（市政工程专业论文）胞外聚合物对活性污泥吸附再生和生物絮凝影响研究.pdf

中文摘要 摘要 本文主要研究了活性污泥胞外聚合物( e p s ) 对吸附机理、再生机理和生物絮 凝机理的影响，主要得出以下结论： 1 ) 通过研究e p s 对活性污泥吸附及再生的影响，试验结果表明：e p s 与污泥 吸附能力显著相关，随着污泥负荷的降低，e p s 增加，污泥的吸附能力提高；且 有机物种类对污泥的吸附性能有显著影响，发现活性污泥对有机物的吸附去除是 生物絮凝作用。污泥再生能增加中负荷( n s = 0 3 o ，5 k g b o d 5 k g m l s s d ) 污泥的 吸附能力，但不能增强高负荷( n s = 3 o 4 0 k g b o d 5 k g m l s s d ) 污泥的吸附能力， 再生过程可迫使中负荷污泥进入内源代谢期，使污泥中的e p s 增加，絮凝活性增 加，吸附能力提高，而高负荷污泥再生后e p s 则无变化。同时，再生过程使污泥 的脱氢酶、o u r 降低，代谢活性降低，对于高负荷污泥的再生是无效的。 2 ) 采用人工模拟生物絮体形成的方法，考察了e p s 、c e + 及p h 对生物絮体 形成的定量影响。当p h i 7 5 ，e p s 一7 0 m e j l ，c a 2 + 一 3 0 0 m g l 时，有利于生物絮 体的形成。正交试验得出的p h 、e p s 和c a 2 + 三因素对生物絮体形成综合影响的回 归方程为： nm = 9 0 1 7 0 + 9 7 3 5 p h + 1 9 6 c a 2 + + 9 0 8 e p s - 0 1l p h c e + 0 9 1 p h e p s 。0 0 2 c a 2 + e p s + 0 0 0 2 1p h c a 2 + e p s 回归分析表明：p h 对絮体形成过程影响最显著，其次是e p s ，然后是c a ”。 3 ) 采用平行试验考察污泥负荷、d o 、温度、c a ”、p h 及废水水质对活性污 泥胞外聚合物的影响。试验表明：污泥负荷n s 对e p s 影响高度显著，d o 对e p s 的产生影响- 一般显著，温度t 对e p s 的产生影响较小；并得出其影响模式：e p s = 2 6 4 4 2 8 0 n s + 1 2 6 d o 及e p s = 2 2 2 5 2 1 8 n s + 0 2 0t ；随c a ”浓度增加e p s 、脱 氢酶及o u r 增加，污泥的絮凝及代谢活性增加。p h 对e p s 有显著影响，p h = 7 8 时，污泥具有良好的活性。废水水质对e p s 的含量、成分及脱氢酶及o u r 有明 显的影响，使污泥具有不同的絮凝及代谢活性。 4 ) 利用e p s 与生物絮凝之间的关系，对生物絮凝去除有机物的动力学进行了 研究，得出了a b 法a 段有机物去除动力学模型及有关动力学常数。 本研究通过对活性污泥吸附再生和生物絮凝机理的探讨，对开发低能耗的高 效生物反应器具有重要的意义。 关键词：胞外聚合物，吸附再生，生物絮凝，活性污泥 英文摘要 a b s t r a c t e f f e c to fe x t r a c e l l u l a r p o l y m e r s u b s t a n c e si na c t i v a t e d s l u d g e o n a d s o r p t i o n r e g e n e r a t i o na n db i o f l o c c u l a t i o nw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r e a sf o l l o w s ： 1 ) t h ee f f e c to f e p so na d s o r p t i o na n d r e g e n e r a t i o no f a c t i v a t e ds l u d g ew a ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e d ：e p sw e r er e m a r k a b l yc o r r e l a t i v ew i t ha d s o r p t i v e c a p a c i t y , a n dw i t hl o a d i n g r a t en s r e d u c i n g ，e p si n c r e a s e d ，s od i da d s o r p t i v ec a p a c i t y o f s l u d g e ；t h eo r g a n i c sv a r i e t ya f f e c t e dm a r k e d l ya d s o r p t i v ec a p a c i t yo fs l u d g e ，a n d a d s o r p t i o nm e c h a n i s mw a sb i o f l o c c u l a t i o nf u n c t i o n b e s i d e s ，r e g e n e r a t i o np r o c e s s c o u l di n c r e a s e s l u d g ea d s o r p t i v ec a p a c i t y i nm i d d l e l o a d i n g r a t em s = 0 3 - o 5 k g b o d s k g m l s s d ) ，a n d c o u l dn o td o t h a ti n h i 曲l o a d i n gr a t e ( n s = 3 o 5 0 k g b o d s k g m l s s d 1 t h ec a u s ew a st h a tr e g e n e r a t i o np r o c e s sc o u l dc o m p e l s l u d g e i nm i d d l e l o a d i n gr a t e ( n s = 0 3 - 0 5 k g b o d s k g m l s s d ) t o e n t e ri n t o e n d o g e n e s i sm e t a b o l i z a b i l i t yp h a s e ，w h i c h i n d u c e df l o c c u l a t i o ns u b s t a n c e se p st o i n c r e a s e ，a n d s of l o c c u l a t i o n a c t i v i t y o fs l u d g ei n c r e a s e da n da b s o r p t i o nc a p a b i l i t y i m p r o v e d b u tr e g e n e r a t i o np r o c e s sc o u l dn o tc h a n g ee p sc o n t e n to fs l u d g ei nh i g l l l o a d i n gr a t e ( n s = 3 0 - 5 0 k g b o d s k g m l s s d ) a to n et i m e ，t h er e g e n e r a t i o np r o c e s s m a d e d e h y d r o g e n a s e a n do u ro fa c t i v a t e d s l u d g er e d u c e ，w h i c h r e s u l t e di n m e t a b o l i z a b i l i t ya c t i v i t yr e d u c i n g ，t h er e g e n e r a t i o no fh i g hl o a d i n gr a t es l u d g ew a s i n v a l i d 2 ) t h eq u a n t i t a t i v ee f f e c to fe p s ，c a 2 + a n dp h o nb i n f l o c c u l a t i o nw a ss t u d i e db y m e a n so f s i m u l a t i n gt h ef o r m i n go f b i o f l o c s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e d ：w h e n p hw a sm o r et h a n 7 5 c o n c e n t r a t i o no f e p sa n dc a z + w a sr e s p e c t i v e l ym o r et h a n7 0 m g la n d3 0 0m g l ，f l o e sc o u l df o r me a s i l y a tt h es a m et i m e ，t h er e g r e s s i o ne q u a t i o n w a sd e d u c e di no r t h o g o n a le x p e r i m e n to f e p sc a 2 + ，a n d p h ： i i t u i d e = 一9 0 1 7 0 + 9 7 3 5 p h + 1 9 6 c a 2 + + 9 0 8 e p s 一0 1 l p h c a 2 + o 9 1 p h e p s 一0 0 2 c a 抖e p s + 0 0 0 2 1 p h c a 2 十e p s r e g r e s s i o na n a l y s i ss h o w e d ：p hw a st h ef i r s tr e m a r k a b l ef a c t o r , e p sw a ss e c o n d a n dc a ”w a st h i r d 3 ) t h e s e f a c t o r s i n c l u d i n gl o a d i n g r a t e n s d i s s o l v e do x y g e nd o ，w a t e w a t e r t e m p e r a t u r e ，c o n c e n t r a t i o no fc a 2 + ，p ha n dw a s t e w a t e rq u a l i t yw h i c ha f f e c t e de p s w e r es t u d i e db ym e a n so fp a r a l l e le x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e d t h e i i i 重庆大学硕士学位论文 e f f e c to f l o a d i n gr a t en so ne p sw a s h i g h l yr e m a r k a b l e ，d ow a sc o m m o n l yr e m a r k a b l e a n dw a t e w a t e r t e m p e r a t u r ew a s n o tr e m a r k a l e ：t h ei n f l u e n c em o d ew a sc o n c l u d e d ：e p s = 2 6 4 4 - 2 8 0 n 。+ 1 2 6 d oa n de p s = 2 2 2 5 2 1 8 n s + o 2 0 t ；w i t hc o n c e n t r a t i o no fc a 2 + i n e a s i n g ，e p s ，d e h y d r o g e n a s ea n do u ri n e a s e d ，w h i c hr e s u l t e di nt h ei n c r e a s eo f a c t i v i t yo f f l o c e u l a t i o na n d m e t a b o l i z a b i l i t y p ha f f e c t e de p sr e m a r k a b l y , a n dw h e n p h w a s 7 8 ，s l u d g eh a dg o o d f l o c c u l a t i o na n dm e t a b o l i z a b i l i t ya c t i v i t y w a s t e w a t e rq u a l i t y a f f e c t e dt h ec o n t e n ta n dc o m p o n e n to fe p s ，d e h y d r o g e n a s ea n do u r r e m a r k a b l y , w h i c hm a d e s l u d g ef l o c c u l a t ea n d m e t a b o l i z e d i f f e r e n t l y 4 ) t h eo r g a n i c sr e m o v a lk i n e t i c so fb i o f l o c e u l a t i o nw a ss t u d i e db ym e a n so ft h e r e l a t i o nb e t w e e ne p sa n db i o - f l o c c u l a t i o n t h em o d eo f o r g a n i c sr e m o v a l k i n e t i c sa n d k i n e t i c sc o n s t a n ti na s t e po f a b p r o c e s s w e r ed e d u c e d t h e s t u d y o nm e c h a n i s m so fa d s o r p t i o n - r e g e n e r a t i o na n db i o - - f l o c c u l a t i o nw i l l b e n e f i tt od e v e l o pl o w p o w e r - w a s t i n ga n dh i g he f f i c i e n t b i o r e a c t o r k e y w o r d s ： e x t r a c e l l u l a r p o l y m e r i c s u b s t a n c e s ( e p s ) ，a d s o r p t i o n r e g e n e r a t i o n ， b i o f l o c c u l a t i o n ，a c t i v a t e ds l u d g e 1 概述 1 概述 活性污泥法创始于1 9 1 4 年，随着活性污泥法在实际生产上的广泛应用和技术 上的不断革新改进，特别是近四十年来， 究探讨的基础上，活性污泥法在生物学、 到了长足的进步。 在对其生物反应和净化机理进行深入研 反应动力学的理论方面和工艺方面都得 但是，活性污泥法的许多机理至今尚无定论，如吸附机理，再生机理及生物 絮凝机理等。而这些机理对于活性污泥处理系统的设计和运行有着深刻的影响。 本文将对吸附机理，再生机理及生物絮凝机理进行系统的研究，为活性污泥处理 系统的设计和运行提供参考。 1 1 活性污泥吸附及再生机理研究现状 1 1 1 活性污泥吸附机理研究进展 当某种成分在界面附近的浓度不同于其相内部的浓度时，即产生吸附现象。 界面浓度高于相内部浓度时为正吸附，反之为负吸附。而由较弱的分子间力( 范 德华力) 所产生的吸附为物理吸附，由化学引力所产生的吸附为化学吸附，在生 物作用下的吸附则为生物吸附。物理吸附能在所有物质问产生，而化学吸附和生 物吸附则只能在特定的物质间产生。在一般情况下，能够降低表面张力的物质， 其吸附性能比较显著，而表面张力能够增大的物质会产生负吸附。物理吸附作用 经常伴随热量的产生，因此，温度增高吸附性能较低。 对于活性污泥对有机物的吸附作用，有如下两种观点i l l ： 活性污泥对有机物的吸附作用为物理吸附 日本学者渡边、古田等在用活性污泥降解醋酸、葡萄糖、淀粉和胨的试验研 究中证实，当底物与活性污泥量的比值介于低值范围内时，完全符合弗罗因德利 希( f r e u n d l i c h ) 的吸附等温式，所以认为是物理吸附。 日本学者关、高野等以“c 标记的葡萄糖及醋酸钠作为底物，用从活性污泥中 分离出来的产气杆菌进行试验，得出如下结果：初期降解不受叠氮化钠( n a a z i d e ) 和二硝基酚( d i n i t r o p h e n o ld n p ) ( 二者都是通过抑制细胞的内源供应而抑制其主 动输送过程的) 的抑制；在主动输送完全停止的o 条件下，初期吸附率仍然可达 8 0 ；将菌体用5 0 的高温加以处理2 0 分钟后，仍能保持完全的初期吸附率；将 菌体用溶菌酶加以破坏，用细胞碎片进行试验( 细胞碎片含l 以下的活菌) ，醋 酸钠的初期吸附率并不低。试验结果表明，初期降解主要是物理吸附作用。 日本学者高桥等以用“c 标记的甘氨酸作为底物，用c u ”处理过的和未经处 重庆大学硕士学位论文 理的活性污泥进行对比试验，结果证明：降解率在1 分钟和l 小时后大都在7 0 左右，几乎没有变化，说明降解是在极短时间内进行的。此外，埘活性污泥无论 是用二硝基酚抑制吸收，或者用c u 2 + 灭活，降解率也只降低1 0 左右，因此，认 为初期降解大部分是物理吸附作用。 活性污泥对有机物的吸附作用为生物吸附 休凯利凯安( h e n k e l e k i a n ) 将混合液分别的用空气、氮气和机械加以搅拌后 比较其上清夜的浊度，结果表明，以使用空气者最为清澈，以氮气者最为浑浊， 因此，认为初期吸附是生物反应。 鲁赫霍夫特( r u c h h o r ) 等人进行了活性污泥吸附葡萄糖的试验，结果证明， 活性污泥能够迅速地将葡萄糖降解，其规律符合弗罗因德利希吸附式，当温度上 升到4 5 以上时和等温时，降解速度均会下降，不注入空气也会下降，根据这个 试验结果，认为活性污泥对葡萄糖的初期降解速度是以酶促反应作为基础的，初 期降解是生物吸附作用。 将活性污泥加热杀菌，投加经灭菌处理过的葡萄糖，经曝气后用滤过器进行 过滤，测定滤液的葡萄糖，其结果是葡萄糖浓度没有变化，说明并没有发生物理 吸附作用。 以人工合成废水和用这种废水培养的活性污泥通过振荡法进行b o d 的降解试 验，结果证实：温度在3 0 c 左右的b o d 的降解量最大；投加h g c l 2 时b o d 降解 受抑制；将烧杯中的空气代之以氮气，b o d 降解也受抑制。 有关活性污泥与人工合成废水( 含有胨、砂糖、无机物) 混合吸附试验表明： 2 7 2 9 时吸附量最大；5 0 5 7 时则产生负的结果，可以认为，能够引起酶变 性的高温具有抑制吸附的作用。 日本学者秋野、杉本等用c u 2 + 将活性污泥灭活，对乙酸、葡萄糖仍产生吸附 现象，但是，未用c u 2 + 灭活的活性污泥，其降解量更大。故认为既有物理吸附作 用，但也存在生物吸附。此外，试验结果还证实，温度在3 5 左右时的降解量最 大，说明这是山酶产生的生物化学反应。 上述试验结果说明，活性污泥的初期吸附作用不是单纯的物理吸附，而是物 理吸附与生物吸附的综合作用。 1 1 2 吸附再生机理研究进展 吸附再生工艺是基于以下现象开创的，如图1 1 所示，当溶解性和非溶解性混 合有机物和活性污泥一起进行曝气，b o d 5 在5 1 0 m i n 内急剧下降，这是活性污 泥对污水中有机物吸附的结果，即初期吸附现象，也就是吸附段去除有机物的机 理。随后b o d 5 略有升高是由于胞外水解酶将吸附的非溶解状态的有机底水 1 概述 凸 o 曝气过程 图1 1 非溶解性和溶解性混合底物与活性污泥 混合曝气后b o d 5 值的变化动态 f i g1 1c h a n g eo f b o d 5 a f t e rm i x e ds u b s t a n c e sm i x i n gw i t h a c t i v a t e ds l u d g ew i t ha e r a t i o n 解成为溶解性小分子进入污水中造成的。此时，活性污泥进入营养过剩的对数增 殖期，能量水平很高，微生物处于分散状态，污水中存活者大量的游离细菌，进 一步促使b o d 5 值上升。随着反应的持续进行，有机物浓度下降，活性污泥中的微 生物进入减速增殖期，b o d 5 缓慢下降冈，活性污泥将吸附的有机物分解代谢后又 恢复了吸附活性，此为再生段运行机理。 与吸附再生工艺的吸附池去除有机物的机理相似，a b 工艺a 段也是通过活性 污泥的吸附或絮凝作用去除大部分有机物的。两种工艺的不同之处在于：吸附再 生工艺的活性污泥的吸附性能依靠再生池来维持，而a b 工艺a 段无再生池。有 关研究认为a 段吸附能力的保持取决于两个因素1 3 1 4 】f 5 】：其一是污水收集、输送系 统中随污水进入a 段的微生物源源不断地在a 段中得到“活化”；其二是由于在a 段中泥龄较短，仅为o 3 0 5 d ，因而快速增殖的微生物具有较强的吸附絮凝能力。 1 2 活性污泥絮凝机理研究现状 活性污泥絮体是由不同种类的细菌，其它生物如原生动物、真菌、藻类、病 毒等以及一些悬浮的非生物物质组成的微生物实体。絮体的成分被包埋在由多糖、 蛋白质、脂类和核酸组成的聚合物里。这种聚合物是胞外聚合物，被认为是活性 污泥絮体里除微生物细胞和水之外第三种共同的成分i ”。 1 2 1 活性污泥絮凝机理 相对于经典的胶体体系的絮凝机理而言，活性污泥的絮凝机理目前尚无定论。 目前，有关研究进展如下： 荚膜学说，细菌聚合物学说 此学说认为细胞在生长的过程中形成了粘性荚膜，粘连颗粒使之形成絮体。 重庆大学硕士学位论文 b u t t e r f i e l d 从活性污泥中分离出了一种细菌，并认定生物絮体是由该细菌分泌的一 种明胶状物质粘结而成。经鉴定该菌为动胶杆菌。对动胶杆菌所作的生物学研究 发现：处于游离状态的动胶杆菌能以极生鞭毛运动；凝聚时，菌体外有荚膜样物 质，菌体包埋于其中；若用水洗去荚膜样物质，菌体便能游离出来。 t e n n e y 等人认为，处于静止期的细菌能分泌出大量复杂的诸如多糖和多肽类 的高分子电解质，并覆盖于整个细胞表面，通过这类高分子物质的作用，细菌就 能形成絮体。 m i t c h e l l 认为，当细菌进入老龄阶段后，氮就成了限制因素，菌体分泌的胞外 聚合物就会增加，这种聚合物主要是细菌多糖，它能使细菌凝聚在一起。 有些学者对这个学说提出了异议，他们认为，分泌胞外聚合物的菌株并不一 定能形成絮体，而形成絮体的菌株也不一定能产生胞外聚合物，并据此认为产生 胞外聚合物并非是细菌形成絮体的唯一原因。 电动势一含能说 m c k i n n e y 认为胞外聚合物不是絮体形成的主要原因，也不存在特定的絮体形 成菌，絮体的形成可能是能的含量和菌间电动势作用所致。 细菌细胞膜由脂蛋白等组成，易于离子化而带有较多的负电荷，菌体问存在斥 力。另外，菌体间也存在范德华引力。斥力与菌体间距离的平方成反比，范德华引 力与菌体间距离的7 次方成反比。当两个菌体非常接近时，其范德华引力就胜过静 电斥力而使菌体结合。 电动势一含能说认为：反应过程中有机物浓度高时，细菌繁殖快肩量水平高， 动能大于范德华引力，絮体难以形成。有机物浓度降低后，细菌繁殖速度减慢，能 量水平下降，动能小于范德华引力，菌体一旦碰撞便会结合形成絮体。 菌体外纤维素纤丝学说 此学说主要针对纤维素絮凝剂的絮凝机理提出的。f r i e d m a n 用纤维素酶使由 生枝动胶杆菌1 1 5 和i 一1 6 m 两菌株形成的絮体解体，发现内部含有大量纤维，说 明纤维对细菌的凝聚和生物絮体的形成有着重要的作用。并判明纤维在性质上与 纤维素相同。m u l d e r 则认为生物絮体是在两种细菌作用下形成的。一种是能分泌 粘液，使细菌聚合成团；另一种能分泌具有纤维素性质的纤维，在两种细菌协同作 用下，细菌聚合成絮体。 原生动物学说 有观研究认为，原生动物对生物絮体的形成起很大作用。c u r d s 通过试验证明， 草履虫能分泌多糖类物质，带负电荷的颗粒可以吸附这种多糖类物质并发生电荷 变化而产生凝聚。 m c k i r m e y l l l 发现，在进入衰减增殖期后，四膜虫属细胞内可以出现大球状物质。 4 1 概述 其死后这些物质便释放于液体中，当原生动物与细菌共生时，细菌能与这些物质 合为一体，形成不定形絮体。 聚口羟基丁酸说 c r a b t r e e l l l 认为：生物絮体是由聚羟基丁酸促成的。并推测，细菌细胞间 凝聚成凝块可能为聚羟基丁酸积累所致。聚声羟基丁酸大量积累，彤成了 聚酯，聚酯互相结合使细菌由小凝块结合成了大絮体。 絮体形成细菌如动胶杆菌、芽孢杆菌、假单胞菌等，在碳源和能源丰富的场 合，体内积储大量聚羟基丁酸，其数量可达细胞于重的1 2 1 5 。聚一羟 基丁酸是一种聚脂物质，它在细菌体内大量积蓄时，细菌细胞分裂不彻底，不能 完全分离而彼此连接，还可能导致细菌死亡并将其释放于液体中。释放于水中的 聚口羟基丁酸能与细菌产生凝聚作用，也能够相互凝聚形成絮体。这种絮体能 牢固地附着在玻璃表面，并具有良好的沉淀性能。 电性中和学说 l e v y 等在研究c y a n o b a c t e r i u mp h o r m i d i u ms p s t r a i n 儿产生的絮凝剂f - - j 1 时 指出，在胶体颗粒的絮凝过程中，电中和效应是不容忽视的。细菌在溶液中可阻 看成带电胶体，絮凝时和相反电性的颗粒发生电性中和，从而减弱颗粒间彼此的 相互排斥力，促进颗粒的絮凝沉降，为絮凝剂的架桥提供了有利条件。 丝状网架结构模型 s e z g i n 等人认为8 4 】：污泥凝絮体是由丝状菌作为絮体的骨架，围绕着它，由 动胶菌等微生物产生的多聚糖附着在上面，形成了凝胶基质架，胶体物质和其它 微生物附着在上面，就象骨头上的肉一样。 二价阳离子架桥学说 m c k i n n e y 和t e z u k a 【7 1 首先提出二价阳离子架桥学说( d i v a l e n tc a t i o nb r i d g i n g t h e o r y ，简称d c b ) 。t e z u k a 在试验中论证了二价阳离子的作用，他在考察纯培养 基中絮体的形成时，发现c a 2 + 和m 9 2 + 在生物絮体的形成过程中起着重要作用。根 据d c b 理论，二价阳离子和e p s 的带负电荷的功能基团发生架桥作用，促使胞外 基质和微生物的聚集和稳定，因此可以促进生物絮凝的形成。二价阳离子架桥学 说的描述见图1 2 口1 。 重庆大学硕士学位论文 二价阳离子 g带负电荷的功能基团 c ，细菌 一4 、 e p s 图1 2 絮体基质肉二价阳离子架桥学说 f i g1 2t h e o r yo f b i v a l e n tc a t i o nb r i d g i n gi nf l o c c u l a t i o n 胞外聚合物架桥学说 到目前为止，关于活性污泥絮凝机理最为普遍接受的机理之一是细菌胞外聚 合物架桥学说1 1 叫3 】【”】。该学说认为细菌体外的聚合物是絮凝产生的物质基础，这些 物质与颗粒表面相互作用，从而导致絮凝的发生【5 6 。目前有关理论研究已得出结 论，具有絮凝功能的微生物表面主要有粘多糖、蛋白质、脂类、糖蛋白、纤维素、 核酸以及离子化的葡聚糖和胞核酸等物质，这些物质和絮凝有密切的关系。 1 2 2 絮体形成的影响因素 阳离子 由于生物絮体一般带负电荷，因此阳离子在生物絮凝过程中能通过中和稳定 残余的带电负荷的官能团以及在微粒之间形成架桥来激发絮凝活性。许多学者研 究了在溶液中加入和去除阳离子后对生物絮体性质的后续影响。 1 ) 多价阳离子 二二价和三价离子的作用是通过减少聚合物和颗粒的负电荷来增强生物高聚 物对悬浮颗粒的最初吸附，以此来增强絮凝剂的絮凝活性。有关金属离子在e p s 中的作用研究进展如下： a c a 2 + 可以显著提高e p s 的絮凝活性，对于一些微生物来说，形成絮凝体必 须有二价钙离子的参加，但对另外一些微生物却不是这样。一般认为钙离子的作 用是化学桥联作用，在絮凝微生物细胞之间联结细胞表面的蛋白质和多糖。 b 添加m 9 2 + 也能够提高e p s 的活性。但关于镁离子的作用，一些研究者根 据各自的研究结果得出的结论并不一致。 除了以上二种金属离子之外，f e 3 + 和a l ”对絮凝活性也有作用。但这两种离 i 概述 子在低浓度时可以提高e p s 的絮凝活性，达到一定浓度后，反而会抑制絮凝物的 形成。 2 ) 一价阳离子 在絮体形成之初，一价阳离子也可以起到压缩双电层作用，但由于它只带了一 个正电荷，不能在e p s 之间或者e p s 和微生物之间产生架桥作用，所以不能促进絮 凝。当污水中一价阳离子如n a + 浓度增加时，絮体会产生解絮作用，抑制絮体形成， 污泥s v i 值明显增加m 。 污泥负荷率 在污水处理系统中，一些学者认为形成絮体的粘结物质是细菌在内源呼吸阶 段产生的胞外生物高聚物。当这种生物高聚物量与细菌量的相对比例适当时，则 产生粘结良好、粒度适当的生物团颗粒，即沉淀性良好的生物絮体。当废水中有 机物浓度很高，细菌增殖过快，以致超过内源呼吸的速率时，则产生的高聚物量 不够把生物团粘结起来，在这种情况下，废水中就出现了细微的微生物，成为一 个分散的增殖体系，这种生物团的沉淀性能就很差。反之，当废水中有机物浓度 很低，细菌又可能以生物高聚物为食物，使粘结的生物团解体，出水中就会出现 针头般大小的絮体1 1 5 】。 p h 值 絮凝过程是胶体颗粒与大分子絮凝剂相互靠近、吸附并形成网状结构的过程， 因此絮凝剂分子与胶体颗粒的表面电荷对絮凝活性都有很重要的影响。p h 能通过 改变酸碱度来改变e p s 和胶体颗粒的表面电荷、带电状态、中和电荷能力，从而 影响它们之间的靠近和吸附行为。生物絮凝剂在一定p h 范围内表现出的良好的絮 凝活性是由于在此p h 范围内，胶体颗粒的表面电荷有所较低，使颗粒的表面电荷 有所降低，使得颗粒之间的相互斥力减弱，从而有利于絮凝剂与颗粒之间的桥联 作用，促进架桥形成和颗粒沉淀。 其它因素 污水中c ：n 比值越高，生物絮凝效果也越好。因为c ：n 比值大，产生的胞 外聚合物就多，有利于絮体的形成，但在n 极端限制的条件下( 试验值b o d 5 ：n = 2 9 7 ：1 ) ，会发生严重的高粘性膨胀。此外，温度、水力停留时间、搅拌等因 素均影响絮凝性能。 1 3 活性污泥胞外聚合物研究现状 1 3 1 胞外聚合物概述 在自然界中，大部分微生物都以凝聚体的形式存活，例如生物膜，絮凝物( 悬 浮的生物膜) 和污泥等。微生物凝聚体通过微生物所产生的聚合物，即胞外聚合 重庆大学硕士学位论文 物( e x t r a e e l l u a r p o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，以下简称e p s ) 被聚集在一起 1 8 。e p s 的成 分与微生物凝聚体的胞内成分相似，它包括不同类型的大分子，如多糖，蛋白质， 核酸，( 磷酸) 脂类和其它聚合物”。它们可以产生粘性力，使这些凝聚体，如生 物膜，絮凝物，污泥凝聚在一起”。e p s 填充并且形成了细胞问的空间，它们形 成了细胞所赖以生存的基质的结构和形态。因此，e p s 可被认为是微生物的“房 子【1 8 】。 e p s 保持了絮凝体结构和功能的完整性，被认为是决定絮凝体物理化学性质 和生物性质的关键物质。e p s 形成了三维的，与凝胶相似的，高度水化的并且经 常是带电的絮体基质，微生物被包埋在里面。因此，e p s 为固着的细胞创造一个 由其本质所决定微生物环境。 1 3 2 胞外聚合物的化学成分、化学结构及来源 e p s 是微生物在特定环境条件下产生的高分子物质( m w 1 0 0 0 0 ) 2 3 1 。它们或 附着在细胞壁上( 胞囊聚合c e p s ) ，或以胶体或溶解状态存在于液相主体中( 粘 质聚合物c e p s ) 。e p s 是活性污泥絮体基质的主要组成部分4 】。活性污泥的e p s ( 主要是c e p s ) 占污泥干重的比例最高可达1 5 口“，不同类型污泥的e p s 产 量比例比较口5 1 见表1 1 。一般来说，e p s 占活性污泥中总有机物的比例大致在5 0 9 0 之间耶i i “，絮体中总的e p s 质量占活性污泥总有机物质量的8 0 左右阱】， 所以e p s 是生物絮体的主要组成部分。 表1 1 不同类型污泥的e p s 产量比较 t a b l e l 1c o m p a r eo f e p s q u a b t y i n d i f f e r e n t k i n d so f a c t i v a t e ds l u d g e 来源污泥类型e p s 产量( t s s ) k i f r ( 1 9 7 8 )活性污泥6 4 7 m o r g a n ，f o r s t e r 等( 1 9 9 0 ) 活性污泥 8 0 0 c l a r k e 和f o r s t e r ( 1 9 8 2 )活性污泥4 7 7 2 f o r s t e r 和c l a r k e ( 1 9 8 3 )活性污泥1 0 8 k a r a p a n a g i o t i s 等( 1 9 8 9 ) 消化污泥 3 5 d o l f i n g ( 1 9 8 6 ) 消化颗粒污泥 2 m o r g a n ，f o r s t e r 等( 1 9 9 0 )各种消化污泥 2 5 e p s 的主要有机成分是糖类和蛋白质，：二者的含量比( 以重量计蛋白质多糖) 约在o 2 至5 【2 4 】，表1 2 为不同类型污泥的e p s 中蛋白质与碳水化合物的比例。 此外，还有核酸f 】3 】【2 5 2 6 】口”、脂类口8 】、腐殖酸2 ”、糖醛酸或氨基糖让5 】，及无机成分2 ”。 蛋白质和多糖的t o c 占整个e p s 的7 0 8 0 ，e p s 中剩余的2 0 3 0 1 概述 表1 2 不同类型污泥的e p s 中蛋白质与碳水化合物的比例 t a b l e1 2 p r o p o r t i o no f d n a t o p o l y s a c c h a r i d eo f e p s i n d i f f e r e n t k i n d so f a c t i v a t e ds l u d g e 来源污泥类型蛋向质碳水化合物 h o r a n 和e c e l e s ( 1 9 8 6 )活性污泥o 1 6 f o r s t e r 和c l a r k e ( 1 9 8 3 )活性污泥 o 5 6 m o r g a n ，f o r s t e r 等( 1 9 9 0 ) 活性污泥 0 7 0 k a r a p a n a g i o t i s 等( 1 9 8 9 ) 消化污泥 3 o 6 0 f o r s t e r ( 1 9 8 2 )消化污泥 5 1 e h l i n g e r e ta 1 ( 1 9 8 7 )消化污泥 a 葡萄糖培养 o 6 1 b v f a 培养 2 3 l m o r g a n ，f o r s t e r 等( 1 9 9 0 ) 各种消化污泥 l _ l 28 的t o c 来自于腐殖成分，糖醛酸，核酸和脂类等阱1 。一些研究者发现胞外聚多糖 积累和细菌絮凝存在一定的关系；后来从活性污泥中分离出不含细胞的絮凝剂， 其化学本质是碳水化合物；在活性污泥中分离的絮凝剂中还存在蛋白质成分”。 众多不尽相同的试验结果表明，活性污泥e p s 的主要成分可能为多糖【1 3 1 、蛋白质m 1 1 2 4 2 5 1 或核酸3 “。e p s 的组成及成分比例范围见表1 3 【”】。 表1 3e p s 的组成及成分比例范围 成分成分比例 多糖4 0 9 5 蛋白质 1 6 0 核酸 1 1 0 脂类 芒害3口no 重庆大学硕士学位论文 2 0 鬻1 6 口 ， 2 4 r 一e l s - - - i i - - - d n a + 蛋白质 一一多糖 01234567 再生时间t ( h ) 图2 9 高负荷污泥再生过程中e p s 变化曲线 f i g2 9e p sc h a n g ei nt h er e g e n e r m i o no fa c t i v a t e ds l u d g ei nh i g hl o a d i n gr a t e 2 ) 高负荷再生试验结果分析 由表2 6 可知，高负荷污泥再生6 h 之后，对有机物的吸附能力并没有增加， 对此作如下分析： 由图2 7 可知，随着再生时间增加，污泥清液中的有机物浓度显著增加，并没 有随再生时间增加而减少，这是由于通过再生过程，大量吸附絮凝于高负荷污泥 上的胶态、悬浮态有机物经水解转化为溶解于水的小分子有机物释放至溶液中造 成的，这使微生物始终处于基质充足的环境中，因此，再生过程并没有改变微生 物的生长状态。由图2 8 可知，随着污泥再生时间由o h 增加至6 h ，污泥的o u r 前2 h 略有增加，后4 h 下降6 5 左右，说明再生过程中微生物的代谢活性是降低 的。由图2 9 可知，污泥的e p s 中的d n a 、蛋白质和多糖在再生过程中基本没有 发生变化，这是由于微生物的生长状态并没有发生根本性变化，环境中基质仍然 很充足，因此，细菌分泌或自溶释放出的e p s 在数量和成分上并没有明显变化。 由于e p s 的成分和数量直接影响污泥的吸附性能，因此，再生前后污泥的吸附能 力不变。 综合以上分析：在高负荷条件下，随着污泥再生时间增加，污泥的代谓 活性 下降，絮凝能力不变。这较好地说明了高负荷污泥再生前后，吸附能力不变的原 因。由于再生不能增加污泥的絮凝吸附能力，故对于高负荷污泥进行再生是无意 义的。该试验较好地解释了a b 法a 段的不需要再生的原因。 3 0 一一 一一 j _ 1 2 8 一8 5 峰皿啦，y n 3 生物絮凝机理研究 3 生物絮凝机理研究 3 1 试验方法 本研究通过人工合成生物絮体，对生物絮凝的影响因素及机理进行研究。污泥 絮体主要由絮核( 细菌或无机颗粒) 、e p s 和c a 2 + 组成，因此本试验采用生活污水 中的细菌或s s 模拟絮核，并在生活污水中加入从活性污泥中提取的e p s 、c a 2 + ， 并控制p h 值，进行生物絮体的形成研究。试验中加入的e p s 和c j + 含量为活性 污泥所含的典型含量【4 1 1 。 通过对不同e p s 、c a 2 + 和p h 条件下浊度去除率n 目进行测定，以比较絮体形 成的好坏，探讨e p s 、c a 2 + 和p h 对生物絮凝的定量影响。试验中采用的e p s 是用 阳离子交换树脂法从活性污泥中提取得到，p h 值通过加入h c l 或n a o h 进行调节。 试验温度2 2 。 试验lp h 值对生物絮体形成的影响 取7 个2 0 0 m l 的烧杯，加入5 0 m l 生活污水，再加入相同数量的e p s ，并加入 c a 2 4 使其浓度为3 0 0 m g l ( 不包括迸水中的c a 2 + ) ，分别调节p h 为6 0 ，7 0 ，7 5 ， 8 0 ，8 5 ，9 0 ，9 5 ，立即搅拌2 m i n ，静止沉淀6 0 m i n 。测定絮凝前后溶液的浊度、 e p s 和c a 2 + 浓度等指标。 试验2e p s 浓度对生物絮体形成的影响 取4 个2 0 0 r a l 的烧杯，加入5 0 m l 生活污水和不同数量的e p s ，调节p h 为8 5 ， 加入c a 2 + 使溶液中浓度为3 0 0 m g l ( 不包括进水中的c a 2 + ) ，立即搅拌2 m i n ，静 止沉淀6 0 r a i n 。测定项目同上。 试验3c a 2 + 浓度对生物絮体形成的影响 取7 个2 0 0 m l 的烧杯，加入5 0 m l 生活污水和相同数量的e p s ，调节p h 为 8 5 ，分别加入5 0 、2 0 0 、4 0 0 、6 0 0 、8 0 0 、1 0 0 0 m g l c a 2 + ( 不包括进水中的c a 2 + ) ， 立即搅拌2 m i n ，静止沉淀6 0 m i