活性污泥EPS生成的影响因素研究

代莎莎，包常华

（1.日照职业技术学院，山东 日照 276826；2.荣成市环境保护局，山东 荣成 264300）

活性污泥EPS生成的影响因素研究

代莎莎1，包常华2

（1.日照职业技术学院，山东 日照 276826；2.荣成市环境保护局，山东 荣成 264300）

研究活性污泥EPS生成量的影响因素，讨论了DO、pH值、污泥负荷、温度、C/N对EPS产生量的影响。实验结果表明：随DO升高，产生较多的EPS，多糖、蛋白质含量也随之缓慢增加；pH值对EPS影响显著；在低负荷条件下微生物有较慢的生长速率和较高的内源代谢水平，EPS较多；介于10～25℃适宜温度下或者在C/N为100/10～100/5环境中，微生物生长效率最高。

EPS；DO；pH值；污泥负荷；温度；C/N

微生物产生的EPS是活性污泥絮体的主要组成部分，在污水生物处理中起着至关重要的作用。在活性污泥中微生物的生长除了营养外，还需要合适的环境因子。本实验研究DO、pH值、负荷、温度、C/N对EPS产生量的影响，为污水生物处理实际过程中控制EPS的生成量，实现高效生物处理提供必要理论基础。

1 实验部分

1.1 实验废水

本实验采用人工配制生活污水，以淀粉、蛋白胨、磷酸二氢钾、氯化铵、氯化钙、硫酸镁及硫酸铜作为碳源和其他营养物质。根据实验要求改变进水COD，调节进水pH。

1.2 实验装置

实验采用SBR反应器，时间控制器及曝气机，如图1。SBR有效容积15L，通过流量计调节曝气量。试验运行周期8h，采用瞬间进水→曝气 （4h）→沉淀（8h）→出水（0.5h）→静置（0.5h）。

图1 实验装置

1.3 实验方法

1.3.1 DO对EPS的影响

在实验正常运行的情况下，保持反应器进水浓度400mg/L，污泥浓度3g/L，pH=7，温度20℃，控制反应器中DO浓度分别在1，2，3.5，4.5，5.5mg/L情况下，测定EPS的量。

1.3.2 pH值对EPS的影响

在保证实验稳定运行的情况下，控制反应器进水浓度400mg/L，DO3.5mg/L，调节反应器中的pH值分别为5，6，7，9，MLSS为3g/L，测定EPS、出水COD的量。

1.3.3 污泥负荷对EPS的影响

调节进水COD浓度分别为200，400，600mg/L，同时保证反应器中污泥的浓度3g/L，pH=7，DO=3.5mg/L，测定EPS、COD的量。

1.3.4 温度对EPS的影响

在系统正常运行的情况下，控制系统进水浓度400mg/L，污泥浓度3g/L，DO浓度3.5mg/L，测定不同季节下温度差和不同温度下EPS的量。

1.3.5 C/N对EPS的影响

保持反应器中污泥浓度为3g/L，pH=7，DO浓度3.5mg/L，改变进水有机物中C/N，测定EPS的量。

1.4 检测项目方法

常规测试项目和方法如表1，特殊测试项目和方法如表2。

表1 常规测试项目和方法

表2 特殊测试项目和方法

本实验EPS检测采用加热—离心，将预处理的活性污泥在80℃恒温水浴加热60min，然后将其在转速为13000r/min下离心20min，离心后上清液用0.22μm醋酸纤维膜过滤，以总有机碳的量（TOC）表征其含量。通过非色散红外线吸收差减法测定提取液中TOC的含量。

2 结果与讨论

2.1 细菌不同生长阶段EPS总量及组成成分的变化

图2给出了污泥系统中EPS总量及其组分在有机底物降解过程中的变化。由图2可知，在曝气初期EPS的量增长较快，EPS总量从209mg/MLSS增加到268mg/MLSS，而随着曝气过程的持续，底物的快速降解，EPS增长缓慢而趋于稳定；EPS中多糖含量变化趋势和EPS变化趋势相近，变化趋势较为平缓，运行一个周期内多糖含量从117mg/MLSS增加156mg/MLSS；蛋白质含量与多糖及总量的变化情况略有不同，运行初期蛋白质含量从66mg/MLSS减少到60mg/MLSS，含量略有下降。

图2 一个周期内EPS量变化

在废水生物处理中，活性污泥增长曲线可以分为3个时期：对数生长期、减速生长期和内源呼吸期。在前两个阶段，微生物处于高的F/M状态，营养物质丰富，微生物的增长很快，水中的污染物被快速降解，首先达到细胞表面并部分停留在表面，引起EPS的增加；随着底物浓度的消耗，微生物可利用营养物质急速降低，当底物浓度降低到最低，营养物质已经被耗尽，微生物处于很低的F/M状态，即内源代谢期，这时微生物的生长受营养物质的限制，DO值不再增加处于稳定状态，如图3，停留在表面而贮积的EPS被细菌的代谢活动进一步分解，或被转移胞内，合成细胞原生质引起细胞生长，或直接在细胞外被彻底降解二氧化碳和水，而同时随着内源代谢的进行，大量的细菌发生自溶，释放出胞内聚合物，使EPS增加，微生物的絮凝性能也逐渐增强并趋于稳定。

图3 DO变化

污水与活性污泥接触在较短时间内，有机底物被活性污泥絮凝吸附去除，吸附在微生物细胞表面的有机物，在经过数小时曝气后，才相继被摄入微生物体内，曝气初期多糖含量明显增多，聚集在细胞表面的多糖要做进一步的运输或代谢，最终转入胞内或在胞外分解代谢。而EPS中的蛋白质可能在污泥的吸收和吸附过程中起到载体的作用。高浓度的基质使细菌分泌出较多的胞外酶与基质相结合而被转移进细胞体内，因此在有机物初期快速降解的过程中，蛋白质的含量略有下降。当进入实验后期时，细菌所处的条件相对比较稳定，大部分细菌在内源呼吸时可能都更多地利用多糖而不是蛋白质，胞外的蛋白质含量基本不变。

2.2 DO对EPS影响

DO对EPS影响如图4，DO在1～6mg/L变化时，EPS的含量从120mg/MLSS升至250mg/MLSS，多糖、蛋白质的含量也分别由70，40mg/MLSS上升到140，80mg/ MLSS。随着DO升高，多糖、蛋白质及EPS的含量均缓慢增加，其中多糖增量为蛋白质的2倍。

图4 DO对EPS影响

在活性污泥系统中，由于传质阻力的存在，DO及基质在污泥絮体内部存在明显的浓度梯度。当污泥混合液中DO浓度低于1.0mg/L时，活性污泥絮体难以形成或形成的污泥絮体解体；较高的DO才能保证微生物进行正常的代谢活动，污泥絮体解体释放的EPS逐渐降低。随着主体溶液中DO浓度的增加，DO可以穿透到菌胶团中一个更深的厚度，导致菌胶团中好氧区域的增加，微生物的代谢活动加剧，高含量的DO强化了微生物自产底物的氧化分解，加速了含氮有机物的循环利用和分解代谢，底物消耗加快，微生物具有较强的新陈代谢能力，通过分泌和自溶产生较多的EPS。

2.3 pH值对EPS影响

表3给出了活性污泥中EPS含量及组成在不同pH条件下的变化情况，可以看出，pH值对EPS的产生有显著影响。在pH值为5～6的酸性条件下，产生的EPS较低；在pH值为7的中性条件和pH值为8的偏碱条件下，微生物产生的EPS较多；当pH值为8.5～9的碱性条件下，微生物产生的EPS明显增多，各成分含量增大。

表3 pH值对EPS的影响

微生物的生命活动、物质代谢与pH值密切相关，环境中pH值对微生物的生命活动影响很大。由于pH值的改变，引起微生物表面的电荷变化，进而影响微生物对营养物的吸收。同时微生物酶在最适宜的pH时才能发挥最大活性，不适宜的pH值反而使酶的活性降低，进而影响微生物细胞的生物化学过程。不同种属的微生物生理活动适应的pH值都有一定范围，在污水生物处理的pH值宜维持在6.5～8.5，过高或过低的pH值对微生物是不利的。pH值在6.5以下的酸性环境不利于细菌和原生动物生长，尤其对菌胶团不利，菌胶团细菌的减少就会导致活性污泥的吸附能力降低，絮凝性能变差，结构松散不易沉降，甚至导致活性污泥丝状膨胀。细菌大多数要求中性和偏碱性，过酸或过碱均不利于EPS的产生。

2.4 污泥负荷对EPS的影响

图5为在进水有机物浓度不变的情况下，随着MLSS的升高，污泥的胞外聚合物随之有所增加，即在污泥负荷越低，EPS含量越大。当MLSS由3000mg/L升高到5000mg/L时，EPS由100mg/MLSS增加到178mg/MLSS。当MLSS较低时，营养物质丰富，微生物活性高、代谢旺盛；随着MLSS的增加，更多的微生物参加代谢，EPS含量也相应上升。

图5 MLSS对EPS影响

图6 EPS变化曲线

在保持污泥浓度不变的情况下，改变进水有机物浓度，如图6。在底物浓度不同的条件下，进水有机物浓度为500mg/L的污泥混合液，EPS总量的极值出现的时间早，而进水浓度为200mg/L的混合液，代谢产物积累的EPS极值出现相对靠后。EPS总量随着运行时间的延长先升高，达到最高值后，出现不规则的上下波动现象，之后由于微生物营养物质的匮乏，微生物以EPS作为碳源和能源进行新陈代谢，EPS的量出现减少趋势，最终进水浓度为200mg/L的混合液EPS总量较多。

污泥负荷对EPS影响显著，主要原因：①优势菌种不同。由于进水有机物含量不同，反应器的运行负荷不同，导致不同负荷情况下优势细菌种类不同。不同的菌种，细菌在其生长过程中分泌的胞外聚合物或内源呼吸时自溶产生的胞外聚合物数量可能有所差别。②在不同的负荷下，细菌的生长状态不同。高负荷反应器中由于有机物浓度较高，细菌的营养物较为充足，微生物活动旺盛，细菌处于对数增长期，产生EPS的极值出现时间早；低负荷反应器中，营养物较为缺乏，底物浓度较小，细菌处于内源呼吸期，代谢产物积累EPS的极值出现相对靠后。

2.5 温度对EPS影响

在适宜的温度范围内，温度每升高10℃，酶促反应速度就提高1～2倍，微生物的代谢速率和生长速率均可相应提高。在污水生物处理中，参入活性污泥处理的微生物，多属嗜温菌，其适宜温度介于10～45℃。

表4 温度对EPS的影响

在本实验中，如表4，当温度为8℃，EPS的量较高，随着温度升高到14℃时EPS的量反而降低，而当温度继续升高至22℃时EPS的量又有所增加。当水温太低时，能够减弱甚至破坏微生物的生理活动，导致微生物形态和生理特性发生变化，甚至可能使微生物死亡而释放出胞内聚合物，导致EPS增加；当温度上到14℃，细菌死亡减少，释放出的胞内聚合物减少，污泥中的EPS降低，随着温度的继续上升，EPS的量开始增加。微生物在适宜温度的条件下，生理活动强劲旺盛，酶促反应速度提高，同时微生物的代谢速率和生长速率较高，由底物的快速降解和细菌分泌导致EPS升高。

2.6 C/N对EPS影响

随着C/N值的提高，当C/N值从100/10升高至100/5时，EPS量随之增加，各种成份的含量变化并不大；当C/N值进一步升高至100/2.5时，此时污泥发生丝状菌膨胀，沉降性能变差，EPS中各种成分的含量有了较大变化；当C/N值为100/0这种极限状态时，由于过量的碳源存在，使微生物不能充分利用而转变为多糖类胞外贮存物，此时反应器内污泥EPS中各种成分的含量均有不同程度的增大，污泥发生严重的高黏性膨胀。C/N对EPS影响如图7。

图7 C/N对EPS影响

由此可见，基质中C/N值对EPS及其各组分含量影响较为显著，在C/N为100/10～100/5环境中，营养物质基本能够满足微生物生长需要，微生物生长效率最高。在C/N为100/2.5环境中，丝状菌开始大量生长，并逐渐成为优势菌种，并且由于进水中氮营养基质不足，污泥活性降低。Delia等人认为细菌与丝状菌在低基质的条件下进行竞争，导致了一些形成絮体的细菌死亡解体，另外营养不足降低了微生物的同化作用，使絮体中死亡微生物增加，而絮体中死亡细菌的增加及细胞自溶导致了EPS中蛋白质、多糖含量的增加。当进水基质中不再有氮营养物质时，由于过量的碳源存在，使微生物不能充分利用而转变为多糖类胞外贮存物，因此EPS总量及多糖含量进一步升高。

3 结语

（1）DO在从1mg/L升到6mg/L时，EPS及其主要组成部分多糖、蛋白质的含量分别从120，70，40mg/MLSS升至250，140，80mg/MLSS。随着DO升高，微生物具有较强的新陈代谢能力，通过分泌及自溶产生较多的EPS，多糖、蛋白质的含量也随之缓慢增加，但在不同DO情况下，EPS各组成成分比例变化不大。

（2）当pH值从5升到9时，EPS的量从150mg/MLSS升到250mg/MLSS。pH值在酸性条件下，不利于活性污泥菌胶团细菌的生长，大量细菌死亡，污泥絮凝性较差。pH值为中性或偏碱性环境下，污泥活性最好，絮体结构密实，污水处理效果好。pH值为8.5～9时，污泥中微生物不适应碱性环境，细菌自溶而释放大量胞外聚合物，EPS的量增加。

（3）污泥负荷对污泥EPS影响很大，随着污泥负荷减小，EPS明显增加。在低负荷条件下微生物有较慢的生长速率和较高的内源代谢水平，大量的细胞发生自溶，EPS较多。在高负荷条件下，可以利用的碳源没有被完全消耗完，多余的基质可以转化为胞内贮存颗粒储存在体内，EPS总量相对较少。

（4）介于10～25℃适宜温度下，有利于微生物的生长，微生物的代谢和生长速度较高，污泥中EPS的量随着温度的升高而增加；而当水温低于10℃时，不适宜微生物生长，由于微生物大量死亡释放出大量的胞内聚合物，EPS的量增多。

（5）随C/N的增加，EPS及其主要成分均有一定程度的增加。当进水中过量的碳源存在，氮营养基质不足时，活性污泥絮体中死亡细菌的增加及细胞自溶导致了EPS中蛋白质、多糖含量的增加。

［1］Antonio D.B.Composition， fate， and transformation of extracellular polymers in wastewater and sludge treatment process［D］.Cornell University，2000.

［2］方亮，张丽丽，蔡伟民.活性污泥胞外聚合物提取方法比较［J］.环境科学与技术，2006，29（3）：46-50.

［3］罗曦，雷中方，刘翔.胞外聚合物的提取、组成及其对污泥性质的影响［J］.城市环境与城市生态，2005，18（5）：38-42.

［4］王喧，季民，王景风，等.好氧颗粒污泥胞外聚合物提取方法研究［J］.中国给水排水，2005，21（8）：91-93.

［5］Delia Teresa Sponza.Extracellular polymer substances and physicochemical properties of flocs in steady and unsteady state activated sludge systems［J］.Process Biochemistry，2002，37：983-998.

（责任编辑：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（汉族），山东日照人，讲师，主要从事市政工程方向研究，（Tel）13863336672。