我國城鎮(zhèn)污水處理廠主要采用活性污泥處理工藝，生物反硝化脫氮過程需要有機(jī)物作為電子供體，污水中碳氮比是影響生物系統(tǒng)脫氮效果的重要因素。有研究對我國785座城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)水BOD5/TKN<3的達(dá)337座，多數(shù)污水處理廠的進(jìn)水碳源不能滿足生物脫氮除磷的需要。郭泓利等對我國19個省市的127座污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果顯示80%的污水處理廠進(jìn)水BOD5/TN<3.6，進(jìn)水BOD5/TN>4的污水處理廠僅占10%。進(jìn)水碳氮比低對生物系統(tǒng)脫氮效果的影響已經(jīng)成為我國污水處理廠面臨的普遍問題，且南方城市尤為嚴(yán)重。隨著我國城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的逐漸提高，對生物系統(tǒng)脫氮除磷提出了更高的要求，污水中碳源不足的問題越發(fā)突出。

外加甲醇等碳源雖然可顯著提高生物系統(tǒng)的脫氮效果，但成本較高且會產(chǎn)生大量剩余污泥，增加污泥處置費(fèi)用，因此污水處理廠污泥內(nèi)碳源開發(fā)利用受到關(guān)注。目前，從剩余污泥中回收有機(jī)物作為反硝化電子供體主要有污泥發(fā)酵產(chǎn)酸與污泥破碎快速釋碳兩種方式。其中，污泥發(fā)酵產(chǎn)酸效率低、投資成本高，污泥破碎需要較高的能量輸入，同時兩種方式均存在固液分離困難、伴隨大量氮磷污染物釋放等問題。

EPS是活性污泥絮體內(nèi)處于細(xì)胞外部的聚合物，其組分復(fù)雜多變，但以蛋白質(zhì)與多糖為主。由于EPS具有較高的生物利用潛力，近年來活性污泥EPS中有機(jī)成分的回收利用成為研究熱點(diǎn)。因此，總結(jié)了國內(nèi)外相關(guān)報道，對活性污泥EPS的可生化性、剝離釋碳特性及原位碳源化的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并指出今后的研究方向，從而促進(jìn)EPS碳源化技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1、EPS的組成和結(jié)構(gòu)

活性污泥中的EPS主要來源于細(xì)菌的自然分泌物、細(xì)胞裂解和水解產(chǎn)物。碳水化合物和蛋白質(zhì)通常是EPS的主要成分，此外還存在脂類、核酸、醛酸和一些無機(jī)成分。EPS組分受污泥來源及提取方法的影響，以有機(jī)成分為主，其中蛋白質(zhì)和多糖占EPS總量的70%~80%，這為從活性污泥中剝離EPS作為反硝化碳源提供了可能。

活性污泥EPS可分為溶解型EPS（solubleEPS，SEPS）和結(jié)合型EPS（boundEPS，BEPS），其中BEPS具有雙層結(jié)構(gòu)，又可分為松散附著型EPS（LB-EPS）和緊密黏附型EPS（TB-EPS），逐層提取EPS后，殘留的細(xì)胞形成了細(xì)胞相。EPS的各組分含量及各組分的功能特點(diǎn)如表1所示。EPS是活性污泥的重要組成部分，其直接影響活性污泥絮體的傳質(zhì)、絮凝、沉降、脫水、穩(wěn)定性、金屬離子吸附和顆�；�等理化特性。

2、EPS的可生化性

EPS主要由碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂類、核酸和各種復(fù)雜聚合物等物質(zhì)組成，雖然在廢水生物處理過程中，降解這些聚合物的酶非常豐富，然而學(xué)術(shù)界關(guān)于EPS可生化性的探討卻經(jīng)歷了漫長的歷程。

早期的研究認(rèn)為EPS的生產(chǎn)菌不能利用其自身的EPS，即EPS不能被其自身的生產(chǎn)者所降解。隨后相關(guān)研究提出EPS內(nèi)存在特定的裂解酶（多聚糖酶或多糖裂解酶），這些酶通常與胞外多糖本身的生物合成有關(guān)，這種酶目前已經(jīng)在許多合成胞外多糖的細(xì)菌中被發(fā)現(xiàn)，但不允許微生物利用自身的EPS作為碳源。

然而，目前越來越多的研究表明，EPS可以被自己的生產(chǎn)菌所利用。在饑餓狀態(tài)下，部分EPS可作為碳源或能源被自己的生產(chǎn)菌和其他微生物所利用。不同方法提取的EPS在組分及含量上存在差異，這點(diǎn)在學(xué)術(shù)界已經(jīng)達(dá)成共識。目前研究發(fā)現(xiàn)，提取方法同樣會影響活性污泥EPS的可生化性。Wei等研究發(fā)現(xiàn)，超聲法、離子交換樹脂法、加熱法、氫氧化銨法、甲醛-NaOH法提取的活性污泥EPS的BDOC/DOC比值分別為60.7%、50.7%、49.2%、35.2%和27.6%，與堿提取方法相比，超聲法、加熱法和離子交換樹脂法提取的EPS具有更高的生物降解性。

3、EPS剝離釋碳對絮體代謝活性的影響

EPS是活性污泥的主要組成部分，EPS剝離會影響污泥絮體的生物代謝活性。研究表明，在超聲處理污泥過程中，污泥破碎程度較低時，污泥比耗氧速率（SOUR）有所增加，破碎程度較高時，污泥代謝活性才明顯受到抑制。Ebenezer等在研究超聲破碎剩余污泥過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)污泥破碎程度較低時，活性污泥釋放的有機(jī)物主要來自于EPS剝離而非細(xì)菌破壁溶胞作用，Kavitha等的研究也證實(shí)了這一現(xiàn)象。因此通過某種方式可實(shí)現(xiàn)活性污泥EPS的剝離，同時又有利于提高活性污泥絮體代謝活性。ZubrowskaSudol等研究了污泥破解過程對污泥中硝化菌和反硝化菌活性的影響，當(dāng)污泥破碎程度較低時，氨氧化速率和反硝化速率分別提高20.2%～41.7％和9.98%～36.3％，該研究指出適量的EPS剝離并不會破壞污泥生物代謝活性，驗(yàn)證了EPS原位剝離釋碳的可行性。Liu等利用水力旋流器剝離活性污泥EPS，發(fā)現(xiàn)活性污泥SOUR提高了7.17%，當(dāng)污泥的破碎程度為6.66%～12.25%時，活性污泥的平均反硝化速率提高了14.43%。這主要是由于EPS剝離釋放可減少基質(zhì)向細(xì)胞傳遞的阻力，增大了絮體中基質(zhì)的傳質(zhì)速率。

4、EPS剝離原位碳源化研究

4.1 EPS原位釋碳利用模式

活性污泥EPS剝離釋碳為污水處理廠污泥有機(jī)成分的回收利用提供了一種新模式，即在污泥生物代謝活性不受破壞的前提下，將EPS從污泥表面剝離作為碳源用于生物脫氮過程，實(shí)現(xiàn)活性污泥EPS原位碳源化。ZubrowskaSudol等根據(jù)其研究結(jié)果提出了兩種EPS碳源釋放與利用模式，具體如圖1所示。具體工藝為：將污泥釋碳工藝（作用于部分或全部二沉池回流污泥）直接引入生化處理系統(tǒng)，釋放的EPS與污泥直接回流至生化反應(yīng)池進(jìn)行利用，該模式適用于各類有二沉池的活性污泥工藝。

劉毅研發(fā)了適用于活性污泥釋碳的旋流器，利用流層間速度差異產(chǎn)生的剪切力與自轉(zhuǎn)離心力剝離絮體EPS釋放碳源，并提出了硝化液回流系統(tǒng)污泥旋流釋碳強(qiáng)化脫氮新方法，具體模式如圖2所示。在A/O工藝好氧池到缺氧池的硝化液回流系統(tǒng)中，利用水力旋流器剝離污泥EPS釋放有機(jī)物，有機(jī)物與代謝活性未受到破壞的污泥一同進(jìn)入缺氧池，反硝化細(xì)菌利用EPS釋放的有機(jī)物作為電子供體進(jìn)行生物脫氮反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)主流工藝的污泥EPS原位釋碳與在線利用。硝化液回流系統(tǒng)污泥旋流釋碳模式只適用于有硝化液回流系統(tǒng)的活性污泥工藝，如A/O或A2/O工藝，而對于無硝化液回流系統(tǒng)的氧化溝工藝則不適用。

4.2 EPS原位碳源化強(qiáng)化脫氮效果

回流污泥水力旋流釋碳是EPS原位碳源化的典型模式，表2總結(jié)了有關(guān)EPS釋碳強(qiáng)化生物脫氮的研究進(jìn)展。

研究表明，旋流釋碳技術(shù)使A/O工藝硝化回流液中溶解性COD（SCOD）增加了87.7～244.6mg/L，缺氧池上清液中SCOD/TN由3.0提高至4.7~5.8，經(jīng)過旋流釋碳作用，污泥SOUR提高了7.17%，硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽酶活性則分別提高了15.4%和17.6%，與傳統(tǒng)A/O工藝相比，硝酸鹽去除率提高了13.6%，TN去除率提高了15.56%。Xu等通過中試系統(tǒng)考察了旋流釋碳A/O工藝對實(shí)際污水的處理效果，經(jīng)過旋流器的釋碳作用，回流硝化液中SCOD濃度增加了36.36%，與傳統(tǒng)A/O工藝相比，系統(tǒng)出水TN濃度降低了21.5%。同時研究還發(fā)現(xiàn)，活性污泥EPS剝離不會增加出水有機(jī)物濃度，系統(tǒng)出水SCOD濃度降低12.0mg/L。許佳平等設(shè)計(jì)了裝有旋流器的SBR工藝側(cè)流實(shí)驗(yàn)，在旋流釋碳作用下，活性污泥的SOUR和反硝化速率分別提高了11.1%和6.4%，SBR新工藝對SCOD、氨氮和TN的去除率分別提高6.9%、8.4%和8.9%。方元元對水力旋流釋碳器進(jìn)行了改進(jìn)，提出了兩種優(yōu)化方案，旋流器釋碳效果有所提高，TN平均去除效率比A/O工藝分別提高了21%和15%。

4.3 EPS碳源化對污泥沉降性能的影響

在活性污泥處理系統(tǒng)中，固液分離效果是系統(tǒng)運(yùn)行過程中的關(guān)鍵問題之一，直接影響出水水質(zhì)與回流污泥濃度，進(jìn)而影響活性污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定性。EPS是活性污泥絮體的重要組成部分，直接影響污泥的表面性質(zhì)與絮凝沉降性能。劉毅研究發(fā)現(xiàn)，EPS剝離不會破壞污泥絮體的沉降性能，回流污泥經(jīng)過旋流釋碳作用，生物系統(tǒng)污泥容積指數(shù)（SVI）及系統(tǒng)出水懸浮物濃度（SS）未發(fā)生明顯變化。也有研究表明，旋流釋碳工藝將EPS剝離后活性污泥絮體粒徑減小，但密實(shí)度增加，SVI降低6%，系統(tǒng)出水SS減少6.1%。徐銀香研究發(fā)現(xiàn)，與A/O工藝相比，旋流釋碳AO工藝活性污泥沉降比（SV30）降低了19.72％，SVI降低了3.05％。可見，污泥經(jīng)旋流釋碳處理后，不僅可提高生物系統(tǒng)的脫氮效果，還能使污泥沉降性能略有改善。

5、結(jié)語

EPS是活性污泥的重要組成部分，其組分復(fù)雜多變，但以蛋白質(zhì)與多糖為主，具有較高的生物利用潛力。通過適當(dāng)?shù)乃�力或機(jī)械作用，可在污泥生物代謝活性不受破壞的前提下，將EPS從污泥表面剝離釋放有機(jī)碳源，從而為活性污泥EPS原位碳源化提供可能。水力旋流釋碳是EPS原位碳源化的典型模式，EPS從污泥表面剝離，不僅通過釋放有機(jī)碳源、促進(jìn)污泥代謝活性強(qiáng)化了生物系統(tǒng)脫氮效果，同時還可提高污泥沉降性能。

EPS原位碳源化可有效解決污水處理廠生物脫氮過程碳源不足的問題，是污水處理廠污泥內(nèi)碳源開發(fā)利用的一種新模式。目前此方面的研究仍存在以下幾個問題：首先，活性污泥EPS會吸附一部分磷酸鹽，有利于提高生物除磷效率，而EPS剝離釋放是否會影響生物除磷過程尚不清楚；其次，不同類型EPS組分、含量及其在污泥絮體中的作用存在差異，EPS剝離程度會影響釋碳效果及污泥代謝活性，因此EPS剝離程度、釋碳效果及生物代謝活性的耦聯(lián)機(jī)制是一個值得研究的課題；最后，EPS剝離釋碳模式是否會影響活性污泥系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)，尤其是脫氮功能菌群的變化，有待深入探索。（來源：陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，中國輕工業(yè)水污染控制工程技術(shù)研究中心）