1 引言
隨著(zhù)污水處理工藝的發(fā)展，活性污泥法由于其廉價(jià)、高效的優(yōu)點(diǎn)已在全世界范圍內被廣泛應用.然而，污泥膨脹問(wèn)題常常影響著(zhù)污水處理工藝的穩定運行，進(jìn)而增加污泥處理費用和出水懸浮顆粒物濃度，甚至威脅下游生態(tài)系統和公共健康.引發(fā)活性污泥膨脹的因素較多，而溫度變化是不容忽視的關(guān)鍵因素之一.由于季節的更替，全球大多數地區的活性污泥法污水處理廠(chǎng)都受到溫度的影響，并且整體呈現冬春季節污泥膨脹頻發(fā)，而夏秋季節沉降性能良好的趨勢.雖然許多研究者已證明溫度會(huì )引起污泥沉降性的改變，但目前對造成這一改變的機理尚無(wú)定論.
前人關(guān)于污泥沉降性的研究主要集中于絲狀菌的數量、絮體形態(tài)、胞外聚合物(EPS)、污泥含磷量與密度等方面和認為低溫有利于絲狀菌的生長(cháng)，而高溫會(huì )抑制其生長(cháng)，進(jìn)而改變污泥的沉降性能.然而觀(guān)測發(fā)現，隨著(zhù)季節的更替，實(shí)際污水處理廠(chǎng)中絲狀菌的數量和污泥沉降性并未發(fā)生明顯改變.因此，溫度對絲狀菌的影響仍需要更為深入的研究.EPS是活性污泥絮體的重要組成部分，許多研究者認為EPS在污泥絮凝和沉降過(guò)程中起著(zhù)十分關(guān)鍵的作用，EPS含量會(huì )隨著(zhù)污泥SVI的升高而升高.但也有研究表明，在實(shí)際污水處理廠(chǎng)中，盡管低溫會(huì )導致污泥EPS含量的升高，但EPS與污泥沉降性的相關(guān)性仍然較差.到目前為止，EPS對污泥沉降性尤其是在不同溫度時(shí)的影響仍然沒(méi)有一致的結論.在強化生物除磷系統中，先前的研究發(fā)現，聚磷菌容易形成密實(shí)的絮體，進(jìn)而改善污泥的沉降性能.提出假說(shuō)認為，由于聚磷顆粒(PP)比普通活性污泥的密度大，在強化生物除磷系統中聚磷顆�？梢栽黾游勰嗟拿芏纫愿纳莆勰嗟某两敌阅�.此外，通過(guò)添加微小顆粒來(lái)調節活性污泥密度的一系列試驗進(jìn)一步證實(shí)了這個(gè)假說(shuō).然而，需要指出的是，上述驗證實(shí)驗中污泥絮體通常沒(méi)有絲狀菌或者含量較少，并且絮體形態(tài)并沒(méi)有明顯變化.而一項對實(shí)際污水處理廠(chǎng)的調查發(fā)現，污泥的沉降性能受污泥密度和絮體結構共同影響.當絲狀菌含量較高或者污泥絮體不太規則時(shí)，污泥沉降性與密度相關(guān);而當絲狀菌較少或者絮體較圓時(shí)，污泥沉降性與密度無(wú)關(guān).這一現象與Schuler等之前的假說(shuō)有矛盾之處.在實(shí)際污水處理廠(chǎng)中，由于各種原因絲狀菌常常大量增殖或者周期性出現，因此，污泥密度和絲狀菌(尤其是當絲狀菌發(fā)生變化或者大量增殖時(shí))究竟如何影響污泥的沉降性能仍然需要進(jìn)一步的研究.隨著(zhù)分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們可以更加深入地了解活性污泥的菌群組成.在研究溫度對生物強化除磷系統菌群分布的影響時(shí)，先前的研究者主要通過(guò)熒光原位雜交(FISH)技術(shù)揭示聚磷菌(PAOs)與聚糖菌(GAOs)之間的競爭關(guān)系，而很少關(guān)注在溫度變化過(guò)程中整個(gè)活性污泥菌群的演替及其與污泥絮體沉降性能變化的關(guān)系.由于FISH技術(shù)無(wú)法檢測未知種屬的細菌，因此，在研究活性污泥菌群組成時(shí)具有一定的局限性.而聚合酶鏈式反應-變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)可以檢測系統中含量大于1%的未知種屬細菌，因此，在描述整個(gè)菌群結構的變化時(shí)具有明顯優(yōu)勢，進(jìn)而為探索微生物種群結構、除磷效果和污泥性狀(沉降性能、絲狀菌種類(lèi)和數量等)之間的關(guān)系提供了有效途徑.
基于此，本試驗通過(guò)運行連續流厭氧/好氧除磷系統，在溫度變化條件下對污泥性狀(沉降性、EPS、可揮發(fā)性固體、密度、含磷量和絲狀菌)及微生物群落結構等進(jìn)行觀(guān)測，探索不同溫度作用下不同參數之間的關(guān)系.試從不同角度分析溫度對污泥沉降性能的影響機理，為污水處理廠(chǎng)在季節交替時(shí)的穩定運行提供理論依據.
2 材料和方法
2.1 試驗裝置
本試驗平行運行兩套強化生物除磷系統，反應器由有機玻璃構成(圖 1)，容積為6 L，厭氧區與好氧區體積比為1∶3.日處理水量18 L · d-1，污泥回流比為100%，進(jìn)水和污泥回流均采用蠕動(dòng)泵控制.主反應區水力停留時(shí)間為8 h，其中，厭氧2 h，曝氣6 h.兩系統污泥齡均為12 d左右.
圖 1 A/O除磷系統裝置示意圖
2.2 反應器啟動(dòng)及污水水質(zhì)
本試驗接種污泥取自實(shí)驗室中穩定運行的生物強化除磷系統，MLSS為3000 mg · L-1左右，SVI為238 mL · g-1，各取6 L分別投入兩套反應器內，反應器運行溫度為20 ℃左右.運行34 d后，兩系統均達到穩定狀態(tài)，污泥濃度為3000 mL · g-1左右，COD和磷酸鹽去除率分別為95%和85%，SVI值維持在240 mL · g-1左右.此時(shí)，將其中一套反應器溫度升至25 ℃(1號反應器)，將另一套系統溫度降至15 ℃(2號反應器).兩反應器進(jìn)水基質(zhì)與用于接種的生物強化除磷系統相同，采用人工模擬生活污水，其配方為(mg · L-1)：尿素11.94，磷酸氫二鉀41.76，MgSO4 · 7H2O 45.09，無(wú)水CaCl2 5.46，碳酸氫鈉 27.50，硫酸亞鐵 11.02，無(wú)水乙酸鈉 172.69，土豆淀粉134.07，蛋白胨 19.17，奶粉 70.93和酵母膏 57.41，微量元素 0.09 mL · L-1，其組成成分為(g · L-1)：(NH4)6Mo7O24 · 4H2O 0.6253、CoCl2 · 6H2O 0.2953、KI 0.3562、CuSO4 · 5H2O 4.1731、MnSO4 · H2O 0.5937、H3BO3 1.7808、ZnSO4 · 7H2O 2.2544.進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表 1.
表1 模擬生活污水水質(zhì)特性
2.3 分析方法
主要指標均按照標準方法進(jìn)行檢測，不可揮發(fā)性固體(NVSS)為混合液懸浮固體與可揮發(fā)性固體的差值，聚合磷酸鹽(Pns)為總磷和溶解性磷酸鹽的差值.胞外聚合物(EPS)依據Fr的方法，采用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂提取，采用Folin-酚法測定蛋白質(zhì)，采用蒽酮比色法測定多糖.活性污泥絮體采用尼康光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀(guān)測.絲狀菌鑒定參照的方法，通過(guò)革蘭氏染色、納氏染色、PHA染色及形態(tài)觀(guān)察等確定.污泥密度參照的方法，采用Percoll分離液測定.
2.4 活性污泥菌群分析
活性污泥菌群分布采用PCR-DGGE進(jìn)行分析.在試驗運行的第23、34、37、60、72和第87 d(圖 2a)，分別從兩個(gè)系統中各取4 mL泥水混合液，-20 ℃凍存.待反應器運行結束后，提取所有樣品DNA，以大多數細菌和古細菌的16S rRNA基因V3區通用引物擴增引物堿基序列為：GC-341F(5′-CGCCCGCCGCGCGCGGCGG GCGGGGCGGGGGCACGGGGGGCCTACGGGAGGCA GCAG-3′)和534R(5′ATTACCGCGGCTG CTGG-3′).PCR反應體系為50 μL，采用降落PCR策略擴增(已優(yōu)化)：94 ℃預變性5 min;前20個(gè)循環(huán)，94 ℃變性30 s，65~55 ℃退火30 s(每個(gè)循環(huán)退火溫度降低0.5℃)，72 ℃延伸30 s;后10個(gè)循環(huán)，94 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s;最后72 ℃最終延伸10 min.PCR產(chǎn)物用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測.檢測完畢后，采用Bio-Rad公司Dcode TM的基因突變檢測系統對PCR反應產(chǎn)物進(jìn)行分離.聚丙烯酰胺凝膠濃度為8%，變性劑濃度為40%~60%.電泳優(yōu)化后條件為：130 V電壓下預電泳10 min，此后70 V電泳13 h，電泳緩沖液溫度為58 ℃.電泳完畢后，DGGE凝膠經(jīng)DelRed染料染色送至凝膠成像儀處掃描獲取圖像.采用QuantityOne(Bio-Rad)分析活性污泥樣品中電泳條帶的數目和亮度，以評估各系統中的微生物群落.采用SPSS軟件對各個(gè)樣品進(jìn)行對應分析(Correspondence analysis).對DGGE凝膠上的目的條帶，經(jīng)回收，再擴增，克隆后送至上海生工進(jìn)行測序.然后將所得序列提交至GeneBank登記，序列號為：KF559164-KF559181.最后在GeneBank數據庫中用BLAST進(jìn)行檢索和同源性比較.采用Mega 4.1基于Neighbor-Joining方法構建系統發(fā)育樹(shù).
圖 2 溫度對1、2號反應器污泥各指標的影響
3 試驗結果與討論
3.1 不同溫度對污泥性狀的影響
圖 2所示為整個(gè)試驗階段兩反應器中系統除磷率、污泥沉降性、含磷量(Pns)、污泥中不可揮發(fā)性固體(NVSS)、密度和EPS的變化.從圖 2a可以看出，溫度對系統除磷效能影響很大.高溫可導致系統的除磷率(65%)顯著(zhù)下降，而低溫將使除磷率(96%)大幅提升，這一點(diǎn)與前人的報道一致.與此同時(shí)，伴隨著(zhù)除磷率的改變，污泥的沉降性也發(fā)生了很大變化.當1號反應器運行溫度升高至25 ℃時(shí)，運行8 d之后，污泥沉降性能逐漸好轉;至第45 d時(shí)系統逐漸趨于穩定，SVI繼續降低并穩定在70~130 mL · g-1之間.2號反應器運行溫度降至15 ℃時(shí)，SVI值迅速升高至480 mL · g-1，污泥沉降性能急劇惡化;運行至第52 d時(shí)污泥沉降性突然改善，SVI降至238 mL · g-1，此后始終維持在250 mL · g-1左右.整體而言，1號反應器的沉降性?xún)?yōu)于2號反應器，說(shuō)明高溫可以有效地改善污泥的沉降性能.
圖 2b所示為兩反應器中NVSS/VSS和Pns/VSS的變化.對于1號系統，污泥中NVSS整體變化不大，當溫度升高時(shí)，NVSS/VSS先略有降低，隨后立即回升并在0.37 mg · mg-1左右波動(dòng).對于2號系統，在溫度降低的短期內，NVSS/VSS含量迅速降低(0.31 mg · mg-1左右)，直至第52 d即污泥沉降性迅速轉好時(shí)才回升至0.41 mg · mg-1，此后一直在0.35 mg · mg-1左右波動(dòng).當溫度突然改變時(shí)，兩反應器中污泥含磷量迅速降低，隨后緩慢上升直至污泥沉降性轉好時(shí)Pns/VSS才逐漸穩定.對于高溫系統，雖然Pns/VSS有明顯的降低，但隨即恢復.相對于高溫系統，低溫系統中污泥Pns/VSS降低較多，由此推測，突然的降溫可能會(huì )導致活性污泥中的聚磷顆粒大量流失，進(jìn)而使污泥含磷量大幅減少.當兩系統均處于穩定狀態(tài)時(shí)，NVSS/VSS相差不大，但高溫系統的污泥含磷量明顯低于低溫系統.圖 2c所示為兩系統的污泥密度變化情況.當1號反應器溫度升高至25 ℃時(shí)，與Pns的變化相似，污泥密度也迅速降低，隨后逐漸增加并穩定在1.066~1.072 g · mL-1之間，在此過(guò)程中污泥濃度并無(wú)明顯變化.2號反應器溫度降至15 ℃后，污泥密度也迅速降低(由1.066 g · mL-1降至1.060 g · mL-1)，此時(shí)，2號反應器污泥流失嚴重，污泥濃度從3000 mg · L-1降至2000 mg · L-1左右;當沉降性逐漸穩定時(shí)，污泥濃度才逐漸恢復至3000 mg · L-1左右，此時(shí)污泥密度在1.063~1.066 g · mL-1之間.穩定狀態(tài)時(shí)，低溫系統的污泥密度略低于高溫系統，這點(diǎn)與我們的預期不同.依照Schuler等的理論，由于低溫系統污泥Pns含量較高，所以其污泥密度應略高于高溫系統.據此推測，在本實(shí)驗中污泥密度可能同時(shí)受到其他因素的影響，如絲狀菌的數量和菌膠團的密實(shí)程度等.圖 2d為污泥中EPS含量的變化.可以看出，溫度的突然改變會(huì )導致EPS中蛋白質(zhì)含量迅速增加，其中，低溫環(huán)境下蛋白質(zhì)含量變化更大.當系統污泥沉降性能逐漸穩定時(shí)，污泥的EPS含量逐漸恢復至變溫前水平.由于EPS與污泥沉降性的變化過(guò)程基本一致，推測EPS可能在一定程度上影響著(zhù)污泥的沉降性能，詳見(jiàn)3.2節.
鏡檢發(fā)現，伴隨著(zhù)污泥沉降性的變化，污泥的形態(tài)及絲狀菌種類(lèi)和數量也發(fā)生了一系列的變化.系統中絲狀菌采用染色(革蘭氏、納氏和PHA染色)及形態(tài)觀(guān)察等方法進(jìn)行鑒定，本文中僅包含絲狀菌的納氏染色照片.在兩反應器運行溫度為20 ℃時(shí)，大量絲狀菌伸出菌膠團(圖 3a)，引發(fā)絲狀膨脹，致使運行初期污泥沉降性較差.此時(shí)系統中的絲狀菌為T(mén)hiothrix II型和0041型，其納氏染色照片見(jiàn)圖 3b.溫度升高至25 ℃時(shí)(1號系統)，在最初的8 d內，污泥的沉降性無(wú)明顯變化，但污泥中原有絲狀菌中逐漸減少;當系統逐漸穩定時(shí)，污泥絮體變得比較密實(shí)，只有少量的0914型和0041型絲狀菌伸出絮體之外(圖 3c和d)，污 泥沉降性能良好.降低溫度至15 ℃時(shí)(2號系統)，在最初的8 d內，污泥中的絲狀菌并沒(méi)有明顯的變化，此后的1周內，Thiothrix II和0041型絲狀菌逐漸消失;第52 d時(shí)，Thiothrix II絲狀菌又重新大量繁殖，逐漸在系統中占據優(yōu)勢地位.污泥絮體雖然比較密實(shí)，但有大量絲狀菌伸出絮體之外(圖 3e和f).總體而言，升溫前后污泥絮體中絲狀菌數量變化較大，而降溫前后污泥絮體中絲狀菌數量變化較小.
圖 3 活性污泥絮體的相差顯微照片和絲狀菌的納氏染色顯微照片(a.20 ℃，b.納氏陰性Thiothrix II型和納氏陽(yáng)性0041型，c.25 ℃，d.納氏陰性0914型和納氏陽(yáng)性0041型，e.15 ℃，f.納氏陰性Thiothrix II型)
3.2 污泥性狀各指標的相關(guān)性分析
為了探索污泥性狀對污泥沉降性的影響機理，采用SPSS對污泥沉降性和污泥性狀進(jìn)行相關(guān)性分析.所取數據自反應器接種開(kāi)始至試驗結束為止，分析結果詳見(jiàn)表 2.由表 2可以看出，在不同反應器中，SVI與污泥性狀之間呈現截然不同的規律.對于1號系統，除EPS中的多糖與SVI有顯著(zhù)相關(guān)性外，蛋白質(zhì)、EPS總量均與SVI不相關(guān).由于多糖含量較少且變化較小，因此，總體而言，EPS對污泥沉降性的影響不大.此外，與我們的預期相反，1號系統中污泥SVI隨著(zhù)NVSS和Pns含量的降低而顯著(zhù)降低.盡管在此過(guò)程中污泥密度也呈現降低的趨勢，但污泥密度與沉降性無(wú)顯著(zhù)相關(guān)性.對于2號系統，EPS的增加同樣不利于污泥的沉降，但與1號反應器不同，蛋白質(zhì)含量及EPS總量與SVI呈現顯著(zhù)正相關(guān)，而多糖含量與SVI不相關(guān).EPS總量和其中的蛋白質(zhì)含量較高且有明顯變化，其峰值的出現與污泥沉降性能的惡化相吻合，因此，推斷當溫度由20 ℃降低為至15 ℃時(shí)，污泥EPS含量的升高對污泥沉降非常不利.此外，污泥中Pns和NVSS含量與SVI呈現顯著(zhù)負相關(guān).盡管污泥密度與SVI不相關(guān)，但污泥密度的增加會(huì )在一定程度上降低污泥SVI值.2號反應器中的現象與Schuler等的結論吻合較好.表 2結果顯示，在兩個(gè)反應器中，污泥密度與污泥Pns含量均呈現顯著(zhù)正相關(guān)，這一點(diǎn)與前人報道的污泥Pns含量能夠影響污泥密度的結論是一致的.然而，需要指出的是，與污泥含磷量相對應，污泥密度僅在2號系統中與NVSS呈現顯著(zhù)正相關(guān)，而在1號系統中與NVSS不相關(guān).由于2號系統的除磷效率較高，污泥Pns含量高于1號系統，因此，該系統中Pns與NVSS的相關(guān)性遠遠高于1號系統.可以推測在影響污泥密度的眾多因素中，污泥含磷量可能占據主導地位.亦即當NVSS與Pns關(guān)系較為密切時(shí)，NVSS與污泥密度有顯著(zhù)相關(guān)性;而當NVSS與Pns相關(guān)性不顯著(zhù)時(shí)，其與污泥密度沒(méi)有相關(guān)性.
表2 污泥沉降性與污泥其它性狀的相關(guān)性分析
對于兩個(gè)反應器，除溫度之外其他條件均相同，但污泥性狀差別很大.通過(guò)對污泥絮體的觀(guān)測及對常規指標(COD及除磷率)的測定發(fā)現，對于1號系統，隨著(zhù)溫度的升高，系統中原有的絲狀菌逐漸被淘汰;系統穩定運行后，污泥中的絲狀菌很少，而這個(gè)過(guò)程與污泥沉降性由差變好的過(guò)程一致.對于2號系統，當溫度突然降低時(shí)，污泥沉降性急劇惡化，伴隨著(zhù)絲狀菌的逐漸淘汰，污泥沉降性略微轉好;經(jīng)過(guò)約1個(gè)污泥齡后，Thiothrix II型絲狀菌重新大量增值，污泥中的絲狀菌數量與變溫前差別不大，污泥沉降性較差.與絲狀菌的變化相對應，升溫導致1號系統的除磷能力下降，而降溫卻使2號系統的除磷能力大幅升高，最終導致1號系統的污泥Pns含量明顯低于2號系統.這個(gè)現象與前人的結論吻合較好.對于1號系統，前期污泥中絲狀菌大量生長(cháng)，除磷效果較好，污泥Pns和NVSS含量高，沉降性較差;而在后期，污泥中絲狀菌幾近消失，系統除磷效果較差，污泥Pns和NVSS含量低，沉降性較好.需要指出的是，在1號系統中，污泥SVI隨著(zhù)Pns/VSS和NVSS/VSS的減小而降低，這一現象違背了Schuler等(2007a;2007b)的理論.這主要是由于在該溫度升高的過(guò)程中，絲狀菌數量的大幅減少對污泥沉降性影響很大，進(jìn)而掩蓋了Pns和NVSS減少對污泥沉降的不利影響.對于2號系統，由于在整個(gè)試驗階段絲狀菌數量變化不大，此時(shí)絲狀菌對污泥沉降性能的影響可以忽略，則Pns與NVSS對污泥沉降性的影響就顯現出來(lái)，進(jìn)而表現出SVI隨著(zhù)Pns/VSS和NVSS/VSS含量的升高而降低的趨勢.
在兩個(gè)反應器中，污泥密度和SVI并無(wú)顯著(zhù)相關(guān)性.這可能是由于本試驗中污泥密度較大，通常在1.6~1.7 g · mL-1之間.根據的研究，當污泥密度在這個(gè)范圍內，SVI受密度的影響較小.因此，其它因素可能對污泥沉降性產(chǎn)生較大的影響.就1號反應器而言，絲狀菌數量的變化會(huì )對污泥的沉降性產(chǎn)生決定性的影響，而對于2號反應器，污泥中Pns和NVSS含量會(huì )在很大程度上影響污泥的沉降性能.
3.3 不同溫度對活性污泥菌群的影響
圖 4a顯示的是所取污泥樣品的微生物群落DGGE圖譜和DGGE簡(jiǎn)線(xiàn)圖，其中，M、H、L分別表示反應器溫度為20、25和15 ℃，數字代表采樣時(shí)間.圖 4b所示為活性污泥樣品的聚類(lèi)分析.表 3所示為用于分析微生物群落結構的污泥樣品的沉降性.由于前34 d兩反應器運行條件相同，微生物群 落幾乎無(wú)差別，本文僅選取其中一個(gè)反應器的樣品來(lái)反映該階段兩系統的菌群分布.可以看出，在整個(gè)試驗過(guò)程中，盡管細菌的種類(lèi)并無(wú)明顯變化，但溫度對反應器優(yōu)勢細菌的分布影響顯著(zhù)，15、20和25 ℃會(huì )誘導不同細菌的優(yōu)勢生長(cháng)，相同溫度的活性污泥樣品微生物群落結構較為相似.從圖 4b可以看出，與反應器的運行溫度相對應，所取的活性污泥樣品可以聚為三大類(lèi)：第一類(lèi)為M23和M34，分別代表第23 d和34 d反應器運行溫度為20 ℃時(shí)的樣品;第二類(lèi)為H87、H60、H72，分別代表第87、60和72 d的25 ℃反應器的樣品;第三類(lèi)為L(cháng)87、L72、L60、L37和H37，前4個(gè)樣品代表第87、72、60和第37 d 15 ℃反應器的樣品，第5個(gè)代表第37 d 25 ℃反應器的樣品.在第37 d時(shí)，由于系統在改變溫度后運行時(shí)間較短，溫度對25 ℃反應器中污泥群落結構的影響并不明顯，因此，H37樣品與其余4個(gè)低溫系統的樣品聚為一類(lèi).
圖 4 兩反應器中所取的活性污泥樣品的DGGE圖譜(a)及活性污泥樣品的聚類(lèi)分析(b)
表3 用于分析微生物群落結構的污泥樣品的沉降性
考慮系統運行溫度、污泥性狀(沉降性和EPS)和微生物菌群組成，可以發(fā)現三者之間有著(zhù)微妙的關(guān)系.由表 2和圖 4b可以看出，溫度的變化可導致微生物菌群發(fā)生明顯的變化，進(jìn)而改變污泥的沉降性.對于中溫(20 ℃)和低溫(15 ℃)，盡管聚類(lèi)分析顯示兩者的菌群有明顯的差異，但在這兩種條件下污泥沉降性都不太理想(SVI>150 mL · g-1).與之相反，高溫時(shí)污泥絮體中絲狀菌含量很少，污泥沉降性良好(SVI<100 mL · g-1).此外，可以發(fā)現一個(gè)有趣的現象，在聚類(lèi)分析的第三類(lèi)樣品中有兩個(gè)樣品單獨聚為一個(gè)小類(lèi)，它們是H37和L37，分別代表調節溫度2 d后高溫系統和低溫系統的活性污泥.與變溫前相比，樣品H37的污泥沉降性無(wú)明顯變化(SVI為268 mL · g-1)，而樣品L37的污泥沉降性急劇惡化，SVI由260 mL · g-1一躍上升至451 mL · g-1.凝膠電泳和鏡檢顯示這兩個(gè)樣品的菌群結構、絲狀菌及污泥絮體結構并無(wú)明顯差別，因此，可以推斷此時(shí)低溫系統污泥沉降性的迅速惡化并不是由于菌群變化引起的.此后經(jīng)過(guò)約20 d左右，低溫系統污泥逐漸好轉，SVI穩定在230 mL · g-1附近.可以看出，在低溫系統中，伴隨著(zhù)污泥沉降性的急劇惡化和逐漸好轉，污泥的EPS含量也經(jīng)歷了一個(gè)突然上升到逐漸降低的過(guò)程，同時(shí)污泥中不可揮發(fā)性固體經(jīng)歷了一個(gè)突然降低然后緩慢回升的過(guò)程.許多研究表明，活性系統中SVI往往隨著(zhù)EPS含量的增加而升高，兩者具有一定的正相關(guān)性.這是由于污泥中的EPS帶有負電性，較多的EPS會(huì )使菌膠團之間的排斥力增大，進(jìn)而導致污泥在沉降過(guò)程中絮凝困難.此外，先前的研究者指出，污泥中不可揮發(fā)性固體含量的減少可導致污泥SVI升高.綜合這兩方面來(lái)看，可以推斷低溫系統活性污泥沉降性的急劇惡化是EPS和不可揮發(fā)性固體共同作用的結果.
圖 5所示為受溫度影響較大的優(yōu)勢菌的系統發(fā)育樹(shù).在所有活性污泥樣品中，受溫度影響較大的優(yōu)勢細菌有19種，其中以變形菌最多，共9種(α-、β-和γ-變形菌分別為3種、2種和3種);其次是擬桿菌門(mén)，共5種;再次為放線(xiàn)菌門(mén)，共3種;最后是綠彎菌門(mén)和厚壁菌門(mén)，各1種.本試驗所得序列與GeneBank數據庫中序列的比對結果顯示，系統中一半以上的優(yōu)勢細菌與生長(cháng)在厭氧或者微氧條件下的已知菌種相似;絕大多數細菌與已有菌種的相似度均大于95%，只有條帶34代表的細菌與已知菌種的相似度為91%(未顯示數據).由DGGE圖譜可以看出，條帶34所代表的細菌在中溫(20 ℃)和低溫(15 ℃)環(huán)境下較多，而高溫(25 ℃)似乎不利于這種細菌的生長(cháng).可以推斷這種細菌可能是本試驗除磷系統中特有的一種嗜冷細菌.條帶10和11代表的細菌均與Acinetobacter sp.相似性較高曾經(jīng)指出，Acinetobacter sp.是活性污泥系統中典型的聚磷菌.在本實(shí)驗中，低溫時(shí)這種細菌的數量較多，與之對應的是低溫時(shí)系統的除磷效率更高，由此推測，Acinetobacter sp.可能在除磷過(guò)程中起著(zhù)相當重要的作用.條帶13對應的是系統中唯一的厚壁菌門(mén)，在試驗的整個(gè)過(guò)程中始終存在于兩個(gè)反應器中.該細菌可使葡萄糖(淀粉的水解產(chǎn)物)在厭氧條件下發(fā)酵生成乙酸和丙酸，從而強化生物除磷過(guò)程.
圖 5 受溫度影響較大的細菌的系統發(fā)育進(jìn)化樹(shù)
為研究污泥沉降性與微生物菌群結構的關(guān)系，我們對兩者進(jìn)行了對應分析(Correspondence analysis)，結果如圖 6所示.圖中樣品名稱(chēng)中字母H和L分別表示25 ℃和15 ℃反應器，其后的數字表示污泥的SVI值.當溫度較低時(shí)，污泥沉降性較差，與低溫和較差的沉降性關(guān)系密切的優(yōu)勢菌共9種，依次為條帶30(α-變形菌)，19、20(β-變形菌)，10、11(γ-變形菌)，21、26(擬桿菌門(mén))，17、46(放線(xiàn)菌門(mén))，主要為變形菌門(mén)(Proteobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)和放線(xiàn)菌門(mén)(Actinobacteria).之前的研究者們采用熒光原位雜交(FISH)技術(shù)證實(shí)0041型絲狀菌是一種β-變形菌，而Thiothrix II 是一種γ-變形菌(Thomsen et al.，2006; Rossetti et al.，2003).可以推斷低溫環(huán)境同時(shí)刺激了這些優(yōu)勢菌和絲狀菌的生長(cháng)，而這種環(huán)境究竟如何影響Thiothrix II的生長(cháng)及在此過(guò)程中上述9優(yōu)勢菌究竟有何作用仍需要進(jìn)一步的研究.高溫時(shí)，污泥沉降性良好，受高溫影響較大的優(yōu)勢菌有7種，依次為條帶34(變形菌門(mén))、3(綠彎菌門(mén))、39(α-變形菌)、14(α-變形菌)、6(擬桿菌門(mén))、42(擬桿菌門(mén))和12(擬桿菌門(mén))，主要屬于變形菌門(mén)(Proteobacteria)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes).前人的研究表明，活性污泥絮體中大多數細菌均屬于變形菌門(mén)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)，它們在污染物的去除過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要作用.在高溫系統中，這些細菌的優(yōu)勢生長(cháng)伴隨著(zhù)污泥沉降的逐漸好轉，可以推測它們應該是菌膠團細菌的重要組成部分.此外，有研究指出，高溫有利于厚壁菌門(mén)細菌的生長(cháng).然而在本實(shí)驗中，高溫對厚壁菌門(mén)細菌的影響并不明顯.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 6 反應器中所取污泥樣品的菌群分布與污泥沉降性的對應分析
4 結論
1)在15~25 ℃范圍內，高溫有利于污泥沉降性能的改善，升溫和降溫均可導致EPS中蛋白質(zhì)含量在短期內急劇增加.25 ℃時(shí)會(huì )抑制絲狀菌的生長(cháng)，而15 ℃時(shí)會(huì )刺激Thiothrix II型絲狀菌的大量增殖.
2)當絲狀菌數量變化不大時(shí)，污泥中不可揮發(fā)性固體和含磷量對沉降性影響顯著(zhù)，EPS的增加不利于污泥的沉降，污泥密度與沉降性能無(wú)顯著(zhù)相關(guān)性.
3)A/O除磷系統中受低溫影響較大的優(yōu)勢菌為變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和放線(xiàn)菌門(mén)，它們可能與系統中的絲狀菌有著(zhù)某種聯(lián)系.受高溫影響較大的優(yōu)勢菌為變形菌門(mén)和擬桿菌門(mén)，它們與較好的污泥沉降性關(guān)系密切，可能是污泥絮體中菌膠團細菌的重要組成部分.
