溫度對活性污泥沉降性能與微生物種群結(jié)構(gòu)的影響

王 杰,彭永臻,楊 雄,王淑瑩,張健偉 (北京工業(yè)大學(xué),北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心,北京 100124)

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溫度對活性污泥沉降性能與微生物種群結(jié)構(gòu)的影響

王 杰,彭永臻*,楊 雄,王淑瑩,張健偉 (北京工業(yè)大學(xué),北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心,北京 100124)

摘要：為探究運(yùn)行溫度與活性污泥沉降性能之間的關(guān)系,采用5個(gè)帶有自控設(shè)備的序批式反應(yīng)器考察了不同的運(yùn)行溫度(15,20,25,30和35℃)對活性污泥沉降性能及微生物種群結(jié)構(gòu)的影響.結(jié)果表明,采用短時(shí)進(jìn)水,由于運(yùn)行溫度對污泥沉降性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于底物濃度的影響,且系統(tǒng)中的優(yōu)勢絲狀菌以Type 0041和Type 0092為主,所以5個(gè)系統(tǒng)均未發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象;采用長時(shí)進(jìn)水,5個(gè)系統(tǒng)均發(fā)生了絲狀膨脹現(xiàn)象,溫度與低底物濃度的相互作用導(dǎo)致污泥的SVI值隨運(yùn)行溫度(15～30℃)的增加而升高,而運(yùn)行溫度為35℃時(shí)污泥的SVI值要低于30℃的情況.同時(shí)不同的運(yùn)行溫度下污泥胞內(nèi)胞外貯存特性及優(yōu)勢絲狀菌的種類差異較大.

關(guān)鍵詞：溫度；污泥沉降性能；污泥膨脹；絲狀菌；貯存物

* 責(zé)任作者, 院士, pyz@bjut.edu.cn

活性污泥法工藝是國內(nèi)外污水處理廠中最常用的污水處理工藝[1],該工藝的運(yùn)行性能對絲狀菌和菌膠團(tuán)的平衡性依賴極大.這兩種菌群的平衡性一旦遭到破壞,絲狀菌便可能得到大量增殖從而引發(fā)污泥膨脹問題,嚴(yán)重威脅污水處理廠的長期穩(wěn)定運(yùn)行[2].因此探究污泥膨脹問題發(fā)生的運(yùn)行條件至關(guān)重要.目前對污泥膨脹誘發(fā)因素的研究主要集中在pH值,溶解氧(DO),污泥齡(SRT),污泥負(fù)荷(F/M)等方面,楊雄等[3-4]探究了碳源類型和氮/磷缺乏對污泥沉降性能及絲狀菌生長的影響,也有人考察了不同的溫度與污泥膨脹的關(guān)系[5],通常認(rèn)為低溫下微生物的代謝速率降低,使部分有機(jī)碳源不能被充分氧化而在胞外形成大量胞外聚合物(EPS),從而引起高粘性膨脹,而高溫則有利于絲狀菌的生長,從而導(dǎo)致絲狀菌膨脹[6].但Knoop等[7]通過觀察M.parvicella在5,12,20℃下的生長狀況則認(rèn)為低溫有利于絲狀菌生長.溫度對污泥沉降性能的影響及發(fā)生的膨脹類型尚未得到統(tǒng)一定論,且已有的研究僅對不同溫度下污泥的沉降性能和出水水質(zhì)作出分析,并未涉及污泥胞內(nèi)胞外貯存特性及絲狀菌種群結(jié)構(gòu)的變化情況,因此該方面的內(nèi)容仍需進(jìn)一步明確.本試驗(yàn)以帶有自控設(shè)備的SBR系統(tǒng)探究了運(yùn)行溫度分別為15,20,25,30,35℃時(shí)污泥沉降性能的變化情況,污泥胞內(nèi)胞外貯存特性以及絲狀菌種群結(jié)構(gòu)的差異,從而為實(shí)際污水處理廠的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供理論支撐,并對污泥膨脹誘發(fā)因素的理論體系作出進(jìn)一步完善.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行方式

圖1 SBR試驗(yàn)系統(tǒng)及控制裝置示意Fig.1 The Set-up diagram of SBR system and PLC1.進(jìn)水箱; 2.自控系統(tǒng); 3.pH, DO測定儀; 4.攪拌器; 5.排水閥;6.蠕動泵; 7.空氣壓縮機(jī); 8.pH, DO探頭; 9.曝氣頭; 10.流量計(jì)

試驗(yàn)在5個(gè)有效容積為5L,具有自動控制系統(tǒng)的序批式反應(yīng)器(SBR)中進(jìn)行(圖1).SBR的進(jìn)水泵,攪拌器,曝氣泵,排水泵的啟停均由可編程控制器(PLC)控制,采用IKA REO basic C型磁力攪拌器使系統(tǒng)混合均勻,采用鼓風(fēng)曝氣充氧,好氧期間DO濃度維持在(2.0±0.2)mg/L.試驗(yàn)設(shè)定5個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行溫度分別為15,20,25,30,35℃,通過加熱棒對系統(tǒng)加熱.運(yùn)行過程中DO探頭及溫度探頭將SBR內(nèi)的溶解氧(DO)濃度值和溫度值實(shí)時(shí)反饋給PLC,PLC根據(jù)上位機(jī)軟件設(shè)定參數(shù)值對曝氣泵和加熱棒進(jìn)行調(diào)節(jié),以維持系統(tǒng)內(nèi)DO濃度和溫度的恒定.試驗(yàn)共進(jìn)行78d,分兩個(gè)階段:階段Ⅰ(0～56d)采用5min進(jìn)水以模擬具有高底物濃度梯度的系統(tǒng),考察該種情況下不同的運(yùn)行溫度能否造成污泥沉降性能的差異;階段Ⅱ(56～78d)改為長時(shí)進(jìn)水(5h)以模擬完全混合式系統(tǒng),考察低底物濃度梯度下不同的運(yùn)行溫度對污泥沉降性能的影響.兩個(gè)階段均采用先厭氧后好氧的運(yùn)行方式,每天運(yùn)行4個(gè)周期,其中厭氧攪拌時(shí)間為120min,曝氣時(shí)間為180min,沉淀時(shí)間為50min,排水及閑置時(shí)間為10min.運(yùn)行過程中SBR每周期進(jìn)水2.5L,排水比為50%.

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)及接種污泥

5個(gè)SBR 均采用人工配水作進(jìn)水水質(zhì),如表1所示,進(jìn)水COD(NaCH2CH3)為400mg/L, C:N:P = 400:40:8,此外進(jìn)水中還加入了微生物生長所必須的痕量元素(表1).系統(tǒng)的接種污泥取自高碑店某污水處理廠二沉池剩余污泥,該污泥具有良好的脫氮除磷能力且污泥的SVI值低于100mL/g.

表1 配水的組成Table 1 The composition of feedwater

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)及分析方法

試驗(yàn)期間,測定了污泥體積指數(shù)(SVI),混合液懸浮固體濃度(MLSS),混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS),聚-β-羥基烷酸酯(PHA),胞外聚合物(EPS),PH,DO等.SVI, MLSS, MLVSS按照標(biāo)準(zhǔn)方法測定[8].污泥中PHA測定前先用三氯甲烷和酸化甲醇在100℃下消解20h,然后對有機(jī)相中的PHA成分進(jìn)行檢測,主要檢測聚-β-羥基丁酸(PHB)和聚-β-羥基戊酸(PHV),PHA以PHB和PHV之和計(jì).PHB和PHV按照Oehmen[9]所述的操作方法測定,采用Agilent 6890N型氣相色譜以及Agilent DB-1型氣相色譜柱,分別以3-羥基丁酸和3-羥基戊酸(兩種物質(zhì)比例為95%: 5%, Fluka,Buchs SG, Switzerland)作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定.EPS采用陽離子樹脂交換法提取[10],多糖采用蒽酮法測定[11],蛋白質(zhì)采用修正的Lowery法測定[10],DNA采用二苯胺法測定[12], EPS為3種組分的測定值之和.試驗(yàn)過程中污泥形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察,革蘭氏鈉氏染色鏡檢均采用Olympus_ BX61型顯微鏡在微分干涉模式下進(jìn)行.絲狀菌豐度(FI)的鑒定根據(jù)Eikelboom所提出的方法進(jìn)行認(rèn)定[13].

2 結(jié)果與討論

2.1 不同的運(yùn)行溫度對污泥沉降性能的影響

不同的運(yùn)行溫度對污泥沉降性能的影響如圖2所示.由圖2可以看出,系統(tǒng)在5min短時(shí)進(jìn)水(階段Ⅰ)的情況下,不同的運(yùn)行溫度并未對污泥的沉降性能產(chǎn)生較大影響,5個(gè)系統(tǒng)中除了25℃的系統(tǒng)外污泥的SVI值均維持在50mL/g左右,污泥絮體結(jié)構(gòu)密實(shí),絮體之間僅有極少量的絲狀菌出現(xiàn),這些絲狀菌構(gòu)成了污泥絮體的骨架,使絮體相互連接形成菌膠團(tuán).5個(gè)系統(tǒng)在不同的運(yùn)行溫度下均表現(xiàn)出良好的沉降性能(圖3a).這是因?yàn)椴捎萌焙醚跄Ｊ竭\(yùn)行,反應(yīng)器前10min的進(jìn)水階段起到缺氧選擇器的作用[14],運(yùn)行溫度對污泥沉降性能的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于高底物濃度的影響,根據(jù)Chudoba的動力學(xué)選擇理論[15],高底物濃度下絲狀菌的最大比增長速率(μmax)比菌膠團(tuán)小,而飽和常數(shù)(Ks)則大于菌膠團(tuán),菌膠團(tuán)在系統(tǒng)中呈優(yōu)勢生長,同時(shí)菌膠團(tuán)在高底物濃度下能將大量有機(jī)物貯存為胞內(nèi)的PHA和多糖等物質(zhì),使菌膠團(tuán)在與絲狀菌的底物競爭中占據(jù)優(yōu)勢,從而抑制絲狀菌的大量生長,防止污泥膨脹的發(fā)生.而25℃的系統(tǒng)在35d的運(yùn)行后SVI值有所上升,之后穩(wěn)定維持在100mL/g左右,該SVI值要高于其他各系統(tǒng),分析認(rèn)為25℃屬于常溫環(huán)境,無論是絲狀菌還是菌膠團(tuán)對這一溫度都有較好的適應(yīng)性,絲狀菌在這一環(huán)境下得到一定生長,但由于運(yùn)行條件對菌膠團(tuán)更為有利,因此系統(tǒng)并未發(fā)生膨脹現(xiàn)象.由此可見,僅僅通過調(diào)節(jié)運(yùn)行溫度的高低并不能引起污泥沉降性能的惡化,而溫度的突變或溫度與其他運(yùn)行環(huán)境的相互作用則可能是造成實(shí)際污水處理廠在不同的季節(jié)發(fā)生周期性污泥膨脹的原因.

圖2 不同的運(yùn)行溫度對污泥沉降性能的影響Fig.2 Effect of different temperature on settleability of activated sludge

經(jīng)過近56d的運(yùn)行,在5個(gè)SBR內(nèi)污泥的沉降性能仍維持在穩(wěn)定水平,于是將5個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)水時(shí)間延長為5h(階段Ⅱ),以考察不同的運(yùn)行溫度與低底物濃度共同作用時(shí)污泥沉降性能的變化情況.在調(diào)整后的僅僅一周之內(nèi),5個(gè)SBR的沉降性能均迅速惡化,尤其是當(dāng)溫度為30℃時(shí),污泥的SVI值達(dá)到350mL/g以上,污泥結(jié)構(gòu)松散,絮體周圍可見大量絲狀菌呈網(wǎng)狀蔓延,絲狀菌豐度為5(圖3e),系統(tǒng)發(fā)生了嚴(yán)重的膨脹.同時(shí)其他溫度下的系統(tǒng)也發(fā)生了不同程度的膨脹(圖3b～f).事實(shí)上,污泥的SVI值與運(yùn)行溫度呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性,當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行溫度為15℃時(shí),污泥的SVI值在157mL/g左右,隨著運(yùn)行溫度的升高,系統(tǒng)的SVI值也繼續(xù)升高,當(dāng)運(yùn)行溫度為30℃時(shí)污泥的SVI值達(dá)到356mL/g.但當(dāng)運(yùn)行溫度為35℃時(shí),污泥的SVI值卻低于30℃的系統(tǒng),SVI值維持在300mL/g.Dilek[16]采用半連續(xù)流系統(tǒng)探究不同的運(yùn)行溫度對污泥沉降性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),在15～30℃的溫度范圍內(nèi),污泥的沉降性能隨著溫度的升高而降低,但并未發(fā)生膨脹問題,當(dāng)運(yùn)行溫度為35℃時(shí),污泥的SVI值達(dá)到120mL/g,表現(xiàn)出較大的膨脹趨勢.本試驗(yàn)在階段Ⅰ的運(yùn)行過程中同樣未發(fā)現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象,而在階段Ⅱ中系統(tǒng)的SVI值隨運(yùn)行溫度的變化具有與上述類似的趨勢.也就是說溫度引起的污泥沉降性能的惡化大多是與其他因素(如低底物濃度)相互作用的結(jié)果.階段Ⅱ采用長時(shí)進(jìn)水,反應(yīng)器在流態(tài)上類似完全混合式,5個(gè)系統(tǒng)的底物濃度均較低,這時(shí)不同的運(yùn)行溫度便會對污泥的沉降性能產(chǎn)生顯著影響.經(jīng)過分析認(rèn)為,溫度對污泥沉降性能的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面,首先運(yùn)行溫度影響微生物體內(nèi)的酶活性,而微生物體內(nèi)的酶活性與微生物的生長速率關(guān)系密切[16].當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí),絲狀菌對底物具有更強(qiáng)的親和力,隨著運(yùn)行溫度的升高,微生物體內(nèi)的酶活性也隨之增強(qiáng),絲狀菌的生長速率就更快,但并非溫度越高酶的活性越強(qiáng),當(dāng)超過一定溫度時(shí),酶的活性開始下降,絲狀菌的生長速率也隨著下降,這就解釋了低底物濃度的情況下,當(dāng)運(yùn)行溫度為15～30

℃時(shí),污泥的SVI值逐漸升高,而當(dāng)運(yùn)行溫度為35℃時(shí),污泥的SVI值要低于30℃的情況.其次不同的運(yùn)行溫度影響微生物的新陳代謝能力,從而使微生物胞內(nèi)胞外的貯存特性產(chǎn)生差異.Shin[17]指出較低的蛋白質(zhì)/多糖(PN/PS)比會導(dǎo)致污泥的沉降性能變差,本試驗(yàn)在階段Ⅱ的運(yùn)行中觀察到,隨著運(yùn)行溫度的升高(15～35℃),系統(tǒng)內(nèi)的PN/PS比與污泥的沉降性能具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系.同時(shí), Van den Eijnde[18]指出,菌膠團(tuán)對糖原具有較大的貯存能力,而絲狀菌僅有有限的貯存能力,這必然造成不同的運(yùn)行溫度下微生物對有限底物的競爭,從而引起污泥沉降性能的差異.

圖3 不同階段不同系統(tǒng)內(nèi)污泥形態(tài)鏡檢結(jié)果(400x)Fig.3 Morphological observation results in different systems (a)階段Ⅰ25℃系統(tǒng);(b)階段Ⅱ15℃系統(tǒng);(c)階段Ⅱ20℃系統(tǒng);(d)階段Ⅱ25℃系統(tǒng);(e)階段Ⅱ30℃系統(tǒng);(f)階段Ⅱ35℃系統(tǒng)

2.2 不同的運(yùn)行溫度對活性污泥合成PHA、糖原及EPS特性的影響

圖4(a)和(c)為系統(tǒng)在第Ⅰ階段穩(wěn)定運(yùn)行后(50d)的一個(gè)周期內(nèi)底物貯存情況的變化規(guī)律; 圖4(b)和(d)為系統(tǒng)在第Ⅱ階段穩(wěn)定運(yùn)行后(70d)的一個(gè)周期內(nèi)底物貯存情況的變化規(guī)律.由圖4(a)和(c)可以看出,階段Ⅰ期間5個(gè)系統(tǒng)均存在較明顯的PHA和糖原的貯存,消耗現(xiàn)象,PHA的貯存和消耗規(guī)律與糖原的相反且不同的運(yùn)行溫度下PHA和糖原的貯存量和消耗量不同.這是因?yàn)槿毖蹼A段存在較高的底物濃度梯度,菌膠團(tuán)能夠迅速利用底物并將大量底物以PHA的形式儲存起來[3],所以不同運(yùn)行系統(tǒng)(除35℃的系統(tǒng))的PHA最大積累量出現(xiàn)的時(shí)間均在120min的缺氧末期.當(dāng)運(yùn)行溫度由15℃升高到30℃時(shí),系統(tǒng)的PHA最大貯存量由15.3mmolC/ gVSS下降到7.09mmolC/ gVSS,PHA最大貯存量隨運(yùn)行溫度的升高而降低.但當(dāng)運(yùn)行溫度為35℃時(shí),系統(tǒng)的PHA最大貯存量和最大貯存量出現(xiàn)的時(shí)間與15～30℃系統(tǒng)有所不同,其最大貯存量明顯高于上述4個(gè)系統(tǒng),達(dá)到15.91mmolC/ gVSS,其最大貯存量出現(xiàn)的時(shí)間為60min.Krishna[19]指出在營養(yǎng)豐盛期運(yùn)行溫度的升高會導(dǎo)致微生物新陳代謝的旺盛,微生物將大量有機(jī)物用來維持生命活動,從而使合成PHA的量減少.但當(dāng)溫度升高到一定程度(35℃),微生物體內(nèi)的酶活性受到抑制,新陳代謝量降低,從而合成大量PHA.

圖4 不同的運(yùn)行溫度下系統(tǒng)中PHA及糖原的變化情況Fig.4 The changes of PHA and glucogen in systems under different operating temperature15℃20℃25℃30℃35℃

由圖4(c)可知糖原在120min的消耗量達(dá)到最大值,且不同的運(yùn)行溫度下糖原的消耗量不同,糖原的消耗量與系統(tǒng)的運(yùn)行溫度具有一定的相關(guān)性,但并不十分明顯.總體來說隨著運(yùn)行溫度的升高,糖原的最大消耗量表現(xiàn)出降低的趨勢.進(jìn)入好氧階段后,菌膠團(tuán)貯存的PHA開始消耗,各系統(tǒng)內(nèi)的PHA貯存量不斷下降,與此同時(shí)胞內(nèi)糖原開始積累.雖然PHA的貯存和消耗情況與糖原具有相反的趨勢,但PHA和糖原的貯存量和消耗量差異較大.糖原的消耗量和貯存量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PHA的貯存量和消耗量.Mino模型[20]認(rèn)為PHA的合成能量來源于糖原的降解,同時(shí)也有文獻(xiàn)指出,PHA至少有30%的合成能量可能來源于三羧酸(TCA)循環(huán)過程[21],因此PHA 貯存和糖原消耗的變化規(guī)律可能出現(xiàn)與本文不一致的現(xiàn)象.由圖4(b)和(d)可以看出,在階段Ⅱ的運(yùn)行期間,系統(tǒng)內(nèi)并不存在明顯的PHA和糖原的貯存和消耗現(xiàn)象,但不同的運(yùn)行溫度下,PHA和糖原的基值差異較大.這是因?yàn)?階段Ⅱ采用長時(shí)進(jìn)水,系統(tǒng)流態(tài)類似完全混合式,即使存在缺氧階段,但系統(tǒng)內(nèi)較低的底物濃度梯度對菌膠團(tuán)的生長不利,絲狀菌在低底物濃度下迅速生長,導(dǎo)致5個(gè)系統(tǒng)均出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象.由2.1節(jié)可知,系統(tǒng)的運(yùn)行溫度越高,污泥的膨脹程度越嚴(yán)重,系統(tǒng)內(nèi)絲狀菌的種類和數(shù)量就越多.由于菌膠團(tuán)具備貯存PHA的能力而絕大多數(shù)的絲狀菌不具備,所以污泥的膨脹程度越嚴(yán)重,說明系統(tǒng)內(nèi)的絲狀菌種類和數(shù)量越多,則系統(tǒng)貯存能力越低.因此在階段Ⅱ中,5個(gè)系統(tǒng)PHA和糖原的貯存基值均隨著運(yùn)行溫度的升高呈現(xiàn)出下降的趨勢.

表2 不同的運(yùn)行溫度下系統(tǒng)中EPS及PN/PS比的變化情況Table 2 Effect of different temperature on EPS and PN/PS ratio

表2為不同的運(yùn)行溫度下系統(tǒng)EPS及PN/PS比的變化情況.由表可以看出,階段Ⅰ和階段Ⅱ運(yùn)行穩(wěn)定后EPS的分泌量差距較大,階段I不同運(yùn)行系統(tǒng)的EPS分泌量均在30mg/gVSS以上,而階段II5個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的最大分泌量僅為25mg/gVSS.國內(nèi)外有關(guān)研究顯示EPS含量與污泥的沉降性能存在直接關(guān)系,這可能是因?yàn)?EPS成分通常顯示負(fù)電性,其更容易與系統(tǒng)內(nèi)的Ca2+,Mg2+離子相結(jié)合以增加絮體疏水性能和沉降性能[22].由于階段I各系統(tǒng)的污泥沉降性能遠(yuǎn)優(yōu)于階段Ⅱ,所以階段I各系統(tǒng)的EPS總量均高于階段II的各系統(tǒng).但污泥的沉降性能與EPS單成分如多糖和DNA的分泌量并無直接聯(lián)系.本試驗(yàn)各階段EPS單組分的變化情況與污泥的沉降性能較差的相關(guān)性即驗(yàn)證了這一點(diǎn).值得注意的是,本試驗(yàn)中階段I的PN/PS比普遍低于階段II的PN/PS比,且同一階段PN/PS比隨運(yùn)行溫度的升高而降低,這可能是因?yàn)闇囟仍礁咴接欣诙嗵堑暮铣?而對蛋白質(zhì)的合成不利,當(dāng)PN/PS比較高且EPS分泌量較低時(shí)會導(dǎo)致污泥較差的沉降性能.Liao[23]發(fā)現(xiàn)EPS組分中多糖含量對污泥表面的疏水性及表面電荷有負(fù)面影響,Morgon[24]亦報(bào)道EPS組成之間的比例關(guān)系對厭氧和好氧污泥絮體比單個(gè)EPS組分在決定污泥表面疏水性及表面電荷方面更加重要.由此可見,階段Ⅱ期間污泥的沉降性能隨著溫度的升高而惡化與系統(tǒng)EPS單組分PN/PS比的逐漸減小關(guān)系極大.也有相關(guān)研究指[22-25]出,EPS的存在不利于污泥的沉降性能,EPS各單成分含量均與SVI成正比,沉降性能惡化與高濃度EPS有關(guān).目前對EPS及其單成分對污泥沉降性能的影響并無定論,仍需進(jìn)一步探究.

2.3 不同的運(yùn)行溫度對絲狀菌種類的影響

表3 絲狀菌鑒定結(jié)果Table 3 Filamentous identification results

不同的運(yùn)行溫度下活性污泥微生物種群結(jié)構(gòu)差異較大,活性污泥微生物種群結(jié)構(gòu)的差異尤其是絲狀菌種類的不同是造成活性污泥系統(tǒng)沉降性能差異的根本原因[13].表3為不同的運(yùn)行溫度下絲狀菌的鑒定結(jié)果.由表3可以看出,階段Ⅰ期間不同的運(yùn)行溫度下系統(tǒng)的FI幾乎全部為0,污泥的沉降性能良好.然而在沉降性能良好的活性污泥系統(tǒng)中仍能發(fā)現(xiàn)一些絲狀菌,這些絲狀菌以Type 0041和Type 0092為主,構(gòu)成活性污泥的骨架.根據(jù)Eikelboom[13]記載,Type 0041,Type 0092是市政污水處理系統(tǒng)中的常見絲狀菌,適應(yīng)能力較強(qiáng),其為優(yōu)勢絲狀菌時(shí)一般不會導(dǎo)致污泥沉降性能嚴(yán)重惡化,這是因?yàn)門ype 0041為附著型生長的絲狀菌,其構(gòu)型有利于菌膠團(tuán)的附著,而Type 0092通常生長在菌膠團(tuán)的內(nèi)部,對污泥沉降性能沒有太大影響.由表3還可以看出,階段Ⅱ期間系統(tǒng)的FI隨著運(yùn)行溫度的升高逐漸升高且不同系統(tǒng)中絲狀菌的種類差異較大.低溫系統(tǒng)絲狀菌種類比較單一,說明很多絲狀菌在低底物濃度下不能適應(yīng)低溫環(huán)境而逐漸從系統(tǒng)中淘洗出去.15℃的系統(tǒng)以Type 0581型絲狀菌為主,且5個(gè)系統(tǒng)中幾乎都存在Type 0581,由此可知該類絲狀菌對溫度的適應(yīng)性極強(qiáng), Eikelboom[13]指出Type 0581容易在低負(fù)荷非連續(xù)流系統(tǒng)中生長且一般不會引起較高的SVI值(120～130mL/g),因此該類絲狀菌在15℃的系統(tǒng)中雖然呈優(yōu)勢生長趨勢,但并不會引起污泥沉降性能的嚴(yán)重惡化, FI=2(圖5a).當(dāng)運(yùn)行溫度為20℃時(shí),系統(tǒng)的優(yōu)勢絲狀菌為Type 1701,據(jù)報(bào)道Type 1701的大量增殖容易引起較高的SVI值,但該系統(tǒng)的SVI值穩(wěn)定維持在200mL/g左右.經(jīng)過考察發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中還存在較多的Type 0092和Type 0581,這兩種絲狀菌的存在通常不會引起污泥沉降性能的惡化,所以該系統(tǒng)并沒有發(fā)生惡性污泥膨脹.25℃的常溫系統(tǒng)下Type 0041和Type 0092型絲狀菌得到了優(yōu)勢生長(圖5c),這與實(shí)際污水處理廠的情況類似.采用30℃的運(yùn)行溫度時(shí),污泥系統(tǒng)發(fā)生了嚴(yán)重的膨脹現(xiàn)象,其中Thiothrix.spp型絲狀菌大量增殖,經(jīng)過革蘭氏和鈉氏染色后發(fā)現(xiàn),該類絲狀菌呈現(xiàn)蓮花叢型生長,且具有很多分生體,FI=5(圖5d).根據(jù)記載,若絲狀菌呈蓮花叢型生長則意味著該類絲狀菌新陳代謝旺盛,正在快速增殖.因此可以認(rèn)為Thiothrix.spp型絲狀菌的最適生長溫度為30℃ ,并能引發(fā)嚴(yán)重的污泥膨脹問題.同時(shí)還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在大量antinomycetes菌屬,該類菌屬對溫度的依賴性極強(qiáng),所以其他系統(tǒng)中并未出現(xiàn)類似菌屬.當(dāng)運(yùn)行溫度為35℃時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)勢絲狀菌為S.natans.S.natans的大量增殖能夠引起較高的SVI值,這與試驗(yàn)結(jié)論一致.此外該系統(tǒng)中還存在少量的M.parvicella,Type 0092和Type 0581.

圖5 階段Ⅱ5個(gè)系統(tǒng)中污泥形態(tài)鏡檢結(jié)果Fig.5 Morphological observation results of five syetems in phase Ⅱ(a)15℃系統(tǒng),G染色;(b)20℃系統(tǒng),N染色;(c)25℃系統(tǒng),G染色:(d)30℃系統(tǒng),G染色;(e)35℃系統(tǒng),N染色

3 結(jié)論

3.1 運(yùn)行溫度對活性污泥沉降性能的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于高底物濃度的影響,僅僅改變系統(tǒng)的運(yùn)行溫度并不能引起活性污泥沉降性能的變化.

3.2 當(dāng)運(yùn)行溫度與低底物濃度共同作用時(shí),活性污泥的SVI值隨著運(yùn)行溫度的升高而增大.

3.3 階段Ⅰ系統(tǒng)具有明顯的底物貯存和消耗現(xiàn)象,其胞內(nèi)貯存物PHA和糖原的貯存和消耗具有相反的規(guī)律,而階段Ⅱ不存在底物貯存和消耗現(xiàn)象,但PHA和糖原的貯存基值隨運(yùn)行溫度的升高呈下降的趨勢;

3.4 運(yùn)行溫度較低時(shí),絲狀菌種類較單一.階段Ⅰ系統(tǒng)均未發(fā)生污泥膨脹問題,絲狀菌以Type 0041和Type 0092為主,階段ⅠI五個(gè)系統(tǒng)發(fā)生了不同程度的污泥膨脹問題,不同的運(yùn)行溫度導(dǎo)致優(yōu)勢絲狀菌的種類不同.

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Effect of temperature on activated sludge settleability and microbial community structure.

WANG Jie, PENG Yong-zhen*, YANG Xiong, WANG Shu-ying, ZHANG Jian-wei (Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Engineering Research Center of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China).China Environmental Science, 2016,36(1)：109～116

Abstract：In order to investigate the relationship between operating temperature and sludge settleability, five sequencing batch reactors with automatic control equipment were adopted to explore the effect of different operating temperature (15, 20, 25, 30 and 35℃) on sludge settleability and microbial community structure.The results showed that: when inflowing time was five minutes, sludge bulking did not occurred in all systems.This was due to that effect of operating temperature on sludge settleability was much weaker than substrate concentration, and the dominating filamentous bacterium were Type 0041 and Type 0092; when five hours were adopted, five systems were occurred filamentous bulking phenomenon and SVI value increased as operating temperature (15～30℃) rising due to the interaction between temperature and low substrate concentration.While operating temperature was 35℃ , SVI value was lower than that in 30℃ .Moreover, the features of the intracellular storage and extracellular storage as well as the types of dominating filamentous bacteria had a great difference when operating temperature was different.

Key words：temperature；activated sludge settleability；sludge bulking；filamentous bulking sludge；storage

中圖分類號：X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)01-0109-08

收稿日期：2015-05-09

基金項(xiàng)目：“十二五”國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07302002-06);北京市教委資助項(xiàng)目

作者簡介：王 杰(1989-),女,河南省信陽人,北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事污水生物處理理論與應(yīng)用研究.