劉玉玲，文曉慧

(河源市環(huán)境技術中心，廣東 河源 517000)

城市污水處理廠活性污泥的表面形態(tài)和微觀結構研究

劉玉玲，文曉慧

(河源市環(huán)境技術中心，廣東 河源 517000)

摘要：使用光學顯微鏡、電子顯微鏡和激光粒度分析儀考察了某城市污水處理廠中活性污泥的表面形態(tài)和微觀結構。結果顯示：該活性污泥中菌膠團結構致密，數量多，形狀不規(guī)則，部分絲狀細菌從絮狀污泥結構中伸出，連接著不同的污泥絮體；污泥中原生動物數量較多，種類豐富，并生長有少量微型后生動物；電子顯微鏡觀察顯示出活性污泥主要由數量眾多的細菌和有機質等組成，其中球狀細菌在微生物類群中占據主導地位；粒徑為100μm的活性污泥絮體所占比例最大，達到7.6%。

關鍵詞：城市污水處理廠；活性污泥；表面形態(tài)；微觀結構；絮體結構；原生動物；菌膠團

城市人口的快速增長使得城市廢棄物大量增加，生活污水排放量也呈現快速增長勢頭[1]。城市生活污水含有大量有機物、氮、磷等物質，不處理或處理不達標都會對自然水體產生較大污染，嚴重時可引起赤潮和水華。根據處理原理和水質要求的不同，生活污水的處理方法有物理法、化學法和生物法等，其中生物法是生活污水處理常用而且比較有效的處理方式[2]。

活性污泥是污水生物法處理的關鍵因素，直接關系污水處理效果的好壞。利用活性污泥高效降解污染物的能力和特點，組合不同的處理工藝處理生活污水，一般都能達到較好的處理效果[3-5]?；钚晕勰嗍怯纱罅课⑸铩⒂袡C質和無機鹽等組成的混合物，由于不同污水廠的結構和污水性質差異，活性污泥的形態(tài)和微觀結構也會有所差異[6]。本文以城市污水處理廠活性污泥為研究對象，研究活性污泥的表面形態(tài)和微觀結構，以期為污水處理廠的運行和管理提供參考。

1試驗部分

1.1儀器與試劑

儀器：激光粒度分析儀(Mastersizer 2000，英國)，熒光顯微鏡(Zeiss Axio Imager A1)，掃描電子顯微鏡(SEM，Hitachi S-4800，日本)，臨界點干燥儀(Tousimis Samdri-PVT-3D，美國)，高速冷凍離心機(Thermo Multifuge X1R，美國)，超純水制備儀(Milli-Q，美國)。

試劑：磷酸氫二鈉(AR)、磷酸二氫鈉(AR)、戊二醛(25%)和無水乙醇等，購買于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2污水處理廠概況

該城市生活污水處理廠采用微孔曝氣氧化溝工藝，日處理水量約10萬m3，自投入使用以來，運行狀況良好。試驗污泥樣品取自該污水處理廠生物反應池的好氧區(qū)，取回的污泥混合液靜止沉淀30min，倒掉上清液，使用超純水清洗2遍，去除混合液中的大顆粒和污水后，放置于4℃冰箱備用。

1.3光學顯微鏡分析

使用移液槍吸取一定量的活性污泥，輕輕滴在干凈的載玻片上，將蓋玻片從一側慢慢蓋上，避免氣泡影響觀察。此后，慢慢擠壓出載玻片和蓋玻片之間多余的水分，用過濾紙清除載玻片周圍多余的水分。把制備好的載玻片放置于熒光顯微鏡上，在不同的放大倍數下觀察并拍照。

1.4SEM分析

按照文獻中的方法對污泥樣品進行前處理[4, 7]，具體步驟：取適量污泥混合液在5000r/min離心10min，倒去上清液，加入2.5%的戊二醛-磷酸鹽緩沖液，固定30min，經0.2 mol/L的磷酸鹽緩沖液清洗3次后，依次使用30%、50%、70%、90%、95%、100%的酒精梯度脫水，每次15min，并用臨界點干燥儀進行干燥，干燥后的樣品濺射噴金后使用SEM觀察。

1.5顆粒粒徑分析

打開激光粒度儀，取裝有500mL超純水的燒杯，放置于儀器樣品槽中，在攪拌速率為1500r/min時加入一定量的活性污泥，待儀器的遮光度達到儀器所要求的15%左右時，測量污泥粒度。樣品測量重復3次，取平均值。

2結果與討論

2.1活性污泥的表面形態(tài)

圖1顯示出城市污水處理廠活性污泥的表面形態(tài)。如圖1a所示，在低倍鏡下，大量污泥顆粒聚集在一起，形成活性污泥絮體，而絮體主要組成為菌膠團。污泥中的細菌在適宜的條件下能夠形成一定形態(tài)結構的菌膠團[8]，菌膠團是以細菌為主，并以細菌分泌的粘液狀物質將一些小顆粒粘合在一起形成一定形態(tài)的膠質團，它有較強的吸附和氧化有機物的能力，在污水生物處理中具有重要作用[9]。菌膠團的大小、數量和致密性決定了污泥的性質與污水處理效率的高低[8]。在圖1a中，該污水處理廠污泥中菌膠團結構致密，數量多，形狀不規(guī)則，這表明該污水處理廠污水處理效率較好，運行較穩(wěn)定。圖1a也顯示出部分絲狀細菌從絮狀污泥結構中伸出，并連接在不同的絮體之間。研究認為：絲狀菌是活性污泥絮體的骨架，菌膠團細菌等其它微生物通過產生多糖形成凝膠基質粘附在骨架上，絲狀細菌和菌膠團保持一定的比例，可以使污泥具有良好的沉降性[9]。但是大量的絲狀菌生長，將形成“刺毛球”狀的活性污泥骨架，這使得污泥絮體間難以壓縮，造成活性污泥絮體結構松散，污泥沉降速度變慢，壓縮性能變差，引起污泥膨脹[10]。所以，在活性污泥中，一定數量的絲狀細菌，可以改善污泥的沉降性能，提高污水處理效率，但是必須避免絲狀細菌的過量生長。

圖1b顯示出污泥絮體結構的內部形態(tài)。從圖中可以看出，污泥絮體內部包含大量細小顆粒狀污泥。這些顆粒狀污泥內部含有大量微生物如氨氧化細菌(AOB)、亞硝酸鹽氧化菌(NOB)等[5]，生活在其中的異養(yǎng)微生物能夠分泌胞外多聚物(EPS)，使得這些顆粒緊密結合在一起，形成大的絮體結構[5]。這種可見的污泥絮體是污泥中微生物的主要載體，也是活性污泥法去除污染物的主要承擔者，其結構完整性直接影響污水廠的處理效率。圖1整體反映出該污水處理廠污泥結構良好，絮體顆粒較大，這也為該污水處理廠良好的處理效率和運行狀態(tài)提供了一個直接的證據支持。

2.2活性污泥中的微型動物

活性污泥中存在細菌、真菌、原生動物和微型后生動物等微生物群體，其中，原生動物和微型后生動物屬于較高等的微生物。由于原生動物數量相對較多，因而在污水處理中起重要作用，也常用來作為污水處理效果的指示性生物[11]。微型后生動物相對較少，常見的有輪蟲、線蟲等。從污水處理廠取回的活性污泥，經過光學顯微鏡觀察，發(fā)現其中有大量微型動物(圖2)。圖2a顯示出一定數量的游泳型纖毛蟲，屬于原生動物。同時，觀察到的還有鐘蟲、變形蟲等大量原生動物。纖毛蟲會分泌一種溶解性的有機物刺激裹在活性污泥內的細菌快速繁殖，使活性污泥更加穩(wěn)定，沉降速度加快，起到提高污水凈化效率的作用[12]。陳聲貴等通過比較北京高碑店污水處理廠微型動物的各類群總數和多樣性指數對水質的指示效果，得出原生動物的纖毛蟲和后生動物對污泥的沉降性指示效果較好，纖毛蟲和后生動物越多，污泥的沉降性越好，而游泳類纖毛蟲對出水BOD5的指示效果最好[13]。圖2b顯示出污泥中有后生動物輪蟲存在，另外，也在污泥中觀察到線蟲。隨著活性污泥的成熟與穩(wěn)定，污水處理效果會越來越好，同時便會出現少量后生動物如輪蟲等，少量輪蟲的出現反映著有機質含量較低，出水水質較好。研究發(fā)現，該污水處理廠污泥中原生動物數量較多，種類豐富，并生長有少量微型后生動物，說明該污水處理廠污泥已經處于成熟和穩(wěn)定狀態(tài)，這也揭示了當前該污水處理廠具有良好的污水處理效果與運行狀態(tài)。

2.3活性污泥的微觀結構

對于活性污泥的絮體結構，使用SEM進行更加細微的觀察和分析，結果如圖3所示。圖3a是放大1.1萬倍后的污泥結構，從中可以清楚地看到大量細菌存在于污泥中，而球狀細菌是主要的細菌類群。除了微生物外，其它物質如胞外多聚物、有機質、無機鹽等分散在細菌的周圍，與細菌、真菌等一起構成污水處理廠中肉眼可見的活性污泥。圖3b是放大3萬倍后的污泥狀況，其中的細菌有球狀和桿狀，成群聚集在一起，且表面結構完整。活性污泥絮體結構的形成經歷四個階段，即細菌增殖、絮狀體形成、絮狀體聚合和絮體結構形成[14]。大量增殖的細菌逐漸附著于污泥顆粒上并形成菌膠團，污泥逐漸凝聚形成小的絮狀體，外觀上污泥的顏色由淺灰變?yōu)橥咙S色，最后小的絮狀體進一步凝聚形成較大且結構致密的絮體結構[14]。李培睿等檢測啤酒廠廢水污泥，發(fā)現其中桿狀菌和絲狀菌占多數，而球狀菌較少[14]。本研究針對的是生活污水處理廠污泥，發(fā)現在微生物類群中球狀菌占據主導地位。污水中污染物的降解與去除主要是由污泥中的微生物完成，更進一步來說，是由占據多數的各類細菌所完成的。因此，細菌的數量和豐富程度也直接決定了污水處理的效率。污泥的SEM圖清晰地反應出活性污泥主要由數量眾多的微生物和有機質等組成，細菌成群聚居在一起，生活在活性污泥中。

2.4活性污泥的絮體粒徑

圖4顯示出該污水處理廠污泥絮體的粒徑分布，從圖中可以看出，粒徑為100μm的絮體所占比例最大，達到7.6%，體積平均粒徑D[4,3]為55.2μm。不同污水處理廠，由于其處理的污水性質差異，相應活性污泥的絮體粒徑也會有所不同[15]，以葡萄糖和乙酸鈉為基質的活性污泥中粒徑為160μm和149μm的顆粒所占比例最大，體積分數分別為11.6%和10.5%[15]，粒徑均大于此次檢測的污水處理廠污泥絮體。另外，同一污水處理廠，由于運行條件(如溫度、曝氣大小等)和水質的變化，也會對絮體粒徑造成一定影響[6]。粒度為1~100μm的膠體顆粒是影響活性污泥過濾性能的一個重要因素，這部分微細顆粒在過濾時會堵塞過濾介質或使污泥結塊[6]。由于該污水處理廠污泥粒徑<100μm的絮體占了一定的比例，因此污泥沉降性能的好壞將直接影響后續(xù)的過濾處理。研究顯示：污泥的沉降性主要與污泥的密實程度有關，與絮體粒徑沒有必然聯(lián)系[15]。由于該污水處理廠處理的是實際生活污水，同時混雜有少量工業(yè)廢水，這使得進水中含有一定量的懸浮顆粒，這些顆粒也可能會增加污泥的沉降性。因此，污水廠運行期間，污泥沉降性一直保持了較好的狀態(tài)。

2.5活性污泥的結構模型

根據顯微鏡觀察到的結果，活性污泥的結構和組成成分如圖5所示。污泥的絮體結構是活性污泥的主要組成部分，其內部含有大量不同類型的細菌和真菌等微生物，這些微生物所分泌的胞外多聚物包圍在絮體結構周圍，使絮體結構成為一個緊湊致密的整體。一些有機和無機的污泥顆粒也是污泥絮體的重要組成部分，是細菌依附和生長的必要物質。絲狀細菌從絮狀體內部長出或貫穿絮狀體，連接著不同的污泥絮體，是活性污泥的骨架。大量游離細菌和懸浮污泥顆粒分散在絮體周圍，并在適合的條件下形成新的污泥絮體。原生動物和后生動物等微型生物則生活在絮體周圍或內部，對污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定起著關鍵作用。

3結論

利用光學顯微鏡、電子顯微鏡和激光粒度分析儀，對城市污水處理廠中活性污泥的表面形態(tài)和微觀結構進行表征，得出如下結論：

(1)活性污泥中菌膠團結構致密，數量多，形狀不規(guī)則，部分絲狀細菌從絮狀污泥結構中伸出，并連接在不同的絮體之間，更細微的觀察顯示污泥絮體內部含有大量細小污泥顆粒。

(2)活性污泥中原生動物數量較多，種類豐富，并生長有少量微型后生動物。

(3)該污水處理廠活性污泥中含有大量細菌，其中球狀細菌在微生物類群中占據了主導地位。

(4)該污水處理廠污泥中粒徑為100μm的活性污泥絮體所占比例最大，達到7.6%。

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Surface Features and Microstructures of Activated Sludge in

Municipal Wastewater Treatment Plant

LIU Yu-ling, WEN Xiao-hui

(Heyuan Environmental Technology Center, Heyuan Guangdong 517000 ,China)

Abstract：Optical microscope, scanning electron microscope (SEM), and particle size analyzer were used to investigate the surface features and microstructures of activated sludge from municipal wastewater treatment plant. The results showed that the zoogloeae had compact structures, great quantities, and irregular shapes. The parts of filamentous bacteria extended out from the activated sludge flocs, and connected the different flocs. A plenty of various protozoa were observed and a few micrometazoa were also found in the activated sludge. SEM observation displayed that the activated sludge was composed of numerous bacteria and organic matters and so on.The cocci predominated in the microorganism of sludge. The activated sludge flocs of 100 μm particle size had a maximal ratio, up to 7.6%. This study clearly revealed the surface features and microstrcures of activated sludge.

Key words：activated sludge; surface features; microstructures; floc structure; protozoa; zoogloea

中圖分類號：X703

文獻標志碼：A

文章編號：1673-9655(2015)04-0057-05

作者簡介：劉玉玲(1982-) ,女,碩士,工程師,主要從事環(huán)境技術評估與污染監(jiān)測方面的工作。

收稿日期：2014-12-23