城市污水處理廠活性污泥的表面形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)研究

劉玉玲，文曉慧

(河源市環(huán)境技術(shù)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(jié)構(gòu)研究

劉玉玲，文曉慧

(河源市環(huán)境技術(shù)中心，廣東 河源 517000)

摘要：使用光學(xué)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(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示：該活性污泥中菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)致密，數(shù)量多，形狀不規(guī)則，部分絲狀細(xì)菌從絮狀污泥結(jié)構(gòu)中伸出，連接著不同的污泥絮體；污泥中原生動(dòng)物數(shù)量較多，種類豐富，并生長(zhǎng)有少量微型后生動(dòng)物；電子顯微鏡觀察顯示出活性污泥主要由數(shù)量眾多的細(xì)菌和有機(jī)質(zhì)等組成，其中球狀細(xì)菌在微生物類群中占據(jù)主導(dǎo)地位；粒徑為100μm的活性污泥絮體所占比例最大，達(dá)到7.6%。

關(guān)鍵詞：城市污水處理廠；活性污泥；表面形態(tài)；微觀結(jié)構(gòu)；絮體結(jié)構(gòu)；原生動(dòng)物；菌膠團(tuán)

城市人口的快速增長(zhǎng)使得城市廢棄物大量增加，生活污水排放量也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)勢(shì)頭[1]。城市生活污水含有大量有機(jī)物、氮、磷等物質(zhì)，不處理或處理不達(dá)標(biāo)都會(huì)對(duì)自然水體產(chǎn)生較大污染，嚴(yán)重時(shí)可引起赤潮和水華。根據(jù)處理原理和水質(zhì)要求的不同，生活污水的處理方法有物理法、化學(xué)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(guān)鍵因素，直接關(guān)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(diǎn)，組合不同的處理工藝處理生活污水，一般都能達(dá)到較好的處理效果[3-5]?；钚晕勰嗍怯纱罅课⑸铩⒂袡C(jī)質(zhì)和無機(jī)鹽等組成的混合物，由于不同污水廠的結(jié)構(gòu)和污水性質(zhì)差異，活性污泥的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)有所差異[6]。本文以城市污水處理廠活性污泥為研究對(duì)象，研究活性污泥的表面形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，以期為污水處理廠的運(yùn)行和管理提供參考。

1試驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

儀器：激光粒度分析儀(Mastersizer 2000，英國(guó))，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(diǎn)干燥儀(Tousimis Samdri-PVT-3D，美國(guó))，高速冷凍離心機(jī)(Thermo Multifuge X1R，美國(guó))，超純水制備儀(Milli-Q，美國(guó))。

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(gòu)買于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)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(yùn)行狀況良好。試驗(yàn)污泥樣品取自該污水處理廠生物反應(yīng)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(xué)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(cè)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(shù)下觀察并拍照。

1.4SEM分析

按照文獻(xiàn)中的方法對(duì)污泥樣品進(jìn)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(jīng)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(diǎn)干燥儀進(jìn)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(shí)加入一定量的活性污泥，待儀器的遮光度達(dá)到儀器所要求的15%左右時(shí)，測(cè)量污泥粒度。樣品測(cè)量重復(fù)3次，取平均值。

2結(jié)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(tuán)。污泥中的細(xì)菌在適宜的條件下能夠形成一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的菌膠團(tuán)[8]，菌膠團(tuán)是以細(xì)菌為主，并以細(xì)菌分泌的粘液狀物質(zhì)將一些小顆粒粘合在一起形成一定形態(tài)的膠質(zhì)團(tuán)，它有較強(qiáng)的吸附和氧化有機(jī)物的能力，在污水生物處理中具有重要作用[9]。菌膠團(tuán)的大小、數(shù)量和致密性決定了污泥的性質(zhì)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(tuán)結(jié)構(gòu)致密，數(shù)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(yùn)行較穩(wěn)定。圖1a也顯示出部分絲狀細(xì)菌從絮狀污泥結(jié)構(gòu)中伸出，并連接在不同的絮體之間。研究認(rèn)為：絲狀菌是活性污泥絮體的骨架，菌膠團(tuán)細(xì)菌等其它微生物通過產(chǎn)生多糖形成凝膠基質(zhì)粘附在骨架上，絲狀細(xì)菌和菌膠團(tuán)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(zhǎng)，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(jié)構(gòu)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(shù)量的絲狀細(xì)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(xì)菌的過量生長(zhǎng)。

圖1b顯示出污泥絮體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部形態(tài)。從圖中可以看出，污泥絮體內(nèi)部包含大量細(xì)小顆粒狀污泥。這些顆粒狀污泥內(nèi)部含有大量微生物如氨氧化細(xì)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(jié)合在一起，形成大的絮體結(jié)構(gòu)[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(dān)者，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yùn)行狀態(tài)提供了一個(gè)直接的證據(jù)支持。

2.2活性污泥中的微型動(dòng)物

活性污泥中存在細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和微型后生動(dòng)物等微生物群體，其中，原生動(dòng)物和微型后生動(dòng)物屬于較高等的微生物。由于原生動(dòng)物數(shù)量相對(duì)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(dòng)物相對(duì)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(jīng)過光學(xué)顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)其中有大量微型動(dòng)物(圖2)。圖2a顯示出一定數(shù)量的游泳型纖毛蟲，屬于原生動(dòng)物。同時(shí)，觀察到的還有鐘蟲、變形蟲等大量原生動(dòng)物。纖毛蟲會(huì)分泌一種溶解性的有機(jī)物刺激裹在活性污泥內(nèi)的細(xì)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(dòng)物的各類群總數(shù)和多樣性指數(shù)對(duì)水質(zhì)的指示效果，得出原生動(dòng)物的纖毛蟲和后生動(dòng)物對(duì)污泥的沉降性指示效果較好，纖毛蟲和后生動(dòng)物越多，污泥的沉降性越好，而游泳類纖毛蟲對(duì)出水BOD5的指示效果最好[13]。圖2b顯示出污泥中有后生動(dòng)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(huì)越來越好，同時(shí)便會(huì)出現(xiàn)少量后生動(dòng)物如輪蟲等，少量輪蟲的出現(xiàn)反映著有機(jī)質(zhì)含量較低，出水水質(zhì)較好。研究發(fā)現(xiàn)，該污水處理廠污泥中原生動(dòng)物數(shù)量較多，種類豐富，并生長(zhǎng)有少量微型后生動(dòng)物，說明該污水處理廠污泥已經(jīng)處于成熟和穩(wěn)定狀態(tài)，這也揭示了當(dāng)前該污水處理廠具有良好的污水處理效果與運(yùn)行狀態(tài)。

2.3活性污泥的微觀結(jié)構(gòu)

對(duì)于活性污泥的絮體結(jié)構(gòu)，使用SEM進(jìn)行更加細(xì)微的觀察和分析，結(jié)果如圖3所示。圖3a是放大1.1萬倍后的污泥結(jié)構(gòu)，從中可以清楚地看到大量細(xì)菌存在于污泥中，而球狀細(xì)菌是主要的細(xì)菌類群。除了微生物外，其它物質(zhì)如胞外多聚物、有機(jī)質(zhì)、無機(jī)鹽等分散在細(xì)菌的周圍，與細(xì)菌、真菌等一起構(gòu)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(xì)菌有球狀和桿狀，成群聚集在一起，且表面結(jié)構(gòu)完整?；钚晕勰嘈躞w結(jié)構(gòu)的形成經(jīng)歷四個(gè)階段，即細(xì)菌增殖、絮狀體形成、絮狀體聚合和絮體結(jié)構(gòu)形成[14]。大量增殖的細(xì)菌逐漸附著于污泥顆粒上并形成菌膠團(tuán)，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(jìn)一步凝聚形成較大且結(jié)構(gòu)致密的絮體結(jié)構(gòu)[14]。李培睿等檢測(cè)啤酒廠廢水污泥，發(fā)現(xiàn)其中桿狀菌和絲狀菌占多數(shù)，而球狀菌較少[14]。本研究針對(duì)的是生活污水處理廠污泥，發(fā)現(xiàn)在微生物類群中球狀菌占據(jù)主導(dǎo)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(jìn)一步來說，是由占據(jù)多數(shù)的各類細(xì)菌所完成的。因此，細(xì)菌的數(shù)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(yīng)出活性污泥主要由數(shù)量眾多的微生物和有機(jī)質(zhì)等組成，細(xì)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(dá)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(zhì)差異，相應(yīng)活性污泥的絮體粒徑也會(huì)有所不同[15]，以葡萄糖和乙酸鈉為基質(zhì)的活性污泥中粒徑為160μm和149μm的顆粒所占比例最大，體積分?jǐn)?shù)分別為11.6%和10.5%[15]，粒徑均大于此次檢測(cè)的污水處理廠污泥絮體。另外，同一污水處理廠，由于運(yùn)行條件(如溫度、曝氣大小等)和水質(zhì)的變化，也會(huì)對(duì)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(gè)重要因素，這部分微細(xì)顆粒在過濾時(shí)會(huì)堵塞過濾介質(zhì)或使污泥結(jié)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(shí)程度有關(guān)，與絮體粒徑?jīng)]有必然聯(lián)系[15]。由于該污水處理廠處理的是實(shí)際生活污水，同時(shí)混雜有少量工業(yè)廢水，這使得進(jìn)水中含有一定量的懸浮顆粒，這些顆粒也可能會(huì)增加污泥的沉降性。因此，污水廠運(yùn)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(jié)構(gòu)模型

根據(jù)顯微鏡觀察到的結(jié)果，活性污泥的結(jié)構(gòu)和組成成分如圖5所示。污泥的絮體結(jié)構(gòu)是活性污泥的主要組成部分，其內(nèi)部含有大量不同類型的細(xì)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(jié)構(gòu)周圍，使絮體結(jié)構(gòu)成為一個(gè)緊湊致密的整體。一些有機(jī)和無機(jī)的污泥顆粒也是污泥絮體的重要組成部分，是細(xì)菌依附和生長(zhǎng)的必要物質(zhì)。絲狀細(xì)菌從絮狀體內(nèi)部長(zhǎng)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(xì)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(dòng)物和后生動(dòng)物等微型生物則生活在絮體周圍或內(nèi)部，對(duì)污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用。

3結(jié)論

利用光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡和激光粒度分析儀，對(duì)城市污水處理廠中活性污泥的表面形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，得出如下結(jié)論：

(1)活性污泥中菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)致密，數(shù)量多，形狀不規(guī)則，部分絲狀細(xì)菌從絮狀污泥結(jié)構(gòu)中伸出，并連接在不同的絮體之間，更細(xì)微的觀察顯示污泥絮體內(nèi)部含有大量細(xì)小污泥顆粒。

(2)活性污泥中原生動(dòng)物數(shù)量較多，種類豐富，并生長(zhǎng)有少量微型后生動(dòng)物。

(3)該污水處理廠活性污泥中含有大量細(xì)菌，其中球狀細(xì)菌在微生物類群中占據(jù)了主導(dǎo)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(dá)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(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-9655(2015)04-0057-05

作者簡(jiǎn)介：劉玉玲(1982-) ,女,碩士,工程師,主要從事環(huán)境技術(shù)評(píng)估與污染監(jiān)測(cè)方面的工作。

收稿日期：2014-12-23