曝气时间对活性污泥絮体吸附和聚集性能的影响

郭旋，刘俊新

（中国科学院 生态环境研究中心，北京　100085）

曝气时间对活性污泥絮体吸附和聚集性能的影响

郭旋，刘俊新

（中国科学院 生态环境研究中心，北京100085）

活性污泥工艺中，曝气时间是影响系统处理效果的重要运行参数。研究了曝气时间对污泥吸附性能和聚集性能的影响，考察了期间胞外聚合物（EPS）特性。结果表明，当有机负荷为100 mg［CODCr］/g［MLSS］时，恢复污泥性能的最佳曝气时间为2 h，过长的时间将降低其性能。污泥性能与LB-EPS和TB-EPS的质量比及多糖和蛋白质的质量比具有负相关性。曝气使污泥EPS中的LB-EPS和TB-EPS的质量比及多糖和蛋白质的质量比均下降，从而使得絮体中具有更多的氢键缔合倾向的官能团，提高了活性污泥絮体的吸附聚集性能。

活性污泥；曝气；吸附性能；聚集性能；胞外聚合物

活性污泥工艺中，污水的处理效果取决于污泥絮体的性能。污泥对污水中有机物的去除包括吸附、降解和固液分离3个过程。其中，好氧降解既可将有机物降解为CO2、H2O等物质，同时使污泥的吸附能力恢复（再生），对污泥絮体的聚集能力也有重要影响［1-2］，从而提高固液分离效率。而曝气时间是实现活性污泥性能恢复的关键控制参数。

胞外聚合物（EPS）是由微生物分泌的高分子聚合物，分为松散附着EPS（LB-EPS）和紧密粘附EPS（TB-EPS）。EPS的含量和组分对污泥的吸附和聚集性能有重要影响，不同的EPS在污泥吸附和聚集过程中起到的作用不同［3-5］。然而，在不同有机负荷条件下曝气时间的确定、曝气对污泥中EPS特征的改变，及其对污泥吸附和聚集性能的影响等缺乏深入的研究。

本文研究了曝气时间对污泥吸附容量和聚集性能的影响，并对污泥中EPS特征及表面官能团的变化进行了分析，探讨EPS与污泥吸附聚集性能的关系，以期揭示污泥再生的机制。

1　材料与方法

1.1试验装置

试验装置由带有程序自控搅拌器的反应器、激光粒度仪、蠕动泵和计算机组成，装置示意如图1所示。反应器的容积为1 L，并带有曝气装置。通过调节反应器内搅拌器的转速为污泥絮体的聚集提供适宜的水力梯度条件，污泥絮体在反应器和激光粒度仪之间循环，可对絮体粒径进行在线监测。

图1　试验装置示意

1.2试验污泥和污水

试验用活性污泥取自北京某污水处理厂A2O工艺二沉池。该污水处理厂进水为生活污水，规模为6.0×105m3/d。污泥保存于4℃下，MLSS的质量浓度为 2 926～3 486 mg/L，SVI为 97.0～108.8 mL/g。

试验污水取自中国科学院生态环境研究中心污水站，CODCr的质量浓度为380～420 mg/L。

1.3试验方法

1.3.1试验污泥样品的准备

清洗污泥：为去除原始污泥吸附的物质，将污泥用去离子水清洗3遍，去掉部分上清液。清洗后污泥的质量浓度约为4 000 mg/L左右。

吸附有机物：取4个反应器，各加入清洗后的污泥样品200 mL，然后分别加入污水0、200、400和600 mL，并用去离子水定容至800 mL。4个反应器中污泥的有机负荷分别为0、100、200和300 mg［CODCr］/g［SS］左右。将搅拌桨的转速设置为52 s-1（以G值计，下同），搅拌反应30 min，沉淀2 h，去掉上清液600 mL，各反应器内剩余溶液的体积均为200 mL。

污泥再生：①取有机负荷为100 mg［CODCr］/ g［SS］反应器中的污泥，分别曝气再生0、1、2、3和4 h。②将有机负荷分别为0、100、200和300 mg［CODCr］/g［SS］反应器中的污泥样品进行曝气再生2 h。上述步骤结束后，用去离子水清洗3遍，提取EPS并测定其特性。然后分别测定活性污泥的吸附和聚集性能。

1.3.2污泥吸附性能测定

分别取清洗、再生后的污泥样品20 mL和生活污水30 mL加入至50 mL离心管中（吸附负荷为150 mg［CODCr］/g［SS］左右）。置于恒温振荡器中，在常温下以52 s-1的转速振荡30 min后，沉淀2 h。然后取其上清液测定CODCr浓度，计算活性污泥对有机物的比吸附量q。

1.3.3污泥聚集性能测定

分别取清洗、再生后的污泥100 mL置于反应器中，加入去离子水定容至800 mL，保持污泥的质量浓度在500 mg/L左右。将反应器转速调整为52 s-1，搅拌反应30 min，在此期间在线监测污泥絮体粒径，并计算聚集因子Af。

1.4分析方法

MLSS、SS和CODCr等污泥与污水指标均采用标准方法测定［6］。

污泥的LB-EPS和TB-EPS的提取采用热提取法［7］。LB-EPS和TB-EPS含量用多糖、蛋白质和腐殖质综合计算。蛋白质和腐殖质含量用修正的Lowry法来测定［8］。多糖含量用蒽酮法来测定［9］。EPS官能团采用傅里叶红外光谱仪进行测定，扫描波长范围为400～4 000 nm。

1.5计算方法

活性污泥对有机物的比吸附量q按下式计算：

q=（Ce-C0）/Cs×100%（1）

式中：q---活性污泥对有机物的比吸附量，mg［CODCr］/g［SS］；

Ce---吸附平衡后上清液中有机物的质量浓度，mg/L；

C0---吸附初始反应体系中有机物的质量浓度，mg/L；

Cs---活性污泥的质量浓度，mg/L。活性污泥絮体聚集因子Af可用来描述絮体的聚集成长能力［10］。由下式计算：

Af=（D1-D0）/D0×100%（2）式中：D0---絮体的初始粒径，μm；

D1---絮体聚集平衡后的平均粒径，μm。

2　结果与讨论

2.1曝气时间对活性污泥性能的影响

2.1.1对活性污泥吸附容量的影响

不同有机负荷下，曝气时间对污泥吸附容量的影响如图2所示。

图2　曝气再生后活性污泥的吸附容量

由图2a可知，随着曝气时间的延长，污泥吸附容量呈现先增加后减小的趋势。在吸附负荷为100 mg［CODCr］/g［SS］的情况下，最佳曝气再生时间为2 h，其吸附容量较原污泥（曝气再生0 h）增加了50 mg［CODCr］/g［SS］左右。由图2b可知，在相同的曝气再生时间下，随着有机负荷的增加，污泥曝气再生后的吸附容量逐渐下降，表明再生时间不足将影响污泥的下一轮吸附能力。

值得注意的是，经过曝气再生后污泥吸附性能并没有得到充分释放（原污泥已吸附了 100 mg［CODCr］/g［SS］的有机物），这可能与污泥对污染物的吸附机制有关。与传统吸附理论中吸附剂依靠吸附点位结合吸附质不同的是，污泥对污染物的吸附依靠的是污泥表面的EPS对污水中颗粒态和胶体态污染物的网捕、卷扫和接触絮凝［1-2］。

2.1.2对活性污泥聚集性能的影响

聚集性能决定了污泥絮体的大小，从而在后续的泥水分离中具有更好的效率。不同有机负荷下，曝气时间对污泥絮体的聚集性能影响的结果如图3所示。

图3　活性污泥的聚集性能

由图3a可知，随着曝气时间的延长，污泥再生后的Af呈现出先增加后减小的趋势。最佳再生时间为2 h，再生后污泥的Af由600%左右增加至950%左右；此后，随着时间的延长，Af反而下降。由图3b可知，污泥再生后聚集性能随有机负荷的增加，呈现出下降的趋势。

对比图2和图3，污泥絮体吸附容量和聚集性能呈现出类似的变化趋势。这与污泥的吸附机制有关：污泥的吸附也是絮体相互聚集的过程，小絮粒与小絮粒之间相互碰撞、长大，最终成长为粒径较大的絮体，从而促进后续的泥水分离过程［1，11］。因此，污泥絮体良好的聚集性能也可促进污泥对颗粒态、胶体态物质的吸附，表现为聚集性能和吸附容量的一致性。

2.2曝气时间及有机负荷对污泥EPS特性的影响

2.2.1曝气时间对EPS特性的影响

EPS作为污泥絮体的主要组分，其含量和组分的变化可能会直接影响活性污泥性能。有机负荷为100 mg［CODCr］/g［SS］时，曝气时间对EPS含量和组分的影响如图4所示。

图4 曝气时间对污泥EPS的影响

由图4a可知，0～2 h范围内，随着时间的延长，污泥中的LB-EPS含量下降，而TB-EPS增加，EPS总量在2 h时达到最大值，增加了29%当曝气时间大于2 h，EPS总量大幅下降。由图4可知，多糖和腐殖质含量的变化较小，而蛋白质含量的变化幅度较大。随着曝气时间的延长，EPS组分从以多糖为主转变为以蛋白质为主。由此可见曝气时间对EPS各组分的比值有明显的影响。

曝气时间对污泥EPS组分的影响，可能与曝气时间对微生物营养水平的影响有关。随着曝气的进行，系统内的营养水平逐渐趋于匮乏，为维持污泥结构的完整与稳定性，微生物分泌了较多EP来抵抗不利影响；相比于多糖，疏水性的蛋白质更有利于污泥结构的维持［12］，因此，在0～2 h范围内，EPS和蛋白含量逐级增加；而2 h后，微生物开始消耗EPS来维持生命活动，EPS被降解，因此其含量开始下降。与LB-EPS相比，微生物更多地利用TB-EPS，这可能与TB-EPS与细胞更近有关。微生物在营养物质富裕/匮乏的状态转换中，改变了EPS含量和组分比例。

2.2.2有机负荷对EPS特性的影响

不同有机负荷条件下，再生2 h后污泥中EPS的含量和组分结果如图5所示。

图5　有机负荷对活性污泥再生后EPS的影响

由图5a可知，在相同的曝气时间下，随着有机负荷的增加，EPS总量有所降低，但LB-EPS与TB-EPS的质量比逐渐增加。这说明在过高的有机负荷条件下，污泥再生后松散型EPS比例增加，EPS与污泥的结合程度降低，污泥结构趋于松散。

由图5b可知，腐殖质的含量变化幅度较小，维持在30 mg/g［MLSS］左右；蛋白质的含量则随着有机负荷的增加而降低；多糖的含量则呈现出波动增加的趋势。有机负荷对污泥EPS的含量和组分的影响，可能与在不同营养水平下，活性污泥中微生物分泌EPS的策略不同有关。在较低的有机负荷下，微生物营养匮乏，倾向于分泌更多的EPS来维持细胞和污泥结构的完整性［13］。蛋白质相比于多糖，其疏水性更好，在维持污泥絮体结构的完整性和稳定性方面优于多糖［12］，因此在营养匮乏时，EPS含有更高的蛋白质含量。当有机负荷较高时，污泥中的微生物营养水平高，微生物代谢水平高，从而更倾向于将系统内的底物进行氧化降解，进而分解代谢，因此合成的EPS含量较少。

2.3曝气对污泥性能影响机制研究

2.3.1污泥性能与EPS特性的响应关系

为探究污泥性能与EPS的含量、组分的关系，分析了EPS总量、LB-EPS和TB-EPS的质量比以及多糖和蛋白质的质量比与污泥吸附容量和Af的相关关系，结果如图6所示。

图6　活性污泥吸附容量和聚集因子Af与EPS含量、组分的相关关系

由图6可知，污泥絮体中EPS总量与污泥的性能的相关关系较小，说明EPS总量对污泥的性能影响不大。污泥中LB-EPS和TB-EPS的质量比与吸附容量和Af呈现出较为明显的负相关关系，相关系数分别达到了0.816、0.874，说明LB-EPS在总EPS中含量占劣势有利于活性污泥的吸附和聚集性能的提高。由于EPS带有负电荷，因此外层的LB-EPS含量较高，会增加污泥絮体表面的电荷数量，使絮体之间的排斥力增加，进而导致絮体的聚集能力下降［3］。

污泥EPS中组分的比例也影响了污泥的性能。EPS中多糖和蛋白质的质量比与吸附容量和Af呈现出一定负相关，相关系数分别为0.758、0.837，说明EPS中蛋白质比例的增加有利于污泥聚集性能的发挥。有研究表明，EPS中蛋白质含量对污泥絮体的聚集有着积极的影响作用，而EPS中的碳水化合物则没有明显的关系［14］，这可能与蛋白质中含有更多的氢键缔合倾向的官能团有关［15］。相比于多糖，蛋白质在污泥絮体的聚集性能中起到更为关键的作用［8，16-17］，例如去除了表面蛋白质之后，污泥絮体趋于解体［18］，而采用一定的方式富集污泥絮体的蛋白质，则会提高絮体的聚集性能［19］。

2.3.2再生前、后污泥EPS官能团特征

考察原始污泥和曝气再生后污泥的LB-EPS和TB-EPS的官能团信息，其红外光谱如图7所示。

图7　污泥絮体再生前、后EPS红外光谱

由图7可知，2种EPS中均存在一些蛋白质和多糖对应的强频段，其中比较强的有：N-H和O-H的伸缩振动（3 500～3 100 cm-1）、C==O伸缩振动（1 635 cm-1）、CH2的弯曲振动（1 384 cm-1）、多糖中的C-O-C的伸缩振动（1 153～1 072 cm-1）以及指纹区（＜1 000 cm-1）［3，20］。根据红外光谱显示，在O-H伸缩振动（3 450～3 000 cm-1）［21］波段中，TB-EPS是较为宽阔和较强的分布模式，而LBEPS的分布则是较窄的分布模式。与LB-EPS相比，TB-EPS具有非常强的分子内和分子间氢键的缔合倾向。

对比曝气前、后EPS的红外光谱，无论是LB-EPS还是TB-EPS，在3 184 cm-1附近的吸收峰均逐渐增强，而在3 433 cm-1和1 635 cm-1附近的吸附峰均逐渐减弱。3 500 cm-1附近吸收峰为多糖的特征峰，对应羧基等特性峰［22］；而3 000 cm-1附近吸收峰为蛋白质特征峰，对应蛋白质中的-OH、-NH［23］。说明曝气再生后的污泥EPS具有更多氢键缔合倾向的基团。这说明，适当的曝气时间有助于污泥絮体中具有更高氢键缔合倾向的官能团含量增加，而氢键是絮体之间结合的主要键能［7］，从而提升了污泥絮体的吸附和聚集特性。

综上所述，曝气再生的实质是为污泥中的微生物提供氧气，使其氧化降解吸附在其上的污染物，微生物进行新陈代谢、增长，同时，微生物分泌新的EPS，使得污泥絮体EPS中的LB-EPS和TBEPS的质量比下降、EPS中蛋白质和多糖的质量比增加，从而使得絮体中具有更多的氢键缔合倾向的官能团，提高了活性污泥絮体的吸附和聚集性能。过短的再生时间会导致吸附在絮体上的污染物氧化降解不彻底，微生物新陈代谢、分泌新的EPS量不够；而过长的再生时间则会导致反应体系中微生物营养物质的匮乏，导致微生物进入内源呼吸阶段，开始消耗EPS等，从而导致EPS含量降低、污泥絮体趋于松散，污泥的吸附性能和聚集性能下降。

3　结论

（1）曝气时间对污泥吸附容量的恢复和聚集性能均有明显的影响，但曝气时间过长会导致污泥吸附与聚集性能的下降。

（2）随着曝气时间的延长，EPS的组分LBEPS与TB-EPS的质量比和多糖与蛋白质的质量比均呈现先降低后增加的现象。红外光谱的检测结果表明，曝气过程使得EPS产生了更多氢键缔合倾向的官能团。

（3）污泥的吸附容量和Af与污泥中LB-EPS与TB-EPS的质量比以及多糖与蛋白质的质量比呈现明显负相关，相关系数均在0.7～0.8以上。LBEPS在总EPS中含量占劣势有利于活性污泥的吸附和聚集性能的提高，而污泥EPS中蛋白质比例的增加有利于污泥聚集性能的发挥。

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Effect of aeration time on adsorption capacity and aggregation performance of activated sludge

GUO Xuan，LIU Jun-xin
（Research Center for Eco-Environmental Science，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China）

In the activated sludge process，aeration time is an essential operation parameter which affects the treatment efficiency of the system.The effect of aeration time on adsorption capacity and aggregation performance of activated sludge was studied，meanwhile，the characteristics of extracellular polymers substances（EPS）during the operation was also investigated.The results showed that，when the organic loading rate was 100 mg［CODCr］/g［MLSS］，the optimal aeration time for sludge performance recovery was 2 h，over-long aeration time would degrade its property.There were negative correlations between the performance of activated sludge and the mass ratio of LB-EPS to TB-EPS as well as the mass ratio of polysaccharide to protein.The mass ratios of LBEPS to TB-EPS and polysaccharide to protein were both decreased by aeration，and as a result，the amount of functional groups which had strong tendency of forming hydrogen bonds increased，thus the adsorption and aggregation performance of the activated sludge was improved.

activated sludge；aeration；adsorption capacity；aggregation performance；extracellular polymer substances

X703.1

A

1009-2455（2016）04-0022-07

国家自然科学基金项目（51138009）

郭旋（1988-），男，山东济宁人，博士研究生在读，主要从事水污染控制技术研究，（电子信箱）ytzxguoxuan@126.com。

2016-03-25（修回稿）