2016, Vol. 36
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2. 安徽工业大学能源与环境学院, 马鞍山 243000;
3. 生物膜法水质净化及利用技术教育部工程研究中心, 马鞍山 243032
2. College of Energy and Environment, Anhui University of Technology, Ma'anshan 243000;
3. Engineering Research Center of Water Purification and Utilization Technology based on Biofilm Process, Ministry of Education, Ma'anshan 243032
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)(高延耀和顾国维等，1999;刘宏波等，2011).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%(Sheng et al.，2010;周俊等，2013).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(Sheng et al.，2010))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(Zhang et al.，2014; Liu et al.，2015; Tourney et al.，2009; Wang et al.，2014)，Liu等(2015)采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1587.3 mg·g-1、1470.6 mg·g-1和1123.6 mg·g-1；Wei等(2011)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(2008)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(2015)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(2011)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(2008)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(slime bound extracellular polymeric substances，SB-EPS)、松散结合的胞外聚合物(loosely bound extracellular polymeric substances，LB-EPS)和紧密结合的胞外聚合物(tightly bound extracellular polymeric substances，TB-EPS)(周俊等，2013; Yu et al.，2007).Guo等(Guo et al.，2015)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(Materials and methods) 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24 h，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 Table 1 Activated sludge and sewage indicators of test and main process operation |
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采用热提取法提取活性污泥中的粗EPS(姚萌等，2012)，得到的粗EPS经0.45 μm 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(罗芳，2005)；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(陈寰，2012)；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(周俊等，2013; Sun et al.，1999).
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1000 mL烧杯中加入500 mL空曝后的污泥(控制污泥浓度在6000 mg·L-1左右)，然后进行不同处理(周俊等，2013)：Ⅰ、原污泥：不做任何处理；Ⅱ、-SB污泥：原污泥离心(6000 g)5 min，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3000 r·min-1下离心10 min，弃去上清液，注入预热到70 ℃的磷酸盐缓冲溶液(0.1 mol·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1 min，再将样品于6000 g离心力下离心10 min，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3000 r·min-1下离心10 min，弃去上清液，注入PBS悬浮到原体积，然后在60 ℃水浴30 min，经6000 g离心力下离心30 min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30 min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300 mL.向烧杯中加入600 mL生活污水，然后于六连电动搅拌器(JJ-4，中国)上搅拌(150 r· min-1)，分别在5、10、20、30、40、60和90 min时取10 mL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(刘宏波等，2011)，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.
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(1) |
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(2) |
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(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(Results and discussion) 3.1 污泥各层EPS组分分析不同污泥的EPS总量上看出(图 1)，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4.86 mg·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5.00~7.00 mg·L-1)高于污水厂污泥系统(2.0~4.0 mg·L-1)也是导致EPS含量减少的原因之一(李延军等，2006)，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(2001)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.
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| 图 1 活性污泥EPS组成分布图 Fig. 1 The picture of EPS composition distribution of activated sludge |
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(Shin et al.，2001).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(2007)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) Table 2 The adsorption parameters and correlation coefficient(R2)of the fitting results of sludge after striped each layer of EPS adsorption test data |
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)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对有机污染物的吸附量，再采用Lagergern动力学模型方程进行拟合(图 2)，分析各污泥的吸附量、吸附速率，反应各层EPS对COD吸附作用大小(表 3).
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| 图 2 剥离各层EPS的污泥的吸附数据与模型拟合图 Fig. 2 The test data of sludge after striped each layer of EPS adsorption and model fitting figure |
| 表 3 各层EPS对COD吸附结果分析 Table 3 Results analysis of various layers of EPS on adsorption of COD |
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原污泥脱去SB-EPS留下-SB污泥，对有机污染的吸附性能发生明显变化(图 2)，吸附速率大于原污泥，平衡吸附量小于原污泥.其中培养-SB污泥的吸附速率比培养原污泥大0.0997 min-1，平衡吸附量减少了9.44 mg·g-1，单位SB-EPS的吸附量为0.650 mg·g-1；污水厂-SB污泥的吸附速率比污水厂原污泥大0.0390 min-1，平衡吸附量减少5.59 mg·g-1(表 3)，单位SB-EPS的吸附量为3.37 mg·g-1.因此，SB-EPS的存在会增加污泥吸附量，且对污泥吸附速率具有轻微的抑制作用.污水厂污泥单位SB-EPS的吸附量值高于培养污泥2.72 mg·g-1(表 3)，但SB-EPS中蛋白质/多糖的比值为1.28，低于培养污泥中SB-EPS的3.74，说明污泥SB-EPS吸附有机污染物过程中起主要作用的是多糖(周健等，2004).因为EPS中多糖含量增加可使污泥的生物絮凝能力增强，即由微生物新陈代谢及自溶产生的高分子EPS作为絮凝剂，能有效去除废水中悬浮和胶态有机物.但由于SB层(EPS粘液层)包裹在菌体最外面，表面结构比较光滑，使菌体免受外界环境的干扰，具有一定的隔离作用，因此在剥离SB层后，污泥吸附速率有所提高.
3.3.2 LB-EPS对污泥吸附的影响-SB污泥进一步剥离LB-EPS后即为-LB污泥.培养-LB污泥吸附速率比培养原污泥增加了0.0197 min-1，平衡吸附量减少了7.02 mg·g-1，比-SB污泥增加了2.42 mg·g-1，单位LB-EPS 的吸附量为-1.27 mg·g-1；污水厂-LB污泥吸附速率比原污泥减小了0.0431 min-1，平衡吸附量比原污泥减少0.321 mg·g-1，比-SB污泥增加了5.27 mg·g-1，单位LB-EPS的吸附量为-0.106 mg·g-1(表 3).同时污水厂-LB污泥吸附量在40 min时有很大波动，90 min时还未达到吸附平衡，吸附过程很不稳定.因此，LB-EPS在污泥吸附有机污染物的过程中不能将污染物固定，而只是起到传输污染物的作用，LB-EPS结构的疏松、多孔(Sheng et al.，2010)，使污染物能快速渗透至TB-EPS中储存，而且LB-EPS在EPS总量中含量越高，传递速度越快.所以，LB-EPS对污泥吸附速率有促进作用，对污泥吸附量没有影响.
3.3.3 TB-EPS对污泥吸附的影响-TB污泥即剥离全部EPS后的污泥，由于EPS是污泥产生吸附作用的主要物质，当EPS被完全脱离后，污泥的吸附过程不符合任何吸附模型.培养-TB污泥的单位TB-EPS的吸附量为1.06 mg·g-1，平衡吸附量比原污泥减少了33.5 mg·g-1，比-LB污泥减少了26.4 mg·g-1，但吸附速率比培养原污泥增加了10.7 min-1；污水厂-TB污泥的单位TB-EPS的吸附量为0.443 mg·g-1，平衡吸附量比原污泥减少了17.1 mg·g-1，比-LB污泥减少了16.8 mg·g-1，但吸附速率比原污泥增加了0.183 min-1.由此可见，有机污染物会穿透过LB-EPS，然后被TB-EPS吸附储存；而且TB-EPS致密的结构使得吸附速率减慢；另外培养污泥单位TB-EPS的吸附量比污水厂污泥大0.617 mg·g-1，其蛋白质/多糖的值比污水厂污泥小，多糖含量高，吸附作用大.
因此，污泥吸附有机污染物时，SB-EPS先吸附部分有机物达到平衡时，剩下的有机物通过LB-EPS运输到TB-EPS中储存.SB-EPS和TB-EPS对污染物的吸附量随多糖含量的增加而增加.LB-EPS含量越多，吸附速率越快，而SB-EPS和TB-EPS会减缓吸附速度.
4 结论(Conclusions)1) EPS组分主要是蛋白质，其次为多糖，DNA含量最少；污泥从外层到内层，EPS含量逐步增加，蛋白质与多糖比值均为外层小于内层，但培养污泥的-TB污泥层中蛋白质与多糖比值小于-LB污泥层.
2) 两种污泥的原污泥、培养-SB污泥与Lagergern单层吸附模型和Ritchie双层吸附模型的拟合效果均比较好，说明污泥吸附过程既存在单层物理吸附过程，又存在多层物理化学吸附过程，且蛋白质/多糖的比值越小，吸附作用越好.
3) SB-EPS可吸附有机污染物，其粘液特性会减慢吸附速率.培养污泥单位SB-EPS的吸附量为0.650 mg·g-1，剥离SB-EPS层后，污泥吸附速率增加了0.0997 min-1；污水厂污泥单位SB-EPS的吸附量为3.37 mg·g-1，剥离SB-EPS层后，污泥吸附速率增加了0.0390 min-1.
4) LB-EPS对污染物没有吸附储存能力，只有传递污染物能力，LB-EPS结构的疏松、多孔，使污染物能快速渗透至TB-EPS中储存，其占EPS总量越多传递速度越快.
5) TB-EPS结构致密，污染物渗透速度慢，但其能很好的将吸附上的污染物保存在菌体细胞壁外而不被释放.培养污泥单位TB-EPS的吸附量为1.06 mg·g-1；污水厂污泥单位TB-EPS的吸附量为0.443 mg·g-1.
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