聚合氯化鋁投加時間對好氧顆粒污泥的形成和胞外聚合物的影響

王亞利，劉永軍，劉喆，程禎，李星，楊賀棋

（西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055）

好氧顆粒污泥的技術研究一直都是國內外學者研究的熱點問題[1]。與普通的活性污泥相比，好氧顆粒污泥具有沉降性能好[2]，可以同步實現脫氮除磷[3]等優點，應用和研究前景良好。然而常規條件下，好氧顆粒污泥形成周期較長，一般在90 天左 右[4-5]，這成為限制其廣泛應用和發展的重要原因之一。近年來，許多研究發現鋅、鎂、鈣[6-7]等具有混凝性能的金屬離子的添加可以有效縮短顆粒污泥形成周期。而聚合氯化鋁（poly aluminium chloride，PAC）用于水處理領域已有很長的歷史，它在一般條件下就可以促進水中微小懸浮物質和膠體物質聚集、成長。目前關于顆粒污泥的形成，普遍認為與胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）的產生有關[8-9]。EPS 是細菌和其他微生物在一定環境條件下產生的用于自我保護和相互黏附的高分子聚合物[10]，它普遍存在于污泥絮體的內部及表面，包含有多糖、蛋白質、脂類和核酸等。雖然目前許多研究者已經對EPS的組成及其物化性質進行了一些研究，然而，EPS 對好氧顆粒污泥顆粒化的影響仍不很明確[11]。

本研究通過在顆粒污泥培養初期的不同時間投加聚合氯化鋁，研究不同操作條件下好氧顆粒污泥的形成過程，分析該條件對EPS總量及其各組分在顆粒培養進程中的變化及作用，并觀察顆粒污泥中EPS 的空間分布情況，進一步了解不同組分的EPS對好氧顆粒污泥的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行

本實驗采用兩個相同的雙層透明有機玻璃制成的序批式活性污泥（SBR）反應器R1、R2，其有效容積為2.4L，內徑為50mm，高為1500mm，高徑比（H/D）為30。實驗裝置底部設砂芯曝氣頭，采用空氣泵曝氣，通過LZB-6型玻璃轉子流量計控制曝氣量，曝氣量為3L/min。反應器的上部設有進水口，中部設排水口，每周期的換水量為1.2L。

SBR 反應器在室溫下運行，每天運行4 個周期，每個周期6h，每個周期運行時間由時間繼電器控制。反應器采用進水、曝氣、沉淀、排水、閑置的運行方式。其中，進水、排水、閑置時間分別為5min、5min、35min。在反應器啟動的前7 天，沉淀時間由15min逐漸調整至5min，曝氣時間則從最初的300min 調整至310min；從第8 天開始，反應器的曝氣時間為310min，沉淀時間為5min。另外，通過實驗確定在反應器R1 運行的第1～7 天和反應器R2 運行的第8～14 天投加PAC。PAC 在每天前兩個周期的閑置階段人工投加，投加量為50mL，濃度為20g/L。

1.2 接種污泥和進水水質

本實驗接種所用的活性污泥來源于西安市第四污水處理廠（A2/O 工藝）的二沉池回流污泥，該污泥呈深褐色，懸浮固體濃度（MLSS）約為8500mg/L，污泥容積指數（SVI）為115，每個反應器的污泥接種量均為1.2L。

實驗用水采用人工模擬廢水，組成成分為：葡萄 糖 1000mg/L，NH4Cl 200mg/L，CaCl2·2H2O 30mg/L，MgSO4·7H2O 25mg/L， K2HPO4·3H2O 45mg/L，FeSO4·7H2O 20mg/L， H3BO30.15μg/L，Na2Mo7O24·2H2O 0.06μg/L ， CuSO4·5H2O 0.03μg/L ， MnCl2·2H2O 0.12μg/L ， ZnSO4·7H2O 0.12μg/L，CoCl2·6H2O 0.15μg/L， KI 0.03μg/L，Na2Mo7O24· 2H2O 0.06μg/L，FeCl3·6H2O 1.5μg/L。

1.3 分析方法

（1）好氧顆粒污泥的MLSS、SVI、密度、含水率、強度及COD、氨氮的去除效果均按標準方法測定[12]。

（2）污泥形態采用數碼相機采集照片，粒徑分布采用激光粒徑分布儀（型號為LS230）測定。

（3）本實驗中，采用TOC 表征污泥中EPS 的總量。顆粒污泥EPS 的提取采用陽離子樹脂交換 法[13]，多糖的測定采用蒽酮-硫酸分光光度計法，以葡萄糖作為標準樣品；蛋白質的測定采用Lowry法，以牛血清蛋白作為標準樣品；TOC 采用TOC分析儀（型號為島津TOC-V CPH）進行測定。

（4）多重熒光染色

本實驗通過對好氧顆粒污泥EPS中蛋白質、多糖、脂類等及活細胞進行熒光染色，以觀察其各自在顆粒污泥中的空間分布。

在實驗中，異硫氰酸熒光素（FITC）用于胞外蛋白質的染色；Con A（Tetramethylrhodamine conjugates of Concanvalin A）用來指示α-呋喃葡萄糖和α-甘露糖殘基；卡爾科弗盧爾熒光增白劑（Calcofluor white）用來染色β-D-呋喃葡萄糖基；尼羅紅（Nile red）用以指示脂類及疏水基團；使用SYTO 63染色顆粒污泥中活細胞。顆粒污泥經染色后用冰凍切片機進行切片（厚度為40～60μm），再使用激光共聚焦顯微鏡（Leica TCS SP5）進行觀察。多重熒光染色所用熒光染料的激發波長和發射波長見表1。FITC 和尼羅紅購自美國Mpbio 公司；Calcofluor white 購自美國Sigma 公司；Con A 和SYTO 63 購自美國invitrogen 公司。染色具體步驟參照文獻[14]。

表1 顆粒污泥多重熒光染色所用染料的激發及發射波長

2 結果與討論

2.1 強化造粒條件下顆粒污泥的形成

2.1.1 好氧顆粒污泥的培養

本實驗中，兩個反應器運行了49 天。接種時污泥呈絮狀，結構松散，形態不規則。在兩個反應器啟動的1～7 天，通過不斷縮短沉淀時間，增加水力選擇壓，篩選出沉降性能較好的污泥，同時反應器內污泥形態等方面發生重大變化，顏色也逐漸由深褐色變為淺黃色，污泥的沉降性能均得到明顯改善，反應器R1、R2 的SVI 值分別下降至65mg/L和80mg/L 左右。在R1 投加混凝劑的第6 天，反應器內開始出現白色透明殼狀物，該物質不斷增多，在反應器運行的第10 天，已形成大量白色透明物質，如圖1(a)，推測這種物質主要由有機物和無機物組成；隨著反應器的運行，微生物大量繁殖，反應器內污泥量增加，從第8 天開始向反應器R2 內投加混凝劑，污泥迅速聚集形成大量淺黃色粒狀物如圖1(d)。

在反應器R1 中，由于白色透明物質強度小，在水力剪切作用下，大量粒狀物開始破裂，形成片狀物質，圖1(b)為第15 天反應器R1 內污泥片狀物形態。在反應器運行過程中，大量污泥絮體進入顆粒前體內部，在微生物胞外聚合物的粘結作用下，形成顆粒內部結構。片狀物逐漸變黃，在污泥培養的第30 天，污泥完全顆粒化如圖1(c)。在反應器R2 中，在水力剪切力下，通過電中和，吸附架橋等作用，粒狀物粒徑明顯增大，到第15 天時反應器內污泥形態如圖1(d)。15 天后，已經停止投加PAC，松散的污泥和粒狀物相互凝聚，聚集在一起，粒狀物粒徑逐漸增加，在第24 天污泥完全顆?；?，比R1 提前了6 天，如圖1(f)為第30 天R2中顆粒污泥形態。

2.1.2 好氧顆粒污泥的特性

由圖1(c)和圖1(f)可以看出：本實驗中反應器R1 和R2 中均培養出呈橢圓形，顏色為黃色，形狀規則，邊緣清晰光滑的好氧顆粒污泥。測定表明：這個時期R1、R2 中MLSS 分別達到6500mg/L 和6900mg/L，SVI 分別為35mg/L 左右和25mg/L 左右。由表2 可以看出，反應器R2 中顆粒污泥比R1中的污泥含水率較低，相對密度更大，顆粒強度也更高。說明強化造粒條件下在第8～14 天投加混凝劑形成的好氧顆粒污泥微生物聚集緊密，結構緊湊，具有較良好的沉降性能。

表3 顯示了成熟期兩個反應器內顆粒粒徑分布情況，由此可以看出，R1 中顆粒有65%分布在736.9～1941.0μm，而R2 中65%的顆粒粒徑分布在593.9～1664.0μm，說明R2 中顆粒粒徑分布較為均勻，且粒徑明顯小于反應器R1，有利于基質的傳遞，耐負荷沖擊能力更強。而R2 中污泥在成熟期SVI 在25%左右，說明R2 中顆粒結構較為緊湊。

圖1 兩種反應器分別培養10 天，15 天，30 天的污泥形態

表2 顆粒污泥的基本特性

表3 顆粒粒徑分布

反應器R1 和R2 分別在第6 天和第8 天開始出現細小顆粒，顆粒在第32天和第25天顆粒成熟（顆粒平均粒徑達到600μm 視為成熟期）。表4 反映了在顆粒形成期（R1，6～32 天；R2，8～25 天）和成熟期（R1，32 天以后；R2，25 天以后）兩個反應器中COD 和NH4+-N 的平均去除率，結果表明在顆粒形成期每個反應器的污染物平均去除率均比成熟期時稍低，這是因為PAC 的投加會對污泥活性有一定的毒害作用，影響污泥對污染物的去除效果。對比兩個反應器，在整個實驗中，兩者對COD 和NH4+-N 的去除作用差別不大，均具有良好的污染物去除性能。綜上說明混凝劑的投加時間對成熟好氧顆粒污泥的去污特性沒有不良影響。

2.2 好氧顆粒污泥中不同EPS 的含量變化

2.2.1 顆粒污泥中EPS 各成分含量變化

EPS 是微生物在一定環境條件下形成的天然有機物，對好氧顆粒的形成和保持有緊密的關系。圖2 為反應器R1、R2 隨著培養天數的增加不同組分EPS 含量的變化情況。

由圖2 可知，在整個實驗過程中，兩個反應器中EPS 總量和蛋白質（PN）、多糖（PS）的含量變化趨勢大致相同：在顆粒化進程中，EPS 總量和PN 含量大幅增加，在顆粒形成階段達到最高，之后兩者含量均逐漸降低，在顆粒成熟時期趨于穩定；而PS 的含量只有在反應器啟動初期有小幅增長，之后呈波動變化，說明顆粒的形成與PS 的含量相關性不大。PN 的含量遠遠高于PS，在EPS 中占較大的比例。

表4 COD、NH4+-N 的去除率

圖2 EPS 總量、蛋白質和多糖含量變化情況

在反應器啟動時，R1、R2 中的EPS 總量分別為45.46mg/gMLSS 和46.11mg/gMLSS，PN 的濃度分別分別為29.76mg/gMLSS 和30.23mg/gMLSS。運行初期（運行第一周），兩個反應器中EPS 總量和PN 濃度均有增加，但R1 的增長幅度小于R2，這可能是由于混凝劑的投加對微生物的毒害作用影響了胞外聚合物的合成或分泌。之后反應器內污泥量不斷增加，微生物也迅猛增殖，分泌大量EPS，EPS 含量迅速增加。R1 中EPS 和PN 含量的峰值濃度分別是109.26mg/gMLSS 和92.72mg/gMLSS，R2中EPS 和PN 含量最高達到123.15mg/gMLSS 和101.92mg/gMLSS?？s短沉降時間可能會刺激細胞產生多糖[15]，因此在反應器啟動階段反應器R1 和R2 中PS 的含量分別從10.31mg/gMLSS、10.07mg/ gMLSS 增 加 到 14.53mg/gMLSS 和 15.92mg/ gMLSS，在之后的污泥培養過程中多糖含量無明顯變化。此時反應器內的污泥處于顆粒形成階段。

在顆粒成熟時期，EPS 總量及其各組分的含量比顆粒形成階段略有降低均有穩定的趨勢。R1 中EPS、PN、PS 的平均含量分別為 82.66mg/ gMLSS、63.43mg/gMLSS、11.87mg/gMLSS，R2中 EPS、PN、PS 的平均含量分別為 94.98mg/ gMLSS、72.91mg/g MLSS、13.39mg/gMLSS。

EPS 帶有大量負電荷而呈負電性，在7～14 天時反應器中EPS 總量和PN 的濃度均比1～7 天時高，在此時投加的PAC 和水中的陽離子能中和更多的EPS中的負電基團，減小細胞或污泥絮體之間的靜電斥力，增加了相互之間的親和力，有利于顆粒污泥的形成； EPS 中PN 容易與金屬離子通過靜電作用而鍵和[16]，降低細胞表面的負電性，促進污泥的絮凝作用，同時PN 中含有大量疏水基團，其含量的變化會改變微生物的表面性質，從而促進污泥的顆?；M程；其次，在反應器R2 中EPS 含量從整體上高于R1 中的含量，EPS 能夠通過架橋作用使微生物群體形成三維結構，使微生物之間結合緊密更好的進行生化作用，微生物顆粒結構也更堅 固[1]。綜上可知，在第7～14 天投加混凝劑更有利于污泥的凝聚作用，促進顆粒污泥的形成，進而使顆粒污泥的形成時間更短。

2.2.2 PN/PS 的變化

圖3 顯示了兩個反應器在運行過程中蛋白質與多糖的比值（PN/PS）的變化情況。

由圖3 可以看出：在好氧顆粒污泥形成過程中，PN/PS 呈明顯增大趨勢，隨著顆粒穩定，該比值略有下降，并在顆粒成熟穩定在一定范圍之內。啟動時反應器R1 和R2 的PN/PS 值分別為2.89 和3.00，在顆粒形成時期最高分別達到7.16 和7.83，比啟動時增加了超過2.5 倍，這與張麗麗等[17]和Tay 等[18]的研究結果相似。

圖3 反應器運行過程中PN/PS 的變化情況

在本實驗中，在顆粒形成過程中，PN/PS 逐漸增大，污泥的表面疏水性隨PN/PS 值的增加而增 加[17]，細胞表面疏水性的增加與顆粒污泥的形成有密切聯系[19]。細胞疏水性能的增加能夠降低細胞Gibbs 表面自由能，加強細胞間的親和力，促進細胞聚集，有利于形成結構穩定的好氧顆粒。細菌一般帶有負電荷，EPS 中含有帶正電荷的氨基和帶有負電荷的羧基和磷酸基，PN 含量的增加能夠中和PS 中負電官能團所產生的負電荷，從而降低了微生物表面的負電荷，降低微生物細胞的Zeta 電位，根據DLVO 理論，這樣可以減小細胞之間的靜電斥力，有利于污泥聚集，PN/PS 的增大增加了這種趨勢，有利于顆粒的形成。也就是說EPS 中PN/PS 比值的提高可以促進污泥顆?；M程。

2.3 EPS 不同組分的空間分布

多重熒光染色（圖4）顯示兩個反應器的顆粒污泥中活細胞及不同EPS 的空間分布情況。

R1 的EPS染色結果[圖4(R1)]表明：蛋白質（綠色）和α-呋喃葡萄糖和α-甘露糖（淺藍色）都均勻分布在好氧顆粒污泥整個斷面上，分布情況較為類似；β-D-呋喃葡萄糖（藍色）大部分分布在顆粒的外側；脂類（黃色）大部分分布在顆粒內部，少量散落在顆粒外側；活細胞（紅色）集中分布在顆粒內部。R2 的多重熒光染色[圖4(R2)]呈現出和反應器R1 不同的分布特點。R2 的顆粒污泥中，蛋白質和α-呋喃葡萄糖和α-甘露糖在整個顆粒斷面上均有分布，且外側分布較多；β-D-呋喃葡萄糖集中分布在顆粒核心位置；脂類大部分分布在顆粒外側，只有少量分布在顆粒核心位置；活細胞分布在顆粒 外側。

反應器R1 和R2 中蛋白質和α-呋喃葡萄糖和α-甘露糖在好氧顆粒污泥斷面上均有分布，猜測這兩種物質對顆粒結構穩定性的保持有重要作用。蛋白質顏色比較明顯，亮度高于EPS其他成分，說明其含量比EPS其他組分的含量多，可以認為蛋白質為EPS 的主要組成部分。Chen 等[20]發現蛋白質分布在顆粒的內部，α-呋喃葡萄糖和α-甘露糖分布在顆粒外側；高景峰等[21]的研究結果與反應器R1 相符。

反應器R1 中的β-D-呋喃葡萄糖集中分布在顆粒外側，與高景峰等[22]和Chen 等[23]的研究結果相似。而反應器R2 中呈現出β-D-呋喃葡萄糖分布在顆粒內核的特點，Chen 等[14]對以乙酸鈉和丙酸鈉作為附加碳源培養的好氧顆粒污泥進行染色，發現處理乙酸鈉廢水的顆粒污泥和處理苯酚廢水的顆粒污泥中β-D-呋喃葡萄糖均分布在顆粒內核處。而Adav 等[24]通過對經過水解酶處理的顆粒染色，發現只有β-D-呋喃葡萄糖的水解會引起顆粒解體，認為β-D-呋喃葡萄糖為顆粒的骨架，對顆粒的結構穩定性影響最大。

由圖4 可以看出脂類的分布情況與活細胞較為相似，且有活細胞分布的范圍均有脂類出現，推測活細胞新陳代謝會產生脂類，細胞的凋亡可能會釋放少量脂類。Adav 等[24]的研究發現脂類分布在顆粒外側，與本研究中反應器R2 的結果相似；Adav等[25]的研究發現脂類在整個顆粒斷面均有分布，與本研究結果不同。

R1 中顆粒污泥的活細胞分布在顆粒內部，而R2 中的活細胞存在于相對外層位置，推測這與顆粒的形成過程有密切關系。反應器R1 中，微生物是在顆粒形成過程中以填充的形式進入顆粒內部，基質和氧氣充足，細胞能夠正常新陳代謝，形成了活細胞獨特的分布情況。反應器R2 運行過程中，首先形成內部“晶核”，微生物不斷包裹內核，形成顆粒，氧氣和基質受到傳質阻力，不能到達顆粒內部，不足以支持細胞的生命活動，導致顆粒污泥內核位置不存在活細胞。McSwain 等[26]和Lee 等[27]研究發現活細胞分布在顆粒外側，與R2的結果相同。

在本實驗中，對比兩個反應器，在不同時間投加PAC，顆粒污泥中不同組分的EPS呈現出不同的分布特點。其中分布最廣泛的是蛋白質和α-呋喃葡萄糖和α-甘露糖，受到PAC 投加影響最小，而β-D-呋喃葡萄糖、脂類和活細胞空間分布情況各不同。每個反應器中，顆粒污泥中的α-呋喃葡萄糖和α-甘露糖和β-D-呋喃葡萄糖的分布范圍和數量都很不相同，說明這兩種物質的生成環境和其對顆粒污泥形成和穩定性的影響均有所不同。對比國內外研究和本實驗，發現不同操作條件下所培養顆粒的EPS 及活細胞的分布有很大的不同，但其分布形成原因仍不很明確，有待進一步研究。

3 結 論

（1）在反應器運行第8～14 天投加PAC 比在第1～7 天投加混凝劑形成顆粒更快，且形成的顆粒形狀規則，粒徑分布均勻，結構緊湊，機械強度好，對污染物的去除效率良好，具有良好的沉降性能。

（2）顆粒污泥中不同EPS含量變化結果表明：顆粒形成過程中，污泥中EPS總量和蛋白質呈現出增加的趨勢，多糖含量稍有增加，之后EPS含量和蛋白質略有下降，并在顆粒穩定后趨于穩定，而多糖含量始終變化不大；并且在8～14 天投加PAC，污泥中EPS總量和蛋白質含量較高，更有利于污泥顆?；?/p>

（3）混凝劑的投加時間對EPS 和活細胞的空間分布有較大影響。蛋白質和α-呋喃葡萄糖、α-甘露糖的分布較為均勻，受操作條件不同的影響較小，而β-D-呋喃葡萄糖、脂類和活細胞在不同操作條件下分布較為不同，在1～7 天投加PAC 形成的顆粒中β-D-呋喃葡萄糖分布在顆粒外側，脂類大部分則集中在顆粒內部，活細胞分布在顆粒內部；在8～14 天投加PAC 形成的顆粒中β-D-呋喃葡萄糖分布在內核位置，活細胞和大部分脂類分布在顆粒外側。

圖4 好氧顆粒污泥的多重熒光染色

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