瞬时有机负荷冲击下胞外聚合物变化及其与供氧量之间的相关性*

王 帆 刘松林 蒋维卿 么兴荣 王喜超 边德军#

(1.长春工程学院水利与环境工程学院，吉林 长春 130012；2.吉林省城市污水处理重点实验室，吉林 长春 130012；3.海南省水务集团有限公司，海南 海口 571126)

微压内循环反应器(MPR)是在序列间歇式活性污泥法(SBR)基础上研制的一种新型反应器，通过单侧供氧并调高出口水位高度，在反应器内形成内循环流态[7]，可在同一空间和时间形成不同氧含量区域[8]，这种氧环境可使不同种群微生物协同生长，当环境突然改变时，多种生物共存可使整个系统具有更强的抗冲击能力。由于出口水位高于主反应区，反应器内会产生微小的压力，这种微压力可延长气泡行程，同时提高气泡氧传质效率。关于研究有机负荷对MPR的影响也曾有过报道[9-10]，但有机负荷冲击不仅影响COD，还影响活性污泥胞外聚合物(EPS)等。在高浓度有机负荷条件下，微生物能够代谢并分泌更多的产物至细胞外形成EPS[11-12]。EPS具有双层结构，能为微生物形成屏障抵抗水质、水量变化的冲击以及毒性物质的入侵[13]。目前大多数关于高有机负荷下EPS的组分及含量变化的研究都基于中长期的有机负荷条件[14-18]，关于单周期瞬时有机负荷冲击前后，活性污泥系统EPS的组分及含量变化的研究较少。

本试验基于MPR稳定运行出水达标后，开展单周期瞬时高有机负荷冲击试验，考察瞬时有机负荷冲击下系统内EPS变化规律，分析两者之间的相关性。同时提高供氧量应对有机负荷冲击，考察此时EPS的组分及含量变化，分析供氧量与EPS变化之间的相关性，解析提高供氧量应对瞬时有机负荷冲击EPS的变化机理。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置示意图见图1，MPR采用有机玻璃板制成，反应器整体分为两部分，一部分是类似“圆饼”状的主反应区，另一部分是上部的微压力形成区，其中主反应区直径900 mm，厚度90 mm，微压力形成区的长×宽×高为130 mm×90 mm×400 mm，总有效容积为36 L。试验期间水温为(19.0±1.5) ℃。使用水泵(BT300-2J)进水，电磁式空压机(ACO-308)供氧，并用玻璃转子流量计(LZB-DK600-4F)进行气量控制，反应器内曝气管为穿孔玻璃管。

图1 试验装置示意图

1.2 试验污泥与水质

试验所用污泥为实验室内其他反应器剩余活性污泥，试验期间混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度为3 200～3 800 mg/L。采用模拟城镇污水进行试验，污水主要成分：淀粉、牛肉膏、蛋白胨、乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾、碳酸氢钠、硫酸镁、氯化钙、硫酸亚铁、微量元素。微量元素成分：氯化锌、硫酸铜、硫酸锰、氯化铝。通过淀粉和乙酸钠控制COD浓度。

1.3 试验方法

试验前反应器已稳定运行20 d，反应器常负荷运行期间每日两个周期，每个周期12 h，采用非限制性供氧，供氧量为1.65 L/min，进水5 min，进水的同时开始供氧，供氧8 h，沉淀3 h，排水10 min，闲置50 min，排水比50%。控制其他条件不变，仅提高单周期瞬时有机负荷(本研究中以COD浓度计)进行冲击，冲击后恢复常负荷，检测污染物去除效果和EPS变化规律，待反应器运行稳定大体恢复初始状态后再进行下一次有机负荷冲击。3种有机负荷冲击结束后改变供氧量，考察不同供氧量下的污染物去除效果、恢复时间和EPS变化规律。试验部分运行参数见表1。

表1 运行参数

1.4 水质检测

每个周期供氧阶段7.5 h时取反应器内活性污泥样品进行EPS提取和测定。混合液经滤纸过滤后检测分析各项水质指标，COD、氨氮、TN、TP、MLSS均采用文献[19]的方法测定，温度和DO用WTW Oxi3310便携式DO测定仪检测。EPS采用甲醛/NaOH法提取[20]，EPS中多糖(PS)含量采用苯酚/硫酸法测定[21]，蛋白质(PN)含量采用Folin-酚法测定[22]，PS和PN的含量均以1 g干污泥中的MLSS质量计。

2 结果与讨论

2.1 有机负荷冲击对EPS的影响

EPS是细胞荚膜和细胞周围黏液物质的主要成分，可为处于内源呼吸阶段的微生物提供碳源和能源[23]，EPS的主要成分为PS和PN[24]。EPS具备固定微生物的潜能，在水处理、废水絮凝和沉降应用中充当吸附剂和絮凝剂的角色[25]。

供氧量为1.65 L/min时，3种有机负荷冲击下的典型单周期内EPS组分及含量变化见图2(周期0为常负荷下数值，周期1～7为冲击开始后数值)。如图2(a)所示，冲击开始后周期1 PS和PN分别为18.28、8.60 mg/g，周期4 PS达到峰值(30.50 mg/g)，PN为9.06 mg/g(无太大变化)，再经过3个周期后PS降至21.65 mg/g。如图2(b)所示，冲击开始后周期1 PS和PN分别为20.60、9.06 mg/g，周期5 PS增至38.42 mg/g，再经过4个周期PS降至21.14 mg/g。如图2(c)所示，冲击开始后周期1 PS和PN分别为21.85、9.29 mg/g，周期5 PS增至46.20 mg/g，再经过6个周期PS降至23.21 mg/g。

为达到较好的课堂教学效果，案例教学法要求在选择教学案例上应该有重点、有特点。基于”会计学基础”的课程性质，在选择教学案例时，首先应满足针对性特点，即必须满足以下要求：(1)案例必须能够体现本节课的知识点，尤其应突出重难点。(2)案例应该来源于真实事件，不应与现实环境相脱节。(3)案例应该能够完整地反映出待处理的经济业务及相关问题。例如，在讲授借贷记账法原理时，应选择能够体现不同科目借贷方向特点的案例，结合案例让学生了解不同科目借贷方向上的区别 。

图2 3种有机负荷冲击下的EPS变化

对比3种有机负荷冲击下的EPS组分及含量变化，不同有机负荷冲击下EPS恢复至初始状态的过程中，PN变化较小，PS变化较大。有机负荷冲击越大，PS峰值增量越大。原因是在瞬时高浓度有机负荷冲击时，微生物分泌EPS抵抗冲击，PS由单糖组成，合成速度快，含量变化大；而PN由氨基酸组成，合成速度慢，含量变化小。3种有机负荷冲击中PS的峰值相比于周期1分别增加了12.22、17.82、24.35 mg/g，EPS含量大体恢复至初始状态时分别需要6、8、10个周期。随着有机负荷冲击增大，微生物无法短期内去除多余有机负荷，导致有机负荷剩余，微生物利用有机负荷的时间增加，所以EPS恢复时间变长。活性污泥系统受有机负荷冲击后，EPS含量随着运行周期增加先增大后减小，有机负荷冲击对EPS的影响具有滞后特点，说明有机负荷冲击下的活性污泥微生物先摄取物质并储存在胞内，而多余的碳源被分泌至胞外，当有机负荷减少，PS又作为碳源被微生物利用，从而导致试验中PS含量先增加后降低。

2.2 供氧量对EPS的影响

有机负荷1下，不同供氧量时的EPS变化情况见图3。两种供氧量下的PN含量几乎无变化，PS含量变化明显。两种供氧量(1.80、1.95 L/min)下的PS峰值增量分别为8.24、7.16 mg/g，与供氧量为1.65 L/min时PS的峰值增量12.22 mg/g相比，提高供氧量后PS峰值增量变少。提高供氧量，微生物呼吸速率加快，活性提高，微生物利用EPS的速率增大，故PS峰值增量减少。两种供氧量下，都经过3个周期EPS含量才恢复到冲击前的状态，这表明提高供氧量存在一定的局限性，提高供氧量可以在一定范围内使反应速率达到较大值，继续增大供氧量反应速率变化不大。因此，有机负荷1条件下的最适供氧量为1.80 L/min。

图3 有机负荷1下不同供氧量时的EPS变化

有机负荷2下，不同供氧量时的EPS变化情况见图4。供氧量为1.95、2.25、2.45 L/min时的PS峰值增量分别为15.87、15.75、12.13 mg/g，与供氧量为1.65 L/min时PS的峰值增量17.82 mg/g相比，提高供氧量后PS峰值增量变少。3种供氧量下，分别经过了7、5、5个周期，EPS含量才恢复到冲击前的状态。供氧量由2.25 L/min变为2.45 L/min时，PS的峰值由32.87 mg/g变为32.99 mg/g，变化不明显。这与在有机负荷1条件下提高供氧量后的规律一致。分析结果表明有机负荷2条件下的最佳供氧量为2.25 L/min。

图4 有机负荷2下不同供氧量时的EPS变化

有机负荷3下，不同供氧量时的EPS变化情况见图5。供氧量为1.95、2.25、2.45、2.65 L/min时的PS峰值增量分别为15.86、14.30、14.74、10.56 mg/g，与供氧量为1.65 L/min时PS的峰值增量24.35 mg/g相比，提高供氧量后PS峰值增量也呈变少趋势。4种供氧量下，分别经过了7、7、5、5个周期，EPS含量才恢复到冲击前的状态。供氧量由2.45 L/min变为2.65 L/min时，PS的峰值由32.50 mg/g变为31.59 mg/g，变化不明显。这与在有机负荷1和有机负荷2条件下提高供氧量后的规律一致。分析可得在有机负荷3条件下的最佳供氧量为2.45 L/min。

图5 有机负荷3下不同供氧量时的EPS变化

由以上对比可以看出，在相同有机负荷不同供氧量下，PS的峰值和峰值增量大体随供氧量升高而降低，恢复至初始状态的时间也大致随着供氧量的升高逐渐缩短。但供氧量对EPS的影响有一定的局限性，当供氧量增大到一定程度时，EPS含量基本不变。为进一步探究有机负荷与EPS的关系，下面对两者的相关性进行了分析。

2.3 有机负荷与EPS的相关性

2.3.1 不同有机负荷与EPS变化的相关性

供氧量为1.65 L/min时，不同有机负荷冲击下的EPS变化见表2，在本研究的有机负荷范围内，有机负荷增加率(x，%)与EPS峰值增加率(y，%)有明显的相关性(R2=0.998)，拟合公式为y=0.385 5x+0.003 6。

表2 1.65 L/min供氧量下不同有机负荷冲击对EPS的影响

2.3.2 不同供氧量与EPS变化的相关性

有机负荷1冲击时，不同供氧量下的EPS变化见表3，供氧量增加率(x，%)与EPS峰值减少率(y，%)有较好的相关性(R2=0.923), 拟合公式为y=0.422 6x-0.006 4。

表3 有机负荷1下不同供氧量对EPS的影响

有机负荷2冲击时，不同供氧量下的EPS变化见表4，供氧量增加率(x，%)与EPS峰值减少率(y，%)有较好的相关性(R2=0.919), 拟合公式为y=0.320 6x-0.014 4。

表4 有机负荷2下不同供氧量对EPS的影响

有机负荷3冲击时，不同供氧量下的EPS变化见表5，供氧量增加率(x，%)与EPS峰值减少率(y，%)有较好的相关性(R2=0.976), 拟合公式为y=0.453 1x+0.014 2。在供氧量增加率为60.61%时有所偏离，这证明了供氧量增加率对EPS峰值减少率影响的局限性。

表5 有机负荷3下不同供氧量对EPS的影响

2.3.3 不同工况下运行效能的变化

在常负荷条件下，COD的降解速率为53.94 mg/(L·h)。在供氧量为1.65 L/min下3种有机负荷冲击时，COD的降解速率分别为73.27、93.54、137.52 mg/(L·h)(见表6)。在有机负荷冲击下，COD降解速率变快，主要与底物浓度有关，底物浓度越高，反应速率越快。但随着有机负荷增大，氨氮的降解速率由1.65 mg/(L·h)依次下降为1.49、1.23、1.03 mg/(L·h)，分析原因是供氧量未提高，大量的DO用于降解COD，少量DO用于氨氮的硝化反应，故氨氮降解速率下降；由于硝化反应速率降低，系统脱氮速率有所下降，TN的降解速率由1.82 mg/(L·h)分别下降为1.73、1.43、1.29 mg/(L·h)。

表6 不同工况下污染物降解速率

通过调节供氧量，可使COD的降解速率增大。由于供氧充足，COD很快被降解，更多的DO用于进行硝化反应，与1.65 L/min供氧量相比，同样有机负荷(有机负荷1、有机负荷2、有机负荷3)下，提高供氧量后的氨氮降解速率分别提升为1.72、1.66、1.56 mg/(L·h)，系统硝化速率提升，系统脱氮速率提高，TN的降解速率分别提高为1.83、1.80、1.65 mg/(L·h)。综上所述，提高供氧量，系统整体的运行效能得到提高，说明提高供氧量是应对冲击的有效措施，对实际污水处理厂的运行具有重大意义。

3 结 论

(1) MPR在单周期瞬时高浓度有机负荷冲击过程中，有机负荷对EPS的影响具有滞后性，EPS含量随着运行周期增加先增大后减小，PN基本无变化，PS变化较大；有机负荷冲击越大，PS峰值越大，峰值增量越大，EPS恢复至冲击前所需时间越长。在供氧量为1.65 L/min时，808.2～810.0、1 212.0～1 228.0、1 586.0～1 605.0 mg/L 3种有机负荷条件下，PS峰值分别为30.50、38.42、46.20 mg/g，峰值增量分别为12.22、17.82、24.35 mg/g。EPS含量恢复至初始状态依次需6、8、10个周期。

(2) 在同一有机负荷冲击下，提高供氧量，PS的峰值增量减小，PS峰值降低，恢复至初始状态时间大体会缩短；但供氧量提高也有一定的局限性，在供氧量达到一定值时，过高的供氧量并不能有效缓解有机负荷冲击对EPS的影响。有机负荷分别为808.2～810.0、1 212.0～1 228.0、1 586.0～1 605.0 mg/L时，相应最适供氧量分别为1.80、2.25、2.45 L/min。

(3) 在1.65 L/min供氧量下，有机负荷的增加率与EPS峰值增加率有着明显的相关性；3种有机负荷冲击时，供氧量增加率与EPS峰值减少率有较好的相关性。