城市污水处理厂活性污泥的表面形态和微观结构研究

2016-01-15刘玉玲文晓慧

环境科学导刊 2015年4期

关键词：微观结构活性污泥

刘玉玲，文晓慧

(河源市环境技术中心，广东河源 517000)

城市污水处理厂活性污泥的表面形态和微观结构研究

刘玉玲，文晓慧

(河源市环境技术中心，广东河源 517000)

摘要：使用光学显微镜、电子显微镜和激光粒度分析仪考察了某城市污水处理厂中活性污泥的表面形态和微观结构。结果显示：该活性污泥中菌胶团结构致密，数量多，形状不规则，部分丝状细菌从絮状污泥结构中伸出，连接着不同的污泥絮体；污泥中原生动物数量较多，种类丰富，并生长有少量微型后生动物；电子显微镜观察显示出活性污泥主要由数量众多的细菌和有机质等组成，其中球状细菌在微生物类群中占据主导地位；粒径为100μm的活性污泥絮体所占比例最大，达到7.6%。

关键词：城市污水处理厂；活性污泥；表面形态；微观结构；絮体结构；原生动物；菌胶团

城市人口的快速增长使得城市废弃物大量增加，生活污水排放量也呈现快速增长势头[1]。城市生活污水含有大量有机物、氮、磷等物质，不处理或处理不达标都会对自然水体产生较大污染，严重时可引起赤潮和水华。根据处理原理和水质要求的不同，生活污水的处理方法有物理法、化学法和生物法等，其中生物法是生活污水处理常用而且比较有效的处理方式[2]。

活性污泥是污水生物法处理的关键因素，直接关系污水处理效果的好坏。利用活性污泥高效降解污染物的能力和特点，组合不同的处理工艺处理生活污水，一般都能达到较好的处理效果[3-5]。活性污泥是由大量微生物、有机质和无机盐等组成的混合物，由于不同污水厂的结构和污水性质差异，活性污泥的形态和微观结构也会有所差异[6]。本文以城市污水处理厂活性污泥为研究对象，研究活性污泥的表面形态和微观结构，以期为污水处理厂的运行和管理提供参考。

1试验部分

1.1仪器与试剂

仪器：激光粒度分析仪(Mastersizer 2000，英国)，荧光显微镜(Zeiss Axio Imager A1)，扫描电子显微镜(SEM，Hitachi S-4800，日本)，临界点干燥仪(Tousimis Samdri-PVT-3D，美国)，高速冷冻离心机(Thermo Multifuge X1R，美国)，超纯水制备仪(Milli-Q，美国)。

试剂：磷酸氢二钠(AR)、磷酸二氢钠(AR)、戊二醛(25%)和无水乙醇等，购买于国药集团化学试剂有限公司。

1.2污水处理厂概况

该城市生活污水处理厂采用微孔曝气氧化沟工艺，日处理水量约10万m3，自投入使用以来，运行状况良好。试验污泥样品取自该污水处理厂生物反应池的好氧区，取回的污泥混合液静止沉淀30min，倒掉上清液，使用超纯水清洗2遍，去除混合液中的大颗粒和污水后，放置于4℃冰箱备用。

1.3光学显微镜分析

使用移液枪吸取一定量的活性污泥，轻轻滴在干净的载玻片上，将盖玻片从一侧慢慢盖上，避免气泡影响观察。此后，慢慢挤压出载玻片和盖玻片之间多余的水分，用过滤纸清除载玻片周围多余的水分。把制备好的载玻片放置于荧光显微镜上，在不同的放大倍数下观察并拍照。

1.4SEM分析

按照文献中的方法对污泥样品进行前处理[4, 7]，具体步骤：取适量污泥混合液在5000r/min离心10min，倒去上清液，加入2.5%的戊二醛-磷酸盐缓冲液，固定30min，经0.2 mol/L的磷酸盐缓冲液清洗3次后，依次使用30%、50%、70%、90%、95%、100%的酒精梯度脱水，每次15min，并用临界点干燥仪进行干燥，干燥后的样品溅射喷金后使用SEM观察。

1.5颗粒粒径分析

打开激光粒度仪，取装有500mL超纯水的烧杯，放置于仪器样品槽中，在搅拌速率为1500r/min时加入一定量的活性污泥，待仪器的遮光度达到仪器所要求的15%左右时，测量污泥粒度。样品测量重复3次，取平均值。

2结果与讨论

2.1活性污泥的表面形态

图1显示出城市污水处理厂活性污泥的表面形态。如图1a所示，在低倍镜下，大量污泥颗粒聚集在一起，形成活性污泥絮体，而絮体主要组成为菌胶团。污泥中的细菌在适宜的条件下能够形成一定形态结构的菌胶团[8]，菌胶团是以细菌为主，并以细菌分泌的粘液状物质将一些小颗粒粘合在一起形成一定形态的胶质团，它有较强的吸附和氧化有机物的能力，在污水生物处理中具有重要作用[9]。菌胶团的大小、数量和致密性决定了污泥的性质与污水处理效率的高低[8]。在图1a中，该污水处理厂污泥中菌胶团结构致密，数量多，形状不规则，这表明该污水处理厂污水处理效率较好，运行较稳定。图1a也显示出部分丝状细菌从絮状污泥结构中伸出，并连接在不同的絮体之间。研究认为：丝状菌是活性污泥絮体的骨架，菌胶团细菌等其它微生物通过产生多糖形成凝胶基质粘附在骨架上，丝状细菌和菌胶团保持一定的比例，可以使污泥具有良好的沉降性[9]。但是大量的丝状菌生长，将形成“刺毛球”状的活性污泥骨架，这使得污泥絮体间难以压缩，造成活性污泥絮体结构松散，污泥沉降速度变慢，压缩性能变差，引起污泥膨胀[10]。所以，在活性污泥中，一定数量的丝状细菌，可以改善污泥的沉降性能，提高污水处理效率，但是必须避免丝状细菌的过量生长。

图1b显示出污泥絮体结构的内部形态。从图中可以看出，污泥絮体内部包含大量细小颗粒状污泥。这些颗粒状污泥内部含有大量微生物如氨氧化细菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)等[5]，生活在其中的异养微生物能够分泌胞外多聚物(EPS)，使得这些颗粒紧密结合在一起，形成大的絮体结构[5]。这种可见的污泥絮体是污泥中微生物的主要载体，也是活性污泥法去除污染物的主要承担者，其结构完整性直接影响污水厂的处理效率。图1整体反映出该污水处理厂污泥结构良好，絮体颗粒较大，这也为该污水处理厂良好的处理效率和运行状态提供了一个直接的证据支持。

2.2活性污泥中的微型动物

活性污泥中存在细菌、真菌、原生动物和微型后生动物等微生物群体，其中，原生动物和微型后生动物属于较高等的微生物。由于原生动物数量相对较多，因而在污水处理中起重要作用，也常用来作为污水处理效果的指示性生物[11]。微型后生动物相对较少，常见的有轮虫、线虫等。从污水处理厂取回的活性污泥，经过光学显微镜观察，发现其中有大量微型动物(图2)。图2a显示出一定数量的游泳型纤毛虫，属于原生动物。同时，观察到的还有钟虫、变形虫等大量原生动物。纤毛虫会分泌一种溶解性的有机物刺激裹在活性污泥内的细菌快速繁殖，使活性污泥更加稳定，沉降速度加快，起到提高污水净化效率的作用[12]。陈声贵等通过比较北京高碑店污水处理厂微型动物的各类群总数和多样性指数对水质的指示效果，得出原生动物的纤毛虫和后生动物对污泥的沉降性指示效果较好，纤毛虫和后生动物越多，污泥的沉降性越好，而游泳类纤毛虫对出水BOD5的指示效果最好[13]。图2b显示出污泥中有后生动物轮虫存在，另外，也在污泥中观察到线虫。随着活性污泥的成熟与稳定，污水处理效果会越来越好，同时便会出现少量后生动物如轮虫等，少量轮虫的出现反映着有机质含量较低，出水水质较好。研究发现，该污水处理厂污泥中原生动物数量较多，种类丰富，并生长有少量微型后生动物，说明该污水处理厂污泥已经处于成熟和稳定状态，这也揭示了当前该污水处理厂具有良好的污水处理效果与运行状态。

2.3活性污泥的微观结构

对于活性污泥的絮体结构，使用SEM进行更加细微的观察和分析，结果如图3所示。图3a是放大1.1万倍后的污泥结构，从中可以清楚地看到大量细菌存在于污泥中，而球状细菌是主要的细菌类群。除了微生物外，其它物质如胞外多聚物、有机质、无机盐等分散在细菌的周围，与细菌、真菌等一起构成污水处理厂中肉眼可见的活性污泥。图3b是放大3万倍后的污泥状况，其中的细菌有球状和杆状，成群聚集在一起，且表面结构完整。活性污泥絮体结构的形成经历四个阶段，即细菌增殖、絮状体形成、絮状体聚合和絮体结构形成[14]。大量增殖的细菌逐渐附着于污泥颗粒上并形成菌胶团，污泥逐渐凝聚形成小的絮状体，外观上污泥的颜色由浅灰变为土黄色，最后小的絮状体进一步凝聚形成较大且结构致密的絮体结构[14]。李培睿等检测啤酒厂废水污泥，发现其中杆状菌和丝状菌占多数，而球状菌较少[14]。本研究针对的是生活污水处理厂污泥，发现在微生物类群中球状菌占据主导地位。污水中污染物的降解与去除主要是由污泥中的微生物完成，更进一步来说，是由占据多数的各类细菌所完成的。因此，细菌的数量和丰富程度也直接决定了污水处理的效率。污泥的SEM图清晰地反应出活性污泥主要由数量众多的微生物和有机质等组成，细菌成群聚居在一起，生活在活性污泥中。

2.4活性污泥的絮体粒径

图4显示出该污水处理厂污泥絮体的粒径分布，从图中可以看出，粒径为100μm的絮体所占比例最大，达到7.6%，体积平均粒径D[4,3]为55.2μm。不同污水处理厂，由于其处理的污水性质差异，相应活性污泥的絮体粒径也会有所不同[15]，以葡萄糖和乙酸钠为基质的活性污泥中粒径为160μm和149μm的颗粒所占比例最大，体积分数分别为11.6%和10.5%[15]，粒径均大于此次检测的污水处理厂污泥絮体。另外，同一污水处理厂，由于运行条件(如温度、曝气大小等)和水质的变化，也会对絮体粒径造成一定影响[6]。粒度为1~100μm的胶体颗粒是影响活性污泥过滤性能的一个重要因素，这部分微细颗粒在过滤时会堵塞过滤介质或使污泥结块[6]。由于该污水处理厂污泥粒径<100μm的絮体占了一定的比例，因此污泥沉降性能的好坏将直接影响后续的过滤处理。研究显示：污泥的沉降性主要与污泥的密实程度有关，与絮体粒径没有必然联系[15]。由于该污水处理厂处理的是实际生活污水，同时混杂有少量工业废水，这使得进水中含有一定量的悬浮颗粒，这些颗粒也可能会增加污泥的沉降性。因此，污水厂运行期间，污泥沉降性一直保持了较好的状态。

2.5活性污泥的结构模型

根据显微镜观察到的结果，活性污泥的结构和组成成分如图5所示。污泥的絮体结构是活性污泥的主要组成部分，其内部含有大量不同类型的细菌和真菌等微生物，这些微生物所分泌的胞外多聚物包围在絮体结构周围，使絮体结构成为一个紧凑致密的整体。一些有机和无机的污泥颗粒也是污泥絮体的重要组成部分，是细菌依附和生长的必要物质。丝状细菌从絮状体内部长出或贯穿絮状体，连接着不同的污泥絮体，是活性污泥的骨架。大量游离细菌和悬浮污泥颗粒分散在絮体周围，并在适合的条件下形成新的污泥絮体。原生动物和后生动物等微型生物则生活在絮体周围或内部，对污泥系统的稳定起着关键作用。

3结论

利用光学显微镜、电子显微镜和激光粒度分析仪，对城市污水处理厂中活性污泥的表面形态和微观结构进行表征，得出如下结论：

(1)活性污泥中菌胶团结构致密，数量多，形状不规则，部分丝状细菌从絮状污泥结构中伸出，并连接在不同的絮体之间，更细微的观察显示污泥絮体内部含有大量细小污泥颗粒。

(2)活性污泥中原生动物数量较多，种类丰富，并生长有少量微型后生动物。

(3)该污水处理厂活性污泥中含有大量细菌，其中球状细菌在微生物类群中占据了主导地位。

(4)该污水处理厂污泥中粒径为100μm的活性污泥絮体所占比例最大，达到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