我國城鎮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物作為電子供體，污水中碳氮比是影響生物系統脫氮效果的重要因素。有研究對我國785座城鎮污水處理廠進行統計，進水BOD5/TKN<3的達337座，多數污水處理廠的進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座污水處理廠進水水質進行了調研，結果顯示80%的污水處理廠進水BOD5/TN<3.6，進水BOD5/TN>4的污水處理廠僅占10%。進水碳氮比低對生物系統脫氮效果的影響已經成為我國污水處理廠面臨的普遍問題，且南方城市尤為嚴重。隨著我國城市污水處理廠污染物排放標準的逐漸提高，對生物系統脫氮除磷提出了更高的要求，污水中碳源不足的問題越發突出。
外加甲醇等碳源雖然可顯著提高生物系統的脫氮效果，但成本較高且會產生大量剩余污泥，增加污泥處置費用，因此污水處理廠污泥內碳源開發利用受到關注。目前，從剩余污泥中回收有機物作為反硝化電子供體主要有污泥發酵產酸與污泥破碎快速釋碳兩種方式。其中，污泥發酵產酸效率低、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是活性污泥絮體內處于細胞外部的聚合物，其組分復雜多變，但以蛋白質與多糖為主。由于EPS具有較高的生物利用潛力，近年來活性污泥EPS中有機成分的回收利用成為研究熱點。因此，總結了國內外相關報道，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展進行綜述，并指出今后的研究方向，從而促進EPS碳源化技術的推廣應用。
1、EPS的組成和結構
活性污泥中的EPS主要來源于細菌的自然分泌物、細胞裂解和水解產物。碳水化合物和蛋白質通常是EPS的主要成分，此外還存在脂類、核酸、醛酸和一些無機成分。EPS組分受污泥來源及提取方法的影響，以有機成分為主，其中蛋白質和多糖占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）和結合型EPS（boundEPS，BEPS），其中BEPS具有雙層結構，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，殘留的細胞形成了細胞相。EPS的各組分含量及各組分的功能特點如表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、絮凝、沉降、脫水、穩定性、金屬離子吸附和顆粒化等理化特性。
2、EPS的可生化性
EPS主要由碳水化合物、蛋白質、脂類、核酸和各種復雜聚合物等物質組成，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，然而學術界關于EPS可生化性的探討卻經歷了漫長的歷程。
早期的研究認為EPS的生產菌不能利用其自身的EPS，即EPS不能被其自身的生產者所降解。隨后相關研究提出EPS內存在特定的裂解酶（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，這種酶目前已經在許多合成胞外多糖的細菌中被發現，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可以被自己的生產菌所利用。在饑餓狀態下，部分EPS可作為碳源或能源被自己的生產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，這點在學術界已經達成共識。目前研究發現，提取方法同樣會影響活性污泥EPS的可生化性。Wei等研究發現，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現，當污泥破碎程度較低時，活性污泥釋放的有機物主要來自于EPS剝離而非細菌破壁溶胞作用，Kavitha等的研究也證實了這一現象。因此通過某種方式可實現活性污泥EPS的剝離，同時又有利于提高活性污泥絮體代謝活性。Zubrowska Sudol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，發現活性污泥SOUR提高了7.17%，當污泥的破碎程度為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向細胞傳遞的阻力，增大了絮體中基質的傳質速率。
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，實現活性污泥EPS原位碳源化。Zubrowska Sudol等根據其研究結果提出了兩種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，釋放的EPS與污泥直接回流至生化反應池進行利用，該模式適用于各類有二沉池的活性污泥工藝。
劉毅研發了適用于活性污泥釋碳的旋流器，利用流層間速度差異產生的剪切力與自轉離心力剝離絮體EPS釋放碳源，并提出了硝化液回流系統污泥旋流釋碳強化脫氮新方法，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中，利用水力旋流器剝離污泥EPS釋放有機物，有機物與代謝活性未受到破壞的污泥一同進入缺氧池，反硝化細菌利用EPS釋放的有機物作為電子供體進行生物脫氮反應，實現主流工藝的污泥EPS原位釋碳與在線利用。硝化液回流系統污泥旋流釋碳模式只適用于有硝化液回流系統的活性污泥工藝，如A/O或A2/O工藝，而對于無硝化液回流系統的氧化溝工藝則不適用。
4.2 EPS原位碳源化強化脫氮效果
回流污泥水力旋流釋碳是EPS原位碳源化的典型模式，表2總結了有關EPS釋碳強化生物脫氮的研究進展。
研究表明，旋流釋碳技術使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等通過中試系統考察了旋流釋碳A/O工藝對實際污水的處理效果，經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A/O工藝相比，系統出水TN濃度降低了21.5%。同時研究還發現，活性污泥EPS剝離不會增加出水有機物濃度，系統出水SCOD濃度降低12.0mg/L。許佳平等設計了裝有旋流器的SBR工藝側流實驗，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行了改進，提出了兩種優化方案，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中，固液分離效果是系統運行過程中的關鍵問題之一，直接影響出水水質與回流污泥濃度，進而影響活性污泥系統的穩定性。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與絮凝沉降性能。劉毅研究發現，EPS剝離不會破壞污泥絮體的沉降性能，回流污泥經過旋流釋碳作用，生物系統污泥容積指數（SVI）及系統出水懸浮物濃度（SS）未發生明顯變化。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，但密實度增加，SVI降低6%，系統出水SS減少6.1%。徐銀香研究發現，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，污泥經旋流釋碳處理后，不僅可提高生物系統的脫氮效果，還能使污泥沉降性能略有改善。
5、結語
EPS是活性污泥的重要組成部分，其組分復雜多變，但以蛋白質與多糖為主，具有較高的生物利用潛力。通過適當的水力或機械作用，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，不僅通過釋放有機碳源、促進污泥代謝活性強化了生物系統脫氮效果，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碳源開發利用的一種新模式。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機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微生物群落結構，尤其是脫氮功能菌群的變化，有待深入探索。（來源：陜西科技大學環境科學與工程學院，中國輕工業水污染控制工程技術研究中心）
