污泥胞外聚合物的提取方法及其对污泥脱水性能的影响_周俊

第34卷第7期2013年7月

环境科学Vol．34，No．7Jul．，2013

污泥胞外聚合物的提取方法及其对污泥脱水性能的影响

1，21*1，3

周俊，周立祥，黄焕忠

（1. 南京农业大学资源与环境科学学院环境工程系，南京3. 香港浸会大学理学院，香港999077）

210095；2. 南京工业大学生物与制药工程学院，南京211816；

摘要：采用7种不同方法提取污泥胞外聚合物（EPS ），并研究污泥不同层EPS 剥离前后对污泥脱水性能的影响．结果表明，EPS ）提甲醛+NaOH 和2%EDTA 提取法对污泥中紧密结合的胞外聚合物（tightly bound extracellular polymeric substances ，TB-·g －1和42. 38mg ·g －1，取效率最高，总固体（SS ）中的EPS 提取量分别为128. 9mg 但提取后细胞破裂严重，不能代表污泥EPS ·g －1．污泥剥离黏液层（Slime 层）、松的真实含量，不宜采用．加热法较为温和，提取效率较高，总SS 中EPS 产量为21. 97mg LB-EPS ）和TB-EPS 层后污泥的脱水性能大幅度改善，散结合的胞外聚合物（loosely bound extracellular polymeric substances ，其中Slime 层EPS 含量越高污泥的脱水性能越差，当污泥EPS 大量地释放到溶液中即Slime 层时污泥的CST 值大幅度升高，污泥的脱水性能变差．石湖墟和昂船舟污泥初始的毛细吸水时间（CST ）为132. 9s 和229. 9s ，当剥离Slime 层时这2种污泥的CST 值分别为80. 8s 和79. 4s ，脱水性能得到明显改善．

关键词：污泥；胞外聚合物；脱水性能；毛细吸水时间；提取方法

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：0250-3301（2013）07-2752-06

Optimization of Extracellular Polymeric Substance Extraction Method and Its Ｒolein the Dewaterability of Sludge

23

ZHOU Jun 1，，ZHOU Li-xiang 1，WONG Woo-chung 1，

（1. Department of Environmental Engineering ，College of Ｒesourcesand Environmental Sciences ，Nanjing Agricultural University ，Nanjing 210095，China ；2. College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering ，Nanjing University of Technology ，Nanjing 211816，China ；3．Faculty of Science ，Hong Kong Baptist University ，Hong Kong 999077，China ）

Abstract ：Seven commonly adopted extraction schemes were selected to extract extracellular polymeric substance （EPS ）from the sludge ，and the dewaterability of sludge was also investigated before and after extracting EPS．Ｒesultsshowed that Formaldehyde +NaOH and 2%EDTA methods were proved to be effective in extracting EPS from the sludge ，and the total EPS production of the total suspend solid was 128. 86mg ·g －1and 42. 38mg ·g －1，respectively．However ，the cell destructed seriously after extracted by Formaldehyde +NaOH and 2%EDTA methods．Heating method was a gentle and efficient method ，and the total EPS production was 21. 97mg ·g －1．Sludge dewaterability was largely improved after extracted slime ，loosely bound EPS and tightly bound EPS from the sludge flocs．It was also found that the higher content of EPS in slime ，the worse dewaterability of sludge ，and sludge dewaterability would be deteriorated when EPS was released from other layers to slime．Capillary suction time （CST ）values of sludge from the ShekWuHui and Stonecutters Island Treatment works were 132. 9s and 229. 9s compared to 80. 8s and 79. 4s ，separately after extracted Slime from sludge flocs ，and the dewaterability of sludge was greatly improved．

Key words ：sludge ；extracellular polymeric substance ；dewaterability ；capillary suction time ；extraction method

活性污泥法处理污水过程中产生大量的剩余污泥，剩余污泥主要是由污水中的悬浮物、胶状物及

［1］

微生物的絮体组成．胞外聚合物（extracellular polymeric substances ，EPS ）是微生物在一定的环境下，其代谢过程中分泌的包围在细胞壁外的多聚物，EPS 的成分和微生物的胞内物质类似，主要是一些高分子的聚合物，如蛋白质、多糖和核酸等聚合物，一般认为EPS 占活性污泥总有机质的50% 90%［1 3］．EPS 对污泥絮体的束水容量具有重要的贡献，污泥中大部分的水结合在EPS 中，因此EPS

［3 5］

．国被认为是影响污泥脱水性能的最主要因素

但内外关于EPS 与污泥脱水性能的关系研究较多，

［6］

结果不一致．Kang 等研究从一种污泥中提取的EPS 添加到另外一种污泥中，发现其对污泥的脱水［7］

有负作用；Houghton 等研究发现添加一定量的EPS 能够促进污泥的脱水；王红武等［8］研究发现

EPS 的组成对污泥脱水有显著的影响，松散结合的胞外聚合物（LB ）/紧密结合的胞外聚合物（TB ）越大，污泥的脱水性能越差，而EPS 的总量对污泥的

收稿日期：2012-10-08；修订日期：2012-12-20基金项目：国家自然科学基金项目（2117706）作者简介：周俊（1983 ），男，博士，讲师，主要研究方向为环境微生

mail ：junzhou1983@物技术和固体废物处理与处置，E-126. com

*通讯联系人，E-mail ：lxzhou@njut．edu．cn

7期周俊等：污泥胞外聚合物的提取方法及其对污泥脱水性能的影响

2753

［9］

脱水性能影响不大；Li 等研究也发现尽管一定量的EPS 对污泥的脱水性能有促进作用，但是过多的

（Slime ）、松散结合的胞外聚合物（loosely bound extracellular polymeric substances ，LB-EPS ）和紧密结

合的胞外聚合物（tightly bound extracellular polymeric substances ，TB-EPS ），然后研究加热法、超声波法、甲醛法、甲醛+超声波法、EDTA 法和甲醛+NaOH 法、对照等7种方法对污泥胞外聚合物提取效果进行研究，通过对EPS 中组分的定量分析，评价不同方法的提取效果．同时，研究污泥剥离不同层的EPS 前后污泥脱水性能的状况，了解污泥各层EPS 对污泥脱水性能的影响，以期为获得较为合理的EPS 提取方法及研究EPS 与污泥脱水性能的关系奠定基础．11. 1

材料与方法供试污泥性质

EPS 反而导致污泥的絮凝和脱水性能变差．因此，目前关于污泥EPS 的含量和组成对污泥脱水性能的影响尚存在争议．

为了更好地研究污泥胞外聚合物与污泥脱水性能的关系，需要探索合理的污泥胞外聚合物的分层及提取方法．EPS 提取的一个关键要素是所选的方法不但能够准确地将其从细胞表面分离出来，而且要足够温和，避免引起细胞的裂解和溶解，从而导致细胞的内聚物泄漏到胞外，造成EPS 数量和成分分析的误差，一般采取EPS 中DNA 的相对含量作为

［1，10，11］

．为了更好地检验细胞相对破裂程度的标准

研究污泥各层的EPS 及其组分对污泥的脱水性能［3，12］

的影响，本实验结合前人的研究结果及实验室摸索，引入污泥EPS 的分层概念，即按照有机物与细胞相的结合程度，将污泥的EPS 分为黏液层

表1

Table 1

污泥石湖墟污泥昂船舟污泥

pH 7. 126. 42

含固率/%1. 702. 40

污泥采自香港石湖墟和昂船舟污水处理厂厌氧

发酵池，污泥的基本理化性质见表1.

污泥的基本性质1）VSS /%72. 645. 0%

总N /%6. 32. 07

总P /%2. 530. 58

CST /s129. 4229. 9

Physicochemical characteristics of sludge

1）除pH 、含固率和CST 外，其它指标均以干物质计

1. 2污泥胞外聚合物的提取方法EDTA 后4ħ 下振荡3h ，经过不同的方法处理后在20000r ·min －1、4ħ 下离心20min ，收集上清液为TB-EPS．将Slime 、LB-EPS 和TB-EPS 溶液过0. 45μm 的滤膜，然后在3500Da 的透析袋中、4ħ 下透析2d ，收集透析后的EPS 进行化学分析．提取方法详细的流程见图1．1. 3

剥离污泥各层EPS 前后污泥脱水性能的变化为了考察不同层的EPS 对污泥脱水性能的影

按照有机物与细胞相的结合程度，将污泥胞外

EPS 和TB-EPS ，聚合物分为黏液层（Slime ）、LB-比较不同提取方法的提取效率．提取方法如下：首先

·min －1下离心15min ，将污泥在550r 收取其上清液为黏液层（Slime ）．然后在污泥颗粒中添加0. 01

mol ·L －1的NaCl 洗2次，弃去上清液，接着用0. 01120mol ·L －1的NaCl 将污泥颗粒悬浮到原来的体积，W 超声2min ，28ħ 、180r ·min －1摇床中振荡培养10min ，最后在9000然后120W 超声2min ，r ·min －1、4ħ 下离心15min ，EPS．收集上清液为LB-·L －1的NaCl 悬浮到原来的污泥颗粒再用0. 01mol

·min －1摇床中振荡培养10体积，然后28ħ 、180r min 后，分别用7种不同的方法提取污泥的TB-EPS ，·min －1、4ħ 下离对照处理是将污泥在4000r 心20min ；加热法是在70ħ 下加热30min ；超声波

法是将污泥在120W 下超声10min ；甲醛法是将污泥加入0. 06mL 36. 5%的甲醛后4ħ 振荡1h ；甲醛+超声波法是在甲醛法处理后再120W 超声10min ；甲醛+NaOH 法是在甲醛法处理后再加1mol ·L －1NaOH 振荡3h ；EDTA 法是添加2%的

响，设置如下处理：①原始污泥；②原始污泥550

r ·min －1离心15min 后弃去上清，用去离子水恢复到原来的体积混匀（－Slime ）；③原始污泥550r ·min －1离心15min 后再混匀（+Slime ）；④原始污·min －1离心15min ，·min －1离泥550r 混匀后9000r

心20min 后混匀（+Slime +LB ）；⑤原始污泥550r ·min －1离心15min 后弃去上清，用去离子水恢复原·min －1离心20min 后弃去上清，来体积再9000r 最后用去离子水恢复到原来的体积混匀（－Slime －LB ）；⑥原始污泥550r ·min －1离心15min 后混匀，

·min －1离心20min 后混匀，接着9000r 然后70ħ 下·min －1下离心20min 后混加热30min ，最后20000r

·min －1离匀（+Slime +LB +TB ）；⑦原始污泥550r

2754

环境科学34

卷

图1不同的提取方法对污泥中胞外多聚提取Procedures for EPS extraction processes

Fig．1

接着去离子水恢复原来体积心15min 后弃去上清，

·min －1离心20min 后弃去上清，后9000r 再用去离子水恢复到原来的体积混匀，然后70ħ 下加热30

min ，20000r ·min －1下离心20min 后弃去上清，最后用去离子水恢复到原来的体积后混匀（－Slime －LB －TB ）．1. 4

分析测定方法

用pHS-3C 精密pH 计（Mettler Toledo ）测定污泥的pH ；污泥的含固率用105ħ 烘干法测定；全

定（TOC-5000A ，Shimadzu ）．22. 1

结果与讨论

污泥Slime 和LB 层中的各组分的含量

表2反映了石湖墟污水处理厂厌氧污泥胞外聚

EPS 中各组分的含量（以污泥中每合物Slime 和LB-g SS 计）．可以看出Slime 层中总的EPS 的含量比LB 层多，·g －1和5. 03mg ·g －1，分别为18. 73mg 以总

·g －1和1. 52的有机碳（TOC ）来表示分别为2. 08mg

mg ·g －1．该污泥Slime 和LB-EPS 层中的蛋白质是·g －1和3. 98其主要的成分，含量分别为13. 83mg mg ·g －1，这两层中蛋白质和多糖的比例（PN /PS）分

［3］

别为4. 79和5. 77，何培培等研究表明污泥Slime 层中的蛋白质和蛋白质/多糖的含量与污泥的脱水

Slime 层中蛋白质含量越高或者蛋性能的关系重大，

白质/多糖的比例越大污泥的脱水性能越差，因此该

污泥的脱水性能也可能受Slime 层中EPS 的含量和组分的影响较大．另外该污泥Slime 层中DNA 的含量比LB 层中DNA 含量要高出很多，分别为2. 01

N ：硫酸-混合催化剂消化，蒸馏定氮法测定；全P ：

H 2SO 4-HClO 3消化，钼蓝比色法测定；挥发性固体（VSS ）用灼烧法测定［13］；污泥毛细吸水时间CST

（指污泥中的水分在特制的滤纸上渗透1cm 距离所需要的时间，用s 表示）采用CST 测定仪（TYPE

［3，14，15］

304M ，；蛋白质的测定英国Triton 公司）测定采用改进型的Lowry 法，以牛血清蛋白作为标准物；多糖的测定采用蒽酮比色法，以蔗糖作为

［18］

标准物质；DNA 的测定采用二苯胺比色法，以质

DNA 钠盐为标准物质［19］；TOC 采用TOC 测定仪测

表2

Table 2

污泥EPS Slime LB-EPS

TOC

/mg·g －12. 081. 52

［16，17］

EPS 中各组分的含量石湖墟污泥Slime 和LB-蛋白质

/mg·g －113. 833. 98

DNA

/mg·g －12. 010. 36

总的EPS

/mg·g －118. 735. 03

Composition of extracted Slime and LB-EPS from ShekWuHui swage treatment works

多糖

·g －1/mg2. 890. 69

蛋白质/多糖

4. 795. 77

7期周俊等：污泥胞外聚合物的提取方法及其对污泥脱水性能的影响

2755

·g －1，mg ·g －1和0. 36mg 可能是污泥厌氧发酵过程中原活性污泥中的好氧微生物在厌氧条件下死亡，

细胞内的DNA 释放出来，导致Slime 层中的DNA 含量较高．

2. 2不同提取方法提取后污泥TB 层各组分的含量图2反映的是不同提取方法提取后污泥TB 层中各组分的含量，可以看出不同提取方法对污泥中EPS 提取效率差别很大．从总的EPS 含量上看，提取效率为甲醛+NaOH ＞2%EDTA ＞加热＞甲醛+超声＞超声＞对照＞甲醛，蛋白质、多糖和DNA 的提取效率变化趋势和总的EPS 的变化都一致．另外，所有的提取方法提取后污泥TB 层中蛋白质的含量都高于多糖的含量，蛋白质与多糖的比例在1. 65和4. 77之间，和文献中报道蛋白质在EPS 中占主要部分的结果一致

［20，21］

2%EDTA 和甲醛+NaOH 这7种方法提取后TB-EPS 中的DNA 的含量分别为0. 19、0. 23、0. 38、0. 32、0. 63、2. 66、3. 75mg ·g －1，可见2%EDTA 和甲醛+NaOH 对细胞的破坏程度较大，导致细胞内

物质释放，另外提取剂中化学试剂的大量存在对分析测试也存在着影响，因此该方法不宜采用．从数据来看，加热处理提取效率虽然比2%EDTA 和甲醛+NaOH 略低，但是提取过程中对细胞的破坏程EPS 度较低，较为温和，建议采用．再通过比较TB-中（蛋白质+多糖）/DNA的值发现甲醛+NaOH （44. 0）＞加热（33. 5）＞对照（20. 5）＞甲醛（16. 5）＞甲醛+超声（15. 4）＞超声（12. 1），（蛋白质+多糖）/DNA的值越大表明单位DNA 对应的蛋白质+多糖的值越大，可以看出甲醛+NaOH （44. 0）＞加热（33. 5），但甲醛和NaOH 对分析测试的影响较大，因此综合考虑加热法的提取效果较好．对照、甲醛、超声、甲醛+超声提取的EPS 较少，效率较

EPS 的含量．另外，低，不能较好地反映污泥TB-通过比较超声和甲醛+超声可以看出，加入甲醛后对

细胞提取EPS 过程有一定的保护作用，细胞溶出的DNA 比超声法略少，但这2个处理的整体效率较低，因此效果并不明显．2. 3

剥离污泥各层EPS 前后污泥的脱水性能

污泥不同层EPS 的含量及组成与污泥脱水性

．

［3，6 8］

．表3能的关系较为复杂，目前研究尚存争论

是石湖墟和昂船州污泥各层EPS 中各组分的含量

图2EPS 中各组分含量分析石湖墟污泥不同提取方法后TB-Composition of extracted TB-EPS from ShekWuHui sewage treatment works by different methods

Fig．2

（其中TB-EPS 采用热处理方法提取）．由于2种污

泥的性质不完全相同，尤其是有机质的含量不同，所以导致污泥中的EPS 含量不一致．昂船州污泥EPS 比石湖墟的含量略低，另外这2种污泥EPS 中各组分比例也不相同，这可能和污泥本身的性质相关．一些学者研究表明Slime 层中的EPS 含量和污泥的脱水性能关系重大，何培培等研究说明当污泥Slime 层中的蛋白质或蛋白质/多糖的比例升高时污泥的脱水性能变差，即污泥絮体中的蛋白质和多糖

［3］

污泥EPS 提取过程中遵循的一个原则是尽可

能保证污泥的EPS 全部剥离下来，同时污泥细胞结构不被破坏，即该提取方法不导致污泥细胞破裂使污泥细胞内的物质溶出．DNA 是细胞内独有的物质，因此DNA 的含量通常用来表征细胞破裂的程［10，21 23］

．对照、度甲醛、超声、甲醛+超声、加热、

表3

Table 3

污泥EPS Slime-石湖墟

LB-石湖墟TB-石湖墟Slime-昂船州LB-昂船州TB-昂船州

多糖/mg·g －12. 890. 697. 982. 920. 761. 12

石湖墟和昂船州污泥中各层EPS 中各组分含量

蛋白质

/mg·g －113. 833. 9813. 1510. 790. 258. 77

DNA

/mg·g －12. 010. 360. 631. 610. 240. 88

各层总EPS

/mg·g －1

18. 735. 0321. 7715. 321. 2510. 77

Composition of extracted EPS from ShekWuHui and Stonecutters Island sludges

蛋白质/多糖

4. 795. 771. 653. 700. 337. 83

2756

环境科学34卷

只要不释放到外层即Slime 层，污泥的脱水性能就不会恶化．因此，采用污泥分层提取法将污泥的EPS 剥离到溶液中，通过对EPS 剥离前后污泥的脱水性能的考察，研究污泥各层EPS 对污泥脱水性能的影响

．

CST 是用来表征污泥脱水性能的一个重要指标，一般CST 的值越小污泥的脱水性能就越［3，14，24］

．图3是反应污泥EPS 经过分层剥离后污好

泥脱水性能的状况，可以看出2种污泥变化趋势一致．原始石湖墟污泥CST 为132. 9s ，－Slime 、－Slime －LB 和－Slime －LB －TB 处理后污泥的CST 96. 1和71. 1s ，分别为80. 8、与原始污泥相比大幅

度的降低；+Slime 、+Slime +LB 和+Slime +LB +TB 处理后污泥的CST 分别为135. 0、160. 7和219. 7s ，与原始污泥相比都有升高，其中+Slime +LB +TB 处理升高的幅度最大．原始昂船州污泥CST 为229. 9s 、－Slime 、－Slime －LB 和－Slime －LB －TB 处理后污泥的CST 分别为79. 4、122. 8、119. 9s ；+Slime 、+Slime +LB 和+Slime +LB +TB 处理后污泥的CST 分别为237. 9、276. 2和296. 6s ，CST 其中+Slime +LB +TB 处理升高的幅度最大，总体变化趋势与石湖墟污泥一致．石湖墟与昂船州污泥剥离Slime 层后污泥CST 大幅度降低，添加Slime 后脱水略有升高，而这2种污泥+Slime 、

+Slime +LB 和+Slime +LB +TB 处理后污泥的CST 逐渐增加，经过这3种处理后污泥溶液中EPS 的含

量是逐渐增加的，表明污泥溶液中即Slime 层的EPS 含量越高，污泥的脱水性能越差，即溶液中EPS 含量与污泥的脱水性能呈正相关，这和文献研究当污泥中的EPS 大量地溶解到溶液中即Slime 层时污泥

［3，14，24，25］

．污泥剥的CST 值升高，脱水性能变差一致EPS 时，离LB-与原始污泥相比石湖墟与昂船州污

泥的CST 都有降低，但是与只剥离Slime 层时相比EPS 中的污泥CST 略有升高，可以推测污泥LB-EPS 可能对污泥的脱水有一定的促进作用．另外，当继续剥离TB 层时，石湖墟与昂船州污泥的CST 又稍有降低，脱水性能略有改善．综上可知，污泥的Slime 层的EPS 含量和污泥的脱水性能关系最大，该层EPS 含量越高，脱水性能越差；LB 层对污泥的脱水有一定的促进作用，但是不明显；TB 层EPS 含量与污泥的CST 值成正比，表明TB 层EPS 含量越高污泥的脱水性能越差．3

结论

（1）2%EDTA 和甲醛+NaOH 提取法对本研究

EPS 中EPS 的提取的效率最高，中的污泥TB-但是这两种方法提取后可导致污泥细胞严重破裂，不宜

30min ）提取EPS 效率也较高，采用；加热法（70ħ ，

对污泥细胞破坏较小，是温和且有效的EPS 提取

方法．

（2）通过对石湖墟和昂船州污泥不同层EPS 的含量及组分分析，发现这2种污泥各层中蛋白质的含量高于多糖的含量，且有机质含量高的石湖墟污泥中总的EPS 的含量高于昂船州污泥．

（3）通过对石湖墟和昂船州污泥EPS 分层剥离前后污泥脱水性能的研究表明，剥离污泥Slime 层、LB-EPS 和TB-EPS 层后污泥的脱水性能大幅度改善，其中Slime 层EPS 含量越高污泥的脱水性能越差，当污泥EPS 大量地释放到溶液中即Slime 层时污泥的脱水性能严重变差．

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A ：原始污泥；B ：+Slime ；C ：+Slime +LB ；D ：+Slime +LB +TB 图3Fig．3

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