周曉華，潘楊，陳茜茜，鄧猛，鄭瑩，夏健偉

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污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝中EPS對生物除磷的作用

周曉華1,2，潘楊1,2，陳茜茜1，鄧猛1，鄭瑩1,2，夏健偉3

(1蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇蘇州215009；2蘇州科技大學環(huán)境生物技術(shù)研究所，江蘇蘇州215009；3蘇州市環(huán)境應急與事故調(diào)查中心，江蘇蘇州215002)

采用新型強化生物除磷工藝——污泥轉(zhuǎn)移SBR處理合成廢水，探討胞外聚合物（EPS）在工藝強化除磷過程中的作用。當污泥轉(zhuǎn)移量為0、15%及30%時，污泥中的EPS含量分別為（108.14±9.68）mg·(g MLSS)-1、（128.17±1.45）mg·(g MLSS)-1和（123.35±22.98）mg·(g MLSS)-1；工藝的除磷率分別為82.14%±0.85%、96.35%±1.25%及98.99%±0.98%，反應末端EPS中TP含量占污泥中TP的比重分別為27.9%±2.55%、57.23%±2.33%和63.88%±2.87%。此外，污泥中EPS在該工藝的好氧吸磷過程中吸磷量分別為（2.04±0.32）mg·(g MLSS)-1、（5.90±0.38）mg·(g MLSS)-1和（6.00±0.52）mg·(g MLSS)-1，在污泥吸磷量中的貢獻率 均達到90%以上。研究結(jié)果表明：污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝中隨著污泥轉(zhuǎn)移量的增大有利于提高EPS中的磷含量， 從而提升了工藝的除磷性能，EPS在該工藝的吸磷過程中起主要作用。但污泥轉(zhuǎn)移對污泥中EPS含量影響不 顯著。

污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝；胞外聚合物；生物除磷；廢水；吸附；回收

引 言

對于強化生物除磷工藝（enhanced biological phosphorus removal，EBPR）來說，目前大部分研究者[1-2]認為，強化生物除磷過程是通過厭氧/好氧條件交替運行富集聚磷微生物，并借助聚磷微生物細胞內(nèi)部聚磷酸鹽、聚羥基烷酸酯和糖原的合成代謝，對廢水中的磷進行有效去除。但是近年來有研究[3]認為胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）參與了生物除磷過程。Cloete等[4]首先在研究中發(fā)現(xiàn)EPS中含有27%～30%的磷，此后Zhou等[5]及Fang等[6]相繼在研究中發(fā)現(xiàn)EPS中含有相當數(shù)量的磷，分別為15%～18%及34%～57%，明確了EPS具有一定的儲磷能力，并認為EPS是污泥絮體中的磷庫。然而EPS在生物除磷過程中起到的何種作用觀點不一，Wang等[7]研究發(fā)現(xiàn)EPS在生物除磷過程中充當細胞與液相的中轉(zhuǎn)通道起到緩沖的作用；Zhang等[8]研究發(fā)現(xiàn)EPS中磷含量在生物除磷過程中的釋磷及吸磷趨勢與污泥中磷含量一樣，但EPS在吸磷過程中的吸磷量僅為污泥吸磷量的19.78%；而Long等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)EPS參與了生物除磷過程，并且在系統(tǒng)的除磷體系中發(fā)揮了重要作用。上述研究中，不同學者得到的結(jié)論雖然有差異性，但都認為EPS參與了生物除磷，而差異性主要體現(xiàn)在EPS在生物除磷過程中所起到的作用。

污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝是Huang等[11]以CAST工藝為基礎(chǔ)提出的新型EBPR工藝，由前置的厭氧生物選擇器與數(shù)個并聯(lián)運行的SBR主反應器構(gòu)成。厭氧生物選擇器的功能是利用基質(zhì)濃度差實現(xiàn)聚磷微生物的動態(tài)篩選，交替運行的SBR反應器之間以污泥回流的方式將處于沉淀階段的SBR反應器中的活性污泥經(jīng)厭氧生物選擇器連續(xù)轉(zhuǎn)移至反應階段的SBR反應器中。從而實現(xiàn)在并聯(lián)SBR反應器間，處于反應階段的SBR生物量增多，而沉淀階段的SBR污泥量減少，從而提高容積利用率和反應器的運行穩(wěn)定性及除污性能[12-13]。

本文以污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝為研究對象，通過考察污泥轉(zhuǎn)移對活性污泥中EPS含量以及EPS中磷含量的影響，探討EPS在生物除磷過程的作用，詮釋新工藝的除磷機制。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

圖1為污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝試驗裝置。污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝由1個厭氧生物選擇器和3個以A/O方式交替運行的SBR反應器構(gòu)成，每個SBR反應器底部設(shè)有一個泥斗。生物選擇器的有效體積為4.8 L，每個SBR反應器的有效體積為16.8 L。SBR反應器中設(shè)有攪拌及曝氣裝置，進水和污泥轉(zhuǎn)移通過3臺蠕動泵控制，所有控制閥和蠕動泵的啟閉均采用PLC實現(xiàn)自動控制。

圖1 污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝裝置

污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝的運行過程為：①污水與處于沉淀階段的SBR反應器C中的回流污泥進入?yún)捬跎镞x擇器（釋磷），然后進入SBR反應器A；②SBR反應器A首先開啟攪拌（缺氧反硝化），隨后開啟曝氣裝置實現(xiàn)去碳、除磷等功能（攪拌及曝氣時間視具體工況需要而定）；③SBR反應器A反應結(jié)束后進入沉淀撇水階段，通過蠕動泵從底部回流至厭氧選擇器。SBR反應器A完成一個周期循環(huán)。生物選擇器為連續(xù)運行，3個SBR按時序交替運行，保持系統(tǒng)進水和污泥回流的連續(xù)性。以污泥回流量與進水流量之比（污）表征污泥轉(zhuǎn)移量。

1.2 原水水質(zhì)及試驗方法

污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝接種的污泥來自于蘇州市某污水處理廠以氧化溝工藝為主體的脫氮除磷工藝的好氧段末端。試驗期間，水源是以學校附近的生活污水為基礎(chǔ)的合成廢水，投加丙酸鈉和磷酸二氫鉀補充碳源及磷源。其水質(zhì)情況如下：COD為230～450 mg·L-1，氨氮為10～50 mg·L-1，磷酸鹽為4～6 mg·L-1，pH為6.5～8.5，溫度為23～30℃。3個并聯(lián)運行的SBR主反應器在時間上實現(xiàn)連續(xù)進水，運行周期4.8 h（攪拌進水30 min，曝氣進水66 min，曝氣反應32 min，沉淀撇水160 min），充水比為46%，容積負荷為0.48～0.94 kg COD·(m3·d)-1，采用半限制性曝氣DO＞1 mg·L-1，泥齡為10 d，污分為0、15%、30% 3個階段（污為0時按傳統(tǒng)SBR工藝A/O方式運行），試驗歷時9～10個月，下述試驗數(shù)據(jù)為均值。

1.3 測定項目及方法

利用歐洲標準測試測量組織提出的SMT協(xié)議分別測定污泥及細胞中TP含量，具體的測定方法見圖2；利用差減法計算出EPS中TP含量，EPS中TP含量的具體測算公式如下

圖2 SMT流程

EPS的提取采用甲醛-氫氧化鈉法[14]；蛋白質(zhì)（PN）采用考馬斯亮藍法；多糖（PS）采用苯酚硫酸法；DNA采用二苯胺法。其他水質(zhì)指標為：CODCr采用重鉻酸鉀法；NH4-N采用納氏試劑分光光度法；NO3-N采用氨基磺酸紫外分光光度法；NO2-N采用-(1-萘基)-乙二胺光度法；TP采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法；MLSS采用Myratek污泥濃度測定儀測定；DO和pH采用inlab OXI7300溶氧儀/ inlab OXI7300 pH計測定。其他參數(shù)均參照《水和廢水監(jiān)測標準分析方法》[15]。

2 試驗結(jié)果

2.1 污泥轉(zhuǎn)移對工藝除磷性能的影響

由表1可以看出，厭氧時反應器中液相的TP濃度升高，好氧時TP濃度降低，說明在厭氧時污泥絮體中的磷進行了釋放，在好氧時發(fā)生了磷的吸收；且污為0、15%及30%時，工藝對進水中TP的平均去除率分別為82.14%±0.85%、96.35%± 1.25%及98.99%±0.98%，即該工藝中污泥轉(zhuǎn)移量的增大有利于提高其除磷性能。傳統(tǒng)生物除磷機理的研究過程中發(fā)現(xiàn)生物除磷是聚磷微生物在其生物代謝過程中將物質(zhì)儲存在細胞內(nèi)部，通過排除剩余污泥實現(xiàn)磷的去除，細胞作為污泥絮體中的重要組成部分，有必要對污泥中磷含量進行測定分析。

表1 液相中溶解性TP的變化

污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝中不同污泥轉(zhuǎn)移量下污泥中TP含量的變化如圖3所示，污為0、15%和30%時，反應末端污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝中污泥的TP含量分別為（13.30±0.45）mg·(g MLSS)-1、（26.59±0.65）mg·(g MLSS)-1和（37.71±0.73）mg·(g MLSS)-1。此外，在污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝的運行周期中，當污從0提高至30%時污泥在吸磷過程中吸收的TP量也有差異性，即污為0、15%和30%時好氧吸磷量分別為（2.13±0.35）mg·(g MLSS)-1、（5.99±0.66）mg·(g MLSS)-1和（6.52±0.58）mg·(g MLSS)-1。污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝作為一個非平衡增長系統(tǒng)，生物選擇器的前置強化了微生物在系統(tǒng)中“吸收-存儲-利用”的非平衡狀態(tài)，在基質(zhì)濃度差的定向篩選下使系統(tǒng)中的聚磷微生物趨于一致性，有利于提高系統(tǒng)的除磷性能。此時，隨著污泥轉(zhuǎn)移量的增大，生物選擇器中的污泥總量隨之增多，厭氧生物選擇器對系統(tǒng)中污泥的篩選頻率增大，更利于聚磷微生物的富集（即污泥轉(zhuǎn)移量決定了生物選擇器對微生物的篩選頻率）[16-17]。因此污泥中TP總量隨著污泥轉(zhuǎn)移量的增大而增多且污泥的吸磷能力增強，結(jié)合表1亦可以看出污泥轉(zhuǎn)移量的增大有利于提高本工藝的除磷性能。

圖3 污泥轉(zhuǎn)移對污泥中TP含量的影響

2.2 污泥轉(zhuǎn)移對工藝中細胞磷含量的影響

細胞及EPS是污泥絮體的主要組成部分，污泥中的磷大量存在于細胞及EPS中。不同污泥轉(zhuǎn)移量下細胞中TP含量的變化如圖4所示，污為0、15%和30%時，反應末端細胞中的TP含量分別為（9.58±0.29）mg·(g MLSS)-1、（11.37±0.39）mg·(g MLSS)-1和（13.40±0.51）mg·(g MLSS)-1，與其厭氧釋磷時的TP含量接近；此外污為15%和30%時，在其缺氧攪拌時細胞中TP含量明顯升高，分別為（12.69±0.45）mg·(g MLSS)-1和（12.88±0.36）mg·(g MLSS)-1。即污泥轉(zhuǎn)移量增大，細胞中TP含量增多；而且當污15%及污30%時，細胞中TP量在缺氧攪拌時均會升高而在好氧反應結(jié)束時恢復至厭氧釋磷時的水平。

圖4 污泥轉(zhuǎn)移對細胞中TP含量的影響

傳統(tǒng)生物除磷理論認為好氧時細胞會吸收液相中的磷合成聚磷酸鹽，聚磷酸鹽是聚磷微生物進行代謝活動的特征物質(zhì)。Zhou等[18]研究發(fā)現(xiàn)聚磷酸鹽的合成量會影響到聚磷微生物的代謝特征，從而影響到系統(tǒng)的除磷性能。結(jié)合表1可以看出本工藝顯現(xiàn)出的這種差異性，并未明顯影響到工藝的除磷性能?？赡苁怯捎谏弦粋€周期駐存在SBR主反應器中的保留液含有一定的硝酸鹽，在缺氧攪拌過程中發(fā)生了反硝化除磷，即缺氧攪拌時反硝化聚磷微生物將液相中一部分磷以多聚磷酸鹽的形式儲存至細胞內(nèi)部；而在好氧反應時由于外部能夠利用的碳源較低，此時細胞為了維持自身的合成及代謝，分解細胞內(nèi)聚磷酸鹽來提供能量。而Li等[19]研究表明在好氧吸磷過程中，液相中的磷轉(zhuǎn)移至污泥絮體中，污泥中的磷含量一直上升，完成吸磷。因此結(jié)合圖3及圖4推測本工藝中大部分的磷由EPS吸收完成。

2.3 污泥轉(zhuǎn)移對EPS的影響

2.3.1 污泥轉(zhuǎn)移對EPS總量的影響 EPS是污泥絮體的主要組成部分，其主要來源有兩個途徑：一是來源于細菌細胞自身的分泌及自溶；二是細菌細胞對其周圍環(huán)境中有機物及無機物的吸附。已有研究報道[1]EPS不僅與污泥絮體的沉降性能相關(guān)，還參與了生物除磷過程。本工藝中污泥轉(zhuǎn)移對EPS總量的影響如圖5所示，污為0、15%和30%時，反應末端污泥中EPS的含量分別為（108.14±9.68）mg·(g MLSS)-1、（128.17±1.45）mg·(g MLSS)-1和（123.35±22.98）mg·(g MLSS)-1；此外污為15%和30%時，生物選擇器中EPS的含量在其整個運行周期內(nèi)最高，分別為（206.65±18.09）mg·(g MLSS)-1和（136.43±25.88）mg·(g MLSS)-1，進入缺氧攪拌后EPS含量均出現(xiàn)明顯下降，隨后進入好氧階段EPS含量略微升高。實驗結(jié)果表明污泥轉(zhuǎn)移量的增大對本工藝反應末端污泥中EPS含量影響不明顯，但是不同污泥轉(zhuǎn)移量下其運行周期內(nèi)污泥中EPS含量呈現(xiàn)波動性變化。

圖5 污泥轉(zhuǎn)移對EPS總量的影響

Zhang等[20]及Nagaoka等[21]研究表明容積負荷是影響污泥中EPS含量的重要因素。此時本工藝的充水比是固定的，為46%，即工藝的容積負荷是一定的，所以隨著污泥轉(zhuǎn)移量的提高，反應結(jié)束時反應器中污泥的EPS含量變化不明顯。而在本工藝的運行周期內(nèi)，主要包括3個部分：厭氧生物選擇器、缺氧期及好氧期。在厭氧生物選擇器中，進水容積負荷是一定的，而污15%時轉(zhuǎn)移至生物選擇器的污泥量相對于污30%時較少，導致更多的剩余碳源被污泥吸附轉(zhuǎn)化為EPS；在污為15%、30%時，污泥中EPS含量在缺氧期相比于厭氧期均有明顯下降，其原因可能是缺氧期時外部可利用碳源缺乏，細胞為自身的合成及代謝會消耗厭氧時吸附于細胞表面的碳源，從而導致污泥中EPS含量的下降；好氧反應結(jié)束時污泥中EPS含量較缺氧期有稍微的升高，由于好氧時液相中可利用的碳源減少，細胞處于饑餓狀態(tài)，細胞為了保護自身分泌更多的EPS。而污0時相當于傳統(tǒng)SBR工藝運行，污泥中EPS含量從缺氧期到好氧期的少量增加，也可能是由于液相中可利用的碳源缺乏，微生物能利用的較少，細胞分泌過多的EPS進行自我保護所導致。因此不同污泥轉(zhuǎn)移量下其運行周期內(nèi)污泥中EPS含量呈現(xiàn)波動性變化。

2.3.2 污泥轉(zhuǎn)移對工藝中EPS磷含量的影響 圖6及圖7所示為不同污泥轉(zhuǎn)移量下EPS中的TP含量，在污為0、15%和30%時，反應末端EPS中TP含量分別為（3.72±0.29）mg·(g MLSS)-1、（15.22±0.43）mg·(g MLSS)-1和（23.70±0.58）mg·(g MLSS)-1，且TPEPS/TPsludge的比重分別為27.9%±2.55%、57.23%±2.33%和63.88%±2.87%；在其吸磷過程中對應的EPS吸磷量分別為（2.04±0.32）mg·(g MLSS)-1、（5.90±0.38）mg·(g MLSS)-1和（6.00±0.52）mg·(g MLSS)-1。試驗結(jié)果表明污泥轉(zhuǎn)移量的增大會使EPS中TP含量增多，結(jié)合圖3及圖6可以看出在本工藝的吸磷過程中EPS中的吸磷量占污泥吸磷量的90%以上，即EPS在本工藝的吸磷過程中起到了主要作用。

圖6 污泥轉(zhuǎn)移對EPS中TP含量的影響

圖7 污泥轉(zhuǎn)移對TPEPS/TPsludge的影響

Han等[22]研究發(fā)現(xiàn)在厭氧/好氧交替的過程中EPS的磷含量是呈波動性變化的，反應結(jié)束時EPS中磷含量又恢復到反應開始前的水平，EPS中磷含量的波動性變化是為了調(diào)節(jié)聚磷微生物外部的磷濃度，利于聚磷微生物抵抗高磷負荷的沖擊。此外，Wang等[23]研究具有良好除磷性能的EBPR系統(tǒng)中EPS的理化特性時發(fā)現(xiàn)EPS廣泛存在于污泥絮體中，包圍在細胞表面，作為細胞與液相進行離子傳遞（如Ca+、Mg2+、K+及各種形態(tài)磷）的通道。然而EPS中磷的轉(zhuǎn)化與微生物的代謝活動緊密相關(guān)，菌種間的相互作用可能會影響其代謝活動。污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝不僅存在時間上的基質(zhì)濃度差還增加了空間上的基質(zhì)濃度差，強化了微生物生長的非平衡環(huán)境，有利于系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌種的富集，而本工藝在除磷過程中顯現(xiàn)出的差異性，推測其可能是工藝本身的特性及其運行控制導致[24]。此外當污為30%時，污泥轉(zhuǎn)移SBR工藝中好氧末端TPEPS/TPsludge可達到63.88%，相比較于此前相關(guān)文獻報道的最高水平（34%～57%）更高[4-6]。EPS中的磷更容易釋放，工藝中除磷過程中以EPS對磷的吸收為主導，被吸附于污泥EPS中的磷更具有資源回收的 潛力[3]。

3 結(jié) 論

（1）污泥轉(zhuǎn)移量從0提高至30%時，本工藝對應的除磷率由82.14%±0.85%提高至98.99%±0.98%，即污泥轉(zhuǎn)移量的增大有利于提高本工藝的除磷性能；

（2）污為0、15%和30%，反應末端EPS中TP含量占污泥中TP的比重分別為27.9%±2.55%、57.23%±2.33%和63.88%±2.87%；且在該工藝的吸磷過程中，EPS中的吸磷量占污泥中的吸磷量的90%以上；污泥轉(zhuǎn)移對系統(tǒng)污泥中的EPS含量影響較小，但對EPS中的磷含量影響顯著；

（3）EPS在該工藝的吸磷過程中起主要作用。

符 號 說 明

TPEPS，——分別為污泥中EPS及細胞中的實際磷含量，mg·(g MLSS)-1 TPsludge，——分別為利用SMT法測定的污泥及細胞中的磷含量，mg·(g MLSS)-1 ——EPS在污泥絮體中的質(zhì)量比重

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Effect of EPS on biological phosphorus removal in sludge shifting SBR process

ZHOU Xiaohua1,2, PAN Yang1,2, CHEN Qianqian1, DENG Meng1, ZHENG Ying1,2, XIA Jianwei3

(1School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, Jiangsu, China;2Environment Biotechnology Research Institute, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, Jiangsu, China;3The Environment Emergency and Accident Investigation Center of Suzhou, Suzhou 215002, Jiangsu, China)

An updated enhanced biological phosphorus removal-sludge shifting SBR process was used for the treatment of synthetic wastewater. The role of extracellular polymeric substances (EPS) in the enhanced phosphorus removal process was investigated. As the sludge reflux ratios (characterized by sludge shifting volumes) was set as 0 , 15% and 30%, the content of EPS in the sludge was (108.14±9.68) mg·(g MLSS)-1, (128.17±1.45) mg·(g MLSS)-1and (123.35±22.98) mg·(g MLSS)-1, respectively. The total phosphorus removal efficiency in sludge (by sludge adsorption) was 82.14%±0.85%, 96.35%±1.25% and 98.99%±0.98%, respectively. Accordingly, the TP concentrations in the EPS at the end of the process accounted for 27.9%±2.55%, 57.23%±2.33% and 63.88%±2.87% of the TP concentrations in the sludge, respectively. In addition, the adsorption of phosphorus by EPS was (2.04±0.32) mg·(g MLSS)-1, (5.90±0.38) mg·(g MLSS)-1and (6.00±0.52) mg·(g MLSS)-1, respectively, during the aerobic phosphorus adsorption process. In all the above cases, the EPS has contributed more than 90% of the phosphorus adsorption capacity of the sludge. The results indicated that in sludge shifting SBR process, the increase of the amount of sludge shifting improved phosphorus content in the EPS and corresponding phosphorus removal, showing that EPS played a major role in the phosphorus removal process. But sludge shifting had almost no impact on EPS content in the sludge.

sludge shifting SBR process; EPS; biological phosphorus removal; wastewater; adsorption; recovery

2016-01-25.

10.11949/j.issn.0438-1157.20160110

X 703

A

0438—1157（2016）10—4439—07

江蘇省高校自然科學研究重大項目（14KJA610001）；江蘇省“333”學術(shù)帶頭人培養(yǎng)工程資助項目（331491201）；江蘇省優(yōu)勢學科資助項目；水處理材料與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心資助。

2016-01-25收到初稿，2016-08-02收到修改稿。

聯(lián)系人：潘楊。第一作者：周曉華（1991—），男，碩士研究生。

Prof. PAN Yang, panyang@mail.usts.edu.cn