基于图像分析的AGS 颗粒化过程形态学研究

李季垚

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

不同的国家地区污泥沉淀物的性质各不相同，只有正确认识本土污泥的特性，方能找到改善我国污泥处理现状的方法[1]。好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge，简称AGS）技术被认为是废水处理中最有前途的技术[2]。

本文使用序批式活性污泥法反应器（SBR），以自制污水为处理对象，探究好氧颗粒污泥的颗粒化进程，并分析好氧颗粒污泥对COD、氨氮和磷去除率的变化，为好氧颗粒污泥培养技术提供理论依据。

1 实验材料与方法

1.1 试验用水

本实验中的水样采用人工配制的模拟废水，按照乙酸钠32.5g、NH4CL 4.78g、Na2HPO4·12H2O 2.89g、常量元素15～20mL、微量元素1mL、无水碳酸钠6g 的比例进行配比。

1.2 实验装置与运行方式

SBR 法[3]（序批式活性污泥法）法是培养好氧颗粒污泥最常用的工艺，并广泛应用于不同水处理领域。

实验室所用SBR 反应器为有机玻璃圆柱，由时间程序控制器分别控制进水、曝气、沉降、出水等全过程[4]。一个周期为4 小时，其中有15 分钟的进水，190 分钟的曝气，30 分钟的沉降和2分钟的出水。微孔曝气器设置在反应柱底部，用空压机经空气流量计曝气。活性污泥形成需要流体剪切力，曝气所产生的气流达成了这一条件。

1.3 分析指标

本实验主要测定污泥的混合液悬浮固体浓度（MLSS）、污泥体积（SVI）、污泥沉降比（SV）、化学需氧量（COD）去除率、氨氮去除率和磷去除率。

2 AGS 培养结果与讨论

2.1 好氧颗粒污泥的培养过程

反应器中当曝气产生的上升气体流速高于1.2cm/s 时，AGS开始形成。在适当的气体上升流速范围内，流速越高，形成的AGS 外形越规则，结构越紧凑。

2.2 MLSS 的测定

取用两个坩埚，分别放置0.45mm 的水吸滤膜，在103～105℃的条件下烘干并称重，得出坩埚和滤膜的总重。然后吸取20mL 混合均匀的水样，并对其进行抽滤，使污泥全部留在水吸滤膜上。随后每次在103～105℃处烘干2 小时后，将样品在干燥器中冷却后称量并恒重，使得两次称量差值不超过0.0005g。如此便可测得20mL 混合水样中污泥的质量。

2.3 SVI 和SV 的测定

取100mL 混合均匀的水样，并置于一个100mL 的烧杯中静置30 分钟，观察污泥沉降的刻度，即可得出SVI 和SV。

2.4 化学需氧量（COD）去除率的测定

取1.5mL 待测样于消解管中，准确加入掩蔽剂0.5mL，消解液1.5mL，硫酸催化剂2.5mL，摇匀。旋紧密封盖，依次将消解管至于165℃的环境下消解半小时，当定时结束发出鸣叫信号时，消解过程完毕，待冷却后，将消解管按顺序从消解孔中取出。完全冷却后加入2mL 的蒸馏水，再次冷却后用消解反应完成的液体进行吸光度的测定。将已预热的分光光度计波长调整至610nm，分别对每一组数据进行测定。注意在测定时需要进行两组实验取其平均值，同时设定一组空白对照。

2.5 氨氮去除率的测定

取1mL 待测样于比色管中，定容至50mL，摇匀。于上述比色管中各加入酒石酸钾钠溶液1mL、纳氏试剂1.5mL，混匀。将已预热的分光光度计波长调整至700nm，分别对每一组数据进行测定。同样设定一组空白对照。

2.6 磷去除率的测定

取1mL 待测样于比色管中，定容至50mL，摇匀。于上述比色管中各加入10%抗坏血酸（冰）1mL、钼酸盐溶液2mL（避光保存），混匀。将已预热的分光光度计波长调整至700nm，分别对每一组数据进行测定。同样设定一组空白对照。

2.7 主要参数的计算公式与测定结果

COD、氨氮和磷去除率的计算公式为：

式中：x1和x2分别为进水和出水的浓度。

需注意，进水和出水的浓度要减去空白对照组的浓度，以减小其余溶液的误差影响。

COD、氨氮和磷去除率的结果如图1 所示。

图1 活性污泥对COD、氨氮总磷的去除率

3 AGS 的图像分析

3.1 显微图像的取样

对不同培养阶段的活性污泥进行取样，稀释5～7 倍后放置于光学显微镜下放大40 倍进行观察。每个样本拍摄大约40～50张，拍摄的部分图片如图2 所示。

图2 活性污泥的显微镜观察图片

ImageJ 软件因其占用内存小、功能强大、适用范围广等优点，被广泛应用于细胞计数、叶片形态指标测量、根毛长度测量等多个研究方向。本文便使用ImageJ 软件对图片中的好氧颗粒污泥进行面积的计算和圆度的测量。

3.2 图像面积计算

3.2.1 转化为灰度图像：

转化后的效果图如图3 所示。

图3 灰度图片

3.2.2 设定测量比例：本实验中采用的比例是0.2。

3.2.3 自动选取阈值对图像进行二值化处理。

3.2.4 进行颗粒分析，并复制数据到EXCEL 表格中进行求和分析。

3.2.5 对每个图片进行相同操作后进行平均值的计算。

3.3 计算图形圆度

在3.2.4 步骤“进行颗粒分析”中，同时可分析得出圆度的数据。具体步骤如下：

在点击[AnalyzeParticles…]按钮之前，点击[Analyze]按钮，在弹出的菜单栏中点击[SetMeasurements…]按钮，在分析图像圆度的选项前进行勾选，在弹出的数据栏中即会显示圆度的数据。

3.4 进行面积平均值分析

运用EXCEL 软件，对实验37 天的活性污泥颗粒的面积和圆度实验数据做统计分析，如图4 所示。

图4 圆度与颗粒分析结果

图5 污泥面积平均值的图像分析

4 结论

4.1 在污泥逐渐颗粒化过程中，污泥总体呈现出由小到大、由分散到聚集的过程。污泥的净水能力逐渐提升，并且最终趋于稳定。其中许多理化性质也发生了较大的变化。例如混合液悬浮固体（MLSS），呈先上升后下降的趋势，即微生物展现出了对新环境的适应再扩大增长规模的过程。

4.2 在颗粒化培养的前期，颗粒污泥粒径的增长缓慢，而后期粒径增大较为迅速。原因是，在初期微生物首先发生聚集使其变得密实，由于该过程没有载体所以速度较慢，但污泥的沉降性能可明显得到提高；中期微生物的生长就可以借助前期形成的载体附着生长，因此颗粒的粒径较快增长；后期粒径与微生物的生长速率、水力剪切力逐渐达到平衡。

4.3 随着污泥内部微生物对反应器运行条件的逐渐适应，微生物量不断积累，MLSS 开始增加，SBR 的污泥颗粒化程度不断提高。实验到第37 天时，好氧颗粒污泥对化学需氧量去除率为98.62%，氨氮的去除率为63.66%，磷的去除率45%。