活性污泥法已廣泛應用于污（廢）水處理，然而其會產生大量剩余污泥，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重，這會導致二沉池泥水分離效果下降，出水水質易超標。
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。當超聲強度達到一定閾值后，會抑制微生物生長，甚至破壞細胞壁而造成其死亡。近十幾年來，超聲波被廣泛用于污水和污泥處理領域，調控活性污泥性能，并同步實現污泥減量、抑制絲狀膨脹和系統性能提升。然而超聲調控的生物效應仍需要進一步探索。前期研究發現，超聲調控可改善污泥沉降性能并實現污泥原位減量，經超聲處理后活性污泥的胞外聚合物（EPS）含量明顯升高。然而，超聲調控是如何導致系統活性污泥中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菌的群體感應有關。因此，有必要探索超聲調控對活性污泥群體感應的影響。筆者建立了連續流超聲調控低水溫SBR活性污泥系統，并進行了初步調控研究，以獲取連續流超聲調控對低水溫SBR系統中污泥特性、污泥減量和活性污泥群體感應的影響。
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（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
超聲調控SBR系統由進水箱、進水蠕動泵、主反應器、空氣泵、超聲反應器進料泵、超聲反應器、恒溫水浴和低溫恒溫槽等組成，如圖1所示。主反應器材質為有機玻璃，尺寸為60mm×60mm×1100mm，有效容積為3.6L。反應器底部進水進氣，有效水深1/3處設取樣口、2/3處設出水口。反應器正常液位高度處設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由微電腦時控開關自動控制。主反應器兩側設置恒溫水浴區，該區通過管路與低溫恒溫槽相連。主反應器底部排泥管通過進料泵連接至超聲反應器。超聲反應器出料接回主反應器污泥回流入口。對照SBR系統沒有超聲反應器進料泵和超聲反應器，其余與超聲調控SBR系統相同。
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器的恒溫水浴水循環，控制主反應器內水溫為（15±1）℃。兩個主反應器均以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135min、沉淀60min、排水10min、超聲工序30min。調節曝氣量控制主反應器內混合液DO為3~4mg/L。初始污泥負荷均為0.247kgCOD/（kgMLSS·d）。每天排放剩余污泥，控制兩個系統的泥齡均為10d。
對照反應器不進行超聲調控，排水后靜置30min。超聲調控反應器在白天的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的流量送入連續流超聲反應器。超聲反應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。對主反應器內沉淀的污泥全部進行超聲處理后停止反應器。超聲處理后的污泥送回至主反應器，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，并測定污泥沉降速率。每兩天采集反應器中的活性污泥混合樣，測定SV、MLSS、SVI、胞外聚合物（EPS）等指標。裝置運行穩定后取SBR系統活性污泥檢測群體感應信號分子。
1.4 檢測項目及方法
以污泥產率系數（Yobs）表示剩余污泥的產率，以污泥減量率（SRE）表示系統的污泥減量效果，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器中活性污泥混合液的污泥界面高度，再經計算獲得。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和多糖含量。
活性污泥混合液的信號分子采用液相色譜質譜聯用法測定。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將濾液用旋轉蒸發儀蒸干，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聯用儀進樣器中，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；質譜條件：離子源為電噴霧離子源（ESI），采用正離子掃描、多反應離子監測（MRM）模式，載氣為氮氣，溫度為300℃，離子源為100℃，流速為180L/h。
2、結果與討論
2.1 超聲調控系統的污泥減量和COD去除情況
圖2為超聲調控系統污泥濃度的變化。可知，隨著運行時間的增加，兩個反應器內污泥濃度均在下降，且超聲調控反應器的污泥濃度下降速率更快一些。前15d，系統內活性污泥處于適應階段，由于排放的剩余污泥量大于增殖產生的污泥量，對照反應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）；而超聲調控系統污泥濃度則由4.55g/L降低至3.40g/L，降低速率為0.0902g/（L·d）。隨后反應器進入穩定運行階段，在21~35d期間，對照反應器污泥濃度穩定在3.23~3.34g/L之間；而超聲調控系統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。經計算，超聲調控系統的Yobs為0.306kgVSS/kgCOD，而同期對照反應器為0.554kgVSS/kgCOD，可見超聲調控導致的系統污泥減量率為44.77%。
系統進水COD約為400mg/L，對照反應器出水COD由初始階段的60mg/L以上降至后期的33mg/L。0~15d，兩個系統的出水COD相近，15d后穩定運行期間超聲調控系統出水COD低于對照反應器，出水COD為22mg/L，COD去除率達94.5%。
2.2 超聲調控對活性污泥沉降性能的影響
超聲調控對活性污泥沉降速率的影響如圖3所示。可知，0~20min，對照反應器內活性污泥的泥水界面沉降速率高于超聲調控反應器。對照反應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；而超聲調控反應器相應的最高沉降速率為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構，降低了污泥沉降速率。隨著超聲時間的延長，系統中活性污泥沉降速率下降。在30min之后，兩個系統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。系統運行穩定以后，對照反應器的SVI值相對較低，在97.7~128.0mL/g之間，超聲調控反應器在121.2~148.0mL/g之間。可見，超聲調控后活性污泥的沉降性能稍有變差，但并不影響正常沉降，也不會影響系統的穩定運行。
2.3 超聲調控對胞外聚合物的影響
超聲調控反應器中活性污泥胞外聚合物的蛋白質和多糖含量均有所升高。對照組反應器活性污泥的多糖和蛋白質含量分別為45.78和21.37mg/gMLSS，超聲調控反應器的分別為74.71和29.23mg/gMLSS。超聲調控導致活性污泥多糖含量提高了63.2%，蛋白質含量提高了36.8%。可見，超聲調控導致系統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胞產生了威脅，細菌為了抵御超聲波侵害，群體細胞分泌胞外聚合物到細胞外以抵御超聲波侵襲，最終導致了活性污泥中胞外聚合物含量升高。
2.4 超聲調控對活性污泥信號分子濃度的影響
在系統穩定運行期間，對照反應器中檢測到了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。超聲調控反應器中只檢測到了C4-HSL（0.1966μg/L）、OXO-C6-HSL（0.0024μg/L）和OXO-C14-HSL（0.0209μg/L）等信號分子。可以看出，在超聲調控下，活性污泥中C4-HSL濃度為對照反應器的2.56倍。超聲調控反應器中C4-HSL的單位質量污泥信號分子含量為0.044μg/gMLSS，見圖4，是對照反應器的2.44倍。超聲調控反應器中OXO-C14-HSL濃度比對照反應器低0.5787μg/L。因此，可以推測超聲調控導致反應器中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胞，使其開啟多糖和蛋白質的合成與分泌，最終導致反應器內活性污泥胞外聚合物含量升高。
超聲調控、信號分子和EPS的模式如圖5所示。超聲調控初始，活性污泥混合液中的C4-HSL信號分子濃度較低，細菌細胞的多糖和蛋白質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）。隨著超聲調控的進行，超聲波對活性污泥中的細菌產生了威脅，細菌應激快速合成與分泌群體感應信號分子C4-HSL，導致反應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菌細胞，使其開啟多糖和蛋白質的快速合成與分泌，最終使得反應器內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菌細胞免受超聲波損害的作用。
3、結論
①在低水溫條件下，超聲調控反應器的污泥濃度低于對照反應器，污泥產率系數為0.306kgVSS/kgCOD，污泥減量率為44.77%，出水COD在50mg/L以下，低于對照反應器。超聲調控沒有影響活性污泥的正常沉降，系統可穩定、高效運行。
②超聲調控反應器活性污泥的多糖和蛋白質含量分別為74.71和29.23mg/gMLSS，相比于對照反應器分別提高了63.2%和36.8%。超聲調控導致活性污泥胞外聚合物含量增加。
③超聲調控對系統活性污泥中信號分子濃度有較大影響。超聲調控系統活性污泥的C4-HSL濃度為0.1966μg/L，單位質量污泥的信號分子含量為0.044μg/gMLSS，分別為對照反應器的2.56和2.44倍。超聲調控還導致C6-HSL、C7-HSL、C8-HSL、C10-HSL、C12-HSL和C14-HSL等信號分子濃度顯著降低。超聲調控導致反應器中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胞，促進了多糖和蛋白質的快速合成與分泌，從而導致反應器內活性污泥胞外聚合物含量升高。（來源：天津城建大學環境與市政工程學院，天津市水質科學與技術重點實驗室，天津城建大學基礎設施防護和環境綠色生物技術國際聯合研究中心，上海洗霸科技股份有限公司，天津城市道路管網配套建設投資有限公司）
