好氧顆粒污泥是微生物通過自聚集形成的具有規(guī)則外形、結(jié)構(gòu)密實(shí)、沉降性能優(yōu)良的微生物聚集體，目前已成為研究熱點(diǎn)〔1〕。好氧顆粒污泥表面一般帶有負(fù)電性，這種帶電特性可以用Zeta電位來表示，Zeta電位越高，粒子間的靜電斥力就越大，因此Zeta電位對(duì)污泥的聚集有著重要影響。

　　胞外多聚物(EPS)是分泌于細(xì)胞表面的大分子物質(zhì)，EPS的分泌有利于微生物細(xì)胞凝聚，其中蛋白質(zhì)對(duì)降低污泥表面電位、促進(jìn)污泥聚集可能起著重要作用〔2〕。研究發(fā)現(xiàn)，金屬陽離子對(duì)好氧顆粒污泥的形成具有一定促進(jìn)作用，但是投加不同金屬離子后好氧顆粒污泥形成過程中EPS含量的變化以及對(duì)污泥表面電位的影響還鮮有報(bào)道，污泥的Zeta電位變化與蛋白/多糖之間的關(guān)系也報(bào)道較少。

　　為了更好地探討顆粒污泥培養(yǎng)過程中添加金屬離子后Zeta電位與EPS對(duì)顆粒污泥形成的影響，筆者對(duì)好氧污泥顆粒化過程中Zeta電位與EPS的變化規(guī)律，以及兩者之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。

　　1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)中R1、R2均為SBR反應(yīng)器，由有機(jī)玻璃制成，如圖 1所示。反應(yīng)器有效高度為100 cm，內(nèi)徑7 cm，有效體積2 L，排水口設(shè)在距反應(yīng)器底部26 cm處，排水量為1 L，即換水比為50%。反應(yīng)器底部設(shè)有曝氣頭，由空氣泵供氣并用轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量，曝氣量控制采取遞增模式，由0.1 m3/h逐漸增加并最終穩(wěn)定在0.4 m3/h，相當(dāng)于表面氣速為2.89 cm/s。人工模擬廢水裝入儲(chǔ)水箱由小型抽水泵抽吸并從上部進(jìn)入SBR反應(yīng)器。反應(yīng)器中部設(shè)置有排水口，由電磁閥控制排水。SBR反應(yīng)器運(yùn)行周期4 h，進(jìn)水3 min、曝氣227 min、沉降5 min、排水5 min，整個(gè)運(yùn)行過程由時(shí)間繼電器自動(dòng)控制。溫度由電熱帶和溫控儀共同控制在(24±1) ℃。

 圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置

　　1.2 接種污泥和進(jìn)水水質(zhì)

　　反應(yīng)器的接種污泥取自當(dāng)?shù)厣��?A style="TEXT-DECORATION: none" href="http://www.dongaorq.cn/">污水廠MBR反應(yīng)器曝氣池內(nèi)的普通絮狀污泥，接種體積為1 L，占反應(yīng)器容積的1/2，接種污泥質(zhì)量濃度MLSS為3.08 g/L，SVI30為85.52 mL/g。接種污泥完全呈絮狀，無顆粒污泥。 實(shí)驗(yàn)按照m(COD)∶m(TN)∶m(TP)=100∶5∶1配制人工廢水，進(jìn)水組分見表 1，以醋酸鈉作為COD，進(jìn)水溶液微量元素取1 mL/L 。R1內(nèi)投加111 mg/L CaCl2(即40 mg/L Ca2+)，R2內(nèi)則投加406 mg/L MgSO4·7H2O(即40 mg/L Mg2+)。

　　1.3 測(cè)定項(xiàng)目與分析方法

　　(1)COD、NH4+-N、TP、MLSS、SVI30等采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定〔3〕。(2)污泥粒徑分布采用濕篩法測(cè)定〔4〕，使用光學(xué)顯微鏡和數(shù)碼照相機(jī)觀察和記錄污泥形態(tài)。(3)污泥的Zeta電位采用Zeta電位儀測(cè)定。取反應(yīng)器1個(gè)周期反應(yīng)末段的混合液，在3 000 r/min下離心5 min，棄去上清液，加入與上清液相同體積的去離子水，混合后將樣品打入樣品池，進(jìn)行3次測(cè)定，測(cè)定結(jié)果取平均值〔5〕。(4)EPS的提取與測(cè)定。EPS采用熱提取法〔6〕，多糖(PS)的測(cè)定采用蒽酮-硫酸法〔7〕，蛋白質(zhì)(PN)的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)法〔8〕。(5)密度測(cè)定通過已知體積的均勻污泥樣的質(zhì)量和 4 ℃下相同體積蒸餾水的質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比;沉降速率采用重力法測(cè)定〔9〕。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　2.1 好氧顆粒污泥的形成

　　考察了2個(gè)反應(yīng)器運(yùn)行過程中污泥質(zhì)量濃度MLSS與污泥容積指數(shù)SVI30的變化情況。結(jié)果顯示，啟動(dòng)初期接種污泥的SVI30為85.52 mL/g，運(yùn)行5~10 d左右都出現(xiàn)了污泥膨脹，SVI30有一定的上升，這可能是由于環(huán)境的改變對(duì)其生長(zhǎng)過程造成了影響〔10〕。10 d后，隨著好氧顆粒污泥的形成，污泥沉降性能逐漸改善，沉降速率有所加快，SVI30明顯下降。經(jīng)過34 d的培養(yǎng)，顆粒污泥達(dá)到成熟，最終SVI30基本穩(wěn)定維持在10~20 mL/g，與接種污泥相比具有良好的沉降性能。

　　成熟的好氧顆粒污泥在R1、R2反應(yīng)器中的MLSS分別達(dá)到4.77、4.53 g/L，比啟動(dòng)初期接種污泥質(zhì)量濃度(3.08 g/L)有一定提高。反應(yīng)器接種后的5 d內(nèi)為防止污泥大量流失，將沉降時(shí)間設(shè)為15 min，6~11 d改為9 min，12 d以后均設(shè)為3 min，在實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)后的第1周，由于沉淀性能較差的污泥逐漸被淘洗出反應(yīng)器，而沉速大的污泥所占比例較小，因此反應(yīng)器的MLSS大幅下降，污泥排放量大，反應(yīng)器中的活性污泥量較少，Dong Wei等〔11〕也有同樣的現(xiàn)象。其中R1最低時(shí)達(dá)到1.61 g/L，R2最低時(shí)為0.77 g/L。之后由于好氧顆粒污泥開始形成并逐漸長(zhǎng)大，反應(yīng)器中顆粒污泥質(zhì)量濃度穩(wěn)步增加至4.5~5.0 g/L。

　　好氧顆粒污泥培養(yǎng)過程中采用進(jìn)料負(fù)荷作為主要控制參數(shù)，2個(gè)反應(yīng)器運(yùn)行過程中對(duì)污染物的去除情況如圖 2所示。

 圖 2 COD、氨氮、TP的去除率變化情況 a—R1；b—R2。

　　由于反應(yīng)器的接種污泥取自生活污水處理反應(yīng)器，因此在培養(yǎng)過程中應(yīng)對(duì)其進(jìn)行馴化，以保證污泥的正常生長(zhǎng)。初始進(jìn)水COD在200 mg/L，逐步提高反應(yīng)器進(jìn)水濃度，進(jìn)水COD逐漸遞增最終穩(wěn)定在800 mg/L。培養(yǎng)34 d后，2個(gè)反應(yīng)器中的 COD去除率都基本維持在85%~90%。

　　氨氮的去除率在反應(yīng)初期有所下降，這是由于培養(yǎng)初期水力選擇壓的作用〔1〕，沉降性能好的污泥被保留下來，而沉降性能較差的污泥被排出反應(yīng)器，污泥大量流失，導(dǎo)致MLSS急劇下降，對(duì)氨氮的去除造成一定影響，后期隨著污泥濃度的增加，R1和R2中的污泥對(duì)氨氮的去除率穩(wěn)步上升，最終能夠達(dá)到95%~98%。在培養(yǎng)前期，R1和R2中的TP去除率還是比較高的，2個(gè)反應(yīng)器中的污泥均出現(xiàn)了一定的膨脹，這時(shí)消耗的磷較多，均用于微生物生長(zhǎng)。1周后隨著顆粒污泥的初期形成，沒有富集較多的聚磷菌，故R1和R2對(duì)TP的去除率持續(xù)下降。隨著培養(yǎng)時(shí)間的逐漸增加，顆粒污泥逐漸成熟，粒徑增大，內(nèi)部逐漸富集聚磷菌，形成內(nèi)部缺氧、外部好氧的環(huán)境，易于除磷，TP去除率隨之升高，達(dá)到65%~75%。

　　2.2 好氧顆粒污泥的形態(tài)變化

　　反應(yīng)器運(yùn)行34 d后污泥完全顆粒化，R1和R2中顆粒污泥的形成過程十分相似。從反應(yīng)器接種啟動(dòng)到顆粒化，整個(gè)過程可以分為3個(gè)階段：?jiǎn)��?dòng)期、顆粒污泥出現(xiàn)期和顆粒污泥成熟期。

　　接種時(shí)的活性污泥為灰黑色，較為松散，沉降性能較差。在啟動(dòng)期經(jīng)過1周的培養(yǎng)，污泥顏色逐漸由灰黑色變?yōu)橥咙S色，也出現(xiàn)了一定的絲狀膨脹，SVI30有所上升。這是由于啟動(dòng)初期活性污泥的抗沖擊負(fù)荷能力較差，逐步減少沉降時(shí)間后，污泥膨脹有所控制。在第7 天時(shí)R2中最先出現(xiàn)了細(xì)小的顆粒污泥晶核，顏色為白黃色，其表面附著大量絲狀菌，形成初期一定數(shù)量的絲狀菌對(duì)好氧顆粒污泥的形成有促進(jìn)作用，絲狀菌可以作為內(nèi)核的骨架，菌膠團(tuán)便附著于上，形成穩(wěn)定的聚合體。R2運(yùn)行13 d時(shí)顆粒污泥初步形成，而R1出現(xiàn)這一現(xiàn)象的時(shí)間在第11 天，不過投加Mg2+的污泥在顆粒污泥形成過程中有大量的輪蟲等后生動(dòng)物聚集于菌膠團(tuán)，微生物相相當(dāng)豐富。通過34 d的培養(yǎng)，反應(yīng)器中的絮狀污泥幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)闇\黃色、小米粒狀的顆粒污泥，形成的好氧顆粒污泥以圓形和橢圓形為主，表面光滑，結(jié)構(gòu)密實(shí)。SBR中好氧顆粒污泥已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，幾乎沒有絮狀污泥存在。此外R1中形成的顆粒污泥平均粒徑比R2偏小，而R2形成的顆粒污泥外形更加規(guī)則。2個(gè)反應(yīng)器形成的好氧顆粒污泥顏色均為黃白色，差異不明顯。

　　2.3 成熟顆粒污泥的物理和化學(xué)性質(zhì)

　　對(duì)R1和R2中成熟顆粒污泥的粒徑分布進(jìn)行了考察。2個(gè)反應(yīng)器中粒徑>3 mm的顆粒污泥所占比例都在3%以下。投加不同金屬離子(Ca2+、Mg2+)形成的好氧顆粒污泥具有不同的粒徑分布，R1中59%的好氧顆粒污泥粒徑范圍在1~3 mm，粒徑范圍在0.5~1 mm的顆粒污泥為28%，粒徑<0.5 mm的占11%。相比之下，R2中66%的好氧顆粒污泥粒徑范圍在1~3 mm，而粒徑<0.5 mm的顆粒污泥僅占1%。結(jié)果表明Mg2+投加條件下會(huì)獲得較大粒徑的好氧顆粒污泥。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行34 d后，2個(gè)反應(yīng)器中的成熟顆粒污泥理化性質(zhì)如表 2所示。

　　由表 2可以發(fā)現(xiàn)，顆粒化實(shí)現(xiàn)后，2個(gè)反應(yīng)器的污泥質(zhì)量濃度較接種污泥提高了1.5倍左右，MLSS在4.5~5.0 g/L，具有較高的生物量濃度。SVI30均比接種污泥時(shí)要低，分別為14.46、14.78 mL/g，顯示出良好的沉降性能。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了R1和R2中好氧顆粒污泥的相對(duì)密度和沉速，可以明顯看出好氧污泥顆粒化后的沉降性能明顯提高，但2個(gè)反應(yīng)器中污泥的相對(duì)密度和沉速提高程度卻不相同，R1和R2中培養(yǎng)的好氧顆粒污泥沉速分別為23±3、36±7 m/h，而相對(duì)密度相差不明顯，分別為1.032 1、1.051 8。表明Mg2+投加條件下形成的好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)更加致密緊實(shí)，沉降性能相對(duì)較優(yōu)越。

　　EPS在污泥的顆粒化過程中起到重要作用〔2, 12〕。從表 2可以看出，相比接種的絮狀污泥，2個(gè)反應(yīng)器中成熟好氧顆粒污泥的多糖和蛋白質(zhì)含量均大幅度提高，但提升幅度不同。投加不同金屬離子(Ca2+、Mg2+)得到的好氧顆粒污泥所分泌的EPS含量不同，Mg2+更有利于EPS的分泌，形成的好氧顆粒污泥EPS含量較高。

　　一般微生物細(xì)胞表面均帶有電負(fù)性，可用Zeta電位來表示，Zeta電位越高，粒子間的靜電斥力就越大。如表 2所示，R1、R2中成熟顆粒污泥的Zeta電位分別為-9.21、-12.38 mV，遠(yuǎn)低于接種污泥的 -30.60 mV，研究認(rèn)為金屬陽離子對(duì)顆粒污泥的形成起著重要作用，金屬離子能夠降低表面電荷并增強(qiáng)細(xì)胞間的范德華力〔13〕。

　　2.4 Zeta電位與EPS之間的關(guān)系

　　R1、R2中污泥的Zeta電位與EPS(PN+PS)的變化情況如圖 3所示。

 圖 3 R1（A）、R2（B）中污泥的Zeta電位與EPS的變化

　　從圖 3可以看出，在整個(gè)好氧顆粒污泥培養(yǎng)過程中，隨著營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的增加，微生物分泌大量的EPS，污泥胞外蛋白質(zhì)增長(zhǎng)迅速，而胞外多糖增幅不明顯，這與之前報(bào)道情況一致〔14〕。投加Ca2+條件下形成的顆粒污泥胞外多糖從接種污泥時(shí)的12.78 mg/g增加到31.59 mg/g，胞外蛋白則從22.97 mg/g明顯增加至215.32 mg/g。而投加Mg2+條件下形成的顆粒污泥胞外多糖和蛋白質(zhì)均要高于Ca2+條件，其胞外多糖為52.61 mg/g，蛋白質(zhì)在運(yùn)行34 d后高達(dá)341.08 mg/g。可見Mg2+投加條件下形成的好氧顆粒污泥EPS含量較高。蛋白質(zhì)具有很多氨基官能團(tuán)，帶有正向電荷，能夠很好地中和表面負(fù)性電荷，從而降低表面電荷，促進(jìn)凝聚作用。

　　在培養(yǎng)過程中，隨著顆粒化程度的提高，污泥性能的改善，R1、R2中污泥表面Zeta電位逐漸降低。運(yùn)行7 d后R1、R2中污泥Zeta電位從最初接種污泥時(shí)的-30.60 mV分別降低到-20.02、-19.53 mV，最終分別降低至-9.21、-12.38 mV，均具有較好的凝聚特性，從Zeta電位的變化過程來看，投加Ca2+條件下Zeta電位的變化更平穩(wěn)。

　　對(duì)R1、R2中污泥的Zeta電位與PN、PS質(zhì)量比的關(guān)系進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)R1、R2中m(PN)∶m(PS)與Zeta電位均呈現(xiàn)出正相關(guān)性，即EPS中m(PN)∶ m(PS)越大，污泥的Zeta電位越低，污泥間靜電斥力越小，越有利于污泥的凝聚。R1中的相關(guān)系數(shù)為0.84，R2中的相關(guān)系數(shù)為0.80，說明污泥的Zeta電位與m(PN)∶m(PS)密切相關(guān)，且R1中的相關(guān)度要高于R2。

　　2.5 1個(gè)周期內(nèi)COD、EPS和Zeta電位的變化

　　實(shí)驗(yàn)分別對(duì)R1和R2中1個(gè)典型反應(yīng)周期內(nèi)EPS、COD和Zeta電位的變化情況進(jìn)行研究，結(jié)果如圖 4所示。

 圖 4 R1（A）和R2（B）中1個(gè)周期內(nèi)COD和EPS的變化

　　R1、R2中的EPS含量在前1.0 h內(nèi)有一個(gè)上升過程，隨后降低至一個(gè)較穩(wěn)定數(shù)值。R1中PS從28.46 mg/g逐漸增加到33.80 mg/g，隨后逐漸減少至18.39 mg/g，后又增加至32.41 mg/g;而PN從29.26 mg/g增加到40.78 mg/g，隨后逐漸減少至34.26 mg/g，最后達(dá)到42.31 mg/g。而R2中PS從37.37 mg/g逐漸增加到48.77 mg/g，隨后減少至18.59 mg/g，后又增加至32.41 mg/g;PN從42.26 mg/g增加到57.71 mg/g，隨后逐漸減少至51.69 mg/g。1個(gè)周期內(nèi)前期Ca2+和Mg2+對(duì)EPS的產(chǎn)生都有一定的促進(jìn)作用，而到了后期，兩者的EPS中PN的增加較為穩(wěn)定，PS卻呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，其中投加Mg2+的反應(yīng)器表現(xiàn)更為明顯，這說明在1個(gè)周期內(nèi)Ca2+和Mg2+對(duì)EPS的調(diào)控主要是通過對(duì)PS的影響來體現(xiàn)的，其中1個(gè)周期內(nèi)Mg2+對(duì)EPS的影響較Ca2+更大。

　　1個(gè)周期內(nèi)微生物經(jīng)歷1個(gè)飽食-饑餓期，在前1.5 h中，由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足，微生物除了將有機(jī)物用于自身代謝外，還將一部分有機(jī)物質(zhì)以EPS的形式儲(chǔ)存起來，由圖 4可以看出前期(飽食期)R1、R2內(nèi)PN和PS均增加。另外從EPS增加趨勢(shì)差異不大可知Ca2+和Mg2+在飽食期對(duì)EPS的影響并沒有明顯差異;而后期(饑餓期)EPS出現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要原因是反應(yīng)器中的COD在運(yùn)行1.5 h后基本降解完畢，微生物正處于底物匱乏期，故部分EPS(主要是PS)被分解成小分子有機(jī)物，供微生物作為碳源使用〔15〕。分析可知此后一段時(shí)間內(nèi)COD有所增加也是微生物對(duì)自身EPS分解所致。同時(shí)由后期PS的下降趨勢(shì)可以推斷，投加Mg2+的顆粒污泥較投加Ca2+的顆粒污泥產(chǎn)生的EPS(主要表現(xiàn)在PS)更易于被微生物分解作為碳源，以供其在底物匱乏時(shí)維持自身的生命活動(dòng)。

　　污泥的Zeta電位總體均呈下降趨勢(shì)，在1.5~2.0 h內(nèi)，投加Mg2+比投加Ca2+的顆粒污泥表面Zeta電位變化大，主要原因可能是投加Ca2+與投加Mg2+的飽食-饑餓期變化階段不一致，對(duì)污泥表面Zeta電位造成了一定影響。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)Mg2+的添加更有利于縮短好氧顆粒污泥系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，Ca2+添加條件形成的顆粒污泥平均粒徑比Mg2+添加條件下形成的要小，投加Mg2+形成的顆粒污泥有較豐富的后生動(dòng)物。

　　(2)SBR系統(tǒng)好氧顆粒污泥的培養(yǎng)和生長(zhǎng)過程中，污泥Zeta電位呈逐漸下降過程，投加Ca2+條件下Zeta電位的變化較Mg2+投加條件更平穩(wěn)。

　　(3)顆粒化過程中，污泥中的EPS含量不斷增加，添加Mg2+較Ca2+更有利于胞外聚合物的分泌。多糖含量變化均不明顯，但蛋白質(zhì)含量均增幅較大，且反應(yīng)器中污泥的Zeta電位變化與蛋白/多糖呈正相關(guān)性。

　　(4)在底物匱乏期，添加Mg2+的微生物更易利用PS作為碳源，且在飽食-饑餓期的變化階段Mg2+對(duì)污泥表面Zeta電位造成的影響更大。