胞外聚合物及其表面性质对活性污泥絮凝沉降性能的影响研究

论文摘要

在活性污泥处理系统中,固液分离效果是系统运行中的关键问题之一,直接影响出水水质与回流污泥的浓度。胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances ,简称EPS）是活性污泥絮体的重要组分,广泛分布于絮体的内部与外层,对活性污泥的表面性质与絮凝沉降性能有重要的影响。然而,EPS对活性污泥絮凝性能与沉降性能影响的确切作用目前尚不清楚。以往的研究者主要从EPS的总数量、组分以及絮体的表面性质方面探讨EPS对活性污泥絮凝沉降性能的影响,没有考虑EPS自身的表面电荷与疏水性对污泥絮凝沉降性能的影响;并且大部分研究者将EPS作为一个整体进行研究,忽略了絮体内外层EPS组成与性质上的差异。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EPS（Loosely bound EPS,简称LEPS）与紧密结合的EPS（Tightly bound EPS,简称TEPS）,考察不同污泥龄（Sludge retention time,简称SRT）下它们组分和表面性质的变化,研究了EPS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SRT（15d）与低SRT（3d）活性污泥的LEPS与TEPS分别絮凝污泥悬浮液,考察LEPS与TEPS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LEPS与TEPS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:①论文采用葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（Glucose-6-phosphate Dehydrogenase,简称G6PD）活性衡量细胞破损,较为系统地考察了超声波与阳离子交换树脂提取活性污泥EPS的方法与程序。结果表明,超声波提取过程宜采用硼酸玻璃材质的容器在冰水浴中进行,且不需要外加搅拌作用;同时,21kHz为超声波提取EPS的最佳作用频率,综合考虑提取效率与提取过程产生的细胞破损两方面的因素,超声波的作用时间不宜大于3min,作用功率适宜范围为32W～40W。国产凝胶型阳离子交换树脂001×7适于提取活性污泥中的EPS,在pH值为5.8～7.8的液相环境中,可获得比较稳定的EPS提取效果。树脂投加量80g/g VSS,搅拌速率500rmp,提取时间1h～3h为比较合适的提取程序;该条件下,EPS的提取量能达到85.2～139.9mg/gVSS,细菌细胞的破损率可控制在10%以内。在超声波与阳离子交换树脂联合使用提取活性污泥EPS的组合方式中,超声波—树脂法为最优的组合方式;该法与加热法、EDTA法、甲醛—NaOH法相比,具有提取效率高、化学污染小、细胞破损量小且操作方便的优点;对不同来源的污泥,超声波—树脂法提取得到的EPS总量可占污泥挥发份的8%～13%。②论文采用超声波与阳离子交换树脂分别提取活性污泥絮体中的LEPS与TEPS。结果表明,SRT对LEPS与TEPS的数量与表面性质有重要的影响。LEPS的数量随SRT的变化较大,当SRT由3d增加到15d时,其含量由62.7mg/g VSS降至25.6mg/g VSS,而TEPS的数量随SRT的变化不大,为80mg/g VSS左右。SRT由3d增大到20d,LEPS表面负电荷的数值先降低后略微升高,由∣-1.59meq/g EPS∣降低到∣-0.77meq/g EPS∣,SRT为15d时,LEPS有最低的表面电荷与最强的疏水性;而TEPS表面负电荷的数值随SRT的增大而变化的幅度较小,从∣-1.26meq/g EPS∣降低到∣-0.98meq/g EPS∣。对于不同SRT的活性污泥絮体,TEPS均较LEPS表现出更强的疏水性。③论文从EPS表面性质的角度探讨EPS对活性污泥的表面性质、絮凝性能与沉降性能的影响。结果表明,污泥的表面电荷主要受絮体外层LEPS的影响,LEPS的数量与表面负电荷的增大导致污泥表面负电荷增加;TEPS的疏水性较LEPS的疏水性与污泥的疏水性有更强的相关性,但其数量与污泥的疏水性关系不大。LEPS的数量与表面负电荷的增加会导致出水悬浮固体（简称ESS）升高,而TEPS的数量和表面负电荷与活性污泥絮凝性能关系不大;两种EPS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ESS与高的重新絮凝能力（简称FA）。LEPS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,LEPS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SVI）的升高与区域沉降速率（简称ZSV）的降低。TEPS的数量同SVI与ZSV关系不大,而其疏水性同SVI与ZSV有强的相关性,疏水性的增大对应着低的SVI与高的ZSV。④论文采用高SRT（15d）与低SRT（3d）活性污泥的LEPS与TEPS分别絮凝污泥悬浮液,探讨LEPS与TEPS的絮凝特性,考察LEPS或TEPS絮凝污泥悬浮液所形成生物絮体的沉降性能。结果表明,TEPS与LEPS在生物絮凝过程中表现出不同的絮凝特性,TEPS促进颗粒物之间的聚集,LEPS不利于生物絮凝;四种EPS所形成生物絮体的SVI值随EPS投加量的增大而增大的趋势由小至大排序依次为:15dTEPS<3dTEPS<15dLEPS<3dLEPS;同时,验证了在LEPS与TEPS的数量与表面性质对活性污泥絮凝沉降性能的影响研究中得到的大部分结论。⑤论文根据活性污泥絮体以及LEPS与TEPS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。模型认为高价阳离子,特别是三价阳离子（如Al3+、Fe3+）,是活性污泥絮体形成的关键物质;LEPS和TEPS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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 胞外聚合物概述
• 1.1.1 胞外聚合物的来源
• 1.1.2 胞外聚合物的化学成分
• 1.2 胞外聚合物的提取方法
• 1.2.1 物理提取法
• 1.2.2 化学提取法
• 1.2.3 提取方法的评价方法
• 1.3 胞外聚合物对活性污泥絮凝沉降性能的影响
• 1.3.1 EPS 对污泥絮凝性能的影响
• 1.3.2 EPS 对污泥沉降性能的影响
• 1.3.3 EPS 对活性污泥表面性质的影响
• 1.4 课题的提出与研究内容
• 1.4.1 课题的提出
• 1.4.2 研究内容
• 2 超声波法与阳离子交换树脂法提取污泥胞外聚合物的研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 活性污泥的培养
• 2.1.2 人工污水的配制
• 2.1.3 反应器装置
• 2.1.4 仪器与试剂
• 2.1.5 EPS 组分的测量方法
• 2.1.6 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活性的测定
• 2.2 超声波提取活性污泥胞外聚合物的研究
• 2.2.1 超声波作用机理
• 2.2.2 超声波作用装置及提取方法
• 2.2.3 活性污泥组分与G6PD 活性
• 2.2.4 超声作用对EPS 提取液相温度的影响
• 2.2.5 外加搅拌作用对EPS 提取效果的影响
• 2.2.6 容器材质对提取效果的影响
• 2.2.7 超声波作用频率对EPS 提取效果的影响
• 2.2.8 超声波作用时间对EPS 提取效果的影响
• 2.2.9 超声波功率对EPS 提取效果的影响
• 2.3 阳离子交换树脂提取活性污泥胞外聚合物的研究
• 2.3.1 阳离子交换树脂概述
• 2.3.2 阳离子交换树脂的预处理方法及提取方法
• 2.3.3 不同类型阳离子交换树脂提取效果的比较
• 2.3.4 液相环境对提取效果的影响
• 2.3.5 分离手段对提取效果的影响
• 2.3.6 树脂投加量对EPS 提取效果的影响
• 2.3.7 搅拌速率对EPS 提取效果的影响
• 2.3.8 搅拌时间对EPS 提取效果的影响
• 2.3.9 提取过程产生的细胞破损
• 2.3.10 提取方案的确定
• 2.4 超声波—树脂法提取污泥胞外聚合物的研究
• 2.4.1 污泥样品来源与提取方法
• 2.4.2 超声波提取法与树脂提取法
• 2.4.3 超声波法与树脂法联合提取EPS
• 2.4.4 超声波—树脂法与其它提取方法的比较
• 2.4.5 超声波—树脂法对不同来源污泥EPS 的提取效果
• 2.5 小结
• 3 胞外聚合物对活性污泥絮凝沉降性能的影响研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 活性污泥系统的运行情况
• 3.1.2 LEPS 与TEPS 的提取
• 3.1.3 EPS 表面性质的测量
• 3.1.4 活性污泥表面性质的测量
• 3.1.5 活性污泥絮凝性能的测量
• 3.1.6 活性污泥沉降性能的测量
• 3.1.7 统计分析方法
• 3.2 污泥龄对胞外聚合物组分与表面性质的影响
• 3.2.1 SRT 对LEPS 组分的影响
• 3.2.2 SRT 对TEPS 组分的影响
• 3.2.3 SRT 对EPS 组成的影响
• 3.2.4 SRT 对LEPS 与TEPS 表面电荷的影响
• 3.2.5 SRT 对LEPS 与TEPS 疏水性的影响
• 3.2.6 表面电荷与疏水性的关系
• 3.2.7 不同SRT 污泥颗粒的组分与表面电荷
• 3.3 胞外聚合物及其表面性质对活性污泥絮凝性能的影响
• 3.3.1 SRT 对污泥表面性质的影响
• 3.3.2 LEPS 与TEPS 对污泥表面性质的影响
• 3.3.3 SRT 对污泥絮凝性能的影响
• 3.3.4 EPS 组成对污泥絮凝性能的影响
• 3.3.5 EPS 表面性质对污泥絮凝性能的影响
• 3.3.6 污泥表面性质对絮凝性能的影响
• 3.4 胞外聚合物及其表面性质对活性污泥沉降性能的影响
• 3.4.1 SRT 对污泥沉降性能的影响
• 3.4.2 LEPS 对污泥沉降性能的影响
• 3.4.3 TEPS 对污泥沉降性能的影响
• 3.4.4 污泥表面性质对沉降性能的影响
• 3.5 小结
• 4 胞外聚合物絮凝特性的探讨
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 污泥悬浮液的清洗
• 4.1.2 絮凝性能的测量
• 4.1.3 生物絮体沉降性能的测量
• 4.2 LEPS 与TEPS 的絮凝特性
• 4.2.1 LEPS 与TEPS 的数量与表面性质
• 4.2.2 LEPS 对生物絮凝的影响
• 4.2.3 TEPS 对生物絮凝的影响
• 4.2.4 脲素对生物絮凝的影响
• 4.2.5 EDTA 对生物絮凝的影响
• 4.2.6 阳离子种类对生物絮凝的影响
• 4.2.7 LEPS 与TEPS 的絮凝特性与SRT 的联系
• 4.3 重新絮凝生物絮体的沉降性能
• 4.3.1 阳离子种类与数量对生物絮体沉降性能的影响
• 4.3.2 EPS 类型与数量对生物絮体沉降性能的影响
• 4.4 小结
• 5 活性污泥絮体结构模型
• 5.1 絮体的结构
• 5.1.1 活性污泥絮体的结构
• 5.1.2 重新絮凝生物絮体的结构
• 5.2 絮体中大分子间的作用力
• 5.3 活性污泥絮体结构模型
• 5.4 活性污泥的絮体结构与沉降絮凝性能
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录