低有机负荷条件下EPS在污泥颗粒化进程中的变化规律及其作用机制

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针对实际生活污水COD普遍偏低的特点以及以生活污水培养好氧颗粒污泥的研究较少的现状,本研究在SBR反应器中利用低有机负荷(0.63 kg COD m-3·d-1)的模拟生活污水完成对好氧颗粒污泥的培养。在好氧污泥颗粒化进程中,定期监测污泥的物化特性并提取污泥胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS),研究低有机负荷条件下污泥EPS的分泌特性及其变化规律,并解析其对于好氧污泥颗粒化的影响机制。主要研究结果如下:(1)在低有机负荷条件下,污泥的颗粒化进程缓慢,在第38 d好氧颗粒污泥开始形成,直至第93 d才实现完全颗粒化。驯化期污泥为黄褐色絮体,平均粒径为72.37μm;形成期出现黄白色颗粒状污泥,且颗粒逐渐增大;成熟期,颗粒污泥的结构密实紧凑,平均粒径达到1254.7μm;驯化期,污泥沉降性能较差,对有机污染物COD的去除率由初始的80%90%降至79.2%,氨氮去除率由初始的99.48%降至45.21%;形成期,污泥沉降性能逐渐变好,对COD、氨氮的去除率逐渐升高;成熟期,颗粒污泥SVI值为75.00±3 mL·g-1,对COD去除率为95%左右,氨氮去除率稳定在97.45%以上,具有良好的沉降性能和污染物去除效能。(2)污泥颗粒化过程中,EPS含量呈先增长后下降的变化规律。初始污泥EPS含量为76.13 mg·g-1 MLSS。颗粒形成期,EPS含量迅速增长,增至223.03 mg·g-1MLSS,对颗粒污泥形成起到促进作用。颗粒成熟期EPS含量逐渐减小,但仍比驯化期EPS含量高,以维持颗粒污泥的紧密结构不失稳。蛋白(Proteins,PN)在EPS中含量最高,且其含量变化规律与EPS总量变化规律一致。颗粒成熟期PN含量约是初始污泥PN含量的两倍,对污泥颗粒化及维持颗粒稳定性起重要作用。EPS中多糖(Polysaccharide,PS)含量变化不明显。(3)荧光特性检测显示,EPS的主要荧光特性组分是芳香族类蛋白质和溶解性微生物代谢产物。在颗粒化过程中,各组分类型没有改变,但含量有显著变化。其中芳香族蛋白质类荧光峰的荧光强度始终高于其它峰,是促进污泥颗粒化的重要物质;红外谱图显示,颗粒化过程中EPS的主要官能团类型没有发生较大变化;XPS能谱分析,成熟颗粒污泥EPS中含量最高的元素依次为O,C,N,其中C-O,C=O,-NH2等是EPS的主要化学基团;污泥颗粒化过程各时期EPS分子量分布在3.33113.20 kD范围内,颗粒化进程中EPS主要有机物质的分子量逐渐减小,驯化期时42.79 kD,形成期时34.97 kD,成熟期时29.20 kD;经树脂分级分析,EPS各分级组分中疏水酸性物质HOA与疏水中性物质HON之和占EPS总量的60%80%。颗粒形成期,HOA与HON含量均逐渐增多,成熟期各组分含量关系HOB30/SV5之间均呈现显著正相关,说明EPS各组分在污泥颗粒化进程中起到明显的促进作用。(5)低有机负荷条件下,在进水基质中添加淀粉,模拟颗粒性碳源对好氧污泥颗粒化的影响。发现适当比例(25%)的颗粒性碳源能够刺激污泥EPS更快分泌,加快好氧污泥颗粒化,第56 d,污泥即完全颗粒化,平均粒径为619.6μm,EPS含量最高增长至170.23 mg·g-1 MLSS。相比溶解性碳源条件,污泥颗粒化周期缩短,但成熟颗粒污泥粒径较小。提升基质中淀粉比例,颗粒污泥稳定性变差,EPS的含量减少,颗粒污泥沉降性能、对污染物的去除效能均变差。说明颗粒性碳源在基质中比例过高(>50%)不利于颗粒污泥的稳定运行。
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