城市污水处理厂好氧颗粒污泥的特性

应用与环境生物学报2008，14(5):640~643ChinJApplEnvironBiol=ISSN1006-687X2008-10-25DOI:10.3724/SP.J.1145.2008.00640城市污水处理厂好氧颗粒污泥的特性*李军1,2**周延年1何梅2王亚宜1韦苏1KERSTINGarny2THOMASR.Neu3HARALDHorn2(1浙江工业大学市政工程系杭州310014)(2慕尼黑工业大学水质控制研究所德国慕尼黑85748)(3亥姆霍兹环境研究中心德国马格德堡39114)CharacteristicsofAerobicGranulesfromaMunicipalWastewaterTreatmentPlant*LIJun1,2**,ZHOUYannian1,HEMei2,WANGYayi1,WEISu1,KERSTINGarny2,THOMASR.Neu3&HARALDHorn2(1DeapartmentofMunicipalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China)(2InstituteofWaterQualityControl,TechnicalUniversityofMunich,Munich85748,Germany)(3HelmholtzCenterforEnvironmentalResearch-UFZ,Magdeburg39114,Germany)AbstractAnanalysisonthesamplesofaerobicgranulesselectedfromamunicipalwastewatertreatmentplantshowsthatthediametersofthegranulesfallmainlywithintherangeof0.2~0.8mm,theiraverageroundnessis1.29,freesettlingvelocitiesrangefrom10to42mh-1andspecificoxygenuptakerate(SOUR)isfrom14.2to18.9mgg-1h-1,whichislowerthanthatofactivatedsludge.TheaerobicgranulesandflocactivatedsludgehavesimilarVSS/SS.Theweightpercentageoftheaerobicgranulesintotalbiomassrangesfrom0.1%to0.5%.TheimagestakenbyCLSM(Confocallaserscanningmicroscope)indicatethatthegranulesmainlyconsistofextracellularpolymericsubstance(EPS)inthecoreandthebacteriainthegranulesarefoundmostatdepthbetween0and100µmbelowthesurface,whileafewbetween100and400µm.Fig6,Tab1,Ref13Keywordsaerobicgranule;plugflow;settlingvelocity;CLSM;EPSCLCX703.1摘要对城市污水处理厂曝气池中筛选出的好氧颗粒污泥进行了分析.结果表明，这些颗粒污泥的直径主要在0.2~0.8mm范围；平均圆度为1.29；沉淀速率约在10~42mh-1之间；比耗氧速率(SOUR)为14.2~18.9mgg-1h-1，小于活性污泥；挥发性物质占总固体的量与活性污泥基本相似.这些颗粒污泥占污泥总量的0.1%~0.5%.颗粒污泥的激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)图像显示：颗粒污泥内部几乎都由胞外聚合物(EPS)组成；细菌主要分布在颗粒污泥表面至100µm厚度区域，少部分分布在100~400µm厚度区域.图6表1参13关键词好氧颗粒污泥；推流式；沉淀速率；CLSM；EPSCLCX703.1收稿时间:2008-02-03接受时间:2008-06-19*德国科学研究基金(Ho1910/5-1)，国家自然科学基金项目(No.50608064)和浙江省重点科技计划项目(No.2008C23083)资助SupportedbytheDeutscheForschungsgemeinschaft(Ho1910/5-1),theNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50608064),andtheMajorProjectofScienceandTechnologyofZhejiang,China(No.2008C23083)**通讯作者Correspondingauthor(E-mail:[e-mail])近年来，人们对好氧颗粒污泥工艺的研究越来越关注.污泥颗粒化对于污水处理有很多有价值的特征[1~4]，如：沉淀速度快，泥水迅速分离；具有生物膜的主要特点，但不需要填料.到目前为止，好氧污泥颗粒化还主要发生在序批式反应器中(Sequencingbatchreactor,SBR)，还没有关于在连续流工艺中培养出好氧颗粒污泥的报道，也没有生产和实际应用方面的成功案例[5].本文旨在通过对城市污水处理厂曝气池中活性污泥进行筛分，确认城市污水处理厂曝气池中是否存在好氧颗粒污泥，并对这些颗粒污泥的一些特性进行分析，为实现城市污水处理连续流工艺好氧污泥颗粒化和好氧颗粒污泥的实际应用提供参考.1材料与方法1.1颗粒污泥的获得活性污泥取自6座城市污水处理厂，其处理工艺分别是：1座厌氧/好氧(A/O)；1座厌氧/缺氧/好氧(A/A/O)；1座循环式活性污泥工艺(CASS)；2座氧化沟(OD)；1座普通推流式工艺(Plugflow).采用水洗和水筛的方法(筛分粒径0.15mm)获得絮状活性污泥与颗粒的分离，并清除无机颗粒.总体来看，每座污水处理厂的活性污泥中都或多或少存在颗粒污泥.认定颗粒污泥的基本特征是：有一定的圆度、接近棕黄色、完全区别于无机固体的污泥颗粒.但所获得的颗粒污泥数量很少，相对而言，普通推流式曝气池中筛分出的6415期李军等：城市污水处理厂好氧颗粒污泥的特性颗粒污泥最多，其颗粒污泥占整个活性污泥中的重量比约在0.1%~0.5%.因此，采用普通推流式曝气池中筛分出的颗粒污泥作为对象，分析这些颗粒污泥的一些特性.1.2测试方法悬浮固体浓度(SS)、挥发性悬浮固体浓度(VSS)、污泥容积指数(SVI)、污泥比耗氧速率(SOUR)均采用美国水和废水检测标准方法(APHA,1995)[6].沉淀速率的测试是在80cm高、9mm直径的有机玻璃柱中测颗粒污泥在静止清水中的沉淀时间和沉淀高度.颗粒污泥的直径、大小分布、圆度采用Leica光学数码显微镜拍照后，通过专业的图形软件Image-ProPlus进行分析.1.3细菌和EPS的分布分析从反应器中抽样取出的样品颗粒污泥，被置于液体的冷冻介质(FrozenSectionMediumNeg-50,RichardAllanScientific)中大约15~20min，等待冷冻介质完全渗入颗粒物.然后把颗粒物置于冷冻机切片机(Leica,Germany)上进行快速冷冻.颗粒污泥可以从赤道横截面方向被切成不同厚度薄片，或全颗粒使用.样品在室温下被转移到玻璃载玻片上，准备用于荧光探针染色.本试验使用被荧光染料Alxea-488(MolecularProbes,Eugene,Oregon,USA)标记的稀释比例1:10的金橙黄网孢盘菌凝集素荧光染色剂AAL-488(Vector,Bulingame,California,USA)对颗粒污泥中EPS(Extracellularpolymericsubstance)成份进行染色.该染色剂荧光的发射波长为488nm.对于颗粒污泥中的细菌成分，本试验选用稀释比例为1:1000的核酸染料Syto60(MolecularProbes,Eugene,Oregon,USA).被该染料染色后的细菌会发射波长为633nm的荧光.染色后的样品被置于一台正置式型号为TCSSP的共聚焦扫描电子显微镜(Leica,Germany)下进行观察.EPS和细菌被染色后的荧光经过激发后分别在505~545nm和大于650nm的波长范围内被捕捉和记录.观察使用的水镜光圈为20×0.8NA，扫描方向为XYZ方式，扫描图像存储为512×512像素图片[7,8].2结果与讨论2.1颗粒污泥形状和大小图1显示了部分颗粒污泥的形态照片，图2是通过专业软件处理并统计的颗粒污泥的大小分布情况.结果显示，这些颗粒污泥的直径以0.2~0.8mm为主，基本没有发现大于2.0mm直径的颗粒污泥.计算出颗粒的平均圆度可达1.29，可以认为这些污泥颗粒主要呈圆形，颗粒表观呈棕黄色.2.2颗粒污泥沉淀特性颗粒污泥的自由沉淀速率分布如图3所示，沉淀速率基本随颗粒直径的增加而增加，数值约在10~42m/h，变化范围较大.颗粒污泥的沉淀速率显然大于活性污泥.2.3颗粒污泥生物活性表1是活性污泥和颗粒污泥的比耗氧速率(SOUR)的对比值，由于采用相同基质来进行测量对比，可以用SOUR来表征活性污泥和颗粒污泥在此基质和条件下的活性大小.可以看出，活性污泥和颗粒污泥中挥发性物质所占总固体的量基本相似，颗粒污泥略小些.2.4颗粒污泥构造特征图4为一典型颗粒污泥的激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)图像，其中红色和绿色分别表示细菌和EPS的分布区域[9].从图4可以看出，在颗粒外部，①细菌和EPS分布均匀，并相间分布；②表面质地密实；③表面较光滑，呈球形.图5为另一典型颗粒污泥的内部纵断面共聚焦扫描电镜(CLSM)图像，其中红色和绿色分别表示细菌和EPS的分布区域.从图5可以看出，在颗粒内部：①细菌主要分布在颗粒污泥的表面.②相对较少的细菌分布在160µm到400µm区域内，并且是从外至内逐渐减少；③颗粒污泥的内部主要是EPS，且质地较疏松.图6是通过各纵断面细菌和EPS的分布数据，采用计算图1颗粒污泥的形态显微图像Fig.1Microscopicimageofgranularsludge图2颗粒污泥粒径分布Fig.2Distributionofdiameterofgranules图3颗粒污泥沉速与粒径的关系Fig.3Relationshipofsettlingvelocitiesanddiameters64214卷应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol机处理后还原的颗粒污泥外部细菌和EPS的三维分布图，其格距为500µm.图6反映出：细菌主要集中分布在颗粒表面至内部的一定范围内；接下来范围内细菌和EPS的分布比例相当；越往内部细菌的数量变得较少；一定厚度以后至核心范围基本都是由EPS组成.2.5颗粒污泥的形成和特性分析对于连续流污水处理工艺中好氧颗粒污泥的形成，目前几乎没有看到报道.研究人员总结序批式反应器(SBR)中好氧颗粒污泥形成的主要机制[11~13]是：基质丰富–基质匮乏(Feast-famine)机制；高的H/D比和曝气速率以形成足够的剪切力；选择压(Selectionpressure)将不易沉淀的污泥洗出.可以推测，由于这座城市污水处理厂曝气池为推流式(Plugflow)，基本上符合基质丰富–基质匮乏机制；狭窄廊道式曝气池型有利于形成较高的剪切力，甚至部分旋流；这从一定程度上为好氧颗粒污泥形成提供了条件，这也是这座城市污水处理厂曝气池中发现较多颗粒污泥的原因.可以预见，若改变污水处理工艺中泥水分离的方式，形成一定选择压以排除不易沉淀的污泥，同样能促进好氧污泥颗粒化.这座城市污水处理厂颗粒污泥的沉淀速率显然大于活性污泥.由于活性污泥和颗粒污泥中挥发性物质所占总固体的量基本相似，可以判断两者无机成分含量相近，也可以推断颗粒污泥形