（环境工程专业论文）胞外聚合物eps对活性污泥絮凝沉降性能的影响研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 论文以实验室培养的好氧活性污泥为研究对象，采用超声波法和阳离子交换 树脂法，分别提取同细菌细胞疏松结合的e p s ( l o o s e l y b o u n de p s ，简称l e p s ) 与紧密结合的e p sct i g h t l yb o u n de p s ，简称t e p s ) ，研究了e p s 及其表面性质对 活性污泥絮凝性能与沉降性能的影响；同时，将高s r t ( 1 5 d ) 与低s r t ( 3 d ) 活 性污泥的l e p s 与t e p s 分别絮凝污泥悬浮液，考察l e p s 与t e p s 的絮凝特性与 所形成生物絮体的沉降性能：最后，论文根据絮体内外层l e p s 与t e p s 表面性质 的差异，从大分子作用力的角度出发，提出了活性污泥絮体结构模型。论文取得 的主要研究成果如下： l e p s 的组分及其表面性质对活性污泥絮凝性能有重要的影响，l e p s 的数 量与表面负电荷的增加会导致出水悬浮固体( 简称e s s ) 升高，而t e p s 的数量和 表面负电荷与活性污泥絮凝性能关系不大；两种e p s 疏水性的增大均有利于生物 絮凝，促进絮体中颗粒物的凝聚，对应着低的e s s 与高的重新絮凝能力( 简称f a ) 。 l e p s 的数量及其表面性质是影响活性污泥沉降性能的重要因素，l e p s 的数量与 表面负电荷的增加及其疏水性的降低，对应着污泥指数( 简称s v i ) 的升高与区域 沉降速率( 简称z s v ) 的降低。t e p s 的数量同s v i 与z s v 关系不大，而其疏水 性同s v i 与z s v 有强的相关性，疏水性的增大对应着低的s v i 与高的z s v 。 本文采用高s r t ( 1 5 d ) 与低s r t ( 3 d ) 活性污泥的l e p s 与t e p s 分别絮 凝污泥悬浮液，探讨了l e p s 与t e p s 的絮凝特性，结果表明，t e p s 与l e p s 在 生物絮凝过程中表现出不同的絮凝特性，t e p s 促进颗粒物之间的聚集，l e p s 不 利于生物絮凝。同时，验证了在l e p s 与t e p s 的数量与表面性质对活性污泥絮凝 性能的影响研究中得到的大部分结论。 阳离子的种类与数量和e p s 的表面性质对生物絮体的沉降性有重要影响： a 1 3 + 较c a 2 + 与k + 更能促进生物絮体的压缩沉降，有较小的s v i 值：四种e p s 絮凝 污泥悬浮液所形成的生物絮体的s v i 值随e p s 投加量的增大而增大的趋势由小至 大排序依次为：1 5 d t e p s 3 d t e p s 1 5 d l e p s 3 d l e p s 。因此处理系统控制在较 高的s r t ( 1 5 d 左右) 下运行，污泥絮体会有较好的沉降性能。同时，验证了在l e p s 与t e p s 的数量与表面性质对活性污泥沉降性能的影响研究中得到的大部分结论。 论文根据活性污泥絮体以及l e p s 与t e p s 分别絮凝污泥颗粒形成的生物 絮体的结构图片，从大分子作用力的角度出发，提出了活性污泥絮体结构模型。 重庆大学硕七学位论文 中文摘要 模型认为高价阳离子，特别是三价阳离子( 如a 1 ”、f e 3 + ) ，是活性污泥絮体形成 的关键物质：l e p s 和t e p s 的数量与表面性质的变化是引起活性污泥絮体结构改 变的重要因素。 关键词：胞外聚合物，活性污泥，絮凝性能，沉降性能 n 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ea c t i v a t e ds l u d g ei nt e s ts c a l es y s t e mw a st a k e na st h eo b j e c t i n v e s t i g a t e d a tf i r s t , l o o s e l yb o u n de p s ( l e p s ) a n dt i g h t l yb o u n de p s ( t e p s ) w e l e e x t r a c t e db yu l t r a s o n i ca n dc a t i o ne x c h a n g er e s i ni nt u r n s u b s e q u e n t l y , t h ee f f e c to f t h e mo nf l o c c u l a t i o na n ds e t t l e m e n to fa c t i v a t e ds l u d g ef l o e sw e r ed i s c u s s e d w h c r e a f l e r , l e p sa n dt e p sf r o ml o wo rh i g hs l u d g er e t e n t i o nt i m e ( s r t ) o fa c t i v a t e d s l u d g ew a su s e dt or e f l o c c u l a t et h es u s p e n d e ds l u d g el i q u i dr e s p e c t i v e l yt ot e s t i f ym o s t p a r to ft h ec o n c l u s i o n sw h i c hi n c l u d e st h ee f f e c t so fa m o u n ta n ds u r f a c ec h a r a c t e r so f l e p sa n dt e p so nf l o c c u l a t i o na n ds e t t l e m e n to fa c t i v a t e ds l u d g e s y s t e m i nt h ee n d ， t h es t r u c t u r a lm o d e lo fa c t i v a t e ds l u d g ef l o e sw a sp r o p o s e df r o mt h ev i e w p o i n to f m a c r o m o l c c u l a rf o r c e ，a c c o r d i n gt ot h ed i s c r e p a n c yo ft h el e p sa n dt e p ss u r f a c e c h a r a c t e r s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s t h ec o m p o n e n t sa n ds u r f a c ec h a r a c t e r so fl e p sh a di m p o r t a n te f f e c to n f l o c c u l a t i o na b i l i t yo fa c t i v a t e ds l u d g e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea m o u n ta n ds u r f a c e n e g a t i v ec h a r g eo fl e p s ，e s si n c r e a s e d ，b u tt h o s eo ft e p sh a dl e s si n f l u e n c eo n f l o c c u l a t i o na b i l i t yo fa c t i v a t e ds l u d g e f u r t h e r m o r e , l o w e re s sa n dh i g h e rf aw e r e s i g n i f i c a n t l yr e l a t e d e dt ot h ei n c r e a s eo fh y d r o p h o b i c i t yo fl e p sa n dt e p s w h i l et h e t o t a la m o u n ta n ds u r f a c en e g a t i v ec h a r g eo fl e p si n c r e a s e do ri t s h y d r o p h o b i e i t y d r o p p e d ，s v ii n c r e a s e da n dz s v d e c r e a s e d s v ia n dz s vw e r en o ts i g n i f i c a n t l yr e l a t e d t ot h ea m o u n to ft e p s ，w h i l eh y d r o p h o b i e i t yo ft e p sh a ds t r o n ge f f e c to ns v ia n d z s v t h a ti st os a y , h i g h e rh y d r o p h o b i c i t yo ft e p sw a sr e l a t e dt ol o w e rs v ia n dh i g h e r z s v s u s p e n d e ds l u d g el i q u i dw a sr e f l o c c u l a t e db yl e p sa n dt e p so fl o wo rh i g h s r ta c t i v a t e ds l u d g er e s p e c t i v e l y , a n dt h er e f l o e c u l a t i o np e r f o r m a n c eo fl e p sa n d t e p sw e r ed i s s c u s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt e p sa n dl e p sh a dd i f f e r e n tf l o c c u l t i o n p e r f o r m a n c e ，t h ef o r m e rp r o m o t e df l o e c u l a t i o n ，a n dt h e l a t t e rw a sn e g a t i v et o f l o c c u l a t i o n a tt h es a m et i m e , t h em o s tc o n c l u s i o n so ft h ei n f u e n c eo ft h ea m o u n ta n d s u r f a c ec h a r a c t e r so fl e p sa n dt e p so nt h ef l o c c u l a t i o na b i l i t yo fa c t i v a t es l u d g ew a s v e r i f i e d n et y p ea n da m o u n to fc a t i o na n dt h es u r f a c ec h a r a c t e ro fe p sh a di m p o r t a n t e f f e c to ns e t t l e a b i l i t yo fa c t i v a t es l u d g e a l u m i n i u mi o np r o m o t e ds e t t l e m e n tm o r e e f f f e t i v e l yc o m p a r e dw i mc a l c i u mi o na n dp o t a s s i u mi o n ，w h i c hl e dt ol o w e rs v i i i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 v a l u e w i t ht h ei r l c r e e a s eo fa d d i t i o na m o u n to ff o u rt y p e so fe p s ，t h eu p w a r d st r e n do f r e f l o c e u l a t e df l o e ss v lw a sl5 d t e p s 3 d t e p s l5 d l e p s 3 d l e p s t h e r e f o r e s l u d g ef o e ss e t t l e db e t t e r0 1 1h i g h e rs r t a t t h es a l t l et i m e ，t h em o s tc o n c l u s i o n so ft h e i n f l u e n c eo ft h ea m o u n ta n ds u r f a c ec h a r a c t e r so fl e p sa n dt e p so nt h es e t t l e a b i l i t yo f a c t i v a t es l u d g ew a sv e r i f i e d a c c o r d i n gt ot h em i c r o s t r u c t u r ep h o t o so fa c t i v a t e ds l u d g ef l o e sa n df l o e s r e f l o c e u l a t e db yl e p sa n dt e p s ，a n dm a c r o m o l e c u l a rf o r c ei ni n t e r i o ra n de x t e r i o ro f f l o e s ，t h es t r u c t u r a lm o d e lo fa c t i v a t e ds l u d g ef l o e sw a sp r o p o s e d i nt h em o d e l ，h i g h v a l e n c ec a t i o n , e s p e c i a l l yt r i v a l e n c ec a t i o n ，w a st h ek e yc o m p o n e n ti nt h ec o u r s eo f f l o e sf o r m i n g ，a n ds u r f a c ec h a r a c t e r so fl e p sa n dt e p sw e r ek e yf i c t o ma f f e c t i n g a c t i v a t e ds l u d g ef l o e ss t r u c t u r e k e y w o r d s ：e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，a c t a v a t e ds l u d g e , f l o e c u l a t i o n , s e t t l e m e n t 学位论文使用授权书 本人完全同意中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全 文数据库出版章程( 以下简称“章程 ) ，愿意将本人的亟士学位论文胞外 聚合物e p s 对活性污泥絮凝沉降性能的影响研究提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国 博士学位论文全文数据库j 中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、 网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在 中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。 作者签名：蔼纪饭作者签名：塑勉 论文题目： 论文级别： 毕业院校： 导师签名：廖虐g 沙7 年f 月t 4 日 胞外聚合物e p s 对活性污泥絮凝沉降性能的影响研究 博士口 重庆大学 硕士所属学院：城市建设与环境工程学院 作者联系电话： 1 3 6 4 8 3 0 8 2 1 8 毕业年月： 2 0 0 9年0 6 月 作者通信地址( 邮编) ：重庆大学b 区3 舍6 0 6 4 0 0 0 4 5 作者em a i1 ：2 5 4 4 5 6 0 6 7 q q c o m 一_ _ _ - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 研究生学号：2 0 0 6 1 7 0 2 1 2 3 备注：本人承诺该学位论文不涉密，否则后果自负。 说明：本授权书皇匾一式三份，由学校研究生管理部门、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社和作者本人各保存一份。 c n k i 联系电话：0 1 0 6 2 7 9 1 9 5 1 、6 2 7 9 3 1 7 6 、6 2 7 9 4 9 9 4 传真：0 1 0 6 2 7 9 1 8 1 4 网址：型：q 旦丝i ：望鲢，w w w c h i n a j o u r n a l n e t c n 通信地址：北京清华大学邮局8 4 4 8 信箱采编中心邮编：1 0 0 0 8 4 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的且士学位论文胞窆 霾金物婴墨盟活性违渥鏊猛沉隆眭 能的髭喧婴究是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：篙锔破 签字日期：砷2 石 导师签名： 夏 签字日期：刎j 。巧 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的且士学位论文胞窆i 鐾金物壁曼盟活性透渥茎 趟沉隆性能丝霾响班塞提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k z ) 在中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆 大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、 中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公 开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价 数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应 义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公 开论文的全部或部分内容。 作者签名：壹塑照导师签 备注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是j 边l ，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书生逐装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕+ 学位论文1 绪论 1绪论 1 1 胞外聚合物概述 活性污泥是复杂的聚集体，由废水中吸附或者絮体产生的无机颗粒和有机颗 粒、菌胶团、单个细胞以及丝状菌等物质组成，这些物质镶嵌在由胞外聚合物 ( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，简称e p s ) 构成的网状结构中【l - 5 】。e p s 是活 性污泥絮体的重要成分，占活性污泥干重的8 0 左右，挥发性成分的5 0 9 0 t 孓 6 1 。e p s 存在于絮体内部及其表面，在活性污泥系统中具有重要的生理功能。一方 面，e p s 可吸附液相中的有机物与营养物，并通过胞外酶将大分子有机物分解为 小分子有机物；另一方面，可保护细菌细胞，抵御杀菌剂和有毒物质对细菌细胞 的危害【7 1 。 1 1 1 胞外聚合物的来源 活性污泥的e p s 主要有两种来源【5 一一】：一种来自于活性污泥细菌细胞，是细 胞代谢和自溶所产生的聚合物；另一种来自废水中的化合物，即污泥所处的基质 环境。因此，e p s 在活性污泥絮体中普遍存在。 1 1 2 胞外聚合物的化学成分 e p s 由高分子物质组成，如多糖、蛋白质、核酸等聚合物，这些聚合物可以 产生粘性力，形成三维的、类似凝胶的、高度水化的带电絮体基质，将微生物包 埋在絮体里面，维持絮凝体结构和功能的完整性【m 1 1 1 。 e p s 的主要组分为多糖和蛋白质，二者的含量比( 以重量计，蛋白质多糖) 约在o 2 5 0 1 之间。从纯培养基培养的细菌中提取的e p s 大多为聚多糖物质【1 2 】， 所以e p s 又常被称为胞外多糖。这些胞外多糖包括同聚多糖和异聚多糖【l 2 1 。 在实际污水处理系统中，活性污泥的e p s 含有大量的蛋白质【3 卅，然而，纯培 养基培养的细菌细胞的e p s 中蛋白质的含量较少，这可能与加到纯培养物中的人 工底物相对简单，所需要的胞外酶少有关。e p s 中的蛋白质一部分为负电荷的氨 基酸，包括谷氨酸与天冬氨酸，占e p s 中氨基酸的2 0 - - , 3 0 ；另部分为疏水性 氨基酸，包括丙氨酸、半胱氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨 酸与亮氨酸，占e p s 中氨基酸的3 5 q 5 ；还含有少量亲水性的电中性氨基酸， 包括精氨酸、赖氨酸、丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、组氨酸，占e p s 中氨基酸的 2 5 ，3 5 【13 1 。 腐殖质也是e p s 的重要成分，h o n gl i u 等【1 4 】研究表明腐殖质分别占好氧污泥、 产酸污泥和产甲烷污泥的e p s 的3 0 6 、8 4 与2 2 8 ，因此e p s 中的腐殖质成 分不能被忽略。e p s 还包括糖醛酸、脂类、d n a 和r n a 。糖醛酸为e p s 和细胞 重庆大学硕士学位论文i 绪论 壁的成分，电泳结果表明e p s 中糖醛酸对污泥颗粒的表面负电荷起重要作用【i 5 1 ， 但f r o l u n d 等【9 】研究认为在活性污泥e p s 中糖醛酸含量很低。e p s 中还含有少量的 脂类【1 6 1 7 】，快速检测的结果表明脂肪酸( 来自甘油一脂、甘油二酯、甘油三酯或 磷脂) 和固醇不超过提取e p s 中t o c 的l 【8 】。d n a 也是e p s 的组分之一，h o n g l i u h 】采用了五种提取方法提取e p s ，并测量了e p s 中d n a 的百分含量；e d t a 法提取的e p s 中含有0 2 - - - 0 4 d n a ，其它方法提取的e p s 中含有0 1 o 2 的d n a 。 总的来说，e p s 主要含有蛋白质、糖类、腐殖酸、d n a 等成分( 见表1 1 ) 。表 1 1 所列为e p s 主要成分的大致范围，其成分的相对多寡与污泥来源、e p s 的提取 方法及成分的分离检测手段等有关。 表1 1e p s 的组成及成分比例范围 t a b l e1 1 p r o p o r t i o n so fc o m p o n e n t si ne p s e p s 组分成分比例 蛋白质 糖类 腐殖质 d n a 脂类及其它 3 0 8 0 2 0 6 0 l o 2 0 1 0 1 0 1 1 3 胞外聚合物的分析方法 e p s 中各组分含量的测量通常采取分光光度法( 又称比色分析法) ，即将样品 经过消解产生的水解产物与显色试剂发生反应来测定样品中化学成分的含量。发 生显色反应的化学试剂通常为这种方法的名称。 蒽酮法和硫酸苯酚法是测定e p s 中多糖含量最常用的方法b e n c t t i 9 1 采用葡萄 糖作标准曲线证明葸酮法比硫酸苯酚法有更高的回收率，也更接近实际值。 实验室采用修正的f o l i n - l o w r y 法测量污泥和e p s 中蛋白质的含量。 修正的f o l i n - l o w r y 法与f o l i n l o w r y 法的区别在于f o l i n - l o w r y 法测定的值包 括了蛋白质和腐殖质的量，导致对蛋白质量的过高估计。而修正的f o l i n - l o w r y 法 在不仅对f o l i n - l o w r y 法中蛋白质的值进行了修正，而且可以测量出腐殖质的含量。 测量腐殖质的标准试剂为腐植酸，修正的f o l i n - l o w r y 法对蛋白质和腐殖质吸光度 的计算公式如下【1 8 】： a t o 锄2 a p t c i n + ah u m i c a b 蝴2 0 2 ( a p f o 晌+ ah u m i c ) 2 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 重庆大学硕士学位论文i 绪论 a 甜1 2 5 ( a t o t a l a b l 砌)( 1 3 ) 式中，at o 衄i 为加入c u s 0 4 胞外聚合物样品的吸光度，ab l i n d 为没有加入c u s 0 4 胞 外聚合物样品的吸光度，ap r o 协 i n 为修正后蛋白质的吸光度，ah u m i 。为修正后腐殖质 的吸光度。修正的f o l i n - l o w r y 法是目前测量污泥和e p s 中腐殖质含量最为常用的 方法 1 3 , 1 4 , 2 3 , 2 4 , 2 5 1 。 d n a 的测定有二苯胺法和硫代巴比妥酸法【2 6 1 。然而硫代巴比妥酸法的试剂中 用到的亚砷酸盐有剧毒。b e n e t t i 等人【9 】的研究表明二苯胺法能很好的测定胞外聚合 物中的d n a 含量。 1 2 胞外聚合物的提取方法 目前，尚无普遍接受和使用的e p s 提取方法【l 引。在这些提取方法中，根据提 取手段的不同可分为物理提取法与化学提取法两大类。 1 2 1 物理提取法 e p s 的物理提取方法一般是利用物理作用使e p s 中各成分游离进入液相，从 而达到提取e p s 的目的。物理提取法主要有以下几种： 热提取法。热提取法会改变大分子物质的构象，导致蛋白质变性、核酸改 性，使这些物质失去活性。加热还可能破坏细胞膜，可能造成胞内物质对e p s 的 污染。 热提取法在e p s 提取中的应用主要有以下三种： 1 ) 沸水加热法。沸水加热法【7 】会破坏除细菌孢子以外所有细菌，该方法对细 胞的破坏作用很大，会导致胞内物质的流失，从而会对e p s 成分的测定产生干扰， 因此该法在实际中的应用有限。 2 ) 水蒸汽加热法。该方法是利用高温高压饱和水蒸气的强热穿透作用，增大 生物膜各成分的运动速度，从而增大其在溶液中的溶解度，达到提取与分离的目 的。但水蒸汽加热法会破坏所有细菌细胞及其孢子。水蒸汽加热常采用高压灭菌 锅，其温度可达到1 2 1 ，压力1 0 5 k g c m 2 。 3 ) 低温加热法。g o o d w i n 和f o r s t e r t l 7 】建议采用7 0 - - 8 0 c 的低温进行加热。他 们认为在上述温度范围内不会引起胞内物质对e p s 的污染。并且，其他研究者也 认为【1 1 9 】，低温水浴加热的提取条件较为温和，不会造成胞内物质的大量溶解， 是种较为可取的提取方法。 高速离心法。高速离心是在离心产生的重力场作用下，加速颗粒沉降速度， 利用流体牵引力将粘附在细菌细胞表面的e p s 移取进入液相。离心提取法的最大 特点是操作程序简单，在离心分离法中，有人曾采用3 0 0 0 0 倍重力加速度的离心 力提取e p s 2 0 1 。几乎所有的提取方法都用离心法来分离提取的e p s 和细菌细胞。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 在实际应用时应根据试验确定最佳转速。 超声波提取法。超声波提取法【8 2 1 堤将探针插入悬浮液，同时产生超声波， 利用超声波的压力剪切和空化作用使活性污泥絮体分散。这种方法没有加入化学 试剂，不会影响提取e p s 的化学组成。超声波的提取效果受多种参数的影响，如 温度、粘度、表面张力、超声波与液体的接触时间等；同时，超声波的输入能量 不能太大，否者就会导致细菌细胞溶解和聚合物链的断裂。 1 2 2 化学提取法 e p s 的化学提取法一般通过化学试剂中的离子或分子进入污泥絮体与生物膜 的内部，与e p s 的大分子发生化学作用，使其成为水溶性分子。化学提取法主要 有以下几种： p h 值提取法。p h 值提取、法【7 】是利用p h 值变化引起颗粒物之间表面电荷 的变化，增大e p s 与颗粒物的静电斥力，使e p s 游离进入液相。p h 值过高或过低 都会引起微生物细胞膜的破坏，抑制酶的活性和渗透酶的作用。调节p h 值的酸碱 试剂主要有氢氧化钠、硫酸、磷酸二氢钾、氨水、碳酸钠、三氯乙酸。 螯合试剂法。二价阳离子参与e p s 同细菌细胞表面，以及e p s 之间的连 接，是发生生物絮凝的必要条件 2 2 2 3 1 。螯合试剂法的基本原理是e d t a 与c a 、 m g + 形成配位键，削弱了细菌和e p s 的连接，使e p s 易于提取【2 4 】。另一种螯合剂 乙二醇双乙胺醚n ，n 四乙酸( 简称e g t a ) ，也被用于e p s 的提取。采用 e d t a 法提取的e p s ，需要用渗透膜透析出提取液中的e d t a ，透析时间一般需要 至少2 4 h ；然而，即使透析时间长达1 2 0 h ，提取液中仍残留有e d t a t 2 5 1 。另一方 面，e d t a 能与e p s 的成分生成复合体，e d t a e p s 复合体不能通过透析去除， 会干扰提取e p s 组分的化学分析。 离子交换法。离子交换法是将活性污泥与阳离子交换树脂( c a t i o ne x c h a n g e r e s i n , 简称c e r ) 混合后利用离子交换反应提取e p s ，其原理是用阳离子交换树脂 的钠离子置换去除生物絮体中或者细菌和e p s 之间键连的二价阳离子与三价阳离 子，削弱e p 8 与细菌细胞的作用力，然后用离心法将e p s 从固相分离。这种方法 最初由r u d d 等【2 6 】在1 9 8 3 年提出，他指出d o w e x 树脂对二价阳离子有很强的亲和 力，并将离子交换法与其它方法作了对比，证明离子交换法效果更好。f r e l u n dp j 采用d o w e x 阳离子树脂提取活性污泥e p s ，同时，检测提取e p s 中的葡萄糖6 - 磷酸脱氢酶( g l u c o s e 6 p h o s p h a t ed e h y d r o g e n a s e ，简称g 6 p d ) 活性，结果在长达 2 h 的提取过程中几乎不能观察到这种酶的活性。因而，离子交换树脂法具有提取 效率高、化学污染小且提取过程细菌细胞破损小的优点。近年来，采用离子交换 树脂法提取活性污泥e p s 成为一种趋势。 甲醛一n a o h 提取法。该方法是目前最为高效的e p s 提取法之一，h o n gl i u 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 等【1 4 】的研究表明甲醛n a o h 提取法提取的e p s 大约是高速离心分离法( 2 0 0 0 0 9 ) 的6 倍，是甲醛法、阳离子交换树脂法、甲醛超声波法的2 - 3 倍，较e d t a 法多 1 0 - - 3 0 。甲醛能与细胞膜上蛋白质和核酸的氨基、羟基、羧基和硫氢基结合， 起到固定细胞的作用，阻止细胞溶解。n a o h 的存在增加了p h 值，导致e p s 大分 子之间的静电斥力增大，并且增强了e p s 在水中的溶解性，能提取得到更多的e p s 。 z h a n g 等研究认为【2 7 1 ，甲醛交联蛋白质，使蛋白质难以被检测，导致使用甲醛作 提取剂提取得到的e p s 中只能检测到少量的蛋白质。 此外还有其它试剂用于e p s 的提取，如乙醇、苯酚、氯化钠、表面活性剂与 戊二醛。这些提取方法都会对e p s 产生不同程度的化学污染，如蛋白质改性、细 菌细胞破损以及化学试剂与e p s 部分成分生成的复合体等。 1 2 3 提取方法的评价方法 好的e p s 提取方法应在不污染聚合物成分且溶菌作用最小的前提下，有最大 的e p s 产量。也就是说，e p s 的提取过程应当尽量避免化学试剂与胞内物质对e p s 的污染，减少提取过程对e p s 物理化学性质的改变，并获得最大的e p s 产量。 聚合物产量通常用单位质量总悬浮固体或挥发性悬浮固体中所提取的e p s 质 量表示。e p s 质量的测量主要有四种方法：第一种方法，用分光光度法测量e p s 主要成分的含量，并用它们之和表示e p s 的总量，这种方法在研究e p s 的组分与 总数量中最为常用【9 】：第二种方法，通过蒸发去除提取液的水分来测量其质量，这 种方法会导致部分e p s 分解，并随水份一起蒸发，测量值往往偏低【_ 刀；第三种方 法，采用干燥冷冻法，在- - 5 0 c 下冻干4 8 小时确定e p s 的质量【1 4 1 ；第四种方法， 根据聚合物的性质往提取液中加有机溶剂使其成为不溶物，然后将沉淀物过滤、 干燥后称重，该方法目前很少采用。 e p s 提取过程导致的细胞破损一般采用e p s 中的d n a 含量来描述【2 引。由于 e p s 的一个重要来源为细胞自溶，d n a 本身也是e p s 的组分之一【5 】，因此，采用 e p s 中的d n a 含量衡量提取过程产生的细胞破损有失偏颇。此外，国外的研究者 还采用其它方法衡量提取过程产生的细胞破损。p l a t t 等【2 9 】通过检测e p s 中葡萄糖 6 磷酸脱氢酶活性和2 酮3 脱氧辛烷( 细菌细胞壁成分) 来评价e d t a 提取过程 引起的细菌细胞破损。在f r o l u n d 等【9 】的研究中，用提取e p s 中g 6 p d 活性描述提 取过程造成的细菌细胞溶解。m o r g a n 等 3 0 1 用p 半乳糖苷酶和g 6 p d 活性的变化来 评价温度变化导致的溶菌作用。在这些方法中，采用g 6 p d 活性衡量提取e p s 过 程产生的细胞破损最为合理，主要原因为：g 6 p d 是细菌细胞中普遍存在的胞内酶， 且在细胞破损后的短时间内能稳定存在2 - - - 4 h ，随后其活性才逐渐丧失。 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 3 胞外聚合物对活性污泥絮凝沉降，l 生能的影响 目前，活性污泥法为最为广泛应用的污水生物处理工艺。其中，固液分离是 活性污泥处理系统运行中的重要问题，直接影响出水水质与回流污泥的浓度，进 而影响系统的稳定运行。固液分离过程包括两个方面的内容，一方面是指出水中 悬浮固体的浓度，即活性污泥的絮凝性能；另一方面是指泥水界面下降的速率以 及污泥沉降以后污泥浓缩的体积，即活性污泥的沉降性能。e p s 作为活性污泥的 重要组分，对活性污泥的絮凝性能与沉降性能有着重要影响。 1 3 1e p s 对污泥絮凝性能的影响 e p s 在活性污泥絮凝中起至关重要的作用，在有关生物絮凝的各种理论中， 目前最为普遍接受的是“胞外聚合物架桥学说”。“胞外聚合物架桥学说”认为e p s 是絮凝产生的物质基础，e p s 与细菌细胞或者无机颗粒某些部位产生“桥联”作用， 从而导致絮凝的发生。 先前的研究认为生物絮凝与e p s 的数量有关。m c k i n n e y t 3 1 】首次发现胞外多糖 与细菌絮凝之间的关系，他认为由于多糖包裹细胞壁，降低了细菌细胞的有效临 界电势而发生细菌之间的絮凝。j o s e p h 等【3 2 】观察到在内源呼吸期细胞絮凝作用明 显增强，并且e p s 在此期间以较快的速度生成，从而推测e p s 是絮凝的直接原因。 t e n n e y 掣3 3 】也发现细菌絮凝情况与e p s 含量有关，并且在内源呼吸期絮凝程度加 快。p a v o n i 3 4 】等研究发现序批式反应器中e p s 总量与污泥絮凝性存在正相关性。 然而，另一部分研究者认为e p s 含量的增大不利于生物絮凝。鼬群3 5 】和g u l a s 3 6 】 等研究认为低s r t 的活性污泥系统的出水中的大量细小絮体与高的e p s 总数量有 关。w i l 6 i l 等【3 玎用污泥絮体被超声波破坏后重新絮凝的能力( r e f l o c c u l a t i o na b i l i t y , 简称f a ) 来描述活性污泥的絮凝性，絮凝能力越大表示絮凝性越好；结果表明提 取的e p s 总数量与f a 为负相关性，他们认为这些e p s 为亲水性带电大分子或者 水溶性分子，它们与细菌细胞或菌胶团疏松结合，不利于生物絮凝。而l i a 0 1 3 8 】贝0 研究认为e p s 总数量与出水悬浮固体浓度( 简称e s s ) 没有明显的相关性，他认 为污泥的表面性质在生物絮凝中起主导作用。 部分研究者认为e p s 的组分较其总数量在生物絮凝中有更大的作用。h i g g i n s 与n o v a k 【2 2 】在活性污泥样品中加入蛋白质降解酶后，测得活性污泥的粒径分布向 小粒径范围移动，而加入多糖类降解酶并没引起絮体粒径的降低。因此，他们认 为e p s 中的蛋白质较糖类在微生物絮凝中起更重要的作用。然而，c h a o 和k e i n a t h t 3 9 】 观测到从连续流反应器中提取得到的多糖的数量与e s s 为正相关性。v a l l o n 和 m c l o u g h l i n 4 0 】的研究结果认为将细菌细胞溶解得到的d n a 加到细菌培养液中，会 促进颗粒物的聚集。w i l 6 n 等【3 7 】的研究结果表明f a 与污泥中蛋白质、糖类和d n a 浓度存在正相关性；而与腐殖质存在负相关性，说明腐殖质不利于微生物絮凝， 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 蛋白质有利于生物絮凝。 上述研究表明，e p s 的数量与组分对污泥絮凝性能影响的有关结论不一致， e p s 对生物絮凝影响的确切作用机理仍未清楚，有待于进一步探讨。 1 3 2e p s 对污泥沉降性能的影响 在污水处理系统运行过程中，一般采用污泥容积指数( 简称s v i ) 描述活性污 泥的沉降性能。然而，不同污水处理厂的活性污泥可能有相近的s v i 值，却具有 不同的区域沉降速率( 简称z s v ) 【聿1 4 2 】。有研究者试图探求s v i 与z s v 之间的关 系，以通过s v i 值反映泥水界面的下降过程，计算沉降过程中的固体通量。j i n 等 【4 l 】认为s v i 与z s v 之间没有线性关系，当s v i 大于1 5 0 m l g 时，污泥有非常差的 沉降性能。b a r b e r 与v e e n s t r a l 4 3 1 认为丝状菌的长度与s v i 具有强相关性，而与z s v 相关性较弱，并且他们认为z s v 与s v i 反映了污泥不同的性质，分别描述了污泥 的区域沉降与压缩沉降过程。 e p s 总数量对活性污泥的沉降性能有重要影响，然而各研究者之间的研究结 论不一致。部分研究者畔稍l 认为e p s 数量的增大不利于污泥沉降，污泥表面离子 化聚合物的浓度和性质决定了污泥表面的电荷，e p s 含量过高导致污泥表面电负 性增大，致使沉降性能恶化。另一方面，有研究表明【2 0 】，e p s 对生物絮凝有促进 作用，降低了细菌细胞表面的有效临界电势而发生凝絮，促进活性污泥的沉降。 b e c c a r i 等【3 4 】发现当e p s 的浓度低于某一特定值时，s v i 会随着它们浓度的增加而 降低；当达到某个特定值后，再增加聚合物的浓度会导致s v i 的增大。王红武等【1 1 】 认为絮体外层疏松结合e p s 的含量对s v i 影响很大，随着疏松结合e p s 含量的增 加，s v i 增大。这是因为疏松结合e p s 与细菌细胞结合不紧密，是一种开放的疏 松结构，含水量大、密度小并具有流变特性，甚至可能使污泥成为一种粘稠的胶 体，导致s v i 增大。 e p s 组分对活性污泥沉降性能影响的研究结论也不一致。l i a o t 3 8 】研究认为e p s 中多糖含量与s v i 之间不存在相关性，而蛋白质、d n a 和e p s 总量与s v i 之间为 显著正相关性，这就意味着蛋白质和d n a 含量越高污泥的沉降性越差。相反， s p o n z a 4 9 】的研究结果表明蛋白质与s v i 值有负相关性，蛋白质含量增加有利于污 泥沉降；而d n a 与s v i 值为正相关性，d n a 含量的增加不利于污泥沉降；另一 重要组成，即多糖，与s v i 的关系不明显。f o r s t e r t 4 8 】的研究也认为e p s 中多糖的 含量与s v i 没有明显的相关性。然而r y s s o v - n i e l s e n 等【5 0 】则认为s v i 值随e p s 中 多糖含量的增加而增加，随蛋白质含量的增加而减少。b u