異養菌與自養菌對好氧顆粒污泥穩定性的影響

李志華,張 婷,吳 杰,王曉昌

(西安建筑科技大學 a.環境與市政工程學院;b.西北水資源與環境生態教育部重點實驗室,西安 710055)

好氧顆粒污泥作為一種高活性的微生物聚集體,以其密實的顆粒結構、良好的沉淀性能以及在同一顆粒內可以完成硝化反硝化等優點[1-2],受到了國內外學者和工程技術人員的廣泛關注。目前,各國學者對好氧顆粒污泥的產生條件進行了大量的研究。盡管目前認為好氧顆粒污泥的形成主要取決于操作條件,但微生物的種類也決定了顆粒的密實度和穩定性。自養硝化菌與異養菌在生物結構、代謝模式等方面有明顯的不同。從生長條件來說,自養菌由于增殖速度較慢,因此附著在某以載體上生長有利于其在反應器內的富集,而密實的顆粒結構可以稱為自養菌附著生長的天然載體。研究表明,在生物膜和好氧顆粒污泥中慢速增長的自養菌主要存在于外層,而快速增長的異養菌則主要分布在整個生物膜或者顆粒污泥內[2-3],進一步證明顆粒是自養菌附著生長的主要載體,但自養菌在好氧顆粒污泥形成階段作用也是不能忽視的[4-5],那么自養菌和異養菌是如何相互作用,又是如何影響顆粒的穩定性,目前尚不清楚。為此,研究對比分析了自養硝化顆粒污泥與異養顆粒污泥的成長特性,從顆粒污泥的胞外聚合物含量、內部結構及強度、粒徑分布、密度等等方面分析了自養硝化顆粒污泥和異養顆粒污泥的結構差異。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行條件

實驗采用兩個完全相同的圓柱形有機玻璃柱作為SBR反應器 R1和 R2,有效容積 2 L,內徑50mm.實驗運行周期為3 h(依據污泥的沉淀性能,沉淀時間逐步調整,同時調整曝氣時間以保證運行周期長度為3 h),每個過程的具體運行時間如表1所示。通過蠕動泵從反應器底部進水,由電磁閥控制從中部排水,空壓機從反應器底部通過玻璃砂芯均勻曝氣,R1、R2的曝氣量分別為 1.0 L/min、0.4 L/min。有機負荷分別2.4 kgCOD/(m3?d)、0.0 kgCOD/(m3?d)。反應器在(25±1)℃的水浴條件下進行。

表1 SBR反應器操作條件

1.2 進水水質及接種污泥

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,經超聲波破碎后再利用陽離子交換方法[6]提取EPS,糖類的測定采用蒽酮-硫酸分光光度法[6],蛋白的測定采用福林酚分光光度法[6],EPS中的中有機碳(TOC)的測定用島津公司的TOC-vCPH。

2)密度的測定。顆粒污泥密度采用蔗糖溶液濃度梯度法。

3)粒徑及粒徑分布測定。在曝氣階段,用50mL離心管從反應器中取出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顯微鏡對顆粒形態進行顯微鏡攝相,為避免照相選取視域的人為誤差,對所有的視域均進行顆粒粒徑照相分析,粒徑尺寸小于50μm的細小顆粒忽略不計。

4)顆粒內部結構的測定。顆粒取出后,立即用多聚甲醛固定,然后采用乙腈脫水進行真空干燥,干燥后顆粒鍍金采用日立掃描電鏡S3400N進行觀察;進行冷凍切片觀察時,顆粒取出后立即用 PBS進行清洗,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電子顯微鏡進行觀察。

5)強度試驗的方法[7]。在曝氣時從已知MLSS的反應器中取泥100mL,其污泥干重記為M0,置于150mL的燒杯中,沉淀1min,測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,保持試驗過程中體積的恒定。在1.0 L/min的曝氣量下曝氣5min,曝氣結束后沉淀1min,取未能完全沉淀的體積(V1)測污泥干重記為Mf2′,添加等體積(V1)生理鹽水,此過程循壞3次 ,持續到 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度。

2 結果

當培養至10 d時,有機負荷為2.4 kgCOD/(m3?d)的R1中出現顆粒雛形;19 d時,出現外形較為規則的顆粒,由于該反應器中主要以異養菌為主,因此其顆粒被稱為異養菌顆粒;而在反應器R2中由于無有機碳源,主要以自養菌的增殖為主,該反應器在27 d時出現了污泥顆粒,具有良好的硝化效果,稱之為自養菌顆粒。

2.1 顆粒形態及粒徑分布

圖1、圖2分別描述了異養菌顆粒污泥與自養菌顆粒污泥的外部形態及內部結構。就外部形態而言,在顆粒形成初期,二者的形態差別不大(圖1(a)和(d));在95 dR1中異養菌顆粒污泥形態既有松散的,也有密實的,而R2中自養菌顆粒污泥光滑密實(圖1(b)和(e));在146 d時,R1中顆粒污泥主要以絲狀菌蓬松狀結構為主(圖1(c)),而R2中顆粒形態仍為光滑密實的(圖1(f))。就內部結構而言,在異養菌顆粒污泥中,其顆粒結構松散(圖2(a)),且有大量的絲狀菌存在(圖2(c)),而自養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速率較慢的菌種,它們之間存在著某種相互競爭、相互抑制的關系,自養硝化菌的富集抑制了絲狀菌的生長。另有研究發現,在SBR反應器中,慢速增長微生物的富集有利于形成更為穩定和密實的顆粒污泥[8],在自養菌占優勢的系統中,由于其附著生長的特點,硝化細菌主要集中在顆粒物的表面以下70～100μm的表層[9],很難出現絲狀菌的繁殖。

圖1 顆粒污泥形態觀察(a、d、e標尺:100μm;b、c、f標尺:5mm)

圖2 顆粒污泥切片及掃描電鏡觀察結果(a、b標尺:100μm;c、d標尺:50μm)

圖3(a)描述了在顆粒成熟期(95 d)反應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)為顆粒形成過程中R1、R2中密度變化曲線,R1中從21 d到95 d時顆粒的密度出現下降的趨勢,表明異養菌顆粒污泥在顆粒不斷增大的過程中,其密度是不斷變小即顆粒內部的孔隙率變大,正因為如此異養菌顆粒污泥極容易出現大孔隙率的“顆粒”,實際上反應器中的顆粒已經演變成一種松散的絮體。與此相反,自養硝化顆粒污泥的密度在成熟階段呈現增長的趨勢,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,異養菌和自養菌顆粒污泥并未表現出太大差異(圖1(a)和(d))。但在后期的成熟期間,其微生物的成長及其代謝可能成為主導作用,因此自養菌和異養菌的顆粒污泥在結構上表現出明顯的差異和變化趨勢。由此也可以看出,從微生物的角度來看,自養菌的成長及其結構是趨于穩定的,而異養菌則是偏離穩定的。這種差異性是否與微生物的聚集特性有一定的聯系呢?為此,該文對表征微生物聚集特性的胞外物質及顆粒強度進行了研究。

圖3 R1和R2粒徑分布及顆粒污泥密度變化曲線

2.2 EPS

目前普遍認為,自養菌形成生物膜的過程要比異養菌慢得多,其主要原因是自養菌本身的生長速度較慢和EPS的分泌量不夠,因此有研究甚至采用異養菌分泌EPS以協助自養菌的固定[10]。在研究中,對成熟的顆粒中的EPS進行分析發現,自養菌顆粒污泥(R2)的EPS各組分含量明顯大于異養菌污泥(R2)(圖4(a)和(b))。出現這種與以前報道不一致的現象主要原因可能在于密實的結構有利于微生物分泌更多的胞外物質。如圖4(c)所示,自養菌密度不斷增大的過程伴隨著EPS總量的不斷提高,表明EPS的含量與顆粒的密實度有密切的相關性.在研究含鹽量對顆粒污泥孔隙率的影響過程中亦有相似的報道,即顆粒越密實,其EPS含量尤其是糖組分的含量越高[11-13]。事實上,在好氧顆粒污泥的研究中,對EPS的含量隨著顆粒化過程的變化有完全相反的現象和結論[14-16],其主要原因除采用的EPS提取方法千差萬別之外,還與顆粒在粒徑不斷擴大的過程中并不總是伴隨著其密實度的提高(即孔隙率減小)有直接的關系。研究中自養菌顆粒污泥所呈現的小孔隙率和較高的EPS含量是微生物在顆粒化條件下兩者相互作用的結果,Zheng等[17]采用阻排色譜技術也證實較小的孔隙率主要是由于較高含量的EPS所導致。EPS對顆粒形成的重要作用還在于其為細菌的相互聚集提供膠聯和纏繞,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,正是因為如此,有學者甚至提議將顆粒污泥過程從EPS形成“水凝膠”的過程來考慮[18]。

圖4 顆粒污泥EPS含量

2.3 強度

目前認為好氧顆粒污泥的形成有2種模型,一種模型認為絲狀菌相互纏繞形成顆粒污泥的骨架結構;另一種模型認為細菌分泌的胞外聚合物(EPS)由于其架橋使生物聚集成密實的顆粒[19],如前所述的水凝膠理論。在該研究中,自養菌顆粒污泥EPS含量遠高于異養菌顆粒污泥(圖4),且前者內部結構中無絲狀菌,因此自養硝化菌主要是通過EPS相互聚集并密實化,而異養菌顆粒污泥則主要是通過絲狀菌相互纏繞的骨架結構實現聚集和密實化。

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,對顆粒污泥的強度進行了分析。圖5描述了曝氣腐蝕對顆粒污泥強度影響的測試結果,表明在沒有機械攪拌的條件下,曝氣表面腐蝕對以絲狀菌為骨架的異養菌顆粒的影響要小于以EPS為骨架的自養菌顆粒污泥R2,即R1的強度大。汪善全等[20]在搖床試驗中培養顆粒污泥出現絲狀菌膨脹,試圖增大振蕩頻率和加大曝氣量來控制絲狀菌的生長,但絲狀菌仍過度生長。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,絲狀菌的強度要遠大于EPS的強度,這就為以絲狀菌為骨架的顆粒污泥在粒徑上進一步增大提供了基本的保障。事實上,顆粒污泥的不穩定因素主要來自絲狀菌所導致的粒徑范圍無法控制、顆粒孔隙率不斷增大[21-22]。而以EPS為骨架的自養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)的基礎上能夠維持較好的動態平衡,因此其顆粒就粒徑而言相對穩定。

圖5 顆粒強度實驗結果

3 結論

通過對比異養菌和自養菌顆粒污泥的形態、密度、EPS等特性,就顆粒污泥形成過程方面可得到如下結論:

1)與異養菌相比,自養菌顆粒污泥粒徑小,密度大,EPS含量高。

2)在顆粒成熟期,自養菌顆粒污泥的粒徑成長與密度增大呈現出一致性;而異養菌顆粒污泥粒徑成長同時伴隨著密度減小,粒徑與密實度呈現不一致性,因此前者的成長趨于是穩定的,而后者是趨于不穩定的。

3)以EPS為骨架的自養菌顆粒污泥與以絲狀菌為骨架的異養菌顆粒污泥兩者在穩定性上的差異主要為外部操作條件對其粒徑和密度的控制的差異,前者由于強度較低,且EPS與孔隙率能夠達到動態平衡,因此能夠長期維持穩定。

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