李志華,張 婷,吳 杰,王曉昌

(西安建筑科技大學(xué) a.環(huán)境與市政工程學(xué)院;b.西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710055)

好氧顆粒污泥作為一種高活性的微生物聚集體,以其密實(shí)的顆粒結(jié)構(gòu)、良好的沉淀性能以及在同一顆粒內(nèi)可以完成硝化反硝化等優(yōu)點(diǎn)[1-2],受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。目前,各國(guó)學(xué)者對(duì)好氧顆粒污泥的產(chǎn)生條件進(jìn)行了大量的研究。盡管目前認(rèn)為好氧顆粒污泥的形成主要取決于操作條件,但微生物的種類(lèi)也決定了顆粒的密實(shí)度和穩(wěn)定性。自養(yǎng)硝化菌與異養(yǎng)菌在生物結(jié)構(gòu)、代謝模式等方面有明顯的不同。從生長(zhǎng)條件來(lái)說(shuō),自養(yǎng)菌由于增殖速度較慢,因此附著在某以載體上生長(zhǎng)有利于其在反應(yīng)器內(nèi)的富集,而密實(shí)的顆粒結(jié)構(gòu)可以稱為自養(yǎng)菌附著生長(zhǎng)的天然載體。研究表明,在生物膜和好氧顆粒污泥中慢速增長(zhǎng)的自養(yǎng)菌主要存在于外層,而快速增長(zhǎng)的異養(yǎng)菌則主要分布在整個(gè)生物膜或者顆粒污泥內(nèi)[2-3],進(jìn)一步證明顆粒是自養(yǎng)菌附著生長(zhǎng)的主要載體,但自養(yǎng)菌在好氧顆粒污泥形成階段作用也是不能忽視的[4-5],那么自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌是如何相互作用,又是如何影響顆粒的穩(wěn)定性,目前尚不清楚。為此,研究對(duì)比分析了自養(yǎng)硝化顆粒污泥與異養(yǎng)顆粒污泥的成長(zhǎng)特性,從顆粒污泥的胞外聚合物含量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度、粒徑分布、密度等等方面分析了自養(yǎng)硝化顆粒污泥和異養(yǎng)顆粒污泥的結(jié)構(gòu)差異。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件

實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)完全相同的圓柱形有機(jī)玻璃柱作為SBR反應(yīng)器 R1和 R2,有效容積 2 L,內(nèi)徑50mm.實(shí)驗(yàn)運(yùn)行周期為3 h(依據(jù)污泥的沉淀性能,沉淀時(shí)間逐步調(diào)整,同時(shí)調(diào)整曝氣時(shí)間以保證運(yùn)行周期長(zhǎng)度為3 h),每個(gè)過(guò)程的具體運(yùn)行時(shí)間如表1所示。通過(guò)蠕動(dòng)泵從反應(yīng)器底部進(jìn)水,由電磁閥控制從中部排水,空壓機(jī)從反應(yīng)器底部通過(guò)玻璃砂芯均勻曝氣,R1、R2的曝氣量分別為 1.0 L/min、0.4 L/min。有機(jī)負(fù)荷分別2.4 kgCOD/(m3?d)、0.0 kgCOD/(m3?d)。反應(yīng)器在(25±1)℃的水浴條件下進(jìn)行。

表1 SBR反應(yīng)器操作條件

1.2 進(jìn)水水質(zhì)及接種污泥

接種污泥取自西安市北石橋污水凈化中心的DE型氧化溝,MLSS=5 500mg/L。采取人工模擬生活污水,組成見(jiàn)表2。微量元素微量元素組分(單位:mg/L):FeCl3?6H2 O 0.4545,H 3BO3 0.0455,CuSO4?5H2O 0.0091,KI 0.0545,MnCl2?H2O 0.0364,Na2MoO4?2H 2O 0.0182,ZnSO4?7H2 O 0.0364,CoCl2?6H 2O 0.0455,EDTA二鈉鹽3.03。

表2 模擬城市污水配水組份

1.3 分析項(xiàng)目及方法

1)EPS的提取及分析。取出污泥后立即用PBS緩沖溶液清洗2次,經(jīng)超聲波破碎后再利用陽(yáng)離子交換方法[6]提取EPS,糖類(lèi)的測(cè)定采用蒽酮-硫酸分光光度法[6],蛋白的測(cè)定采用福林酚分光光度法[6],EPS中的中有機(jī)碳(TOC)的測(cè)定用島津公司的TOC-vCPH。

2)密度的測(cè)定。顆粒污泥密度采用蔗糖溶液濃度梯度法。

3)粒徑及粒徑分布測(cè)定。在曝氣階段,用50mL離心管從反應(yīng)器中取出20～30mL泥水混合液,用滴管從中吸取1～2mL,置于載玻片上,用蓋玻片固定,然后使用Nikon ECLIPSE90i顯微鏡對(duì)顆粒形態(tài)進(jìn)行顯微鏡攝相,為避免照相選取視域的人為誤差,對(duì)所有的視域均進(jìn)行顆粒粒徑照相分析,粒徑尺寸小于50μm的細(xì)小顆粒忽略不計(jì)。

4)顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測(cè)定。顆粒取出后,立即用多聚甲醛固定,然后采用乙腈脫水進(jìn)行真空干燥,干燥后顆粒鍍金采用日立掃描電鏡S3400N進(jìn)行觀察;進(jìn)行冷凍切片觀察時(shí),顆粒取出后立即用 PBS進(jìn)行清洗,然后用OTC在-27℃的條件下包埋,完全冷凍后切片,切片厚度為 50μm,采用 Nikon ECLIPSE90i電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

5)強(qiáng)度試驗(yàn)的方法[7]。在曝氣時(shí)從已知MLSS的反應(yīng)器中取泥100mL,其污泥干重記為M0,置于150mL的燒杯中,沉淀1min,測(cè)定未能完全沉淀的體積(V0)中所含污泥干重記為Mf1′,然后添加等體積(V0)生理鹽水,保持試驗(yàn)過(guò)程中體積的恒定。在1.0 L/min的曝氣量下曝氣5min,曝氣結(jié)束后沉淀1min,取未能完全沉淀的體積(V1)測(cè)污泥干重記為Mf2′,添加等體積(V1)生理鹽水,此過(guò)程循壞3次 ,持續(xù)到 20min。令mf′=Mf1′+Mf2′+Mf3′+Mf4′,則(M0-Mf′)/M0的比值為顆粒污泥的完整度,即顆粒污泥抵抗水利剪切的能力,一定程度上可反映顆粒污泥強(qiáng)度。

2 結(jié)果

當(dāng)培養(yǎng)至10 d時(shí),有機(jī)負(fù)荷為2.4 kgCOD/(m3?d)的R1中出現(xiàn)顆粒雛形;19 d時(shí),出現(xiàn)外形較為規(guī)則的顆粒,由于該反應(yīng)器中主要以異養(yǎng)菌為主,因此其顆粒被稱為異養(yǎng)菌顆粒;而在反應(yīng)器R2中由于無(wú)有機(jī)碳源,主要以自養(yǎng)菌的增殖為主,該反應(yīng)器在27 d時(shí)出現(xiàn)了污泥顆粒,具有良好的硝化效果,稱之為自養(yǎng)菌顆粒。

2.1 顆粒形態(tài)及粒徑分布

圖1、圖2分別描述了異養(yǎng)菌顆粒污泥與自養(yǎng)菌顆粒污泥的外部形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。就外部形態(tài)而言,在顆粒形成初期,二者的形態(tài)差別不大(圖1(a)和(d));在95 dR1中異養(yǎng)菌顆粒污泥形態(tài)既有松散的,也有密實(shí)的,而R2中自養(yǎng)菌顆粒污泥光滑密實(shí)(圖1(b)和(e));在146 d時(shí),R1中顆粒污泥主要以絲狀菌蓬松狀結(jié)構(gòu)為主(圖1(c)),而R2中顆粒形態(tài)仍為光滑密實(shí)的(圖1(f))。就內(nèi)部結(jié)構(gòu)而言,在異養(yǎng)菌顆粒污泥中,其顆粒結(jié)構(gòu)松散(圖2(a)),且有大量的絲狀菌存在(圖2(c)),而自養(yǎng)菌顆粒污泥中孔洞較少(圖2(b)),主要以球菌為主(圖2(d))。這可能是由于絲狀菌與硝化菌都是生長(zhǎng)速率較慢的菌種,它們之間存在著某種相互競(jìng)爭(zhēng)、相互抑制的關(guān)系,自養(yǎng)硝化菌的富集抑制了絲狀菌的生長(zhǎng)。另有研究發(fā)現(xiàn),在SBR反應(yīng)器中,慢速增長(zhǎng)微生物的富集有利于形成更為穩(wěn)定和密實(shí)的顆粒污泥[8],在自養(yǎng)菌占優(yōu)勢(shì)的系統(tǒng)中,由于其附著生長(zhǎng)的特點(diǎn),硝化細(xì)菌主要集中在顆粒物的表面以下70～100μm的表層[9],很難出現(xiàn)絲狀菌的繁殖。

圖1 顆粒污泥形態(tài)觀察(a、d、e標(biāo)尺:100μm;b、c、f標(biāo)尺:5mm)

圖2 顆粒污泥切片及掃描電鏡觀察結(jié)果(a、b標(biāo)尺:100μm;c、d標(biāo)尺:50μm)

圖3(a)描述了在顆粒成熟期(95 d)反應(yīng)器中的顆粒粒徑分布,R1的粒徑分布主要集中在1.0～2.0mm,而R2的粒徑分布主要集中在0.3～0.7mm,圖3(b)為顆粒形成過(guò)程中R1、R2中密度變化曲線,R1中從21 d到95 d時(shí)顆粒的密度出現(xiàn)下降的趨勢(shì),表明異養(yǎng)菌顆粒污泥在顆粒不斷增大的過(guò)程中,其密度是不斷變小即顆粒內(nèi)部的孔隙率變大,正因?yàn)槿绱水愷B(yǎng)菌顆粒污泥極容易出現(xiàn)大孔隙率的“顆?！?實(shí)際上反應(yīng)器中的顆粒已經(jīng)演變成一種松散的絮體。與此相反,自養(yǎng)硝化顆粒污泥的密度在成熟階段呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì),但粒徑變小。以上2種情況表明,在從絮體污泥演替為顆粒污泥期間,其粒徑和密度的增大主要是水力選擇作用,異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌顆粒污泥并未表現(xiàn)出太大差異(圖1(a)和(d))。但在后期的成熟期間,其微生物的成長(zhǎng)及其代謝可能成為主導(dǎo)作用,因此自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌的顆粒污泥在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出明顯的差異和變化趨勢(shì)。由此也可以看出,從微生物的角度來(lái)看,自養(yǎng)菌的成長(zhǎng)及其結(jié)構(gòu)是趨于穩(wěn)定的,而異養(yǎng)菌則是偏離穩(wěn)定的。這種差異性是否與微生物的聚集特性有一定的聯(lián)系呢?為此,該文對(duì)表征微生物聚集特性的胞外物質(zhì)及顆粒強(qiáng)度進(jìn)行了研究。

圖3 R1和R2粒徑分布及顆粒污泥密度變化曲線

2.2 EPS

目前普遍認(rèn)為,自養(yǎng)菌形成生物膜的過(guò)程要比異養(yǎng)菌慢得多,其主要原因是自養(yǎng)菌本身的生長(zhǎng)速度較慢和EPS的分泌量不夠,因此有研究甚至采用異養(yǎng)菌分泌EPS以協(xié)助自養(yǎng)菌的固定[10]。在研究中,對(duì)成熟的顆粒中的EPS進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),自養(yǎng)菌顆粒污泥(R2)的EPS各組分含量明顯大于異養(yǎng)菌污泥(R2)(圖4(a)和(b))。出現(xiàn)這種與以前報(bào)道不一致的現(xiàn)象主要原因可能在于密實(shí)的結(jié)構(gòu)有利于微生物分泌更多的胞外物質(zhì)。如圖4(c)所示,自養(yǎng)菌密度不斷增大的過(guò)程伴隨著EPS總量的不斷提高,表明EPS的含量與顆粒的密實(shí)度有密切的相關(guān)性.在研究含鹽量對(duì)顆粒污泥孔隙率的影響過(guò)程中亦有相似的報(bào)道,即顆粒越密實(shí),其EPS含量尤其是糖組分的含量越高[11-13]。事實(shí)上,在好氧顆粒污泥的研究中,對(duì)EPS的含量隨著顆粒化過(guò)程的變化有完全相反的現(xiàn)象和結(jié)論[14-16],其主要原因除采用的EPS提取方法千差萬(wàn)別之外,還與顆粒在粒徑不斷擴(kuò)大的過(guò)程中并不總是伴隨著其密實(shí)度的提高(即孔隙率減小)有直接的關(guān)系。研究中自養(yǎng)菌顆粒污泥所呈現(xiàn)的小孔隙率和較高的EPS含量是微生物在顆?；瘲l件下兩者相互作用的結(jié)果,Zheng等[17]采用阻排色譜技術(shù)也證實(shí)較小的孔隙率主要是由于較高含量的EPS所導(dǎo)致。EPS對(duì)顆粒形成的重要作用還在于其為細(xì)菌的相互聚集提供膠聯(lián)和纏繞,是微生物聚集體在水力剪切力的條件下保持良好的聚集狀態(tài),正是因?yàn)槿绱?有學(xué)者甚至提議將顆粒污泥過(guò)程從EPS形成“水凝膠”的過(guò)程來(lái)考慮[18]。

圖4 顆粒污泥EPS含量

2.3 強(qiáng)度

目前認(rèn)為好氧顆粒污泥的形成有2種模型,一種模型認(rèn)為絲狀菌相互纏繞形成顆粒污泥的骨架結(jié)構(gòu);另一種模型認(rèn)為細(xì)菌分泌的胞外聚合物(EPS)由于其架橋使生物聚集成密實(shí)的顆粒[19],如前所述的水凝膠理論。在該研究中,自養(yǎng)菌顆粒污泥EPS含量遠(yuǎn)高于異養(yǎng)菌顆粒污泥(圖4),且前者內(nèi)部結(jié)構(gòu)中無(wú)絲狀菌,因此自養(yǎng)硝化菌主要是通過(guò)EPS相互聚集并密實(shí)化,而異養(yǎng)菌顆粒污泥則主要是通過(guò)絲狀菌相互纏繞的骨架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)聚集和密實(shí)化。

不管是EPS還是絲狀菌形成的顆粒污泥骨架,其主要功能在于微生物在攪拌、水力剪切等條件下能夠保持較大的體積和密度。為此,對(duì)顆粒污泥的強(qiáng)度進(jìn)行了分析。圖5描述了曝氣腐蝕對(duì)顆粒污泥強(qiáng)度影響的測(cè)試結(jié)果,表明在沒(méi)有機(jī)械攪拌的條件下,曝氣表面腐蝕對(duì)以絲狀菌為骨架的異養(yǎng)菌顆粒的影響要小于以EPS為骨架的自養(yǎng)菌顆粒污泥R2,即R1的強(qiáng)度大。汪善全等[20]在搖床試驗(yàn)中培養(yǎng)顆粒污泥出現(xiàn)絲狀菌膨脹,試圖增大振蕩頻率和加大曝氣量來(lái)控制絲狀菌的生長(zhǎng),但絲狀菌仍過(guò)度生長(zhǎng)。絲狀菌相互纏繞之間的力可以抵抗曝氣的腐蝕,而EPS架橋形成的顆粒抵抗剝蝕的能力較弱。由此可以看出,絲狀菌的強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于EPS的強(qiáng)度,這就為以絲狀菌為骨架的顆粒污泥在粒徑上進(jìn)一步增大提供了基本的保障。事實(shí)上,顆粒污泥的不穩(wěn)定因素主要來(lái)自絲狀菌所導(dǎo)致的粒徑范圍無(wú)法控制、顆?？紫堵什粩嘣龃骩21-22]。而以EPS為骨架的自養(yǎng)菌顆粒污泥由于粒徑在水力剪切力條件下被腐蝕而得到控制,且EPS和孔隙率之間在EPS水凝膠特性(伸縮溶脹)的基礎(chǔ)上能夠維持較好的動(dòng)態(tài)平衡,因此其顆粒就粒徑而言相對(duì)穩(wěn)定。

圖5 顆粒強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌顆粒污泥的形態(tài)、密度、EPS等特性,就顆粒污泥形成過(guò)程方面可得到如下結(jié)論:

1)與異養(yǎng)菌相比,自養(yǎng)菌顆粒污泥粒徑小,密度大,EPS含量高。

2)在顆粒成熟期,自養(yǎng)菌顆粒污泥的粒徑成長(zhǎng)與密度增大呈現(xiàn)出一致性;而異養(yǎng)菌顆粒污泥粒徑成長(zhǎng)同時(shí)伴隨著密度減小,粒徑與密實(shí)度呈現(xiàn)不一致性,因此前者的成長(zhǎng)趨于是穩(wěn)定的,而后者是趨于不穩(wěn)定的。

3)以EPS為骨架的自養(yǎng)菌顆粒污泥與以絲狀菌為骨架的異養(yǎng)菌顆粒污泥兩者在穩(wěn)定性上的差異主要為外部操作條件對(duì)其粒徑和密度的控制的差異,前者由于強(qiáng)度較低,且EPS與孔隙率能夠達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,因此能夠長(zhǎng)期維持穩(wěn)定。

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