低负荷氧化沟系统中EPS与活性污泥沉降性能的关系

第33卷第6期2013年6月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.33,No.6Jun.,2013基金项目:国家自然科学基金项目(No.50878108);陕西省自然科学基金项目(No.2007E201)SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50878108)andtheNaturalScienceFoundationofShaanxiProvince(No.2007E201)作者简介:刘珮(1987—),女,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:LIUPei(1987—),female,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]刘珮,袁林江,陈希,等.2013.低负荷氧化沟系统中EPS与活性污泥沉降性能的关系[J].环境科学学报,33(6):1611-1615LiuP,YuanLJ,ChenX,etal.2013.RelationshipbetweenEPSandactivatedsludgesedimentationperformanceinthelow-loadoxidationditchsystem[J].ActaScientiaeCircumstantiae,33(6):1611-1615低负荷氧化沟系统中EPS与活性污泥沉降性能的关系刘珮,袁林江∗,陈希,鲁文娟西安建筑科技大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室,西安710055收稿日期:2012-05-05　　　修回日期:2013-02-21　　　录用日期:2013-02-22摘要:污泥膨胀是氧化沟系统中常见的运行问题,为寻求有效的针对性污泥膨胀的控制措施,需要首先明确污泥膨胀发生的机理.因此,在实验室模拟氧化沟处理系统中,采用以可溶性淀粉为碳源的模拟生活污水,探索了系统内污泥EPS的变化及其与污泥膨胀的关系.试验结果显示,在低负荷氧化沟中,污泥出现丝状膨胀,污泥中EPS含量及EPS中蛋白质含量与污泥的沉降性能(SVI)之间呈现出明显的负线性关系,但EPS中糖的含量与污泥的SVI之间无明显的线性关系.适当提高污泥负荷,污泥的EPS含量增加、沉降性能改善.研究认为,在低负荷运行的系统且缺乏细菌可快速容易降解碳源的条件下出现的污泥中EPS减少,并非是氧化沟污泥发生丝状膨胀的致因,丝状菌的优势繁殖才是根本原因.不能通过控制EPS来影响氧化沟低负荷下的污泥丝状膨胀.关键词:EPS;氧化沟;丝状膨胀文章编号:0253-2468(2013)06-1611-05　　　中图分类号:X703　　　文献标识码:ARelationshipbetweenEPSandactivatedsludgesedimentationperformanceinthelow-loadoxidationditchsystemLIUPei,YUANLinjiang∗,CHENXi,LUWenjuanKeyLaboratoryofNorthwestWaterResources,EnvironmentandEcologyofMinistryofEducation,Xi′anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi′an710055Received5May2012;　　　receivedinrevisedform21February2013;　　　accepted22February2013Abstract:Sludgebulkingisacommonprobleminoperationofoxidizationditchsystem.Toilluminatethemechanismofthesludgebulking,alab-scaleintermittentaerationandcontinuousflowoxidationditchsystemwasestablishedandappliedtostudytherelationshipbetweenEPSofsludgeanditssedimentationperformanceunderdifferentoperatingconditions.Solublestarchwasusedasthesolecarbonsource.Theresultsshowedthatfilamentousbulkingofthesludgeinthesystemoccurredatlowload.BothcontentofEPSandproteinamountintheEPShadadistinctnegativelinearrelationshipwithSVIofthesludge,butthecarbohydratecontentdidnot.ThecontentofEPSroseaftersludgeloadincreasedalongwithimprovementofsludgesedimentationperformance.Weconsideredthatthegrowthoffilamentousbacteriumwasthekeyfactorforthesludgebulkinginthesystem,ratherthanthedecreaseofEPSinthesludgeunderlowloadconditionandthescarcityofreadilybiodegradablecarbonsourceforbacteriuminthesludge.ItwasbelievedthataffectingtheEPScontentoftheactivatedsludgecouldnotresultinthefilamentoussludgebulkingunderlowsludgeloadconditionintheODsystem.Keywords:EPS;oxidizationditchsystem;filamentoussludgebulking1　引言(Introduction)胞外聚合物(ExtracellularPolymericSubstances,EPS)是微生物分泌于细胞壁外的一些亲水性、粘性大分子物质,主要由蛋白质、糖,还有少量核酸、脂类等物质组成.EPS普遍存在于活性污泥絮体的表面和内部,是菌胶团菌构成污泥絮体结构必不可少的物质.由于其所处位置和物理特性,EPS对污泥微生物的活性、污泥沉降性和脱水性等有着显著影响(Lietal.,2007;Parketal.,2007;Martinsetal.,2011;Yuanetal.,2011).在MBR中,单位体积的污泥所含EPS量越多,其污泥的活环　　境　　科　　学　　学　　报33卷性就越好(李绍峰等,2007).Forster等(1980)研究发现,EPS中的主要成分蛋白质、糖类等的含量都与污泥体积指数(SVI)成正相关,他们认为EPS不利于污泥沉降的原因是EPS的存在改变了污泥表面电荷,从而直接影响了污泥的沉降性.周健等(2004)的研究也表明,负荷对EPS影响显著:EPS含量随着负荷降低而增加,与SVI同步增加;随着DO水平提高,污泥中EPS增幅放缓,EPS含量对SVI的影响不大.尽管在EPS与污泥沉降性能的关系方面,国内外很多学者已做了不少探索,但由于EPS受外界环境影响,且与运行条件和微生物的来源等因素都有很大的关系(王怡等,2011).因此,目前对于EPS与污泥沉降之间的关联关系等,并未取得清晰、一致的看法.氧化沟是目前广泛应用于城市污水处理的一种低负荷延时曝气活性污泥法,污泥膨胀是该工艺常见的问题.因此,本文基于实验室建立的氧化沟系统,采用以可溶性淀粉为碳源的人工生活污水,研究低负荷氧化沟系统中污泥的EPS成分组成与污泥SVI的关系.结合污泥微生物形态变化,揭示低负荷活性污泥系统中EPS与污泥沉降性能的关系.2　试验材料与方法(Materialsandmethods)图1　厌氧选择器-连续流间歇曝气氧化沟系统示意图(1.进水箱;2.进水泵;3.厌氧选择池;4.单槽氧化沟;5.潜水推流泵;6.时控开关;7.曝气泵;8.沉淀池;9.污泥回流泵)Fig.1　Schematicdiagramofanaerobicselector-intermittentaerationandcontinuousflowoxidationditchsystem(1.influenttank;2.feedingpump;3.anaerobicselector;4.oxidationditch;5.submergedpump;6.time-controller;7.aerationpump;8.settlingtank;9.sludgepump)2.1　试验装置图1为试验模拟厌氧选择器-连续流间歇曝气氧化沟系统的示意图.系统内污泥浓度保持在2500~2800mg·L-1之间,污泥龄控制在20d左右.厌氧选择池水力停留时间为35min.氧化沟为单槽氧化沟,有效容积42L,水力停留时间为16h,水深30cm,双沟总长约1.4m,沟内放置2个潜水泵实现沟内液体的推流,氧化沟内流速大约为0.1m·s-1.氧化沟内采用间歇曝气方式来实现沟内的溶解氧梯度.通过时控开关控制,系统曝气40min,停止曝气32min,实现了好氧/缺氧环境的交替,从而实现氧化沟的脱氮除磷能力.系统的有机负荷为0.15~0．18kg·kg-1·d-1(以每kgMLSS中的COD计).2.2　试验用水、接种污泥及污泥样品采集厌氧-连续流间歇曝气氧化沟系统的进水为人工模拟生活污水,其中,COD为400mg·L-1(由可溶性淀粉提供),按BOD5∶N∶P=100∶5∶1的比例加入氯化铵和磷酸二氢钾,加入适量的微量元素(参照Bracklowetal.,2007),污水配方见表1.试验所用接种污泥取自西安市第四污水处理厂的A2/O系统.接种后待系统稳定运行28d后,开始取沟内污泥进行测试.每次在氧化沟内曝气30min后,取好氧污泥,做3个平行样.表1　模拟生活污水配方Table1　Compositionofthesynthesizedwastewater成分含量/(g·L-1)成分含量/(g·L-1)可溶性淀粉0.4氯化铵0.076磷酸二氢钾0.0176无水氯化钙0.01七水硫酸镁0.1微量元素0.08　　注:微量元素单位为mL·L-1.2.3　污泥EPS的提取及组分测定采用阳离子交换树脂(CER)法提取EPS(Forlundetal.,1996;李绍峰等,2006).试验所用的树脂为DowexMarathonCsodiumform,按照70g·g-1(树脂∶VSS)的比例,称取适量的树脂加入PBS缓冲液,在室温下振荡清洗1h,备用.取适量的泥水混合物于离心管中,在4℃、8000g离心力下离心5min,倾去上清液,加入10mL的PBS缓冲液,重复离心3次.然后在泥样中加入10mL缓冲液,在25W下超声5min.超声后的液体全部倒入清洗完毕的树脂中,放入振荡器,保持4℃、400r·min-1频率振荡4h,提取EPS.然后将EPS混合液在12000g、4℃下离心15min,分离EPS液体.最后用0.45μm的膜抽滤在比色管中,定容、冷藏、待用.蛋白质采用Folin分光光度法测定,糖采用蒽酮比色法测定,DNA采用二苯胺法测定.21616期刘珮等:低负荷氧化沟系统中EPS与活性污泥沉降性能的关系3　试验结果(Results)3.1　试验结果实验系统稳定运行了1个月后,就发生了污泥膨胀.在不同时段下,对应不同SVI值,先后取了5个污泥样品,每个样品取3个平