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活性污泥法是一种广泛应用于城市污水和有机性工业废水的污水生物处理工艺,运行过程中,活性污泥的絮凝、沉降性能直接关系污水处理系统的正常运行。在水中投加适量Ca2+,加速活性污泥反应器启动、强化活性污泥沉降性能,受到越来越多的重视。胞外多聚物(extracellular polymeric substances,EPS)是活性污泥重要的组成部分,对活性污泥絮凝、沉降性能起着重要作用。然而,加入Ca2+对活性污泥胞外多聚物数量和组成的影响以及对活性污泥沉降性能的影响机制远不清晰。本论文在活性污泥反应器进水中,外源添加不同浓度Ca2+,采用三维荧光光谱(three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy,3D-EEM)、红外光谱(fourier transform infrared spectrum,FT-IR)、核磁光谱(nuclear magnetic resonance,NMR)、X射线能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)等分析技术探究Ca2+对活性污泥EPS组成的影响,开展外源Ca2+改进活性污泥沉降性能、提升污水生物处理系统稳定性的研究,得出以下研究结论:1、针对目前活性污泥EPS提取方法多样,但提取效率存在明显差异的问题,研究了离心、戊二醛、甲醛+NaOH、EDTA、超声+阳离子交换树脂(cation exchange resin,CER)法对活性污泥EPS的提取效率、组分含量及污泥微生物细胞破坏的影响。结果显示超声+CER法对活性污泥EPS提取效率最高,对微生物细胞破损影响较小,所以本研究采用超声+CER法为活性污泥EPS的提取方式。2、在SBR启动期与稳定期,通过外源添加不同浓度Ca2+(0、50、100、150和200 mg/L),测定Ca2+对活性污泥EPS的产生及对其组分的影响。进水中添加150 mg/L Ca2+的反应器与对照反应器(CK)相比,活性污泥EPS和多糖PS数量增加,蛋白质PN没有显著性变化;进水中添加不同浓度Ca2+对疏松型胞外多聚物(loosely bound EPS,LB-EPS)及紧密型胞外多聚物(tightly bound EPS,TB-EPS)的影响与对EPS的影响规律类似,EPS中多糖变化主要来自于TB-EPS的变动。3、利用三维荧光光谱、红外光谱及核磁光谱研究外源添加不同浓度Ca2+对反应器启动期及稳定期活性污泥EPS基团变化的影响。结果表明进水添加150 mg/L Ca2+活性污泥EPS的三维荧光光谱图中酪氨酸类蛋白peak D(Ex/Em=200～250/250～300 nm)峰出现,并且活性污泥EPS的红外光谱谱图表明:与CK反应器污泥相比,进水添加150 mg/L Ca2+的活性污泥EPS在1517 cm-1处表征酪氨酸峰的响应值显著增强;活性污泥氨基酸含量测定结果也表明当外源加入150 mg/LCa2+活性污泥EPS中酪氨酸含量比对照反应器增加47.9%。活性污泥EPS的红外光谱谱图表明在3400 cm-1处表征-OH峰吸收强度更高。1H-NMR也表明:添加150 mg/L Ca2+的污泥EPS中在5.0 ppm-3.0 ppm位移区间表征多糖中的-OH基团谱图强度显著升高。外源添加150 mg/L Ca2+可促进活性污泥EPS中酪氨酸及多糖的生成,这可能是外源添加150 mg/L Ca2+改善活性污泥絮凝及沉降性能的原因之一。4、反应器启动阶段,进水中添加150 mg/L外源Ca2+的反应器中活性污泥污泥浓度(mixed liquid suspended solids,MLSS)和可挥发性污泥浓度(mixed liquor volatile suspended solids,MLVSS)增长量明显高于CK反应器,污泥容积指数(settling velocity index,SVI)显著降低,进水中添加150 mg/L外源Ca2+明显缩短了反应器启动期;进水中加入150-200 mg/L的Ca2+显著提高了活性污泥脱氢酶活性、比耗氧速率以及对污染物的去除性能,显著增强了污泥絮体稳定性。5、探究了活性污泥EPS及Ca2+的存在对活性污泥沉降性能的影响,在EPS、疏松型胞外多聚物LB-EPS及紧密型胞外多聚物TB-EPS分别被剥离时,进水中添加150 mg/L Ca2+活性污泥沉降性能较进水中不添加Ca2+的活性污泥沉降性能显著增强;TB-EPS对活性污泥絮凝、沉降性能的影响较LB-EPS更大,活性污泥EPS及Ca2+是活性污泥沉降主要影响因素。Ca2+在活性污泥、污泥EPS及反应器出水中的含量随着进水Ca2+的增加而增加。X射线能谱分析表明Ca2+在活性污泥及EPS中的可能以磷酸钙(Ca3(P04)2)和碳酸钙(CaCO3)形式存在,有利于活性污泥絮体沉降。外源添加适量150-200 mg/L Ca2+改善活性污泥沉降性能的可能机制在于:一方面,Ca2+促进了活性污泥EPS数量增加和组分的改变,有利于污泥絮体的絮凝,另一方面,Ca2+在活性污泥和EPS中可能以Ca3(P04)2和碳酸钙(CaC03)形式存在,增加污泥絮体密度,从而改善了活性污泥沉降性能。本文研究结果为Ca2+强化活性污泥沉降性能技术的建立提供理论依据。