研究EPS在環境生物處理技術中的重要性

隨著我國水環境污染的不斷加劇，“富營養化”問題日益突出，在污水生物處理過程中，污泥絮體的絮凝和沉降性能對處理效果至關重要，而胞外聚合物（EPS）作為活性污泥的重要組成部分，是污泥絮體的核心，對污泥的沉降和脫水性能、重金屬的吸附性能及生物除磷都有一定的影響。因此，水處理系統中EPS的存在對污水處理效果起著至關重要的作用。

水是人類生命活動中最重要的物質之一，是人類文明不斷發展的基礎條件。然而隨著工業化、城市化加快，世界面臨著水資源短缺、水污染嚴重的挑戰，這一現象在我國尤為突出。

目前我國人均水資源占有量為2100m3，僅為世界人均水平的28%，約為世界人均占有量的1/4，是世界上13個水資源貧乏的國家之一。據水利部門預測：至2030年，我國人口將增長至16億，人均水資源占有量將下降到1760m3，到2050年，全國實際能合理利用的水資源約為（8000～9500）×108m3，己近可合理利用水量的極限[1]。

盡管如此，我國水污染依然很嚴重。據2012年5月25日國家環境保護部發布的2011年《中國環境狀況公報》顯示：2011年，我國污水排放總量高達652.1億噸，COD排放總量為2499.9萬噸，氨氮排放總量為260.4萬噸，湖泊（水庫）富營養化問題仍嚴重，城市用水現狀不容樂觀。各類水體都受到不同程度的污染，I、Ⅱ類水體日趨減少。全國197條河流407個檢測斷面中，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質的斷面比例分別為49.9%、26.5%和23.6%，七大水系的主要污染指標為氨氮、石油類和BOD5，其中，珠江、長江總體水質良好，松花江為輕度污染，黃河、淮河為中度污染，遼河、海河為重度污染；27個國控重點湖（庫）中，滿足Ⅱ類水質的3個，占11.1%；Ⅲ類的6個，占22.2%；Ⅳ類的4個，占14.8%；Ⅴ類的5個，占18.6%；劣Ⅴ類的9個，占33.3%，湖泊的主要污染指標為TN和TP。在監測的湖（庫）中，重度富營養的2個，占7.4%；中度富營養的3個，占11.1%；輕度富營養的8個，占29.6%。對全國共200多個城市的共計4727個監測點開展了地下水水質監測中顯示：優良-良好-較好水質的監測點和較差-極差水質的監測點比例分別為44.0%，為56.0%，其中4282個監測點有連續監測數據，與上年比，17.4%的監測點水質好轉，67.4%的監測點水質保持穩定，15.2%的監測點水質變差[2]。

我國水資源形式如此嚴峻，縱觀全球，廢水回用已成為緩解水危機的主要方式。南非共和國1968年就建成世界上第一座將城市污水再生直接作飲用水源的再生水廠，再生水量為4500m3/d；以色列全國有210個市政回用工程，城市污水回用率達72%；日本20世紀60年代就開始回用污水，污水排放減少量為1.42×108m3/a；美國也是世界上最早使用污水再生利用的國家之一，全國污水回用總量為9.4×109m3/a。此外英國、德國、波蘭、墨西哥、俄羅斯、沙特阿拉伯等國皆使用回用水。我國從“八五”科技攻關計劃開始課題進行城市污水回用方面的研究工作，至今在污水回用方面已取得顯著成就。

然而，近年來，隨著我國經濟的發展，人民生活水平不斷提高，居民飲食結構發生了變化，城市生BOD5、COD濃度都比較低，屬于低濃度甚至是超低濃度污水。過去，低C/N比生活污水在我國南方城市居多，而如今在全國范圍內十分常見。“十一五”期間，我國雖然超額完成了COD的減排任務，但是氨氮和氮氧化物的排量卻呈上升趨勢。故而在“十二五”規劃中，新增氨氮和氮氧化物總量減排指標，再加上我國越來越嚴格的水質排放標準，這些無疑給水處理工藝的優化改進提出必然要求，特別對處理高氮負荷，高氮去除率的新型水處理工藝的產生提供強大的推動力。

活性污泥工藝自1912年以來至今已有100年的發展，其因對溶解性及膠體有機物的高效去除能力和工藝的可靠性，使之成為了污水生物處理的主導工藝。雖然目前，以活性污泥為代表的污水生物處理技術相當成熟[4]，并廣泛應用于城市和工業污水處理中，在防治水體污染中發揮了巨大的作用。但是，對造成水體富營養化的氮磷等營養物的去除工藝尚處于研究的起步階段，缺乏高效穩定的廢水脫氮除磷技術。

活性污泥工藝的凈化過程一般包括吸附絮凝、生物代謝、沉淀分離等階段。在該過程中，微生物與污水中呈懸浮狀或部分可溶性有機物接觸，使后者失穩、絮凝，并被其吸附在表面；另一方面由微生物組成的活性污泥具有較大的表面積，在較短的時間內能吸附大量有機污染物，這些有機污染物一部分被微生物攝入體內作為營養物質加以代謝去除；另一部分則通過剩余污泥排放的形式排除，最后在集中進行填埋或焚燒處理，從而完成活性污泥的整個處理過程[5]。

活性污泥工藝的關鍵取決于曝氣池中好氧微生物對有機物的去除以及二沉池中有效的泥水分離[6]。曝氣池中好氧活性污泥是由多種多樣的好氧微生物和兼性厭氧微生物（兼有少量的厭氧微生物）與其上吸附的有機的和無機的固體雜質組成，微生物產生的胞外聚合物（ExtraceLLuLar PoLymeric Substances，以下簡稱EPS）是活性污泥絮體的主要組成部分，是活性污泥工藝的核心。近年來國內外對污水處理中起關鍵作用的活性污泥絮體的研究非常重視，尤其是有關胞外聚合物的研究。EPS分布在細胞外具有流變性雙層結構，由此可將其分為兩類：內層與細胞表面結合較緊密，相對穩定地附著于細胞壁外，稱為緊密粘附的EPS（TightLy Bound EPS，TB-EPS）；外層為松散附著EPS （LooseLy Bound EPS，LB-EPS）是比內層疏松、能向周圍環境擴散、無明顯邊緣的粘液層。王紅武等[7]研究表明，隨SRT增大，MLB/MTB減小，污泥脫水性能越好，而當MLB/MTB越大，污泥表面的Zeta電位值越大，污泥顆粒間的靜電斥力增大，污泥的沉降脫水性能變差。周健等[8]認為EPS與SVI具有顯著的正相關性。趙軍等[9]研究表明，隨EPS增加，污泥的吸附能力會提高，大量吸附的金屬離子可以中和污泥表面的負電荷，降低靜電斥力，從而改善污泥沉降性能。劉亞男等[10]的研究表明，EPS對磷有一定吸附和去除效果。李紅巖等[11]研究發現EPS對硝化細菌的活性有影響。此外，在膜污染研究中，大量研究表明EPS是膜生物反應器（MBR）膜污染的主要污染物。

由此可見，胞外聚合物在環境生物處理技術中起著重要作用，在對生物脫氮工藝優化的研究中，對EPS的研究必不可少。研究并透徹理解脫氮過程EPS作用機制和變化規律有助于優化脫氮工藝，有助于探索更高效的污水生物處理工藝，有利于推進我國水處理事業的發展。

（作者單位：中鐵十一局）