技术活性污泥如何吸附生活污水

技术|活性污泥如何吸附生活污水1、引言活性污泥法污水处理工艺中，污染物的降解分为两个阶段，第一阶段污泥絮体将污水中的有机污染物质吸附到菌体细胞壁外(吸附阶段);第二阶段菌体通过主动运输将污染物输送到菌体内部合成细胞新陈代谢需要的物质和能量(降解阶段)。所以污泥絮体的吸附对污水处理效果起着决定作用，而胞外聚合物(EPS)是污泥絮体构成的主要部分，占活性污泥总有机质的50%-90%。EPS对污泥絮体的理化性质(如絮体结构、表面电荷、絮凝性、沉降性、脱水性和吸附性能等)产生重大影响。国内外不少学者探讨了污泥EPS吸附影响研究，但主要集中于活性污泥EPS对重金属的吸附研究，Liu等用阳离子交换树脂法从好氧颗粒污泥中提取EPS吸附Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的研究表明：EPS对3种离子均有很好的吸附能力，吸附量分别为1587.3mg·g-1、1470.6mg·g-1和1123.6mg·g-1;Wei等也比较了含EPS的菌体和剥离EPS的菌体对Cd的吸附，发现EPS的存在明显增加了细菌的吸附性能;而Ueshima等研究发现，EPS只可在菌体外形成保护层增强菌体的生存能力，而对细菌吸附Cd没有影响。关于污泥EPS对有机污染物的吸附研究甚少，部分学者研究了污泥EPS对染料废水中染料的吸附，Wei等认为EPS在亚甲蓝去除中存在必然的作用，且吸附过程符合假二级动力学模型，在EPS吸附亚甲蓝时，起关键作用的官能团是蛋白质和腐殖酸内的色氨酸残基;Gao等分别研究了EPS对4种不同染料(活性艳蓝、刚果红、活性艳红、孔雀绿)的吸附，发现EPS对阳离子类染料有很好吸附效果;Sheng等采用甲苯胺蓝阳离子染色法探讨好氧、厌氧污泥EPS对有机污染物的吸附特性，结果显示：好氧、厌氧污泥EPS对有机污染物均有吸附能力，且是通过形成染料-EPS络合物来实现的，其中好氧污泥EPS吸附能力更强。根据EPS与细胞相结合的紧密程度不同，可将EPS分为粘液层、松散结合的胞外聚合物和紧密结合的胞外聚合物。Guo等只探讨了紧密结合的胞外聚合物(TB-EPS)的吸附性能与菌体表面特性的关系，他们利用自合成技术模拟了富含甲基、氨基、羟基和羧基的单层膜对TB-EPS的吸附影响，结果表明，表面富含甲基的单层膜的TB-EPS的吸附率最高。不同层EPS中的组成成分是否相同，其对污泥吸附性能作用是否不同，值得深入探讨。而且目前关于分层EPS吸附性能的研究未见报道。因此，本文拟通过对不同层EPS不同组分的定量分析，研究不同层EPS对有机污染物的吸附性能，解析EPS对污泥吸附有机物性能特征。2、材料与方法2.1试验材料试验活性污泥取自马鞍山某污水处理厂(A2O工艺)的曝气池和自行设计的SBR(序批式反应器)污水处理小试装置。该小试装置采用人工配水，向自来水中添加葡萄糖、NH4Cl和KH2PO4以控制碳氮磷比为100:5:1，模拟生活污水，试验的接种污泥取自于上述污水厂的曝气池。为保证吸附试验时污泥内无残留有机污染物，将取回污泥首先空曝24h，但不做其他预处理，以保持活性污泥原有特性。试验所用污水统一取之于相同污水处理厂的细格栅出水。活性污泥理化性质、主要工艺参数及试验污水指标如表1所示。表1试验活性污泥、污水指标及主要运行工艺参数2.2污泥EPS的提取和测定采用热提取法提取活性污泥中的粗EPS，得到的粗EPS经0.45μm滤膜抽滤，收集抽滤后的EPS进行分析。以牛白蛋白作为标准物质，采用Folin-酚法对EPS中的蛋白质定量分析;以葡萄糖作为标准物质，采用硫酸-苯酚法对EPS中的多糖进行定量分析;以小牛胸腺DNA作为标准物质，采用二苯胺比色法测定EPS中的DNA。2.3剥离EPS污泥的吸附试验为考察不同层EPS对活性污泥吸附性能的影响，分别向4个1000mL烧杯中加入500mL空曝后的污泥(控制污泥浓度在6000mg·L-1左右)，然后进行不同处理：Ⅰ、原污泥：不做任何处理;Ⅱ、-SB污泥：原污泥离心(6000g)5min，弃去上清液(去除SB-EPS)，注入调pH(7.00-7.50)的去离子水补充到原体积，因此，-SB污泥就是剥离其中SB-EPS后的污泥;Ⅲ、-LB污泥：原污泥在3000r·min-1下离心10min，弃去上清液，注入预热到70℃的磷酸盐缓冲溶液(0.1mol·L-1，pH=7.4，PBS)补充到原体积，放入数显水浴恒温振荡器(50℃)中涡旋混合1min，再将样品于6000g离心力下离心10min，弃去上清液(去除LB-EPS)，注入调pH的去离子水补充到原体积，因此，-LB污泥就是剥离其中LB-EPS后的污泥;Ⅳ、-TB污泥：原污泥在3000r·min-1下离心10min，弃去上清液，注入PBS悬浮到原体积，然后在60℃水浴30min，经6000g离心力下离心30min弃去上清液(去除TB-EPS)，注入调pH的去离子水补充到原体积，因此，-TB污泥就是剥离其中TB-EPS后的污泥。按上述过程分别处理污泥后，再进行相同处理：使用调pH的去离子水清洗污泥5遍，沉降30min后弃去上清液(部分上清液用于测定清洗后水中COD)，保留泥水混合液体积到300mL。向烧杯中加入600mL生活污水，然后于六连电动搅拌器(JJ-4，中国)上搅拌(150r·min-1)，分别在5、10、20、30、40、60和90min时取10mL样品测定COD。2.4吸附分析计算方法2.4.1吸附动力学模型为全面研究剥离不同层EPS对污泥吸附生活污水有机污染物的动力学影响，吸附数据分别采用以Ritchie速率方程为基础推导出的2种吸附动力学模型，即Lagergern单层吸附动力学模型和Ritchie双层吸附模型，及颗粒内扩散模型拟合。3种动力学模型方程分别如式(1)-(3)所示。(1)(2)(3)式中，qt和qe分别是吸附t时刻和平衡时的吸附量(mg·g-1);k1、k2分别为Lagergern单层吸附和Ritchie双层吸附速率常数(min-1);k3为颗粒内扩散常数(mg·g-1·min-0.5);c为常数。2.4.2单位EPS吸附量计算公式为精确探讨不同层EPS在污泥吸附中的作用，分别求出各层单位质量EPS对有机污染物的吸附量，具体计算过程如下：单位SB-EPS的吸附量=A=[原污泥qe-(-SB污泥qe)]/(SB-EPS×MLSS1/1000)单位LB-EPS的吸附量=B=[原污泥qe-(-LB污泥qe)-(SB-EPS×MLSS2/1000×A)]/(LB-EPS×MLSS2/1000)单位TB-EPS的吸附量=C=[原污泥qe-(-TB污泥qe)-(SB-EPS×MLSS3/1000×A)-(LB-EPS×MLSS3/1000×B)]/(TB-EPS×MLSS3/1000)式中，MLSS1、MLSS2、MLSS3分别为-SB污泥、-LB污泥、-TB污泥的悬浮固体浓度。3、结果与讨论3.1污泥各层EPS组分分析不同污泥的EPS总量上看出，培养污泥EPS由于LB-EPS、TB-EPS含量低于污水厂污泥，导致总量也少于污水厂污泥，少4.86mg·g-1。这是由于污水厂活性污泥系统的污泥负荷比培养的负荷小，因此细菌可利用的基质减少，增值速率降低，此时细菌的分泌和自溶使低负荷污泥中EPS含量较高;培养污泥系统DO(溶解氧5.00-7.00mg·L-1)高于污水厂污泥系统(2.0-4.0mg·L-1)也是导致EPS含量减少的原因之一，因为随着DO增加，微生物的代谢活动加剧，底物消耗快，污泥产生的部分EPS被微生物作为底物利用，因此EPS含量减少;Liao等发现，在SRT(污泥龄)较短时，污泥中的微生物来不及将所有碳源用于生长，多余的碳源被转换形成EPS或胞内聚合物。图1活性污泥EPS组成分布图从EPS组成上看，EPS组分主要都是蛋白质，占总量的81.07%(培养污泥)、79.96%(污水厂污泥)。其次为多糖，DNA含量最少。培养污泥、污水厂污泥EPS中蛋白质与多糖含量的比值分别为4.37、4.76，说明培养污泥中多糖所占比重更大。这是由于培养污泥DO高，多糖产量会增加，但蛋白质会保持不变。此外，培养污泥pH值(7.00-8.00)高于污水厂污泥(6.8-7.2)，当pH值偏离中性时，虽然EPS含量有小幅度下降，但多糖含量有所增长。葛利云等试验发现，淀粉基质培养的污泥比葡萄糖基质培养的污泥EPS中蛋白质与多糖的比值要高，本研究中培养污泥采用葡萄糖为碳源的人工配水，污水厂污泥的污水是市政污水，碳源成分复杂，因此本文的研究结果正好与这一结论相一致。从不同层EPS组成变化上看，两种污泥具有相似的规律。从不同层EPS组成上看，从SB层到TB层(由外到内)，EPS含量逐步增加。LB层中EPS含量占总量的31.56%(培养污泥)、41.86%(污水厂污泥)，是SB层中的3.06倍(培养污泥)、29.08倍(污水厂污泥);TB层中EPS含量占总量的58.34%(培养污泥)、56.71%(污水厂污泥)，是SB层中的5.65倍(培养污泥)、39.39倍(污水厂污泥)。菌体分泌的EPS首先包裹在菌体细胞外表面，然后逐渐向外，填充到个体间隙中，当分泌量充满污泥絮体内部空隙时，新分泌出的EPS就会将原来积累的EPS挤到外层，这样就使得外层的EPS就变得松散。最外层的EPS长期暴露于污水中，表面附着大量有机、无机污染物质，最终形成粘液层(SB-EPS)。因此，菌体是先排出TB-EPS，之后慢慢演变成LB-EPS、SB-EPS，这样就导致SB-EPS和LB-EPS含量相对固定，TB-EPS浓度不断增加，只有当增加到一定程度时LB-EPS和SB-EPS才会增加。两种污泥不同层的蛋白质与多糖比值变化规律不同。培养污泥SB层、LB层、TB层中蛋白质与多糖的比值分别为3.74、4.83、4.27，呈现先增加后略减的趋势;污水厂污泥SB层、LB层、TB层中蛋白质与多糖的比值分别为1.28、4.66、4.76，从外层到内层呈现逐层递增的趋势。由于菌体最先排出EPS被演变成SB-EPS，此时到达菌体内的DO含量高，因此多糖含量相对较多，随着菌体表面EPS含量越来越多，到达菌体内的DO含量减少，EPS中多糖含量减少。因此内层EPS蛋白质与多糖的比值比外层大。总之，培养污泥EPS含量低于污水厂污泥;EPS组分主要都是蛋白质，其次为多糖，DNA含量最少;从SB层到TB层(由外到内)，EPS含量逐步增加，两种污泥不同层的蛋白质与多糖比值均为外层小于内层，但培养污泥的-TB污泥层中白质与多糖比值小于-LB污泥层。3.2污泥吸附动力学模型分析按动力学模型方程对吸附量-吸附时间进行拟合，拟合结果如表2所示。两种污泥所有层的吸附与颗粒内扩散模型的吻合度均很低，尤其是-TB污泥，说明污泥对污染物的吸附在污泥絮体颗粒表面进行，而没有扩散到絮体颗粒内部。表2剥离各层EPS的污泥的吸附试验数据拟合结果的吸附参数与可决系数(R2)两种污泥的原污泥、-SB污泥均与Lagergern单层吸附模型和Ritchie双层吸附模型的拟合效果比较好(R2﹥0.90)，这说明外层污泥在吸附过程中既存在单层的物理吸附过程，又存在多层的物理化学吸附过程。其中培养原污泥、培养-SB污泥吸附效果与Ritchie双层吸附模型吻合性更好(R2﹥0.94)，而污水厂原污泥、污水厂-SB污泥的吸附过程效果与Lagergern单层吸附模型吻合性更好(R2﹥0.96)。-LB污泥与Lagergern单层吸附模型(R2为0.60-0.85)、Ritchie双层吸附模型(R2为0.60-0.91)吻合度比-SB污泥小，吸附方式规律性不显著。-TB污泥中的EPS已经被比较完全地剥离，导致其对污水COD的吸附量明显小于-SB污泥与-LB污泥，且波动大，与动力学模型吻合度均很小(R2﹤0.23)，吸附方式无规律。可见，EPS剥离使得污泥对有机物COD的吸附方式发生变化。3.3各层EPS对污泥吸附性能的影响分析为准确研究不同层EPS对活性污泥吸附有机污染物的性能影响，先计算出各层单位质量EPS对有