基于圖像分析的AGS 顆?；^(guò)程形態(tài)學(xué)研究

李季垚

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

不同的國(guó)家地區(qū)污泥沉淀物的性質(zhì)各不相同，只有正確認(rèn)識(shí)本土污泥的特性，方能找到改善我國(guó)污泥處理現(xiàn)狀的方法[1]。好氧顆粒污泥（Aerobic Granular Sludge，簡(jiǎn)稱(chēng)AGS）技術(shù)被認(rèn)為是廢水處理中最有前途的技術(shù)[2]。

本文使用序批式活性污泥法反應(yīng)器（SBR），以自制污水為處理對(duì)象，探究好氧顆粒污泥的顆?；M(jìn)程，并分析好氧顆粒污泥對(duì)COD、氨氮和磷去除率的變化，為好氧顆粒污泥培養(yǎng)技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水

本實(shí)驗(yàn)中的水樣采用人工配制的模擬廢水，按照乙酸鈉32.5g、NH4CL 4.78g、Na2HPO4·12H2O 2.89g、常量元素15～20mL、微量元素1mL、無(wú)水碳酸鈉6g 的比例進(jìn)行配比。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行方式

SBR 法[3]（序批式活性污泥法）法是培養(yǎng)好氧顆粒污泥最常用的工藝，并廣泛應(yīng)用于不同水處理領(lǐng)域。

實(shí)驗(yàn)室所用SBR 反應(yīng)器為有機(jī)玻璃圓柱，由時(shí)間程序控制器分別控制進(jìn)水、曝氣、沉降、出水等全過(guò)程[4]。一個(gè)周期為4 小時(shí)，其中有15 分鐘的進(jìn)水，190 分鐘的曝氣，30 分鐘的沉降和2分鐘的出水。微孔曝氣器設(shè)置在反應(yīng)柱底部，用空壓機(jī)經(jīng)空氣流量計(jì)曝氣?；钚晕勰嘈纬尚枰黧w剪切力，曝氣所產(chǎn)生的氣流達(dá)成了這一條件。

1.3 分析指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)定污泥的混合液懸浮固體濃度（MLSS）、污泥體積（SVI）、污泥沉降比（SV）、化學(xué)需氧量（COD）去除率、氨氮去除率和磷去除率。

2 AGS 培養(yǎng)結(jié)果與討論

2.1 好氧顆粒污泥的培養(yǎng)過(guò)程

反應(yīng)器中當(dāng)曝氣產(chǎn)生的上升氣體流速高于1.2cm/s 時(shí)，AGS開(kāi)始形成。在適當(dāng)?shù)臍怏w上升流速范圍內(nèi)，流速越高，形成的AGS 外形越規(guī)則，結(jié)構(gòu)越緊湊。

2.2 MLSS 的測(cè)定

取用兩個(gè)坩堝，分別放置0.45mm 的水吸濾膜，在103～105℃的條件下烘干并稱(chēng)重，得出坩堝和濾膜的總重。然后吸取20mL 混合均勻的水樣，并對(duì)其進(jìn)行抽濾，使污泥全部留在水吸濾膜上。隨后每次在103～105℃處烘干2 小時(shí)后，將樣品在干燥器中冷卻后稱(chēng)量并恒重，使得兩次稱(chēng)量差值不超過(guò)0.0005g。如此便可測(cè)得20mL 混合水樣中污泥的質(zhì)量。

2.3 SVI 和SV 的測(cè)定

取100mL 混合均勻的水樣，并置于一個(gè)100mL 的燒杯中靜置30 分鐘，觀察污泥沉降的刻度，即可得出SVI 和SV。

2.4 化學(xué)需氧量（COD）去除率的測(cè)定

取1.5mL 待測(cè)樣于消解管中，準(zhǔn)確加入掩蔽劑0.5mL，消解液1.5mL，硫酸催化劑2.5mL，搖勻。旋緊密封蓋，依次將消解管至于165℃的環(huán)境下消解半小時(shí)，當(dāng)定時(shí)結(jié)束發(fā)出鳴叫信號(hào)時(shí)，消解過(guò)程完畢，待冷卻后，將消解管按順序從消解孔中取出。完全冷卻后加入2mL 的蒸餾水，再次冷卻后用消解反應(yīng)完成的液體進(jìn)行吸光度的測(cè)定。將已預(yù)熱的分光光度計(jì)波長(zhǎng)調(diào)整至610nm，分別對(duì)每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定。注意在測(cè)定時(shí)需要進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)取其平均值，同時(shí)設(shè)定一組空白對(duì)照。

2.5 氨氮去除率的測(cè)定

取1mL 待測(cè)樣于比色管中，定容至50mL，搖勻。于上述比色管中各加入酒石酸鉀鈉溶液1mL、納氏試劑1.5mL，混勻。將已預(yù)熱的分光光度計(jì)波長(zhǎng)調(diào)整至700nm，分別對(duì)每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定。同樣設(shè)定一組空白對(duì)照。

2.6 磷去除率的測(cè)定

取1mL 待測(cè)樣于比色管中，定容至50mL，搖勻。于上述比色管中各加入10%抗壞血酸（冰）1mL、鉬酸鹽溶液2mL（避光保存），混勻。將已預(yù)熱的分光光度計(jì)波長(zhǎng)調(diào)整至700nm，分別對(duì)每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定。同樣設(shè)定一組空白對(duì)照。

2.7 主要參數(shù)的計(jì)算公式與測(cè)定結(jié)果

COD、氨氮和磷去除率的計(jì)算公式為：

式中：x1和x2分別為進(jìn)水和出水的濃度。

需注意，進(jìn)水和出水的濃度要減去空白對(duì)照組的濃度，以減小其余溶液的誤差影響。

COD、氨氮和磷去除率的結(jié)果如圖1 所示。

圖1 活性污泥對(duì)COD、氨氮總磷的去除率

3 AGS 的圖像分析

3.1 顯微圖像的取樣

對(duì)不同培養(yǎng)階段的活性污泥進(jìn)行取樣，稀釋5～7 倍后放置于光學(xué)顯微鏡下放大40 倍進(jìn)行觀察。每個(gè)樣本拍攝大約40～50張，拍攝的部分圖片如圖2 所示。

圖2 活性污泥的顯微鏡觀察圖片

ImageJ 軟件因其占用內(nèi)存小、功能強(qiáng)大、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞計(jì)數(shù)、葉片形態(tài)指標(biāo)測(cè)量、根毛長(zhǎng)度測(cè)量等多個(gè)研究方向。本文便使用ImageJ 軟件對(duì)圖片中的好氧顆粒污泥進(jìn)行面積的計(jì)算和圓度的測(cè)量。

3.2 圖像面積計(jì)算

3.2.1 轉(zhuǎn)化為灰度圖像：

轉(zhuǎn)化后的效果圖如圖3 所示。

圖3 灰度圖片

3.2.2 設(shè)定測(cè)量比例：本實(shí)驗(yàn)中采用的比例是0.2。

3.2.3 自動(dòng)選取閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。

3.2.4 進(jìn)行顆粒分析，并復(fù)制數(shù)據(jù)到EXCEL 表格中進(jìn)行求和分析。

3.2.5 對(duì)每個(gè)圖片進(jìn)行相同操作后進(jìn)行平均值的計(jì)算。

3.3 計(jì)算圖形圓度

在3.2.4 步驟“進(jìn)行顆粒分析”中，同時(shí)可分析得出圓度的數(shù)據(jù)。具體步驟如下：

在點(diǎn)擊[AnalyzeParticles…]按鈕之前，點(diǎn)擊[Analyze]按鈕，在彈出的菜單欄中點(diǎn)擊[SetMeasurements…]按鈕，在分析圖像圓度的選項(xiàng)前進(jìn)行勾選，在彈出的數(shù)據(jù)欄中即會(huì)顯示圓度的數(shù)據(jù)。

3.4 進(jìn)行面積平均值分析

運(yùn)用EXCEL 軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)37 天的活性污泥顆粒的面積和圓度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析，如圖4 所示。

圖4 圓度與顆粒分析結(jié)果

圖5 污泥面積平均值的圖像分析

4 結(jié)論

4.1 在污泥逐漸顆?；^(guò)程中，污泥總體呈現(xiàn)出由小到大、由分散到聚集的過(guò)程。污泥的凈水能力逐漸提升，并且最終趨于穩(wěn)定。其中許多理化性質(zhì)也發(fā)生了較大的變化。例如混合液懸浮固體（MLSS），呈先上升后下降的趨勢(shì)，即微生物展現(xiàn)出了對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)再擴(kuò)大增長(zhǎng)規(guī)模的過(guò)程。

4.2 在顆?；囵B(yǎng)的前期，顆粒污泥粒徑的增長(zhǎng)緩慢，而后期粒徑增大較為迅速。原因是，在初期微生物首先發(fā)生聚集使其變得密實(shí)，由于該過(guò)程沒(méi)有載體所以速度較慢，但污泥的沉降性能可明顯得到提高；中期微生物的生長(zhǎng)就可以借助前期形成的載體附著生長(zhǎng)，因此顆粒的粒徑較快增長(zhǎng)；后期粒徑與微生物的生長(zhǎng)速率、水力剪切力逐漸達(dá)到平衡。

4.3 隨著污泥內(nèi)部微生物對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行條件的逐漸適應(yīng)，微生物量不斷積累，MLSS 開(kāi)始增加，SBR 的污泥顆?；潭炔粩嗵岣摺?shí)驗(yàn)到第37 天時(shí)，好氧顆粒污泥對(duì)化學(xué)需氧量去除率為98.62%，氨氮的去除率為63.66%，磷的去除率45%。