王然登,程戰(zhàn)利,彭永臻,*,王淑瑩(.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 50090；.北京工業(yè)大學(xué),北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心,北京 004)

強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)中胞外聚合物的特性

王然登1,程戰(zhàn)利1,彭永臻1,2*,王淑瑩2(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090；2.北京工業(yè)大學(xué),北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心,北京 100124)

胞外聚合物(EPS)在生物除磷過程中具有蓄磷能力,為進(jìn)一步明確生物除磷系統(tǒng)中的EPS特性,以不具有明顯除磷能力的全程好氧活性污泥系統(tǒng)(R1)的EPS作為對(duì)比,考察了具有良好除磷效果的厭氧/好氧交替下的強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)(R2)中EPS的理化特性.結(jié)果表明,相對(duì)于R1中的EPS主成分在一個(gè)周期內(nèi)的不固定,R2中的蛋白質(zhì)含量一直明顯高于多糖含量;兩者的主要熒光物質(zhì)均為類蛋白質(zhì)和類富里酸,但在好氧末期R2中類蛋白質(zhì)的熒光強(qiáng)度高于R1; R1的EPS中Ca2+> Mg2+,而在R2中, Mg2+>Ca2+,同時(shí)R1中的Ca2+含量平均值為8.67mg/gMLSS,大于R2中Ca2+的平均值2.40mg/gMLSS;在好氧末期,R2中的TP為21.65mg/gMLSS,明顯高于R1中的TP含量(13.83mg/g-MLSS).此外,R1和R2的zeta電位平均值分別為-36mV和-25mV.由此可見, EBPR系統(tǒng)中的EPS具有與全程好氧活性污泥中的EPS不同的特征.

強(qiáng)化生物除磷；胞外聚合物；三維熒光激發(fā)-發(fā)射光譜；金屬離子；zeta電位

強(qiáng)化生物除磷(EBPR)工藝采用厭氧/好氧的方式運(yùn)行,以系統(tǒng)中富集的聚磷菌(PAOs)所具有的“超量”吸磷特性來達(dá)到將污水中磷去除的目的,因其經(jīng)濟(jì)性和高效性在污水處理廠得到了廣泛的應(yīng)用[1].PAOs的生化反應(yīng)過程包括:1)厭氧條件下,PAOs利用體內(nèi)多聚磷酸鹽(Me-polyP, Me主要為K+,Mg2+,Ca2+)分解所釋放的能量及糖原所提供的還原力吸收溶液中的揮發(fā)酸(VFA)并將其轉(zhuǎn)化為聚羥基丁酸鹽(PHA),同時(shí)MepolyP分解所產(chǎn)生的MeHPO4/MeH2PO4被轉(zhuǎn)移到體外,表現(xiàn)為,溶液中的COD降低,正磷酸鹽(Pi)和K+,Mg2+,Ca2+含量增加;2)好氧條件下, PAOs體內(nèi)儲(chǔ)存的PHA氧化分解產(chǎn)生能量,將污水中的Pi及K+,Mg2+,Ca2+吸收到體內(nèi)并合成Me-polyP,從而去除污水中磷[2].

細(xì)菌的胞外聚合物(EPS)作為污水生物處理系統(tǒng)污泥中的重要組成部分,具有維持絮體污泥及顆粒污泥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,對(duì)系統(tǒng)的處理效果具有重要的作用[3].通常關(guān)于EPS特性的研究主要集中在EPS的組成成分及含量比例、熒光光譜特性和帶電性,以及這些特性的改變對(duì)絮體污泥的沉降性,顆粒污泥的形成情況及膜組件的污染情況的影響[4].研究發(fā)現(xiàn)EPS中主要以多糖和蛋白質(zhì)為主,多糖和蛋白質(zhì)的比例變化可能會(huì)影響到EPS的疏水性及帶電性,改變污泥的物理特性[5].近年來一些研究發(fā)現(xiàn)在生物除磷系統(tǒng)中污泥的EPS中貯存有一定量的磷,認(rèn)為除PAOs對(duì)P的去除作用外, EPS對(duì)P也有一定的去除[6-7].目前針對(duì)EBPR系統(tǒng)中EPS特性的研究較少, 鑒于生物除磷獨(dú)特的生化反應(yīng)過程,其中的EPS特性也會(huì)有所不同,因此有必要對(duì)生物除磷系統(tǒng)中EPS的理化特性進(jìn)行深入研究.本研究以不具有明顯除磷能力的全程好氧活性污泥系統(tǒng)為參照,考察了具有良好除磷效果的EBPR系統(tǒng)中的EPS的理化特性,以期為EBPR系統(tǒng)中EPS的特性研究提供更全面的信息.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行方式

采用兩個(gè)相同構(gòu)型的小試SBR反應(yīng)器(R1,R2),反應(yīng)器為有機(jī)玻璃圓柱體,高400mm,直徑150mm,總?cè)莘e為6L.兩個(gè)反應(yīng)器每周期6h,每天運(yùn)行4個(gè)周期,每周期進(jìn)水3L,周期末排水3L.R1的運(yùn)行方式為全程好氧(295min),R2以厭氧(85min)/好氧(210min)交替的方式運(yùn)行,進(jìn)水時(shí)間均為5min,沉淀30min、排水10min、靜置10min.由時(shí)間控制器控制反應(yīng)器具體的運(yùn)行程序.每天在第二個(gè)周期末排出泥水混合物100mL.全程采用攪拌器進(jìn)行混合攪拌,轉(zhuǎn)速為150～180r/min.曝氣采用微孔曝氣砂頭進(jìn)行,曝氣量控制在0.16m3/h.溫度控制在(23±2)℃.

1.2 試驗(yàn)用水及接種污泥

采用人工模擬廢水作為反應(yīng)器進(jìn)水.進(jìn)水以丙酸鈉和乙酸鈉作為碳源,氯化銨作為氮源,磷酸二氫鉀作為磷源,硫酸鎂和無水氯化鈣分別作為鎂源和鈣源.每升配水中各個(gè)成分的投加量及相應(yīng)的指標(biāo)濃度如表1所示.同時(shí)每升水中加入1mL的微量元素液[8].接種污泥取自哈爾濱市某城市污水處理廠.

表1 試驗(yàn)?zāi)M廢水成分含量及指標(biāo)濃度Table 1 Quantity and concentration of synthetic wastewater in the experiment

1.3 檢測指標(biāo)及分析方法

1.3.1 常規(guī)指標(biāo)的測定 MLSS、SVI 及水溶液中PO43--P的測定采用國家標(biāo)準(zhǔn)測定方法[9].

1.3.2 EPS的提取及測定 EPS的提取采用熱提取法,具體方法參考蔡春光等[10]的研究,在一個(gè)周期的不同反應(yīng)階段取10mL污泥混合液,在 4℃,2000g下離心10min,棄去上清液后,加入去離子水至原體積,混合均勻后將混合液80℃恒溫水浴中60min,每隔一段時(shí)間搖晃一下.加熱結(jié)束后12000g離心10min.離心后的上清液經(jīng)0.45μm的濾膜過濾,過濾后的上清液作為提取后的EPS溶液進(jìn)行成分測定分析.

EPS中多糖的測定采用苯酚-硫酸法[11],蛋白質(zhì)的測定采用修訂的Lowery法[12].

1.3.3 離子的測定 EPS溶液中Ca2+、Mg2+及TP的測定采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Perkin Elmer, Wellesley, MA, USA, Optima2000).

1.3.4 三維熒光光譜分析 對(duì)于EPS中熒光物質(zhì)的測定采用日立FP-6500三維熒光光譜儀進(jìn)行,激發(fā)光以5nm為間隔在220～450nm光譜范圍內(nèi)進(jìn)行掃描,發(fā)射光以1nm為間隔在250～ 600nm的光譜范圍內(nèi)進(jìn)行掃描.

1.3.5 Zeta電位的測定 Zeta電位的測定采用zeta電位測定儀(Zetasizer 2000, Malvern, UK).

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器的運(yùn)行情況

如圖1所示,一個(gè)穩(wěn)定周期內(nèi)R1溶液中的PO43--P的濃度一直在12mg/L左右波動(dòng),反應(yīng)末期出水中的PO43--P的濃度為11.63mg/L,系統(tǒng)幾乎沒有除磷能力,這是因?yàn)镽1全程好氧,不具有富集PAOs的優(yōu)勢運(yùn)行條件.而R2中厭氧/好氧的運(yùn)行方式與PAOs的代謝特性相符,有利于富集PAOs,溶液中的PO43--P的濃度表現(xiàn)為厭氧段增加,好氧段減少的趨勢.厭氧末溶液中PO43--P達(dá)到了75.47mg/L,好氧90min后溶液中的PO43--P含量降低為0.3mg/L,好氧末期出水中幾乎沒有PO43--P的存在.R1和R2系統(tǒng)分別具有了全程好氧的活性污泥特征和良好的EBPR污泥特征,具備了本研究所需要的條件.

圖1 一個(gè)周期內(nèi)R1和R2溶液中的PO43--P的變化情況Fig.1 Variations of PO43--P concentration in R1 and R2 solution during one cycle

2.2 EPS中多糖和蛋白質(zhì)含量的對(duì)比

圖2 R1和R2中一個(gè)周期內(nèi)EPS中多糖和蛋白質(zhì)的變化情況Fig.2 Variations of protein and polysaccharides in EPS from R1and R2 during one cycle

為對(duì)比研究R1和R2系統(tǒng)中的EPS特征,對(duì)R1和R2兩個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定周期內(nèi)污泥中EPS的變化情況進(jìn)行了測定.如圖2所示,整體上R1中的EPS主成分(多糖和蛋白質(zhì))不固定,而R2中EPS的蛋白質(zhì)含量明顯高于多糖含量.一個(gè)周期內(nèi)的具體變化情況為,在R1的反應(yīng)初期,EPS中的蛋白質(zhì)含量(54.95mg/gMLSS)低于多糖含量(62.22mg/gMLSS),在40min時(shí)多糖的含量稍有增加,在85min時(shí),多糖和蛋白質(zhì)的含量均明顯增加,分別為77.90,92.17mg/gMLSS,此時(shí),蛋白質(zhì)的含量高于了多糖的含量.此后兩者的含量均有所減少,到反應(yīng)末期,蛋白質(zhì)的含量為59.08mg/ gMLSS,略低于多糖的量60.42mg/gMLSS. R1中整個(gè)周期內(nèi)EPS變化情況可能與微生物在飽食情況下分泌EPS,而在饑餓條件下消耗EPS有關(guān).而在整個(gè)周期內(nèi)R2中蛋白質(zhì)的含量一直高于多糖含量,厭氧末期(85min),多糖和蛋白質(zhì)的含量分別為31.75,50.58mg/gMLSS,相對(duì)于反應(yīng)初期只有少量的增加,此后好氧段的多糖和蛋白質(zhì)含量有了明顯的增加,反應(yīng)末期多糖和蛋白質(zhì)的含量分別為47.93,62.89mg/gMLSS.由此可見,R1和R2兩個(gè)系統(tǒng)中的EPS在一個(gè)周期內(nèi)的變化情況不同.由于R2系統(tǒng)具有良好的生物除磷效果,而EBPR過程EPS作為細(xì)胞體與水溶液進(jìn)行離子(Ca2+,Mg2+,K+,各種形態(tài)的磷)傳遞的通道,離子的轉(zhuǎn)移過程需要更多轉(zhuǎn)移蛋白,或需要一些酶參與聚磷酸鹽在體外的后期的分解或初步合成反應(yīng)等,故而會(huì)有更多的蛋白質(zhì)分泌到體外EPS中參與轉(zhuǎn)移過程.

2.3 EPS的三維熒光特性的對(duì)比

圖3 R1和R2中EPS的三維熒光光譜特性對(duì)比Fig.3 3D EEM spectra of EPS from R1 and R2

由圖3可知, R1和R2反應(yīng)末期的EPS三維熒光光譜中都有3個(gè)明顯的熒光峰,其中,Peak A: Ex/Em=225～240/340～350(類蛋白熒光峰), Peak B: Ex/Em=260～290/300～350(色氨酸類熒光峰),這兩種熒光峰與胞外聚合物中的芳環(huán)氨基酸結(jié)構(gòu)有關(guān); Peak C: Ex/Em=240～300/420～470(類富里酸熒光峰),Peak D:Ex/Em=330～360/400～450(類胡敏酸熒光峰),與EPS中的羧基和羰基結(jié)構(gòu)有關(guān)[13].這說明,雖然R1和R2的運(yùn)行情況不同,但其EPS中的組分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)是基本相同的.從各熒光峰的熒光強(qiáng)度看,兩者中的熒光物質(zhì)主要成分均為類蛋白質(zhì)物質(zhì),其次為類富里酸.但R2中類蛋白質(zhì)熒光峰所對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度要高于R1中EPS所對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度,說明R2中EPS所含有的熒光物質(zhì)濃度更高.這與上文R1和R2在好氧末期EPS中的蛋白質(zhì)含量大小相符合.此外在強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)的EPS中的富里酸熒光峰的強(qiáng)度低于全程好氧系統(tǒng)中EPS的熒光強(qiáng)度,關(guān)于這一現(xiàn)象還沒有相關(guān)的報(bào)道,至于富里酸在強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)中的作用還有待進(jìn)一步深入研究.

2.4 EPS中Ca2+,Mg2+和TP含量的對(duì)比

由圖4可見,在整個(gè)周期內(nèi)R1的EPS中的Mg2+變化并不明顯,而Ca2+在反應(yīng)前期逐漸增加,在85min時(shí)達(dá)到最高(Ca2+=13.31mg/gMLSS, Mg2+=3.05mg/gMLSS),此時(shí)也是EPS含量最多的時(shí)期(圖2),也就是說Ca2+會(huì)隨著EPS含量的增加而增加,而Mg2+只有微弱的增加.在此后的反應(yīng)過程中Ca2+和Mg2+的濃度逐漸降低,分別為5.78,2.16mg/gMLSS,TP的含量為13.83mg/ gMLSS.在整個(gè)變化過程中Ca2+的含量一直高于Mg2+.這可能與進(jìn)水中的Ca2+濃度大于Mg2+濃度有關(guān),因?yàn)镋PS對(duì)金屬離子具有一定的吸附作用,且金屬離子在EPS具有架橋作用可維持EPS的三維空間結(jié)構(gòu)構(gòu)型.在R2中前85min內(nèi)(厭氧段),EPS中的Ca2+, Mg2+和TP的含量幾乎沒有變化,厭氧末它們的含量分別為2.02,2.34, 12.13mg/gMLSS.在接下來的好氧段,EPS中的Ca2+,Mg2+的量均有所增加,分別為2.89,4.28mg/ gMLSS, TP的含量可達(dá)到21.65mg/gMLSS.在整個(gè)變化過程中Ca2+的含量始終低于Mg2+的含量.通常,活性污泥系統(tǒng)的EPS中的Ca2+濃度高于Mg2+[14-15],而該EBPR系統(tǒng)EPS中的Mg2+含量卻高于Ca2+,其背后的原因可能與PAOs的代謝過程有關(guān),PAOs代謝過程中Mg2+的需要量大于Ca2+[16],而MeHPO4的釋放及吸收都要經(jīng)過EPS轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外或進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi),此過程中可能會(huì)有部分Me被截留在了EPS中,由于MgHPO4的量大于CaHPO4,那么Mg2+的截留量可能會(huì)高于Ca2+.同時(shí)這也可能與EBPR系統(tǒng)中EPS的特性有關(guān),如EBPR系統(tǒng)中EPS的主成分為蛋白質(zhì),其含量明顯高于多糖,而全程好氧的活性污泥系統(tǒng)中EPS以多糖為主.另外,R1中的Ca2+含量平均值為8.67mg/gMLSS,大于R2中Ca2+含量的平均值2.40mg/gMLSS,這表明Ca2+在兩個(gè)系統(tǒng)中的作用有所不同,或由于兩個(gè)系統(tǒng)中的EPS的成分含量不同,其對(duì)Ca2+的吸附量也不同.確切原因還需后期進(jìn)一步的研究.同時(shí),在好氧末期EPS中儲(chǔ)存的P含量為21.65mg/gMLSS,明顯高于R1中的TP含量(13.83mg/gMLSS).由此表明,EBPR系統(tǒng)中好氧段有一部分P聚集在了EPS中,而不是完全轉(zhuǎn)移到聚磷菌細(xì)胞體內(nèi).

圖4 R1和R2中EPS內(nèi)的Ca2+,Mg2+和P的情況Fig.4 The contents of Ca2+, Mg2+and P in the EPS matrix from R1 and R2

2.5 EPS的zeta電位在一個(gè)周期內(nèi)的變化情況

EPS是包裹在微生物表面的一種黏性物質(zhì),其zeta電位的高低會(huì)改變微生物之間的靜電斥力,影響到微生物之間的聚集特性[17].由圖5可以看出,兩個(gè)系統(tǒng)中的zeta電位均呈負(fù)值, R1的zeta電位平均值為-35mV,明顯低于R2的 zeta電位平均值(-23mV).由于蛋白質(zhì)中氨基基團(tuán)帶有正電荷,可以中和一些多糖中的羥基和磷酸根基團(tuán)所帶的負(fù)電荷[18],王浩宇等[19]研究也發(fā)現(xiàn)zeta電位與EPS中的蛋白質(zhì)/多糖的比值呈正相關(guān).而本研究中R2的蛋白質(zhì)/多糖比值大于R1中的蛋白質(zhì)/多糖比值,這與R2的zeta電位高于R1的測定結(jié)果相一致.由于電位的差別,與R1相比,R2中EPS將降低污泥表面的靜電斥力有利于污泥之間的聚集. 本試驗(yàn)中R1和R2中的污泥容積指數(shù)分別為108,67mL/g.由此看來,EBPR系統(tǒng)中的污泥聚集特性更好一些,這可能是由于該系統(tǒng)中的EPS中以蛋白質(zhì)為主,且其zeta電位值較高,有利于污泥的聚集.

圖5 R1和R2中EPS的zeta電位Fig.5 Zeta potential of EPS from R1 and R2

3 結(jié)論

3.1 EBPR系統(tǒng)中的EPS主成分比較穩(wěn)定,以蛋白質(zhì)為主,其中的主要熒光物質(zhì)為類蛋白質(zhì)和類富里酸.

3.2 EBPR系統(tǒng)的EPS中Mg2+含量高于Ca2+,其中的Ca2+含量相對(duì)較低,且其中積聚有一定的磷,好氧末EPS中的TP含量為21.65mg/g-MLSS;

3.3 EBPR系統(tǒng)中EPS的zeta電位為-23mV,污泥SVI為67mL/g,其污泥聚集沉降性能優(yōu)于全程好氧不具有明顯生物除磷能力的系統(tǒng).

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《中國環(huán)境科學(xué)》獲評(píng)“2012中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”

2012年12月,《中國環(huán)境科學(xué)》被評(píng)為“2012中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”.

“中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”是中國科學(xué)文獻(xiàn)計(jì)量研究中心、清華大學(xué)圖書館依據(jù)《CAJ國際引證報(bào)告》,按2011年度中國學(xué)術(shù)期刊被SCI期刊、SSCI期刊引用的總被引頻次排序并經(jīng)40多位期刊界專家審議,遴選出的TOP5%期刊.獲評(píng)“中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”的科技類期刊共156種.統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,從定量分析的角度看,“中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”的國際影響力已經(jīng)達(dá)到國際中等以上水平,跨入了國際品牌學(xué)術(shù)期刊行列.

《中國環(huán)境科學(xué)》編輯部

Characteristics of EPS taken from an enhanced biological phosphorus removal system.

WNAG Ran-deng1, CHENG Zhan-li1, PENG Yong-zhen1,2*, WANG Shu-ying2(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2838～2843

EPS could act as a reservoir for phosphorus in biological phosphorus removal process. To better understand the physicochemical properties of EPS in the biological phosphorus removal system, two types of EPS taken from the systems that operated complete aerobically with little phosphorus removal ability (R1) and alternative anaerobically/aerobically with excellent phosphorus removal efficiency (R2) were studied. Results showed that protein was predominant in the EPS of R2, while the EPS from R1 was dominated by polysaccharides. Protein-like fluorophores and fulvic acid-like fluorophores were the main EEM spectra in both EPS types, whereas the fluorescence intensity of protein-like substances in R2 was higher than that of R1 at the end of aerobic phase. The content of Ca2+was higher than Mg2+in R1, while it was opposite in R2. Meanwhile, the average value of Ca2+in R1 was 8.67mg/g-MLSS, higher than that of R2 (2.40mg/gMLSS) and the TP contents of R2 (21.65mg/gMLSS) was much higher than that in R1 (13.83mg/gMLSS) at the end of aeration. In addition, the zeta potential of R1 (-35mV) was more negative than that in R2 (-23mV).These results demonstrated that the characteristics of EBPR system was different from the complete-aerobic sludge system.

enhanced biological phosphorons removal；extracellular pohymeric substances；three-dimensional excitation-emission matrix；metal cations；zeta potential

X703.1

A

1000-6923(2014)11-2838-06

王然登(1985-),女,河南洛陽人,哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生,主要從事污水生物除磷及好氧顆粒污泥研究.發(fā)表論文4篇.

2014-02-28

國家“863”項(xiàng)目

* 責(zé)任作者, 教授, pyz@bjut.edu.cn