1 引言
活性污泥法污水處理工藝中，污染物的降解分為兩個階段，第一階段污泥絮體將污水中的有機污染物質(zhì)吸附到菌體細胞壁外(吸附階段);第二階段菌體通過主動運輸將污染物輸送到菌體內(nèi)部合成細胞新陳代謝需要的物質(zhì)和能量(降解階段).所以污泥絮體的吸附對污水處理效果起著決定作用，而胞外聚合物(EPS)是污泥絮體構(gòu)成的主要部分，占活性污泥總有機質(zhì)的50%~90%.EPS對污泥絮體的理化性質(zhì)(如絮體結(jié)構(gòu)、表面電荷、絮凝性、沉降性、脫水性和吸附性能等產(chǎn)生重大影響.
國內(nèi)外不少學(xué)者探討了污泥EPS吸附影響研究，但主要集中于活性污泥EPS對重金屬的吸附研究，Liu等采用陽離子交換樹脂法從好氧顆粒污泥中提取EPS吸附Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的研究表明：EPS對3種離子均有很好的吸附能力，吸附量分別為1587.3 mg·g-1、1470.6 mg·g-1和1123.6 mg·g-1;Wei等也比較了含EPS的菌體和剝離EPS的菌體對Cd的吸附，發(fā)現(xiàn)EPS的存在明顯增加了細菌的吸附性能;而Ueshima等研究發(fā)現(xiàn)，EPS只可在菌體外形成保護層增強菌體的生存能力，而對細菌吸附Cd沒有影響.
關(guān)于污泥EPS對有機污染物的吸附研究甚少，部分學(xué)者研究了污泥EPS對染料廢水中染料的吸附，Wei等認(rèn)為EPS在亞甲藍去除中存在必然的作用，且吸附過程符合假二級動力學(xué)模型，在EPS吸附亞甲藍時，起關(guān)鍵作用的官能團是蛋白質(zhì)和腐殖酸內(nèi)的色氨酸殘基;Gao等分別研究了EPS對4種不同染料(活性艷藍、剛果紅、活性艷紅、孔雀綠)的吸附，發(fā)現(xiàn)EPS對陽離子類染料有很好吸附效果;Sheng等采用甲苯胺藍陽離子染色法探討好氧、厭氧污泥EPS對有機污染物的吸附特性，結(jié)果顯示：好氧、厭氧污泥EPS對有機污染物均有吸附能力，且是通過形成染料-EPS絡(luò)合物來實現(xiàn)的，其中好氧污泥EPS吸附能力更強.
根據(jù)EPS與細胞相結(jié)合的緊密程度不同，可將EPS分為粘液層(slime bound extracellular polymeric substances，SB-EPS)、松散結(jié)合的胞外聚合物(loosely bound extracellular polymeric substances，LB-EPS)和緊密結(jié)合的胞外聚合物(tightly bound extracellular polymeric substances，TB-EPS).Guo等只探討了緊密結(jié)合的胞外聚合物(TB-EPS)的吸附性能與菌體表面特性的關(guān)系，他們利用自合成技術(shù)模擬了富含甲基、氨基、羥基和羧基的單層膜對TB-EPS的吸附影響，結(jié)果表明，表面富含甲基的單層膜的TB-EPS的吸附率最高.
不同層EPS中的組成成分是否相同，其對污泥吸附性能作用是否不同，值得深入探討.而且目前關(guān)于分層EPS吸附性能的研究未見報道.因此，本文擬通過對不同層EPS不同組分的定量分析，研究不同層EPS對有機污染物的吸附性能，解析EPS對污泥吸附有機物性能特征.
2 材料與方法
2.1 試驗材料
試驗活性污泥取自馬鞍山某污水處理廠(A2O工藝)的曝氣池和自行設(shè)計的SBR(序批式反應(yīng)器)污水處理小試裝置.該小試裝置采用人工配水，向自來水中添加葡萄糖、NH4Cl和KH2PO4以控制碳氮磷比為100:5:1，模擬生活污水，試驗的接種污泥取自于上述污水廠的曝氣池.為保證吸附試驗時污泥內(nèi)無殘留有機污染物，將取回污泥首先空曝24 h，但不做其他預(yù)處理，以保持活性污泥原有特性.試驗所用污水統(tǒng)一取之于相同污水處理廠的細格柵出水.活性污泥理化性質(zhì)、主要工藝參數(shù)及試驗污水指標(biāo)如表 1所示.
表 1 試驗活性污泥、污水指標(biāo)及主要運行工藝參數(shù)、
2.2 污泥EPS的提取和測定
采用熱提取法提取活性污泥中的粗EPS，得到的粗EPS經(jīng)0.45 μm 濾膜抽濾，收集抽濾后的EPS進行分析.以牛白蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，采用Folin-酚法對EPS中的蛋白質(zhì)定量分析;以葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，采用硫酸-苯酚法對EPS中的多糖進行定量分析;以小牛胸腺DNA作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，采用二苯胺比色法測定EPS中的DNA.
2.3 剝離EPS污泥的吸附試驗
為考察不同層EPS對活性污泥吸附性能的影響，分別向4個1000 mL燒杯中加入500 mL空曝后的污泥(控制污泥濃度在6000 mg·L-1左右)，然后進行不同處理：Ⅰ、原污泥：不做任何處理;Ⅱ、-SB污泥：原污泥離心(6000 g)5 min，棄去上清液(去除SB-EPS)，注入調(diào)pH(7.00~7.50)的去離子水補充到原體積，因此，-SB污泥就是剝離其中SB-EPS后的污泥;Ⅲ、-LB污泥：原污泥在3000 r·min-1下離心10 min，棄去上清液，注入預(yù)熱到70 ℃的磷酸鹽緩沖溶液(0.1 mol·L-1，pH=7.4，PBS)補充到原體積，放入數(shù)顯水浴恒溫振蕩器(50 ℃)中渦旋混合1 min，再將樣品于6000 g離心力下離心10 min，棄去上清液(去除LB-EPS)，注入調(diào)pH的去離子水補充到原體積，因此，-LB污泥就是剝離其中LB-EPS后的污泥;Ⅳ、-TB污泥：原污泥在3000 r·min-1下離心10 min，棄去上清液，注入PBS懸浮到原體積，然后在60 ℃水浴30 min，經(jīng)6000 g離心力下離心30 min棄去上清液(去除TB-EPS)，注入調(diào)pH的去離子水補充到原體積，因此，-TB污泥就是剝離其中TB-EPS后的污泥.
按上述過程分別處理污泥后，再進行相同處理：使用調(diào)pH的去離子水清洗污泥5遍，沉降30 min后棄去上清液(部分上清液用于測定清洗后水中COD)，保留泥水混合液體積到300 mL.向燒杯中加入600 mL生活污水，然后于六連電動攪拌器(JJ-4，中國)上攪拌(150 r· min-1)，分別在5、10、20、30、40、60和90 min時取10 mL樣品測定COD.
2.4 吸附分析計算方法
2.4.1 吸附動力學(xué)模型
為全面研究剝離不同層EPS對污泥吸附生活污水有機污染物的動力學(xué)影響，吸附數(shù)據(jù)分別采用以Ritchie速率方程為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的2種吸附動力學(xué)模型，即Lagergern單層吸附動力學(xué)模型和Ritchie雙層吸附模型，及顆粒內(nèi)擴散模型擬合.3種動力學(xué)模型方程分別如式(1)~(3)所示.
(1)
(2)
(3)
式中，qt和qe分別是吸附t時刻和平衡時的吸附量(mg·g-1);k1、k2分別為Lagergern單層吸附和Ritchie雙層吸附速率常數(shù)(min-1);k3為顆粒內(nèi)擴散常數(shù)(mg·g -1·min-0.5);c為常數(shù).
2.4.2 單位EPS吸附量計算公式
為精確探討不同層EPS在污泥吸附中的作用，分別求出各層單位質(zhì)量EPS對有機污染物的吸附量，具體計算過程如下：
單位SB-EPS的吸附量=A=[原污泥qe-(-SB污泥qe)]/(SB-EPS×MLSS1/1000)
單位LB-EPS的吸附量=B=[原污泥qe-(-LB污泥qe)-(SB-EPS×MLSS2/1000×A)]/(LB-EPS×MLSS2/1000)
單位TB-EPS的吸附量=C=[原污泥qe-(-TB污泥qe)-(SB-EPS×MLSS3/1000×A)-(LB-EPS×MLSS3/1000×B)]/(TB-EPS×MLSS3/1000)
式中，MLSS1、MLSS2、MLSS3分別為-SB污泥、-LB污泥、-TB污泥的懸浮固體濃度.
3 結(jié)果與討論
3.1 污泥各層EPS組分分析
不同污泥的EPS總量上看出(圖 1)，培養(yǎng)污泥EPS由于LB-EPS、TB-EPS含量低于污水廠污泥，導(dǎo)致總量也少于污水廠污泥，少4.86 mg·g-1.這是由于污水廠活性污泥系統(tǒng)的污泥負(fù)荷比培養(yǎng)的負(fù)荷小，因此細菌可利用的基質(zhì)減少，增值速率降低，此時細菌的分泌和自溶使低負(fù)荷污泥中EPS含量較高;培養(yǎng)污泥系統(tǒng)DO(溶解氧5.00~7.00 mg·L-1)高于污水廠污泥系統(tǒng)(2.0~4.0 mg·L-1)也是導(dǎo)致EPS含量減少的原因之一，因為隨著DO增加，微生物的代謝活動加劇，底物消耗快，污泥產(chǎn)生的部分EPS被微生物作為底物利用，因此EPS含量減少;Liao等發(fā)現(xiàn)，在SRT(污泥齡)較短時，污泥中的微生物來不及將所有碳源用于生長，多余的碳源被轉(zhuǎn)換形成EPS或胞內(nèi)聚合物.
圖 1 活性污泥EPS組成分布圖
從EPS組成上看，EPS組分主要都是蛋白質(zhì)，占總量的81.07%(培養(yǎng)污泥)、79.96%(污水廠污泥).其次為多糖，DNA含量最少.培養(yǎng)污泥、污水廠污泥EPS中蛋白質(zhì)與多糖含量的比值分別為4.37、4.76，說明培養(yǎng)污泥中多糖所占比重更大.這是由于培養(yǎng)污泥DO高，多糖產(chǎn)量會增加，但蛋白質(zhì)會保持不變.此外，培養(yǎng)污泥pH值(7.00~8.00)高于污水廠污泥(6.8~7.2)，當(dāng)pH值偏離中性時，雖然EPS含量有小幅度下降，但多糖含量有所增長.葛利云等試驗發(fā)現(xiàn)，淀粉基質(zhì)培養(yǎng)的污泥比葡萄糖基質(zhì)培養(yǎng)的污泥EPS中蛋白質(zhì)與多糖的比值要高，本研究中培養(yǎng)污泥采用葡萄糖為碳源的人工配水，污水廠污泥的污水是市政污水，碳源成分復(fù)雜，因此本文的研究結(jié)果正好與這一結(jié)論相一致. 從不同層EPS組成變化上看，兩種污泥具有相似的規(guī)律.從不同層EPS組成上看，從SB層到TB層(由外到內(nèi))，EPS含量逐步增加.LB層中EPS含量占總量的31.56%(培養(yǎng)污泥)、41.86%(污水廠污泥)，是SB層中的3.06倍(培養(yǎng)污泥)、29.08倍(污水廠污泥);TB層中EPS含量占總量的58.34%(培養(yǎng)污泥)、56.71%(污水廠污泥)，是SB層中的5.65倍(培養(yǎng)污泥)、39.39倍(污水廠污泥).菌體分泌的EPS首先包裹在菌體細胞外表面，然后逐漸向外，填充到個體間隙中，當(dāng)分泌量充滿污泥絮體內(nèi)部空隙時，新分泌出的EPS就會將原來積累的EPS擠到外層，這樣就使得外層的EPS就變得松散.最外層的EPS長期暴露于污水中，表面附著大量有機、無機污染物質(zhì)，最終形成粘液層(SB-EPS).因此，菌體是先排出TB-EPS，之后慢慢演變成LB-EPS、SB-EPS，這樣就導(dǎo)致SB-EPS和LB-EPS含量相對固定，TB-EPS濃度不斷增加，只有當(dāng)增加到一定程度時LB-EPS和SB-EPS才會增加.
兩種污泥不同層的蛋白質(zhì)與多糖比值變化規(guī)律不同.培養(yǎng)污泥SB層、LB層、TB層中蛋白質(zhì)與多糖的比值分別為3.74、4.83、4.27，呈現(xiàn)先增加后略減的趨勢;污水廠污泥SB層、LB層、TB層中蛋白質(zhì)與多糖的比值分別為1.28、4.66、4.76，從外層到內(nèi)層呈現(xiàn)逐層遞增的趨勢.由于菌體最先排出EPS被演變成SB-EPS，此時到達菌體內(nèi)的DO含量高，因此多糖含量相對較多，隨著菌體表面EPS含量越來越多，到達菌體內(nèi)的DO含量減少，EPS中多糖含量減少.因此內(nèi)層EPS蛋白質(zhì)與多糖的比值比外層大.
總之，培養(yǎng)污泥EPS含量低于污水廠污泥;EPS組分主要都是蛋白質(zhì)，其次為多糖，DNA含量最少;從SB層到TB層(由外到內(nèi))，EPS含量逐步增加，兩種污泥不同層的蛋白質(zhì)與多糖比值均為外層小于內(nèi)層，但培養(yǎng)污泥的-TB污泥層中白質(zhì)與多糖比值小于-LB污泥層.
3.2 污泥吸附動力學(xué)模型分析
按動力學(xué)模型方程對吸附量-吸附時間進行擬合，擬合結(jié)果如表 2所示.兩種污泥所有層的吸附與顆粒內(nèi)擴散模型的吻合度均很低，尤其是-TB污泥，說明污泥對污染物的吸附在污泥絮體顆粒表面進行，而沒有擴散到絮體顆粒內(nèi)部.
表 2 剝離各層EPS的污泥的吸附試驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果的吸附參數(shù)與可決系數(shù)(R2)
兩種污泥的原污泥、-SB污泥均與Lagergern單層吸附模型和Ritchie雙層吸附模型的擬合效果比較好(R2﹥0.90)，這說明外層污泥在吸附過程中既存在單層的物理吸附過程，又存在多層的物理化學(xué)吸附過程.其中培養(yǎng)原污泥、培養(yǎng)-SB污泥吸附效果與Ritchie雙層吸附模型吻合性更好(R2﹥0.94)，而污水廠原污泥、污水廠-SB污泥的吸附過程效果與Lagergern單層吸附模型吻合性更好(R2﹥0.96).-LB污泥與Lagergern單層吸附模型(R2為0.60~0.85)、Ritchie雙層吸附模型(R2為0.60~0.91)吻合度比-SB污泥小，吸附方式規(guī)律性不顯著.-TB污泥中的EPS已經(jīng)被比較完全地剝離，導(dǎo)致其對污水COD的吸附量明顯小于-SB污泥與-LB污泥，且波動大，與動力學(xué)模型吻合度均很小(R2﹤0.23)，吸附方式無規(guī)律.可見，EPS剝離使得污泥對有機物COD的吸附方式發(fā)生變化.
3.3 各層EPS對污泥吸附性能的影響分析
為準(zhǔn)確研究不同層EPS對活性污泥吸附有機污染物的性能影響，先計算出各層單位質(zhì)量EPS對有機污染物的吸附量，再采用Lagergern動力學(xué)模型方程進行擬合(圖 2)，分析各污泥的吸附量、吸附速率，反應(yīng)各層EPS對COD吸附作用大小(表 3).
圖 2 剝離各層EPS的污泥的吸附數(shù)據(jù)與模型擬合圖
表 3 各層EPS對COD吸附結(jié)果分析
3.3.1 slime層對污泥吸附的影響
原污泥脫去SB-EPS留下-SB污泥，對有機污染的吸附性能發(fā)生明顯變化(圖 2)，吸附速率大于原污泥，平衡吸附量小于原污泥.其中培養(yǎng)-SB污泥的吸附速率比培養(yǎng)原污泥大0.0997 min-1，平衡吸附量減少了9.44 mg·g-1，單位SB-EPS的吸附量為0.650 mg·g-1;污水廠-SB污泥的吸附速率比污水廠原污泥大0.0390 min-1，平衡吸附量減少5.59 mg·g-1(表 3)，單位SB-EPS的吸附量為3.37 mg·g-1.因此，SB-EPS的存在會增加污泥吸附量，且對污泥吸附速率具有輕微的抑制作用.污水廠污泥單位SB-EPS的吸附量值高于培養(yǎng)污泥2.72 mg·g-1(表 3)，但SB-EPS中蛋白質(zhì)/多糖的比值為1.28，低于培養(yǎng)污泥中SB-EPS的3.74，說明污泥SB-EPS吸附有機污染物過程中起主要作用的是多糖.因為EPS中多糖含量增加可使污泥的生物絮凝能力增強，即由微生物新陳代謝及自溶產(chǎn)生的高分子EPS作為絮凝劑，能有效去除廢水中懸浮和膠態(tài)有機物.但由于SB層(EPS粘液層)包裹在菌體最外面，表面結(jié)構(gòu)比較光滑，使菌體免受外界環(huán)境的干擾，具有一定的隔離作用，因此在剝離SB層后，污泥吸附速率有所提高.
3.3.2 LB-EPS對污泥吸附的影響
-SB污泥進一步剝離LB-EPS后即為-LB污泥.培養(yǎng)-LB污泥吸附速率比培養(yǎng)原污泥增加了0.0197 min-1，平衡吸附量減少了7.02 mg·g-1，比-SB污泥增加了2.42 mg·g-1，單位LB-EPS 的吸附量為-1.27 mg·g-1;污水廠-LB污泥吸附速率比原污泥減小了0.0431 min-1，平衡吸附量比原污泥減少0.321 mg·g-1，比-SB污泥增加了5.27 mg·g-1，單位LB-EPS的吸附量為-0.106 mg·g-1(表 3).同時污水廠-LB污泥吸附量在40 min時有很大波動，90 min時還未達到吸附平衡，吸附過程很不穩(wěn)定.因此，LB-EPS在污泥吸附有機污染物的過程中不能將污染物固定，而只是起到傳輸污染物的作用，LB-EPS結(jié)構(gòu)的疏松、多孔，使污染物能快速滲透至TB-EPS中儲存，而且LB-EPS在EPS總量中含量越高，傳遞速度越快.所以，LB-EPS對污泥吸附速率有促進作用，對污泥吸附量沒有影響.
3.3.3 TB-EPS對污泥吸附的影響
-TB污泥即剝離全部EPS后的污泥，由于EPS是污泥產(chǎn)生吸附作用的主要物質(zhì)，當(dāng)EPS被完全脫離后，污泥的吸附過程不符合任何吸附模型.培養(yǎng)-TB污泥的單位TB-EPS的吸附量為1.06 mg·g-1，平衡吸附量比原污泥減少了33.5 mg·g-1，比-LB污泥減少了26.4 mg·g-1，但吸附速率比培養(yǎng)原污泥增加了10.7 min-1;污水廠-TB污泥的單位TB-EPS的吸附量為0.443 mg·g-1，平衡吸附量比原污泥減少了17.1 mg·g-1，比-LB污泥減少了16.8 mg·g-1，但吸附速率比原污泥增加了0.183 min-1.由此可見，有機污染物會穿透過LB-EPS，然后被TB-EPS吸附儲存;而且TB-EPS致密的結(jié)構(gòu)使得吸附速率減慢;另外培養(yǎng)污泥單位TB-EPS的吸附量比污水廠污泥大0.617 mg·g-1，其蛋白質(zhì)/多糖的值比污水廠污泥小，多糖含量高，吸附作用大.
因此，污泥吸附有機污染物時，SB-EPS先吸附部分有機物達到平衡時，剩下的有機物通過LB-EPS運輸?shù)絋B-EPS中儲存.SB-EPS和TB-EPS對污染物的吸附量隨多糖含量的增加而增加.LB-EPS含量越多，吸附速率越快，而SB-EPS和TB-EPS會減緩吸附速度.
4 結(jié)論
1) EPS組分主要是蛋白質(zhì)，其次為多糖，DNA含量最少;污泥從外層到內(nèi)層，EPS含量逐步增加，蛋白質(zhì)與多糖比值均為外層小于內(nèi)層，但培養(yǎng)污泥的-TB污泥層中蛋白質(zhì)與多糖比值小于-LB污泥層.
2) 兩種污泥的原污泥、培養(yǎng)-SB污泥與Lagergern單層吸附模型和Ritchie雙層吸附模型的擬合效果均比較好，說明污泥吸附過程既存在單層物理吸附過程，又存在多層物理化學(xué)吸附過程，且蛋白質(zhì)/多糖的比值越小，吸附作用越好.
3) SB-EPS可吸附有機污染物，其粘液特性會減慢吸附速率.培養(yǎng)污泥單位SB-EPS的吸附量為0.650 mg·g-1，剝離SB-EPS層后，污泥吸附速率增加了0.0997 min-1;污水廠污泥單位SB-EPS的吸附量為3.37 mg·g-1，剝離SB-EPS層后，污泥吸附速率增加了0.0390 min-1.
4) LB-EPS對污染物沒有吸附儲存能力，只有傳遞污染物能力，LB-EPS結(jié)構(gòu)的疏松、多孔，使污染物能快速滲透至TB-EPS中儲存，其占EPS總量越多傳遞速度越快.
5) TB-EPS結(jié)構(gòu)致密，污染物滲透速度慢，但其能很好的將吸附上的污染物保存在菌體細胞壁外而不被釋放.培養(yǎng)污泥單位TB-EPS的吸附量為1.06 mg·g-1;污水廠污泥單位TB-EPS的吸附量為0.443 mg·g-1.
