1 引言

　　隨著人們生活水平的不斷提高和工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，大量含磷生活污水、工業(yè)廢水排入江河湖泊中，增加了水體營養(yǎng)物質(zhì)的負荷，從而引起水體中藻類與水生植物異常繁殖，即水體的富營養(yǎng)化.隨著一級A標準的普遍實施，僅僅依靠生物除磷已難以使污水廠出水水質(zhì)滿足排放標準，而單純的化學除磷又需要專門的后續(xù)處理工藝，因此，強化生物除磷越來越受關(guān)注，化學協(xié)同除磷法順勢而生.但化學輔助除磷需要加大量的化學除磷藥劑，會引起對生物處理系統(tǒng)的破壞等問題.問題的關(guān)鍵是化學除磷藥劑會對污泥的活性產(chǎn)生一定的影響，但現(xiàn)有研究主要集中在絮凝劑對活性污泥法污水處理系統(tǒng)內(nèi)污泥的性質(zhì)和處理效果的影響，忽略了DHA和EPS在污水凈化過程中的作用及其受化學添加劑的影響.

　　脫氫酶和EPS都是由微生物自身產(chǎn)生的天然有機物，脫氫酶幫助微生物催化底物去除氫，DHA的大小反映了污泥活性的強弱;而EPS的主要成分為PN(蛋白質(zhì))和PS(多糖)，二者可在細胞外面形成一層保護膜，抵御環(huán)境中的有毒有害物質(zhì).現(xiàn)有工作只是研究了重金屬對DHA的影響，如李浩等和Wong等提出，適量的Fe3+能夠促進DHA，而過量的Fe3+則會抑制DHA，但未能將重金屬金屬陽離子對DHA的影響與污泥性質(zhì)和系統(tǒng)處理效果聯(lián)系起來探討其中的因果.近期研究表明，生物除磷不僅與聚磷菌有關(guān)系，還與生物絮體中的EPS有關(guān).如韓瑋等認為EPS是胞內(nèi)聚合磷的中轉(zhuǎn)站，在生物除磷過程中具有積極的緩沖作用.方振東等研究了EPS中磷的形態(tài)對生物除磷過程的影響，認為活性污泥的好氧吸磷和厭氧釋磷主要源自EPS中磷的含量好氧增多和厭氧減少.Huang等提出，生物磷主要以O(shè)rth-P、Pyro-P、Poly-P 3種形式存在于EPS中，聚磷菌和EPS對除磷的貢獻分別73.7%和17.6%.因此，本文深入研究投加FeSO4絮凝劑對SBBR污水處理系統(tǒng)中污泥DHA、EPS和處理效果的影響，以期為工程實際提供指導(dǎo).

　　2 材料與方法

　　2.1 試驗裝置

　　反應(yīng)器由有機玻璃制成，總高度45 cm，有效高度35 cm，外徑25 cm，內(nèi)徑19 cm，有效容積為8 L，以柱狀空心塑料顆粒作填料，頂部安裝電磁攪拌器，底部安裝充氧曝氣頭，具體見圖 1.

　　圖 1試驗裝置圖

　　反應(yīng)器在室溫(25~28℃)下運行，缺氧/厭氧攪拌和好氧曝氣交替運行，其中，缺氧/厭氧180 min(DO濃度為0.35~0.44 mg·L-1)，好氧曝氣480 min(DO濃度為2~4 mg·L-1)，沉淀40 min，閑置/出水20 min.人工排水排泥，每天兩個周期，每次排/進水2 L，污泥齡為9 d.掛膜成熟后，固著相活性污泥各項參數(shù)穩(wěn)定，膜生物量保持在2941 mg·L-1左右，后續(xù)試驗不再測定.本研究主要分析討論均是針對懸浮相活性污泥.

　　2.2 試驗用水及污泥

　　試驗中以無水醋酸鈉為碳源，氯化銨為氮源，磷酸二氫鉀為磷源人工配置進水，進水參數(shù)：COD約250 mg·L-1，TN約25 mg·L-1，TP約6 mg·L-1.試驗污泥均取自武漢市二郎廟污水處理廠的二沉池，每個反應(yīng)器的污泥量投加都是3 L.加藥前污泥的MLSS為5.155 g·L-1，MLVSS為3.408 g·L-1，MLVSS/MLSS為0.661，SVI為60.7 mL·g-1，DHA為340 mg·h-1·L-1(以TF計)，EPS為34.7 mg·g-1(以VSS計).反應(yīng)器中硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)的投加量如表 1所示，以第1天投加絮凝劑的時間作為時間零點.

　　表 1 加藥時間及加藥濃度

　　2.3 試驗藥品及檢測方法

　　本實驗所用藥品均為分析純，TP、TN、COD、MLSS、MLVSS、SVI嚴格按照國標要求檢測，DHA采用TTC比色法測定，EPS含量采用加熱法測定，EPS中PS和PN分別采用蒽酮硫酸法和考馬斯亮藍法測定.

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 FeSO4對DHA和EPS的影響

　　由圖 2a可知，污泥DHA(以每g MLVSS每小時產(chǎn)生的TF計)隨投藥量的增加先增加后下降，投藥量超過0.30 mmol·L-1時，下降顯著加快.這與現(xiàn)有研究結(jié)果一致，F(xiàn)e是微生物生長所需的微量元素之一，少量的Fe可以促進DHA，但大量的Fe則會抑制DHA.一方面是因為Fe2+的水解會消耗水中的堿度，降低污水的pH，并且Fe2+投加量越大pH降低越明顯，而一般生物酶適應(yīng)的pH范圍均在7.0左右，過低的pH自然會抑制DHA;另一方面則是因為Fe2+水解形成的膠體，這些膠體會網(wǎng)捕卷掃水中的大分子有機物及顆粒較大的無機物，包裹在微生物細胞外，影響細胞內(nèi)外O2的傳遞.

　　圖 2投加絮凝劑對污泥DHA(a)和EPS(b)的影響

　　圖 2b反映了FeSO4對污泥EPS的影響.隨著投藥量的增加，EPS總量(以MLVSS計)和PN含量(以MLVSS計)先增多后減少，在0.20 mmol·L-1時最多;PS含量(以MLVSS計)持續(xù)增多，PS與PN的比例也持續(xù)上升.這說明少量的Fe2+對EPS的分泌具有促進作用，但大量的Fe2+卻會抑制EPS的分泌，這與前人研究結(jié)果一致.污泥EPS中的羥基官能團吸附基質(zhì)中的金屬離子，進而刺激活性污泥中的微生物增加多糖的分泌，并最終導(dǎo)致EPS中多糖含量增加.而蛋白質(zhì)含量之所以會下降，有可能是因為較多的亞鐵離子會抑制活性污泥中酶的活性(陳烜等，2014)，從而使蛋白質(zhì)的分泌量減小，導(dǎo)致EPS中蛋白質(zhì)含量變低.

　　3.2 FeSO4對污泥基本性質(zhì)的影響

　　投加FeSO4后，反應(yīng)器中污泥MLSS隨著投藥量的增加而升高;MLVSS和MLVSS/MLSS均隨著投藥量的增加先升高，并在0.30 mmol·L-1時分別達到最大值4.58 g·L-1和0.702，隨后則緩慢下降(圖 3a).

　　圖 3投加絮凝劑對污泥基本性質(zhì)的影響

　　Fe2+水解會形成帶正電荷的Fe(OH)2和Fe(OH)3膠體，能夠通過電位中和與吸附架橋作用使污泥中的膠體脫穩(wěn)凝聚，進而將污水中的膠體顆粒和有機物從污水中轉(zhuǎn)移到污泥中，使活性污泥的MLSS、MLVSS升高.此外，EPS中的多糖含有大量的親水基團，是典型的松弛型EPS，具有良好的絮凝作用.由于Fe2+水解形成的膠體粒徑較小，與高價金屬離子水解形成的膠體相比更為緊實，因此，投加FeSO4后絮凝效果變好.投藥量小于0.30 mmol·L-1時MLVSS、MLVSS/MLSS均增加，說明此時EPS的絮凝作用強于鐵鹽膠體的絮凝作用;投藥量超過0.30 mmol·L-1時雖然SVI迅速下降，但MLVSS、MLVSS/MLSS也略有降低，說明此時EPS的絮凝作用受到削弱(Li et al.，2012)，良好的絮凝效果應(yīng)主要歸功于鐵鹽膠體的絮凝作用，這與之前分析一致.投藥量小于0.30 mmol·L-1時MLVSS、MLVSS/MLSS均增加，說明此時EPS的絮凝作用強于鐵鹽膠體的絮凝作用，與之前分析一致.

　　3.3 FeSO4對SBBR處理效果的影響

　　啟動期結(jié)束后，反應(yīng)器出水各項指標均已達到穩(wěn)定，出水COD、TN、TP濃度分別在45.26、9.46、1.25 mg·L-1左右(圖 4a)，可繼續(xù)后續(xù)實驗.

　　圖 4 FeSO4對SBBR反應(yīng)器處理效果的影響

　　投加FeSO4后出水COD在50~60 mg·L-1，去除率在70%~80%(圖 4b).COD的去除率比較低，說明FeSO4對COD的去除有輕微抑制.這是因為Fe2+的水解消耗了污水中的堿度，使污水pH降低，降低了細胞活性;而且Fe2+形成的緊實膠體吸附了水中的有機物卻難以通過沉淀去除，因此，會使水中的殘留COD增加.此外，F(xiàn)e2+促進微生物對PS的分泌，而由PS形成的膠體結(jié)構(gòu)松散且結(jié)合水較多(Li et al.，2012)，阻礙了細胞的傳質(zhì)作用.

　　SBBR污水處理系統(tǒng)中生物脫氮機理如式(1)~(4)所示.Wang等(和Wang等(一致認為，F(xiàn)e2+的水解消耗了水中的堿度，抑制了硝化進程，會使TN去除率降低，這與圖 4c結(jié)論一致.

　　(1)

　　(2)

　　(3)

　　(4)

　　化學協(xié)同生物除磷包括生物除磷和化學除磷兩部分，生物除磷主要是通過聚磷菌的好氧吸磷和厭氧釋磷來實現(xiàn)，化學除磷則是通過化學沉淀和Fem(OH)np+多核絡(luò)合物的吸附.隨著FeSO4投加量的增加，SBBR出水TP濃度逐漸降低，并在0.30 mmol·L-1時降至最低，之后則出現(xiàn)上升(圖 4d).

　　Wong等認為，生物除磷量與聚磷細胞的數(shù)量正相關(guān).而Zhang等和Huang等認為，化學協(xié)同生物除磷中生物除磷起主導(dǎo)作用，生物磷主要以O(shè)rth-P、Pyro-P、Poly-P 3種形式存在于細胞EPS中.由此可見，出水TP濃度既與污泥濃度有關(guān)，又與污泥活性有關(guān).投藥量小于0.30 mmol·L-1時，F(xiàn)e2+的增加使污泥濃度升高，且細胞活性增強、PS的比例增大，生物除磷得到加強，出水TP濃度減小.投藥量超過0.30 mmol·L-1時，雖然PS的比例在增大，但由于污泥濃度和細胞活性的下降，生物除磷受到抑制，出水TP濃度增大.因此，投加FeSO4所引起的TP去除效果的改善應(yīng)主要歸功于化學除磷.

　　由圖 4d可知，投藥量為0.30 mmol·L-1時，SBBR出水平均TP濃度為0.40 mg·L-1，達到一級A排放標準，平均去除率高達93.8%.此時，消耗的Fe和去除的P的質(zhì)量比為2.79，與Wang等得到的2.99基本一致.這也再次證明，投藥量為0.30 mmol·L-1時，F(xiàn)e2+對生物除磷具有促進作用.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)論

　　1) 少量的FeSO4對細胞活性和EPS的分泌有促進作用，但大量的FeSO4對細胞活性和EPS的分泌均有明顯的抑制作用.

　　2) FeSO4會使污泥的SVI值顯著降低，大大改善污泥的沉降性能;少量的FeSO4會使MLVSS升高，大量的FeSO4則會使MLVSS降低;MLSS則隨著FeSO4投加量的增加緩慢上升.

　　3) FeSO4對COD、TN的去除有輕微抑制作用，對TP的去除具有顯著促進作用.

　　4) 綜合考量各方面因素，投加FeSO4協(xié)同生物除磷時，其最佳投加量為0.30 mmol·L-1.