活性污泥法已廣泛應(yīng)用于污（廢）水處理，然而其會產(chǎn)生大量剩余污泥，并存在污泥膨脹和生物泡沫問題，引起了廣泛關(guān)注。在冬季較低水溫條件下，污泥膨脹和生物泡沫問題更加嚴(yán)重，這會導(dǎo)致二沉池泥水分離效果下降，出水水質(zhì)易超標(biāo)。

超聲波是指頻率超過20kHz、超出人耳聽覺上限閾值的聲波。低強度超聲波能提高微生物酶的活性，促進微生物的代謝和生長。當(dāng)超聲強度達到一定閾值后，會抑制微生物生長，甚至破壞細(xì)胞壁而造成其死亡。近十幾年來，超聲波被廣泛用于污水和污泥處理領(lǐng)域，調(diào)控活性污泥性能，并同步實現(xiàn)污泥減量、抑制絲狀膨脹和系統(tǒng)性能提升。然而超聲調(diào)控的生物效應(yīng)仍需要進一步探索。前期研究發(fā)現(xiàn)，超聲調(diào)控可改善污泥沉降性能并實現(xiàn)污泥原位減量，經(jīng)超聲處理后活性污泥的胞外聚合物（EPS）含量明顯升高。然而，超聲調(diào)控是如何導(dǎo)致系統(tǒng)活性污泥中EPS含量升高并不清楚。

EPS的組成及含量對活性污泥特性及工藝性能有重要影響。EPS合成與活性污泥中細(xì)菌的群體感應(yīng)有關(guān)。因此，有必要探索超聲調(diào)控對活性污泥群體感應(yīng)的影響。筆者建立了連續(xù)流超聲調(diào)控低水溫SBR活性污泥系統(tǒng)，并進行了初步調(diào)控研究，以獲取連續(xù)流超聲調(diào)控對低水溫SBR系統(tǒng)中污泥特性、污泥減量和活性污泥群體感應(yīng)的影響。

1、材料與方法

1.1 活性污泥與模擬污水

活性污泥取自天津市某市政污水廠二沉池排出的回流污泥，含水率為99.0%，污泥沉降比（SV）為87%，污泥容積指數(shù)（SVI）為80.4~170.8mL/g，pH為6.95~7.58，顏色為棕褐色。

模擬污水以葡萄糖為碳源、氯化銨為氮源、磷酸二氫鉀和磷酸氫二鈉為磷源，其按照COD為400mg/L、TN為50mg/L、TP為5mg/L配制。常量組分含量如下：C6H12O6為375mg/L、NH4Cl為152.86mg/L、KH2PO4為11mg/L、Na2HPO4為11mg/L、蛋白胨（N含量為12%）為30mg/L。微量組分含量如下：CaCl2為20mg/L、MgSO4·7H2O為50mg/L、EDTA為50mg/L、H3BO3為0.15mg/L、KI為0.03mg/L、MoO3為0.7mg/L、MnSO4·H2O為3.66mg/L、FeSO4·7H2O為0.3mg/L、ZnSO4·7H2O為0.12mg/L、CuSO4·5H2O為0.03mg/L、CoCl2·6H2O為0.15mg/L、Ni（NO3）2為0.0859mg/L。

1.2 實驗裝置

超聲調(diào)控SBR系統(tǒng)由進水箱、進水蠕動泵、主反應(yīng)器、空氣泵、超聲反應(yīng)器進料泵、超聲反應(yīng)器、恒溫水浴和低溫恒溫槽等組成，如圖1所示。主反應(yīng)器材質(zhì)為有機玻璃，尺寸為60mm×60mm×1100mm，有效容積為3.6L。反應(yīng)器底部進水進氣，有效水深1/3處設(shè)取樣口、2/3處設(shè)出水口。反應(yīng)器正常液位高度處設(shè)超聲處理后的污泥回流入口。進水蠕動泵、空氣泵和排水管上電磁閥的啟停和開關(guān)由微電腦時控開關(guān)自動控制。主反應(yīng)器兩側(cè)設(shè)置恒溫水浴區(qū)，該區(qū)通過管路與低溫恒溫槽相連。主反應(yīng)器底部排泥管通過進料泵連接至超聲反應(yīng)器。超聲反應(yīng)器出料接回主反應(yīng)器污泥回流入口。對照SBR系統(tǒng)沒有超聲反應(yīng)器進料泵和超聲反應(yīng)器，其余與超聲調(diào)控SBR系統(tǒng)相同。

1.3 實驗方法

將取回的活性污泥先曝氣0.5h，停止曝氣后靜置沉淀30min，將沉淀后的污泥用篩子濾去粗大雜物，再分別取1200mL濾后污泥接入兩個主反應(yīng)器中。注入模擬污水至正常水位，啟動空氣泵，開啟低溫恒溫槽使主反應(yīng)器的恒溫水浴水循環(huán)，控制主反應(yīng)器內(nèi)水溫為（15±1）℃。兩個主反應(yīng)器均以SBR模式運行，充水比為0.33，周期時間為4h，其中進水5min、曝氣反應(yīng)135min、沉淀60min、排水10min、超聲工序30min。調(diào)節(jié)曝氣量控制主反應(yīng)器內(nèi)混合液DO為3~4mg/L。初始污泥負(fù)荷均為0.247kgCOD/（kgMLSS·d）。每天排放剩余污泥，控制兩個系統(tǒng)的泥齡均為10d。

對照反應(yīng)器不進行超聲調(diào)控，排水后靜置30min。超聲調(diào)控反應(yīng)器在白天的3個周期均對活性污泥進行超聲，即在排水工序結(jié)束后開啟蠕動泵，將沉淀后的活性污泥以100mL/min的流量送入連續(xù)流超聲反應(yīng)器。超聲反應(yīng)器采用周期性開停模式（超聲周期時間為6s，其中開啟2s、停止4s），超聲頻率為20kHz，超聲強度為0.113W/mL，有效超聲時間為30s。對主反應(yīng)器內(nèi)沉淀的污泥全部進行超聲處理后停止反應(yīng)器。超聲處理后的污泥送回至主反應(yīng)器，隨后開始下一周期的運行。

每兩天采集1次進水和出水水樣，測定COD、SS、TN、氨氮、TP和pH等指標(biāo)，并測定污泥沉降速率。每兩天采集反應(yīng)器中的活性污泥混合樣，測定SV、MLSS、SVI、胞外聚合物（EPS）等指標(biāo)。裝置運行穩(wěn)定后取SBR系統(tǒng)活性污泥檢測群體感應(yīng)信號分子。

1.4 檢測項目及方法

以污泥產(chǎn)率系數(shù)（Yobs）表示剩余污泥的產(chǎn)率，以污泥減量率（SRE）表示系統(tǒng)的污泥減量效果，以污泥沉降速率和SVI表示污泥沉降性能。COD、SS、TN、氨氮、TP、MLSS、SV和SVI按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版）進行測定。pH采用pH計測定。污泥沉降速率的測試是在運行周期中曝氣停止后，分別記錄不同沉淀時間反應(yīng)器中活性污泥混合液的污泥界面高度，再經(jīng)計算獲得。EPS采用熱水浴處理法進行提取，采用硫酸-蒽酮比色法和Lowry法分別測定提取液中的蛋白質(zhì)和多糖含量。

活性污泥混合液的信號分子采用液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法測定。①對活性污泥樣品進行超聲破碎，超聲頻率為20kHz、探頭浸沒深度為10mm、能量密度為2W/mL、超聲時間為10min。②將超聲后的污泥以8000r/min離心10min，收集上清液。③用乙酸乙酯以體積比例為1∶1萃取上清液，搖勻后靜置3min，重復(fù)萃取3次。④萃取完成后每200mL的溶液中加入5g無水硫酸鎂，放置24h后用0.45μm濾膜過濾，收集濾液。⑤將濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干，往瓶中加入2mL色譜級甲醇溶解信號分子，移入棕色小瓶中，擰緊蓋子放入冰箱待測。⑥將處理后的樣品棕色小瓶置于液質(zhì)聯(lián)用儀進樣器中，色譜條件：AgilentZORBAXSB-C18色譜柱（2.1mm×50mm，1.8μm），分析時間為15min，流速為0.20mL/min，進樣體積為10μL，流動相A為含有1%色譜級甲酸的純水、B為色譜級甲醇，采用梯度脫洗；質(zhì)譜條件：離子源為電噴霧離子源（ESI），采用正離子掃描、多反應(yīng)離子監(jiān)測（MRM）模式，載氣為氮氣，溫度為300℃，離子源為100℃，流速為180L/h。

2、結(jié)果與討論

2.1 超聲調(diào)控系統(tǒng)的污泥減量和COD去除情況

圖2為超聲調(diào)控系統(tǒng)污泥濃度的變化�？芍�，隨著運行時間的增加，兩個反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度均在下降，且超聲調(diào)控反應(yīng)器的污泥濃度下降速率更快一些。前15d，系統(tǒng)內(nèi)活性污泥處于適應(yīng)階段，由于排放的剩余污泥量大于增殖產(chǎn)生的污泥量，對照反應(yīng)器污泥濃度由初始的4.52g/L降低到3.62g/L，降低速率為0.0717g/（L·d）；而超聲調(diào)控系統(tǒng)污泥濃度則由4.55g/L降低至3.40g/L，降低速率為0.0902g/（L·d）。隨后反應(yīng)器進入穩(wěn)定運行階段，在21~35d期間，對照反應(yīng)器污泥濃度穩(wěn)定在3.23~3.34g/L之間；而超聲調(diào)控系統(tǒng)的污泥濃度仍在緩慢下降，降低速率為0.0293g/（L·d），最終在第35天時降低到2.86g/L。經(jīng)計算，超聲調(diào)控系統(tǒng)的Yobs為0.306kgVSS/kgCOD，而同期對照反應(yīng)器為0.554kgVSS/kgCOD，可見超聲調(diào)控導(dǎo)致的系統(tǒng)污泥減量率為44.77%。

系統(tǒng)進水COD約為400mg/L，對照反應(yīng)器出水COD由初始階段的60mg/L以上降至后期的33mg/L。0~15d，兩個系統(tǒng)的出水COD相近，15d后穩(wěn)定運行期間超聲調(diào)控系統(tǒng)出水COD低于對照反應(yīng)器，出水COD為22mg/L，COD去除率達94.5%。

2.2 超聲調(diào)控對活性污泥沉降性能的影響

超聲調(diào)控對活性污泥沉降速率的影響如圖3所示�？芍�，0~20min，對照反應(yīng)器內(nèi)活性污泥的泥水界面沉降速率高于超聲調(diào)控反應(yīng)器。對照反應(yīng)器活性污泥泥水沉降界面最高沉降速率為4.06m/h，且在沉淀開始后的第7分鐘出現(xiàn)；而超聲調(diào)控反應(yīng)器相應(yīng)的最高沉降速率為2.38m/h，在沉淀開始后20min達到。超聲處理在一定程度上改變了污泥絮體結(jié)構(gòu)，降低了污泥沉降速率。隨著超聲時間的延長，系統(tǒng)中活性污泥沉降速率下降。在30min之后，兩個系統(tǒng)的污泥沉降速率相差不大，60min后基本相同，均處于0.72~0.96m/h之間。系統(tǒng)運行穩(wěn)定以后，對照反應(yīng)器的SVI值相對較低，在97.7~128.0mL/g之間，超聲調(diào)控反應(yīng)器在121.2~148.0mL/g之間。可見，超聲調(diào)控后活性污泥的沉降性能稍有變差，但并不影響正常沉降，也不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.3 超聲調(diào)控對胞外聚合物的影響

超聲調(diào)控反應(yīng)器中活性污泥胞外聚合物的蛋白質(zhì)和多糖含量均有所升高。對照組反應(yīng)器活性污泥的多糖和蛋白質(zhì)含量分別為45.78和21.37mg/gMLSS，超聲調(diào)控反應(yīng)器的分別為74.71和29.23mg/gMLSS。超聲調(diào)控導(dǎo)致活性污泥多糖含量提高了63.2%，蛋白質(zhì)含量提高了36.8%�？梢�，超聲調(diào)控導(dǎo)致系統(tǒng)中活性污泥胞外聚合物含量升高，這與李道甲等人的研究結(jié)果一致。Tian等的研究也表明，在0.15W/mL低強度超聲波處理10min條件下，污泥中松散型EPS含量由8.3mg/gVSS增加至18.0mg/gVSS。超聲處理對活性污泥細(xì)胞產(chǎn)生了威脅，細(xì)菌為了抵御超聲波侵害，群體細(xì)胞分泌胞外聚合物到細(xì)胞外以抵御超聲波侵襲，最終導(dǎo)致了活性污泥中胞外聚合物含量升高。

2.4 超聲調(diào)控對活性污泥信號分子濃度的影響

在系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，對照反應(yīng)器中檢測到了C4-HSL（0.0768μg/L）、C6-HSL（0.0847μg/L）、C7-HSL（0.0362μg/L）、C8-HSL（0.0399μg/L）、C10-HSL（0.4170μg/L）、C12-HSL（0.6772μg/L）、C14-HSL（0.2987μg/L）和OXO-C14-HSL（0.5996μg/L）等信號分子。OXO-C6-HSL、OXO-C8-HSL、OXO-C10-HSL和OXO-C12-HSL等信號分子未檢出。超聲調(diào)控反應(yīng)器中只檢測到了C4-HSL（0.1966μg/L）、OXO-C6-HSL（0.0024μg/L）和OXO-C14-HSL（0.0209μg/L）等信號分子�？梢钥闯�，在超聲調(diào)控下，活性污泥中C4-HSL濃度為對照反應(yīng)器的2.56倍。超聲調(diào)控反應(yīng)器中C4-HSL的單位質(zhì)量污泥信號分子含量為0.044μg/gMLSS，見圖4，是對照反應(yīng)器的2.44倍。超聲調(diào)控反應(yīng)器中OXO-C14-HSL濃度比對照反應(yīng)器低0.5787μg/L。因此，可以推測超聲調(diào)控導(dǎo)致反應(yīng)器中C4-HSL信號分子濃度大幅度增加，累積到一定程度后，反饋給活性污泥微生物細(xì)胞，使其開啟多糖和蛋白質(zhì)的合成與分泌，最終導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)活性污泥胞外聚合物含量升高。

超聲調(diào)控、信號分子和EPS的模式如圖5所示。超聲調(diào)控初始，活性污泥混合液中的C4-HSL信號分子濃度較低，細(xì)菌細(xì)胞的多糖和蛋白質(zhì)以正常速率合成與分泌，活性污泥中胞外聚合物含量正常，見圖5（a）。隨著超聲調(diào)控的進行，超聲波對活性污泥中的細(xì)菌產(chǎn)生了威脅，細(xì)菌應(yīng)激快速合成與分泌群體感應(yīng)信號分子C4-HSL，導(dǎo)致反應(yīng)器活性污泥混合液中C4-HSL信號分子濃度迅速增加并累積到一定程度，之后反饋給活性污泥細(xì)菌細(xì)胞，使其開啟多糖和蛋白質(zhì)的快速合成與分泌，最終使得反應(yīng)器內(nèi)活性污泥胞外聚合物含量迅速增加，見圖5（b）。增加的胞外聚合物在一定程度上起到了保護細(xì)菌細(xì)胞免受超聲波損害的作用。

3、結(jié)論

①在低水溫條件下，超聲調(diào)控反應(yīng)器的污泥濃度低于對照反應(yīng)器，污泥產(chǎn)率系數(shù)為0.306kgVSS/kgCOD，污泥減量率為44.77%，出水COD在50mg/L以下，低于對照反應(yīng)器。超聲調(diào)控沒有影響活性污泥的正常沉降，系統(tǒng)可穩(wěn)定、高效運行。

②超聲調(diào)控反應(yīng)器活性污泥的多糖和蛋白質(zhì)含量分別為74.71和29.23mg/gMLSS，相比于對照反應(yīng)器分別提高了63.2%和36.8%。超聲調(diào)控導(dǎo)致活性污泥胞外聚合物含量增加。

③超聲調(diào)控對系統(tǒng)活性污泥中信號分子濃度有較大影響。超聲調(diào)控系統(tǒng)活性污泥的C4-HSL濃度為0.1966μg/L，單位質(zhì)量污泥的信號分子含量為0.044μg/gMLSS，分別為對照反應(yīng)器的2.56和2.44倍。超聲調(diào)控還導(dǎo)致C6-HSL、C7-HSL、C8-HSL、C10-HSL、C12-HSL和C14-HSL等信號分子濃度顯著降低。超聲調(diào)控導(dǎo)致反應(yīng)器中C4-HSL信號分子濃度大幅度增加，累積到一定程度后，反饋給活性污泥微生物細(xì)胞，促進了多糖和蛋白質(zhì)的快速合成與分泌，從而導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)活性污泥胞外聚合物含量升高。（來源：天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，天津城建大學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施防護和環(huán)境綠色生物技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，上海洗霸科技股份有限公司，天津城市道路管網(wǎng)配套建設(shè)投資有限公司）