%±0.98%，即该工艺中污泥转移量的增大有利于提高其除磷性能。传统生物除磷机理的研究过程中发现生物除磷是聚磷微生物在其生物代谢过程中将物质储存在细胞内部，通过排除剩余污泥实现磷的去除，细胞作为污泥絮体中的重要组成部分，有必要对污泥中磷含量进行测定分析。

表1 液相中溶解性TP的变化

污泥转移SBR工艺中不同污泥转移量下污泥中TP含量的变化如图3所示，污为0、15%和30%时，反应末端污泥转移SBR工艺中污泥的TP含量分别为（13.30±0.45）mg·(g MLSS)-1、（26.59±0.65）mg·(g MLSS)-1和（37.71±0.73）mg·(g MLSS)-1。此外，在污泥转移SBR工艺的运行周期中，当污从0提高至30%时污泥在吸磷过程中吸收的TP量也有差异性，即污为0、15%和30%时好氧吸磷量分别为（2.13±0.35）mg·(g MLSS)-1、（5.99±0.66）mg·(g MLSS)-1和（6.52±0.58）mg·(g MLSS)-1。污泥转移SBR工艺作为一个非平衡增长系统，生物选择器的前置强化了微生物在系统中“吸收-存储-利用”的非平衡状态，在基质浓度差的定向筛选下使系统中的聚磷微生物趋于一致性，有利于提高系统的除磷性能。此时，随着污泥转移量的增大，生物选择器中的污泥总量随之增多，厌氧生物选择器对系统中污泥的筛选频率增大，更利于聚磷微生物的富集（即污泥转移量决定了生物选择器对微生物的筛选频率）[16-17]。因此污泥中TP总量随着污泥转移量的增大而增多且污泥的吸磷能力增强，结合表1亦可以看出污泥转移量的增大有利于提高本工艺的除磷性能。

图3 污泥转移对污泥中TP含量的影响

2.2 污泥转移对工艺中细胞磷含量的影响

细胞及EPS是污泥絮体的主要组成部分，污泥中的磷大量存在于细胞及EPS中。不同污泥转移量下细胞中TP含量的变化如图4所示，污为0、15%和30%时，反应末端细胞中的TP含量分别为（9.58±0.29）mg·(g MLSS)-1、（11.37±0.39）mg·(g MLSS)-1和（13.40±0.51）mg·(g MLSS)-1，与其厌氧释磷时的TP含量接近；此外污为15%和30%时，在其缺氧搅拌时细胞中TP含量明显升高，分别为（12.69±0.45）mg·(g MLSS)-1和（12.88±0.36）mg·(g MLSS)-1。即污泥转移量增大，细胞中TP含量增多；而且当污15%及污30%时，细胞中TP量在缺氧搅拌时均会升高而在好氧反应结束时恢复至厌氧释磷时的水平。

图4 污泥转移对细胞中TP含量的影响

传统生物除磷理论认为好氧时细胞会吸收液相中的磷合成聚磷酸盐，聚磷酸盐是聚磷微生物进行代谢活动的特征物质。Zhou等[18]研究发现聚磷酸盐的合成量会影响到聚磷微生物的代谢特征，从而影响到系统的除磷性能。结合表1可以看出本工艺显现出的这种差异性，并未明显影响到工艺的除磷性能。可能是由于上一个周期驻存在SBR主反应器中的保留液含有一定的硝酸盐，在缺氧搅拌过程中发生了反硝化除磷，即缺氧搅拌时反硝化聚磷微生物将液相中一部分磷以多聚磷酸盐的形式储存至细胞内部；而在好氧反应时由于外部能够利用的碳源较低，此时细胞为了维持自身的合成及代谢，分解细胞内聚磷酸盐来提供能量。而Li等[19]研究表明在好氧吸磷过程中，液相中的磷转移至污泥絮体中，污泥中的磷含量一直上升，完成吸磷。因此结合图3及图4推测本工艺中大部分的磷由EPS吸收完成。

2.3 污泥转移对EPS的影响

2.3.1 污泥转移对EPS总量的影响 EPS是污泥絮体的主要组成部分，其主要来源有两个途径：一是来源于细菌细胞自身的分泌及自溶；二是细菌细胞对其周围环境中有机物及无机物的吸附。已有研究报道[1]EPS不仅与污泥絮体的沉降性能相关，还参与了生物除磷过程。本工艺中污泥转移对EPS总量的影响如图5所示，污为0、15%和30%时，反应末端污泥中EPS的含量分别为（108.14±9.68）mg·(g MLSS)-1、（128.17±1.45）mg·(g MLSS)-1和（123.35±22.98）mg·(g MLSS)-1；此外污为15%和30%时，生物选择器中EPS的含量在其整个运行周期内最高，分别为（206.65±18.09）mg·(g MLSS)-1和（136.43±25.88）mg·(g MLSS)-1，进入缺氧搅拌后EPS含量均出现明显下降，随后进入好氧阶段EPS含量略微升高。实验结果表明污泥转移量的增大对本工艺反应末端污泥中EPS含量影响不明显，但是不同污泥转移量下其运行周期内污泥中EPS含量呈现波动性变化。

图5 污泥转移对EPS总量的影响

Zhang等[20]及Nagaoka等[21]研究表明容积负荷是影响污泥中EPS含量的重要因素。此时本工艺的充水比是固定的，为46%，即工艺的容积负荷是一定的，所以随着污泥转移量的提高，反应结束时反应器中污泥的EPS含量变化不明显。而在本工艺的运行周期内，主要包括3个部分：厌氧生物选择器、缺氧期及好氧期。在厌氧生物选择器中，进水容积负荷是一定的，而污15%时转移至生物选择器的污泥量相对于污30%时较少，导致更多的剩余碳源被污泥吸附转化为EPS；在污为15%、30%时，污泥中EPS含量在缺氧期相比于厌氧期均有明显下降，其原因可能是缺氧期时外部可利用碳源缺乏，细胞为自身的合成及代谢会消耗厌氧时吸附于细胞表面的碳源，从而导致污泥中EPS含量的下降；好氧反应结束时污泥中EPS含量较缺氧期有稍微的升高，由于好氧时液相中可利用的碳源减少，细胞处于饥饿状态，细胞为了保护自身分泌更多的EPS。而污0时相当于传统SBR工艺运行，污泥中EPS含量从缺氧期到好氧期的少量增加，也可能是由于液相中可利用的碳源缺乏，微生物能利用的较少，细胞分泌过多的EPS进行自我保护所导致。因此不同污泥转移量下其运行周期内污泥中EPS含量呈现波动性变化。

2.3.2 污泥转移对工艺中EPS磷含量的影响 图6及图7所示为不同污泥转移量下EPS中的TP含量，在污为0、15%和30%时，反应末端EPS中TP含量分别为（3.72±0.29）mg·(g MLSS)-1、（15.22±0.43）mg·(g MLSS)-1和（23.70±0.58）mg·(g MLSS)-1，且TPEPS/TPsludge的比重分别为27.9%±2.55%、57.23%±2.33%和63.88%±2.87%；在其吸磷过程中对应的EPS吸磷量分别为（2.04±0.32）mg·(g MLSS)-1、（5.90±0.38）mg·(g MLSS)-1和（6.00±0.52）mg·(g MLSS)-1。试验结果表明污泥转移量的增大会使EPS中TP含量增多，结合图3及图6可以看出在本工艺的吸磷过程中EPS中的吸磷量占污泥吸磷量的90%以上，即EPS在本工艺的吸磷过程中起到了主要作用。

图6 污泥转移对EPS中TP含量的影响

图7 污泥转移对TPEPS/TPsludge的影响

Han等[22]研究发现在厌氧/好氧交替的过程中EPS的磷含量是呈波动性变化的，反应结束时EPS中磷含量又恢复到反应开始前的水平，EPS中磷含量的波动性变化是为了调节聚磷微生物外部的磷浓度，利于聚磷微生物抵抗高磷负荷的冲击。此外，Wang等[23]研究具有良好除磷性能的EBPR系统中EPS的理化特性时发现EPS广泛存在于污泥絮体中，包围在细胞表面，作为细胞与液相进行离子传递（如Ca+、Mg2+、K+及各种形态磷）的通道。然而EPS中磷的转化与微生物的代谢活动紧密相关，菌种间的相互作用可能会影响其代谢活动。污泥转移SBR工艺不仅存在时间上的基质浓度差还增加了空间上的基质浓度差，强化了微生物生长的非平衡环境，有利于系统中的优势菌种的富集，而本工艺在除磷过程中显现出的差异性，推测其可能是工艺本身的特性及其运行控制导致[24]。此外当污为30%时，污泥转移SBR工艺中好氧末端TPEPS/TPsludge可达到63.88%，相比较于此前相关文献报道的最高水平（34%～57%）更高[4-6]。EPS中的磷更容易释放，工艺中除磷过程中以EPS对磷的吸收为主导，被吸附于污泥EPS中的磷更具有资源回收的 潜力[3]。

3 结 论

（1）污泥转移量从0提高至30%时，本工艺对应的除磷率由82.14%±0.85%提高至98.99%±0.98%，即污泥转移量的增大有利于提高本工艺的除磷性能；

（2）污为0、15%和30%，反应末端EPS中TP含量占污泥中TP的比重分别为27.9%±2.55%、57.23%±2.33%和63.88%±2.87%；且在该工艺的吸磷过程中，EPS中的吸磷量占污泥中的吸磷量的90%以上；污泥转移对系统污泥中的EPS含量影响较小，但对EPS中的磷含量影响显著；

（3）EPS在该工艺的吸磷过程中起主要作用。

符 号 说 明

TPEPS，——分别为污泥中EPS及细胞中的实际磷含量，mg·(g MLSS)-1 TPsludge，——分别为利用SMT法测定的污泥及细胞中的磷含量，mg·(g MLSS)-1 ——EPS在污泥絮体中的质量比重

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Effect of EPS on biological phosphorus removal in sludge shifting SBR process

ZHOU Xiaohua1,2, PAN Yang1,2, CHEN Qianqian1, DENG Meng1, ZHENG Ying1,2, XIA Jianwei3

(1School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, Jiangsu, China;2Environment Biotechnology Research Institute, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, Jiangsu, China;3The Environment Emergency and Accident Investigation Center of Suzhou, Suzhou 215002, Jiangsu, China)

An updated enhanced biological phosphorus removal-sludge shifting SBR process was used for the treatment of synthetic wastewater. The role of extracellular polymeric substances (EPS) in the enhanced phosphorus removal process was investigated. As the sludge reflux ratios (characterized by sludge shifting volumes) was set as 0 , 15% and 30%, the content of EPS in the sludge was (108.14±9.68) mg·(g MLSS)-1, (128.17±1.45) mg·(g MLSS)-1and (123.35±22.98) mg·(g MLSS)-1, respectively. The total phosphorus removal efficiency in sludge (by sludge adsorption) was 82.14%±0.85%, 96.35%±1.25% and 98.99%±0.98%, respectively. Accordingly, the TP concentrations in the EPS at the end of the process accounted for 27.9%±2.55%, 57.23%±2.33% and 63.88%±2.87% of the TP concentrations in the sludge, respectively. In addition, the adsorption of phosphorus by EPS was (2.04±0.32) mg·(g MLSS)-1, (5.90±0.38) mg·(g MLSS)-1and (6.00±0.52) mg·(g MLSS)-1, respectively, during the aerobic phosphorus adsorption process. In all the above cases, the EPS has contributed more than 90% of the phosphorus adsorption capacity of the sludge. The results indicated that in sludge shifting SBR process, the increase of the amount of sludge shifting improved phosphorus content in the EPS and corresponding phosphorus removal, showing that EPS played a major role in the phosphorus removal process. But sludge shifting had almost no impact on EPS content in the sludge.

sludge shifting SBR process; EPS; biological phosphorus removal; wastewater; adsorption; recovery

2016-01-25.

10.11949/j.issn.0438-1157.20160110

X 703

A

0438—1157（2016）10—4439—07

江苏省高校自然科学研究重大项目（14KJA610001）；江苏省“333”学术带头人培养工程资助项目（331491201）；江苏省优势学科资助项目；水处理材料与技术协同创新中心资助。

2016-01-25收到初稿，2016-08-02收到修改稿。

联系人：潘杨。第一作者：周晓华（1991—），男，硕士研究生。

Prof. PAN Yang, panyang@mail.usts.edu.cn