菌藻共生好氧顆粒污泥的分形特征研究

陳慶峰，余 哲，黃詩琪，姚杜旸，陳 威*，王宗平

(1.武漢科技大學 城市建設(shè)學院,湖北 武漢 430065；2.華中科技大學 環(huán)境科學與工程學院,湖北 武漢 430074)

菌藻共生好氧顆粒污泥(algal-bacterial granular sludge, ABGS)中的微藻在光合作用下產(chǎn)生O2，為細菌分解有機物提供溶解氧，因而較于好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge, AGS)[1]，ABGS具有有機物處理效能高、節(jié)能降耗等優(yōu)點，適用于污水處理技術(shù)[2-5]。而目前，僅有少量文章報道ABGS穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)性較好的成因[2]。

目前，我國污水處理廠主要采用生物法進行處理，采用的工藝主要有SBR工藝[6-7]、A/O工藝以及A2/O工藝[8-9]等，其污泥特性對處理效果影響較大。為形成耦合性強、沉降性能好的ABGS，探究ABGS的形態(tài)特征，在現(xiàn)今關(guān)于ABGS的理化性質(zhì)與形成機理的研究基礎(chǔ)上[2,10-13]，結(jié)合分形理論對ABGS進行研究有較大意義。目前對于污泥的分形特征研究具有較完善的方法，例如：張樹軍等[14]研究了序批式生物反應(yīng)器(sequencing batch reactor, SBR)中不同粒徑成熟AGS的分形特征，發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)可以表征不同粒徑AGS的密實度和形態(tài)特征；郝凱越等[15]利用SEM圖像，分析活性污泥(activated sludge, AS)的分形維數(shù)，發(fā)現(xiàn)AS結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，盒維數(shù)值越大，AS所含微生物也越難辨認；高景峰等[16]發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)能很好地表征污泥的密實程度和規(guī)則程度；Jin等[17]研究發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)可以用于研究AS的沉降性能，其值與SVI(sludge volume index)呈負相關(guān)；Li等[18]研究表明分形維數(shù)可以用來在污水廠中作為控制AS沉降性能的關(guān)鍵指標。前人著重于研究AS和AGS的分形特征，但缺少關(guān)于ABGS的分形特征研究。因此，在SBR工藝下，結(jié)合分形理論對ABGS的去除效能與形態(tài)特征進行研究，具有較大理論與現(xiàn)實意義。

盒維數(shù)法作為分形維數(shù)計算方法之一，適用于歐氏空間。本研究采用盒維數(shù)的分形特征研究方法，使用MATLAB軟件進行計算，結(jié)合掃描電鏡(SEM)圖像，探討ABGS分形維數(shù)與曝氣周期的關(guān)系，為解析ABGS降解污染物機理與培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)ABGS提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置和運行條件

實驗中接種微藻為BG-11培養(yǎng)基擴大培養(yǎng)下的成熟小球藻，葉綠素a含量約為9 mg/g。接種污泥為絮狀污泥，取自武漢市某污水廠，顏色呈淺褐色。該污泥的污泥體積指數(shù)(SVI5)約為80 mL/g，顆粒污泥濃度約為4 000 mg/L，平均粒徑約為75 μm，初始MLVSS/MLSS(mixed liquid volatile suspended solids, MLVSS; mixed liquor sespended solid, MLSS)比值為0.615±0.003。

實驗裝置為3組(分別是R1、R2和R3)序批式光生物反應(yīng)器(photo-sequencing batch reactor, PSBR)，反應(yīng)器內(nèi)徑20 cm，高60 cm，有效容積18 L，用光強度為3 000±20 Lux的LED燈帶包裹，色溫為6 500 K，實驗環(huán)境較暗，為保證較高水平的溶解氧[19]，照明持續(xù)24 h，并采用SBR工藝，水力停留時間(hydraulic retention time, HRT)為12 h，換水時間為10 min。其中，為減少運行能耗，工藝中采用的間歇曝氣均為底部曝氣方式[20]，曝氣階段曝氣量2 L/min，3組反應(yīng)器的曝氣周期分別為：R1 曝氣5 min，停5 min；R2 曝氣2 h，停2 h；R3 曝氣2 h，停10 h。

為保證實驗的可行性，模擬市政污水水質(zhì)[13](見表1)作為工藝進水水質(zhì)，其中的碳源、氮源、磷源分別用葡萄糖、NH4Cl[21]、K2HPO4/KH2PO4代替。通過每日對進水出水的水質(zhì)檢測，改變藥品的投加量，平衡水中COD、TN、TP濃度，并通過添加NaHCO3，調(diào)節(jié)反應(yīng)器中pH=7.5±0.3。此外，通過分析污泥的MLVSS/MLSS值，以其值穩(wěn)定且大于0.65[22]來判斷ABGS是否成熟。

表1 模擬市政污水水質(zhì)組成Tab. 1 Water quality composition of simulated municipal sewage

1.2 分析項目和方法

ABGS的胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)中蛋白質(zhì)(PN)采用快速Lowry 法試劑盒(Improved-Lowry)2000T測定，標準樣品為牛血清蛋白。多糖(PS)含量采用蒽酮-濃硫酸法測定，標準樣品為干燥12 h后的無水葡萄糖。ABGS形成過程中，部分小球藻被絮狀污泥吸附，游離小球藻被水排出，即可通過測量反應(yīng)器中的葉綠素a濃度來判斷微藻吸附情況，當葉綠素a含量下降至穩(wěn)定時，表明微藻含量已達到穩(wěn)定，穩(wěn)定后數(shù)據(jù)反映ABGS中葉綠素a含量[10,24]，采用分光光度法測量。

ABGS的粒徑由激光粒度分布儀(BT-9300H)測定，ABGS的SEM圖像由掃描電子顯微鏡(Zeiss Gemini 300)進行拍照。實驗數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進行方差分析(ANOVA)。

1.3 分形維數(shù)的理論計算

ABGS的形狀復(fù)雜且不規(guī)則，分形維數(shù)可定量表征不規(guī)則物質(zhì)形態(tài)，已運用于研究AS結(jié)構(gòu)與性質(zhì)[25-27]。其中，盒維數(shù)應(yīng)用覆蓋法，計算簡單，易于程序化[15]，盒維數(shù)D的定義是將SEM圖像置于均勻分割的網(wǎng)絡(luò)上，用邊長為ε的盒子進行覆蓋，表達式為：

式中N(ε)為覆蓋圖像所需最少盒子數(shù)。盒維數(shù)的精度與ε成負相關(guān)，為使分形維數(shù)的數(shù)據(jù)高精度，基于改進后的盒維數(shù)算法[28-30]，使用MATLAB編程，分析處理后的SEM圖像，得到R1、R2和R3中ABGS的分形維數(shù)。先對圖像中所需區(qū)域與背景分離，降低噪聲干擾，然后將RGB圖像轉(zhuǎn)化得到二值反轉(zhuǎn)圖像。圖像處理后，將盒維數(shù)法程序化，將圖像轉(zhuǎn)化為圖像矩陣，劃分成元胞數(shù)組，對不同尺度下的元胞數(shù)組進行數(shù)據(jù)處理，將盒子數(shù)與盒子尺寸進行曲線擬合，得到分形維數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 ABGS的泥質(zhì)指標分析

實驗期間，MLVSS/MLSS比值變化如圖1(a)所示。在培養(yǎng)初期(1～21 d)，R1、R2和R3中的MLVSS/MLSS比值呈顯著增加趨勢，ABGS中有機固體物質(zhì)占比增大。其中，與R1、R2相比，R3中ABGS的增長較慢。第70 d時，3個反應(yīng)器中MLVSS/MLSS比值均趨于穩(wěn)定，達到0.830±0.002，表明反應(yīng)器中ABGS已成熟，降解能力達到穩(wěn)定。

圖1 ABGS形成過程中理化性質(zhì)變化情況Fig. 1 Changes in physical and chemical properties of ABGS formation

圖1(b)中，3個反應(yīng)器中葉綠素a含量在培養(yǎng)初期呈逐漸下降趨勢，在第21 d時，葉綠素a含量趨于穩(wěn)定，R1、R2和R3中ABGS的葉綠素a含量分別為3.826、3.795和2.768 mg/g，R3中ABGS形成的微藻含量較少。成熟時期(第70 d)R1、R2和R3中ABGS的平均粒徑分別為118.34、122.14和91.49 μm，且R1的粒徑較為集中(圖1(c))。此外，R1和R2的SVI5分別為40.1和39.5 mL/g，而R3的SVI5為45.4 mL/g，沉降性能較差，R1和R2中形成的ABGS吸附性強，具有一定的密實度。實驗數(shù)據(jù)表明，曝氣量影響ABGS的粒徑大小和沉降性，低曝氣量會造成形成ABGS時，沒有提供充足的水力剪切力，減緩ABGS的形成且造成成熟ABGS沉降性差，在相同且較高水平的曝氣量下，短周期形成的ABGS粒徑略大且集中。其中，低曝氣量主要減緩顆粒污泥的吸附性，對微藻與細菌結(jié)合速率無明顯影響。

2.2 ABGS的去除效能分析

在ABGS形成期間，細菌的生物活性逐漸恢復(fù)，去除效率增強。為準確探究分析ABGS的生物活性，將進水COD、TN和TP分別維持在200±40、45±10和4±1.5 mg/L，其中碳氮比約為4.44，碳磷比約為50，并計算ABGS形成后的COD、TN、TP去除率。如圖2所示，隨著ABGS培養(yǎng)，R1、R2和R3的COD、TN、TP去除率均有明顯增加(P<0.05)，且出水COD、TP濃度達到城市污水排放一級A標準[31]，而TN去除率不足40%，去除率較差。

圖2 R1、R2和R3中COD、TN、TP去除率變化Fig. 2 COD, TN, and TP removal rate changes in R1, R2 and R3

污染物進出水濃度見表2。由表2可見，在第70 d末期，R1和R2的出水COD分別達到13.16±2.26和14.08±4.44 mg/L，兩者的顯著性檢驗數(shù)值P>0.05，無顯著性差異；R3中出水COD為26.52±5.08 mg/L，比 R1、R2高，但COD去除效能仍處于較高水平，達到IV類水體的COD標準[32]。其中小球藻在光合作用下提供異養(yǎng)菌降解COD所需氧氣[13]，這些異養(yǎng)菌在好氧條件下分解葡萄糖[33]，從而促進ABGS對COD的去除效果。在相同曝氣量下，間歇時間(≤2 h)對ABGS的去除效果影響較小，表示在停止曝氣階段ABGS中小球藻產(chǎn)生O2，溶解氧達到0.4±0.1 mg/L，使ABGS能維持去除效能，而R3中間歇時間較長，但溶解氧仍達到0.35±0.1 mg/L。

表2 污染物進出水濃度Tab. 2 Pollutant inlet and outlet water concentration

此外，由于水質(zhì)的低碳氮比(C/N小于5)[34]，造成R1、R2和R3中TN去除率較低。而氮源充足條件下，ABGS具有良好的脫氮效能[2]。隨著ABGS成熟，增大顆粒內(nèi)部的厭氧區(qū)，加強了ABGS中反硝化細菌的反硝化作用，增大TN的去除效果。相較于R3，R1和R2中ABGS的微藻含量高，促進氮的同化作用，提高TN去除率。而R3的低密實度，造成部分ABGS解體，抑制反硝化作用。且在ABGS中，聚磷菌(PAO)在好氧和缺氧下過量吸磷，微藻發(fā)生光合磷酸化將無機磷同化吸收，同步提高TP去除率。其中，R3的TP去除率明顯小于R1和R2，說明藻類含量有效促進ABGS中TP的去除效能，提高ABGS中藻類含量，有助于實現(xiàn)TP高效去除。

2.3 ABGS中EPS成分含量分析

在成熟ABGS穩(wěn)定性方面，EPS起到重要作用，EPS含量越高，細菌結(jié)合越緊密，ABGS越穩(wěn)定[2]。為分析曝氣周期對ABGS形成中EPS的影響，檢測R1、R2和R3中初始和第70 d的PS和PN含量。

由實驗數(shù)據(jù)(圖3)所示，R1、R2和R3中初始EPS濃度基本相等，在ABGS成熟時PS濃度基本不變，PN濃度上升，在ABGS形成過程中，PN增加有助于ABGS形成。在R1和R2中，R2的PN含量略小于R1，說明短周期曝氣有助于維持ABGS穩(wěn)定性，但影響較小。此外，R2中可揮發(fā)性固體懸浮物中PN含量達到9.32 mg/g，PN/PS為3.91。而R3中胞外聚合物較少，可揮發(fā)性固體懸浮物中PN含量為7.35 mg/g，表明曝氣量在低水平下PN含量較低，成熟的ABGS穩(wěn)定性較差。

圖3 R1、R2和R3中的PS和PN含量變化Fig. 3 PS and PN content changes in R1, R2 and R3

附著性EPS由LB-EPS和TB-EPS組成，圖4為LB-EPS和TB-EPS的3D-EEM圖。LB-EPS圖中含有一個特征峰(峰Ⅰ)，峰Ⅰ的Ex/Em大約在220/290 nm處，該區(qū)域代表的有機物為芳香族蛋白質(zhì)Ⅰ，且特征峰不明顯，表明LB-EPS含量較小。TB-EPS圖中含有2個特征峰(峰Ⅰ和峰Ⅱ)，峰Ⅰ的Ex/Em大約在280/350 nm處，該區(qū)域代表的有機物為色氨酸類蛋白質(zhì)，峰Ⅱ的Ex/Em大約在220/300 nm處，該區(qū)域代表的有機物為芳香族蛋白質(zhì)Ⅰ。此外，LB-EPS熒光強度小于TB-EPS，且R3中LB-EPS的熒光強度小于R2，表明較高水平曝氣量，促進ABGS分泌TB-EPS。

圖4 成熟ABGS中LB-EPS和TB-EPS的三維熒光光譜Fig. 4 3D-EEM fluorescence spectra of LB-EPS and TB-EPS in mature ABGS

隨著ABGS的成熟，ABGS中LB-EPS(loosely bound EPS)和TB-EPS(tightly bound EPS)均增加，有助于維持EPS穩(wěn)定性[35]。此外，R1和R2中TB-EPS PN含量明顯高于R3，表明較高水平曝氣量有助于ABGS中TB-EPS增加，微生物分泌的EPS含量越高，說明ABGS的密實度越好。

3 ABGS的分形特征

3.1 SEM圖像分析

為探究ABGS的物理結(jié)構(gòu)，采用成熟的ABGS進行分形特征分析，取反應(yīng)器中第60 d的ABGS進行電鏡掃描，圖5為掃描電鏡獲取的ABGS圖像與處理圖像。由圖像可知，R1和R2中ABGS的表面含有大量桿菌、球菌和少量的絲狀菌，且顆粒污泥表面較為平整，而R3中ABGS的表面球菌和桿菌含量降低，表明低曝氣量抑制部分球菌和桿菌生長。在R3中ABGS的表面有裂隙，說明低曝氣量下AGS的吸附不均勻，且吸附性較差，造成成熟的ABGS在正常的水力剪切力下具有低穩(wěn)定性[36]。

圖5 R1、R2和R3反應(yīng)器中ABGS的SEM以及處理圖像Fig. 5 SEM images and image processing of ABGS in R1, R2 and R3 reactors

3.2 ABGS的分形維數(shù)計算

為進一步探究ABGS的形態(tài)特征，借助MATLAB軟件計算其分形維數(shù)。為驗證程序準確度，分別將Sierpinski三角形圖像和Sierpinski地毯圖像作為輸入圖像，計算得到分形維數(shù)的實際值分別為1.578 9和1.884 2，誤差小于5‰，誤差較小，表明MATLAB程序具有可行性，可分析處理后的SEM圖像，計算得到R1、R2和R3中ABGS的盒維數(shù)分別為1.817±0.041、1.828±0.044和1.787±0.038，R1和R2的分形維數(shù)相近且形態(tài)結(jié)構(gòu)相似，R3的分形維數(shù)小于R1、R2，說明R3穩(wěn)定性差。

4 討論

R1和R2在ABGS培養(yǎng)第60 d的COD、TN、TP去除率相近，且R1、R2和R3中MLVSS/MLSS比值和EPS含量相近，表明R1和R2所形成的ABGS的理化性質(zhì)相近，R3中ABGS的沉降性能和穩(wěn)定性較差。此外，R3的去除效能明顯小于R1和R2，說明曝氣周期對去除率有明顯影響，短周期曝氣對ABGS的穩(wěn)定性有一定的促進作用，低水平的曝氣量不能提供充足的O2，造成載體不穩(wěn)定現(xiàn)象，不適用于運用ABGS的污水處理工藝。

通過對比ABGS與其他污泥的分形維數(shù)發(fā)現(xiàn)，未接種微藻的AS分形維數(shù)為1.07～1.68[18]，ABR顆粒污泥的分形維數(shù)為1.80～2.05[37]，好氧顆粒污泥分形維數(shù)為1.77～1.90[16]。不同曝氣周期下形成的菌藻共生污泥的SEM照片呈現(xiàn)出不同的污泥結(jié)構(gòu)和微生物種類，這是因為曝氣周期充當了一種選擇壓，可以選擇、富集特定的細菌和微藻，造成了污泥形態(tài)特征的不同。結(jié)合目前對于污泥分形維數(shù)的研究[14-18]發(fā)現(xiàn)，不同曝氣周期下形成的菌藻共生污泥的分形維數(shù)均大于活性污泥的分形維數(shù)，且ABGS的分形維數(shù)與好氧顆粒污泥的分形維數(shù)數(shù)據(jù)相似，表明微藻的結(jié)合對污泥的分形維數(shù)提升較大，且由于污泥顆?；?，AGS和ABGS的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，即分形維數(shù)越大其結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、密實度越高、沉降性能越好，這與Jin等[17]研究的活性污泥沉降性能與分形維數(shù)的關(guān)系一致。

由上述R1、R2和R3的沉降性能、去除效能與分形維數(shù)數(shù)據(jù)分析，表明在該值范圍內(nèi)，分形維數(shù)越大，ABGS的密實度越高、沉降性能越好、去除效能越好，污泥的沉降性能、生物活性與分形維數(shù)呈正相關(guān)[14,18,37-38]。

5 結(jié)論

本文采用PSBR反應(yīng)器，在3組不同曝氣周期下培養(yǎng)ABGS，反應(yīng)器共運行70 d，對得到的數(shù)據(jù)進行分析運算，結(jié)論如下：

1)ABGS在低碳氮比污水處理上，具有良好的COD、TP去除率，且微藻含量有效影響TP去除與氧氣能耗，ABGS工藝適用于當今污水處理技術(shù)。

2)在相同水力停留時間和相同且較高水平的曝氣量下，間歇時間(≤2 h)對ABGS的沉降性能、生物活性和形態(tài)特征影響較小，且短周期曝氣會促進成熟ABGS的粒徑更為集中?？紤]低能耗，在運用ABGS的SBR工藝下，可采用曝氣2 h停2 h，以節(jié)省能耗。低曝氣量影響ABGS的沉降性能和生物活性，抑制部分球菌和桿菌生長。

3)依據(jù)盒維數(shù)算法，計算得到ABGS的分形維數(shù)為1.78～1.83，與好氧顆粒污泥的分形維數(shù)相似，且分形維數(shù)能夠反映ABGS的沉降性能和生物活性，ABGS的分形維數(shù)越大，ABGS的沉降性能和生物活性越好。