我国城镇污水处理厂主要采用活性污泥处理工艺，生物反硝化脱氮过程需要有机物作为电子供体，污水中碳氮比是影响生物系统脱氮效果的重要因素。有研究对我国785座城镇污水处理厂进行统计，进水BOD5/TKN<3的达337座，多数污水处理厂的进水碳源不能满足生物脱氮除磷的需要。郭泓利等对我国19个省市的127座污水处理厂进水水质进行了调研，结果显示80%的污水处理厂进水BOD5/TN<3.6，进水BOD5/TN>4的污水处理厂仅占10%。进水碳氮比低对生物系统脱氮效果的影响已经成为我国污水处理厂面临的普遍问题，且南方城市尤为严重。随着我国城市污水处理厂污染物排放标准的逐渐提高，对生物系统脱氮除磷提出了更高的要求，污水中碳源不足的问题越发突出。
外加甲醇等碳源虽然可显著提高生物系统的脱氮效果，但成本较高且会产生大量剩余污泥，增加污泥处置费用，因此污水处理厂污泥内碳源开发利用受到关注。目前，从剩余污泥中回收有机物作为反硝化电子供体主要有污泥发酵产酸与污泥破碎快速释碳两种方式。其中，污泥发酵产酸效率低、投资成本高，污泥破碎需要较高的能量输入，同时两种方式均存在固液分离困难、伴随大量氮磷污染物释放等问题。
EPS是活性污泥絮体内处于细胞外部的聚合物，其组分复杂多变，但以蛋白质与多糖为主。由于EPS具有较高的生物利用潜力，近年来活性污泥EPS中有机成分的回收利用成为研究热点。因此，总结了国内外相关报道，对活性污泥EPS的可生化性、剥离释碳特性及原位碳源化的研究进展进行综述，并指出今后的研究方向，从而促进EPS碳源化技术的推广应用。
1、EPS的组成和结构
活性污泥中的EPS主要来源于细菌的自然分泌物、细胞裂解和水解产物。碳水化合物和蛋白质通常是EPS的主要成分，此外还存在脂类、核酸、醛酸和一些无机成分。EPS组分受污泥来源及提取方法的影响，以有机成分为主，其中蛋白质和多糖占EPS总量的70%~80%，这为从活性污泥中剥离EPS作为反硝化碳源提供了可能。
活性污泥EPS可分为溶解型EPS（solubleEPS，SEPS）和结合型EPS（boundEPS，BEPS），其中BEPS具有双层结构，又可分为松散附着型EPS（LB-EPS）和紧密黏附型EPS（TB-EPS），逐层提取EPS后，残留的细胞形成了细胞相。EPS的各组分含量及各组分的功能特点如表1所示。EPS是活性污泥的重要组成部分，其直接影响活性污泥絮体的传质、絮凝、沉降、脱水、稳定性、金属离子吸附和颗粒化等理化特性。
2、EPS的可生化性
EPS主要由碳水化合物、蛋白质、脂类、核酸和各种复杂聚合物等物质组成，虽然在废水生物处理过程中，降解这些聚合物的酶非常丰富，然而学术界关于EPS可生化性的探讨却经历了漫长的历程。
早期的研究认为EPS的生产菌不能利用其自身的EPS，即EPS不能被其自身的生产者所降解。随后相关研究提出EPS内存在特定的裂解酶（多聚糖酶或多糖裂解酶），这些酶通常与胞外多糖本身的生物合成有关，这种酶目前已经在许多合成胞外多糖的细菌中被发现，但不允许微生物利用自身的EPS作为碳源。
然而，目前越来越多的研究表明，EPS可以被自己的生产菌所利用。在饥饿状态下，部分EPS可作为碳源或能源被自己的生产菌和其他微生物所利用。不同方法提取的EPS在组分及含量上存在差异，这点在学术界已经达成共识。目前研究发现，提取方法同样会影响活性污泥EPS的可生化性。Wei等研究发现，超声法、离子交换树脂法、加热法、氢氧化铵法、甲醛-NaOH法提取的活性污泥EPS的BDOC/DOC比值分别为60.7%、50.7%、49.2%、35.2%和27.6%，与碱提取方法相比，超声法、加热法和离子交换树脂法提取的EPS具有更高的生物降解性。
3、EPS剥离释碳对絮体代谢活性的影响
EPS是活性污泥的主要组成部分，EPS剥离会影响污泥絮体的生物代谢活性。研究表明，在超声处理污泥过程中，污泥破碎程度较低时，污泥比耗氧速率（SOUR）有所增加，破碎程度较高时，污泥代谢活性才明显受到抑制。Ebenezer等在研究超声破碎剩余污泥过程中发现，当污泥破碎程度较低时，活性污泥释放的有机物主要来自于EPS剥离而非细菌破壁溶胞作用，Kavitha等的研究也证实了这一现象。因此通过某种方式可实现活性污泥EPS的剥离，同时又有利于提高活性污泥絮体代谢活性。Zubrowska Sudol等研究了污泥破解过程对污泥中硝化菌和反硝化菌活性的影响，当污泥破碎程度较低时，氨氧化速率和反硝化速率分别提高20.2%～41.7％和9.98%～36.3％，该研究指出适量的EPS剥离并不会破坏污泥生物代谢活性，验证了EPS原位剥离释碳的可行性。Liu等利用水力旋流器剥离活性污泥EPS，发现活性污泥SOUR提高了7.17%，当污泥的破碎程度为6.66%～12.25%时，活性污泥的平均反硝化速率提高了14.43%。这主要是由于EPS剥离释放可减少基质向细胞传递的阻力，增大了絮体中基质的传质速率。
4、EPS剥离原位碳源化研究
4.1 EPS原位释碳利用模式
活性污泥EPS剥离释碳为污水处理厂污泥有机成分的回收利用提供了一种新模式，即在污泥生物代谢活性不受破坏的前提下，将EPS从污泥表面剥离作为碳源用于生物脱氮过程，实现活性污泥EPS原位碳源化。Zubrowska Sudol等根据其研究结果提出了两种EPS碳源释放与利用模式，具体如图1所示。具体工艺为：将污泥释碳工艺（作用于部分或全部二沉池回流污泥）直接引入生化处理系统，释放的EPS与污泥直接回流至生化反应池进行利用，该模式适用于各类有二沉池的活性污泥工艺。
刘毅研发了适用于活性污泥释碳的旋流器，利用流层间速度差异产生的剪切力与自转离心力剥离絮体EPS释放碳源，并提出了硝化液回流系统污泥旋流释碳强化脱氮新方法，具体模式如图2所示。在A/O工艺好氧池到缺氧池的硝化液回流系统中，利用水力旋流器剥离污泥EPS释放有机物，有机物与代谢活性未受到破坏的污泥一同进入缺氧池，反硝化细菌利用EPS释放的有机物作为电子供体进行生物脱氮反应，实现主流工艺的污泥EPS原位释碳与在线利用。硝化液回流系统污泥旋流释碳模式只适用于有硝化液回流系统的活性污泥工艺，如A/O或A2/O工艺，而对于无硝化液回流系统的氧化沟工艺则不适用。
4.2 EPS原位碳源化强化脱氮效果
回流污泥水力旋流释碳是EPS原位碳源化的典型模式，表2总结了有关EPS释碳强化生物脱氮的研究进展。
研究表明，旋流释碳技术使A/O工艺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，经过旋流释碳作用，污泥SOUR提高了7.17%，硝酸盐还原酶和亚硝酸盐酶活性则分别提高了15.4%和17.6%，与传统A/O工艺相比，硝酸盐去除率提高了13.6%，TN去除率提高了15.56%。Xu等通过中试系统考察了旋流释碳A/O工艺对实际污水的处理效果，经过旋流器的释碳作用，回流硝化液中SCOD浓度增加了36.36%，与传统A/O工艺相比，系统出水TN浓度降低了21.5%。同时研究还发现，活性污泥EPS剥离不会增加出水有机物浓度，系统出水SCOD浓度降低12.0mg/L。许佳平等设计了装有旋流器的SBR工艺侧流实验，在旋流释碳作用下，活性污泥的SOUR和反硝化速率分别提高了11.1%和6.4%，SBR新工艺对SCOD、氨氮和TN的去除率分别提高6.9%、8.4%和8.9%。方元元对水力旋流释碳器进行了改进，提出了两种优化方案，旋流器释碳效果有所提高，TN平均去除效率比A/O工艺分别提高了21%和15%。
4.3 EPS碳源化对污泥沉降性能的影响
在活性污泥处理系统中，固液分离效果是系统运行过程中的关键问题之一，直接影响出水水质与回流污泥浓度，进而影响活性污泥系统的稳定性。EPS是活性污泥絮体的重要组成部分，直接影响污泥的表面性质与絮凝沉降性能。刘毅研究发现，EPS剥离不会破坏污泥絮体的沉降性能，回流污泥经过旋流释碳作用，生物系统污泥容积指数（SVI）及系统出水悬浮物浓度（SS）未发生明显变化。也有研究表明，旋流释碳工艺将EPS剥离后活性污泥絮体粒径减小，但密实度增加，SVI降低6%，系统出水SS减少6.1%。徐银香研究发现，与A/O工艺相比，旋流释碳AO工艺活性污泥沉降比（SV30）降低了19.72％，SVI降低了3.05％。可见，污泥经旋流释碳处理后，不仅可提高生物系统的脱氮效果，还能使污泥沉降性能略有改善。
5、结语
EPS是活性污泥的重要组成部分，其组分复杂多变，但以蛋白质与多糖为主，具有较高的生物利用潜力。通过适当的水力或机械作用，可在污泥生物代谢活性不受破坏的前提下，将EPS从污泥表面剥离释放有机碳源，从而为活性污泥EPS原位碳源化提供可能。水力旋流释碳是EPS原位碳源化的典型模式，EPS从污泥表面剥离，不仅通过释放有机碳源、促进污泥代谢活性强化了生物系统脱氮效果，同时还可提高污泥沉降性能。
EPS原位碳源化可有效解决污水处理厂生物脱氮过程碳源不足的问题，是污水处理厂污泥内碳源开发利用的一种新模式。目前此方面的研究仍存在以下几个问题：首先，活性污泥EPS会吸附一部分磷酸盐，有利于提高生物除磷效率，而EPS剥离释放是否会影响生物除磷过程尚不清楚；其次，不同类型EPS组分、含量及其在污泥絮体中的作用存在差异，EPS剥离程度会影响释碳效果及污泥代谢活性，因此EPS剥离程度、释碳效果及生物代谢活性的耦联机制是一个值得研究的课题；最后，EPS剥离释碳模式是否会影响活性污泥系统微生物群落结构，尤其是脱氮功能菌群的变化，有待深入探索。（来源：陕西科技大学环境科学与工程学院，中国轻工业水污染控制工程技术研究中心）
