1 引言

　　隨著污水處理工藝的發(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(nèi)被廣泛應(yīng)用.然而，污泥膨脹問題常常影響著污水處理工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而增加污泥處理費(fèi)用和出水懸浮顆粒物濃度，甚至威脅下游生態(tài)系統(tǒng)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(jié)的更替，全球大多數(shù)地區(qū)的活性污泥法污水處理廠都受到溫度的影響，并且整體呈現(xiàn)冬春季節(jié)污泥膨脹頻發(fā)，而夏秋季節(jié)沉降性能良好的趨勢(shì).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(duì)造成這一改變的機(jī)理尚無定論.

　　前人關(guān)于污泥沉降性的研究主要集中于絲狀菌的數(shù)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(rèn)為低溫有利于絲狀菌的生長(zhǎng)，而高溫會(huì)抑制其生長(zhǎng)，進(jìn)而改變污泥的沉降性能.然而觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著季節(jié)的更替，實(shí)際污水處理廠中絲狀菌的數(shù)量和污泥沉降性并未發(fā)生明顯改變.因此，溫度對(duì)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(rèn)為EPS在污泥絮凝和沉降過程中起著十分關(guān)鍵的作用，EPS含量會(huì)隨著污泥SVI的升高而升高.但也有研究表明，在實(shí)際污水處理廠中，盡管低溫會(huì)導(dǎo)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(duì)污泥沉降性尤其是在不同溫度時(shí)的影響仍然沒有一致的結(jié)論.在強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)中，先前的研究發(fā)現(xiàn)，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.提出假說認(rèn)為，由于聚磷顆粒(PP)比普通活性污泥的密度大，在強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)中聚磷顆粒可以增加污泥的密度以改善污泥的沉降性能.此外，通過添加微小顆粒來調(diào)節(jié)活性污泥密度的一系列試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了這個(gè)假說.然而，需要指出的是，上述驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中污泥絮體通常沒有絲狀菌或者含量較少，并且絮體形態(tài)并沒有明顯變化.而一項(xiàng)對(duì)實(shí)際污水處理廠的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，污泥的沉降性能受污泥密度和絮體結(jié)構(gòu)共同影響.當(dāng)絲狀菌含量較高或者污泥絮體不太規(guī)則時(shí)，污泥沉降性與密度相關(guān);而當(dāng)絲狀菌較少或者絮體較圓時(shí)，污泥沉降性與密度無關(guān).這一現(xiàn)象與Schuler等之前的假說有矛盾之處.在實(shí)際污水處理廠中，由于各種原因絲狀菌常常大量增殖或者周期性出現(xiàn)，因此，污泥密度和絲狀菌(尤其是當(dāng)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(duì)生物強(qiáng)化除磷系統(tǒng)菌群分布的影響時(shí)，先前的研究者主要通過熒光原位雜交(FISH)技術(shù)揭示聚磷菌(PAOs)與聚糖菌(GAOs)之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而很少關(guān)注在溫度變化過程中整個(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)無法檢測(cè)未知種屬的細(xì)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?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)可以檢測(cè)系統(tǒng)中含量大于1%的未知種屬細(xì)菌，因此，在描述整個(gè)菌群結(jié)構(gòu)的變化時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而為探索微生物種群結(jié)構(gòu)、除磷效果和污泥性狀(沉降性能、絲狀菌種類和數(shù)量等)之間的關(guān)系提供了有效途徑.

　　基于此，本試驗(yàn)通過運(yùn)行連續(xù)流厭氧/好氧除磷系統(tǒng)，在溫度變化條件下對(duì)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(jié)構(gòu)等進(jìn)行觀測(cè)，探索不同溫度作用下不同參數(shù)之間的關(guān)系.試從不同角度分析溫度對(duì)污泥沉降性能的影響機(jī)理，為污水處理廠在季節(jié)交替時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行提供理論依據(jù).

　　2 材料和方法

　　2.1 試驗(yàn)裝置

　　本試驗(yàn)平行運(yùn)行兩套強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)，反應(yīng)器由有機(jī)玻璃構(gòu)成(圖 1)，容積為6 L，厭氧區(qū)與好氧區(qū)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(yīng)區(qū)水力停留時(shí)間為8 h，其中，厭氧2 h，曝氣6 h.兩系統(tǒng)污泥齡均為12 d左右.

　　圖 1 A/O除磷系統(tǒng)裝置示意圖

　　2.2 反應(yīng)器啟動(dòng)及污水水質(zhì)

　　本試驗(yàn)接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室中穩(wěn)定運(yùn)行的生物強(qiáng)化除磷系統(tǒng)，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(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)器運(yùn)行溫度為20 ℃左右.運(yùn)行34 d后，兩系統(tǒng)均達(dá)到穩(wěn)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(yīng)器溫度升至25 ℃(1號(hào)反應(yīng)器)，將另一套系統(tǒng)溫度降至15 ℃(2號(hào)反應(yīng)器).兩反應(yīng)器進(jìn)水基質(zhì)與用于接種的生物強(qiáng)化除磷系統(tǒng)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，無水CaCl2 5.46，碳酸氫鈉 27.50，硫酸亞鐵 11.02，無水乙酸鈉 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(biāo)均按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行檢測(cè)，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(jù)Fr�i的方法，采用陽(yáng)離子交換樹脂提取，采用Folin-酚法測(cè)定蛋白質(zhì)，采用蒽酮比色法測(cè)定多糖.活性污泥絮體采用尼康光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀測(cè).絲狀菌鑒定參照的方法，通過革蘭氏染色、納氏染色、PHA染色及形態(tài)觀察等確定.污泥密度參照的方法，采用Percoll分離液測(cè)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(yàn)運(yùn)行的第23、34、37、60、72和第87 d(圖 2a)，分別從兩個(gè)系統(tǒng)中各取4 mL泥水混合液，-20 ℃凍存.待反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束后，提取所有樣品DNA，以大多數(shù)細(xì)菌和古細(xì)菌的16S rRNA基因V3區(qū)通用引物擴(kuò)增引物堿基序列為：GC-341F(5′-CGCCCGCCGCGCGCGGCGG GCGGGGCGGGGGCACGGGGGGCCTACGGGAGGCA GCAG-3′)和534R(5′ATTACCGCGGCTG CTGG-3′).PCR反應(yīng)體系為50 μL，采用降落PCR策略擴(kuò)增(已優(yōu)化)：94 ℃預(yù)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(cè).檢測(cè)完畢后，采用Bio-Rad公司Dcode TM的基因突變檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)PCR反應(yīng)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(yù)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(shù)目和亮度，以評(píng)估各系統(tǒng)中的微生物群落.采用SPSS軟件對(duì)各個(gè)樣品進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析(Correspondence analysis).對(duì)DGGE凝膠上的目的條帶，經(jīng)回收，再擴(kuò)增，克隆后送至上海生工進(jìn)行測(cè)序.然后將所得序列提交至GeneBank登記，序列號(hào)為：KF559164-KF559181.最后在GeneBank數(shù)據(jù)庫(kù)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(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹.

　　圖 2 溫度對(duì)1、2號(hào)反應(yīng)器污泥各指標(biāo)的影響

　　3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　3.1 不同溫度對(duì)污泥性狀的影響

　　圖 2所示為整個(gè)試驗(yàn)階段兩反應(yīng)器中系統(tǒng)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(duì)系統(tǒng)除磷效能影響很大.高溫可導(dǎo)致系統(tǒng)的除磷率(65%)顯著下降，而低溫將使除磷率(96%)大幅提升，這一點(diǎn)與前人的報(bào)道一致.與此同時(shí)，伴隨著除磷率的改變，污泥的沉降性也發(fā)生了很大變化.當(dāng)1號(hào)反應(yīng)器運(yùn)行溫度升高至25 ℃時(shí)，運(yùn)行8 d之后，污泥沉降性能逐漸好轉(zhuǎn);至第45 d時(shí)系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定，SVI繼續(xù)降低并穩(wěn)定在70~130 mL · g-1之間.2號(hào)反應(yīng)器運(yùn)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(yùn)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(hào)反應(yīng)器的沉降性優(yōu)于2號(hào)反應(yīng)器，說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(yīng)器中NVSS/VSS和Pns/VSS的變化.對(duì)于1號(hào)系統(tǒng)，污泥中NVSS整體變化不大，當(dāng)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(duì)于2號(hào)系統(tǒng)，在溫度降低的短期內(nèi)，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(zhuǎn)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(dāng)溫度突然改變時(shí)，兩反應(yīng)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(zhuǎn)好時(shí)Pns/VSS才逐漸穩(wěn)定.對(duì)于高溫系統(tǒng)，雖然Pns/VSS有明顯的降低，但隨即恢復(fù).相對(duì)于高溫系統(tǒng)，低溫系統(tǒng)中污泥Pns/VSS降低較多，由此推測(cè)，突然的降溫可能會(huì)導(dǎo)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(dāng)兩系統(tǒng)均處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，NVSS/VSS相差不大，但高溫系統(tǒng)的污泥含磷量明顯低于低溫系統(tǒng).圖 2c所示為兩系統(tǒng)的污泥密度變化情況.當(dāng)1號(hào)反應(yīng)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(wěn)定在1.066~1.072 g · mL-1之間，在此過程中污泥濃度并無明顯變化.2號(hào)反應(yīng)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(hào)反應(yīng)器污泥流失嚴(yán)重，污泥濃度從3000 mg · L-1降至2000 mg · L-1左右;當(dāng)沉降性逐漸穩(wěn)定時(shí)，污泥濃度才逐漸恢復(fù)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(wěn)定狀態(tài)時(shí)，低溫系統(tǒng)的污泥密度略低于高溫系統(tǒng)，這點(diǎn)與我們的預(yù)期不同.依照Schuler等的理論，由于低溫系統(tǒng)污泥Pns含量較高，所以其污泥密度應(yīng)略高于高溫系統(tǒng).據(jù)此推測(cè)，在本實(shí)驗(yàn)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(shù)量和菌膠團(tuán)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(dǎo)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(dāng)系統(tǒng)污泥沉降性能逐漸穩(wěn)定時(shí)，污泥的EPS含量逐漸恢復(fù)至變溫前水平.由于EPS與污泥沉降性的變化過程基本一致，推測(cè)EPS可能在一定程度上影響著污泥的沉降性能，詳見3.2節(jié).

　　鏡檢發(fā)現(xiàn)，伴隨著污泥沉降性的變化，污泥的形態(tài)及絲狀菌種類和數(shù)量也發(fā)生了一系列的變化.系統(tǒng)中絲狀菌采用染色(革蘭氏、納氏和PHA染色)及形態(tài)觀察等方法進(jìn)行鑒定，本文中僅包含絲狀菌的納氏染色照片.在兩反應(yīng)器運(yùn)行溫度為20 ℃時(shí)，大量絲狀菌伸出菌膠團(tuán)(圖 3a)，引發(fā)絲狀膨脹，致使運(yùn)行初期污泥沉降性較差.此時(shí)系統(tǒng)中的絲狀菌為Thiothrix II型和0041型，其納氏染色照片見圖 3b.溫度升高至25 ℃時(shí)(1號(hào)系統(tǒng))，在最初的8 d內(nèi)，污泥的沉降性無明顯變化，但污泥中原有絲狀菌中逐漸減少;當(dāng)系統(tǒng)逐漸穩(wěn)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(hào)系統(tǒng))，在最初的8 d內(nèi)，污泥中的絲狀菌并沒有明顯的變化，此后的1周內(nèi)，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(tǒng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)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(shù)量變化較大，而降溫前后污泥絮體中絲狀菌數(shù)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(biāo)的相關(guān)性分析

　　為了探索污泥性狀對(duì)污泥沉降性的影響機(jī)理，采用SPSS對(duì)污泥沉降性和污泥性狀進(jìn)行相關(guān)性分析.所取數(shù)據(jù)自反應(yīng)器接種開始至試驗(yàn)結(jié)束為止，分析結(jié)果詳見表 2.由表 2可以看出，在不同反應(yīng)器中，SVI與污泥性狀之間呈現(xiàn)截然不同的規(guī)律.對(duì)于1號(hào)系統(tǒng)，除EPS中的多糖與SVI有顯著相關(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(duì)污泥沉降性的影響不大.此外，與我們的預(yù)期相反，1號(hào)系統(tǒng)中污泥SVI隨著NVSS和Pns含量的降低而顯著降低.盡管在此過程中污泥密度也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，但污泥密度與沉降性無顯著相關(guān)性.對(duì)于2號(hào)系統(tǒng)，EPS的增加同樣不利于污泥的沉降，但與1號(hào)反應(yīng)器不同，蛋白質(zhì)含量及EPS總量與SVI呈現(xiàn)顯著正相關(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(xiàn)與污泥沉降性能的惡化相吻合，因此，推斷當(dāng)溫度由20 ℃降低為至15 ℃時(shí)，污泥EPS含量的升高對(duì)污泥沉降非常不利.此外，污泥中Pns和NVSS含量與SVI呈現(xiàn)顯著負(fù)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(hào)反應(yīng)器中的現(xiàn)象與Schuler等的結(jié)論吻合較好.表 2結(jié)果顯示，在兩個(gè)反應(yīng)器中，污泥密度與污泥Pns含量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，這一點(diǎn)與前人報(bào)道的污泥Pns含量能夠影響污泥密度的結(jié)論是一致的.然而，需要指出的是，與污泥含磷量相對(duì)應(yīng)，污泥密度僅在2號(hào)系統(tǒng)中與NVSS呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，而在1號(hào)系統(tǒng)中與NVSS不相關(guān).由于2號(hào)系統(tǒng)的除磷效率較高，污泥Pns含量高于1號(hào)系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)中Pns與NVSS的相關(guān)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1號(hào)系統(tǒng).可以推測(cè)在影響污泥密度的眾多因素中，污泥含磷量可能占據(jù)主導(dǎo)地位.亦即當(dāng)NVSS與Pns關(guān)系較為密切時(shí)，NVSS與污泥密度有顯著相關(guān)性;而當(dāng)NVSS與Pns相關(guān)性不顯著時(shí)，其與污泥密度沒有相關(guān)性.

　　表2 污泥沉降性與污泥其它性狀的相關(guān)性分析

　　對(duì)于兩個(gè)反應(yīng)器，除溫度之外其他條件均相同，但污泥性狀差別很大.通過對(duì)污泥絮體的觀測(cè)及對(duì)常規(guī)指標(biāo)(COD及除磷率)的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，對(duì)于1號(hào)系統(tǒng)，隨著溫度的升高，系統(tǒng)中原有的絲狀菌逐漸被淘汰;系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，污泥中的絲狀菌很少，而這個(gè)過程與污泥沉降性由差變好的過程一致.對(duì)于2號(hào)系統(tǒng)，當(dāng)溫度突然降低時(shí)，污泥沉降性急劇惡化，伴隨著絲狀菌的逐漸淘汰，污泥沉降性略微轉(zhuǎn)好;經(jīng)過約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(shù)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(duì)應(yīng)，升溫導(dǎo)致1號(hào)系統(tǒng)的除磷能力下降，而降溫卻使2號(hào)系統(tǒng)的除磷能力大幅升高，最終導(dǎo)致1號(hào)系統(tǒng)的污泥Pns含量明顯低于2號(hào)系統(tǒng).這個(gè)現(xiàn)象與前人的結(jié)論吻合較好.對(duì)于1號(hào)系統(tǒng)，前期污泥中絲狀菌大量生長(zhǎng)，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(tǒng)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(hào)系統(tǒng)中，污泥SVI隨著Pns/VSS和NVSS/VSS的減小而降低，這一現(xiàn)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程中，絲狀菌數(shù)量的大幅減少對(duì)污泥沉降性影響很大，進(jìn)而掩蓋了Pns和NVSS減少對(duì)污泥沉降的不利影響.對(duì)于2號(hào)系統(tǒng)，由于在整個(gè)試驗(yàn)階段絲狀菌數(shù)量變化不大，此時(shí)絲狀菌對(duì)污泥沉降性能的影響可以忽略，則Pns與NVSS對(duì)污泥沉降性的影響就顯現(xiàn)出來，進(jìn)而表現(xiàn)出SVI隨著Pns/VSS和NVSS/VSS含量的升高而降低的趨勢(shì).

　　在兩個(gè)反應(yīng)器中，污泥密度和SVI并無顯著相關(guān)性.這可能是由于本試驗(yàn)中污泥密度較大，通常在1.6~1.7 g · mL-1之間.根據(jù)的研究，當(dāng)污泥密度在這個(gè)范圍內(nèi)，SVI受密度的影響較小.因此，其它因素可能對(duì)污泥沉降性產(chǎn)生較大的影響.就1號(hào)反應(yīng)器而言，絲狀菌數(shù)量的變化會(huì)對(duì)污泥的沉降性產(chǎn)生決定性的影響，而對(duì)于2號(hào)反應(yīng)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(duì)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)線圖，其中，M、H、L分別表示反應(yīng)器溫度為20、25和15 ℃，數(shù)字代表采樣時(shí)間.圖 4b所示為活性污泥樣品的聚類分析.表 3所示為用于分析微生物群落結(jié)構(gòu)的污泥樣品的沉降性.由于前34 d兩反應(yīng)器運(yùn)行條件相同，微生物群 落幾乎無差別，本文僅選取其中一個(gè)反應(yīng)器的樣品來反映該階段兩系統(tǒng)的菌群分布.可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，盡管細(xì)菌的種類并無明顯變化，但溫度對(duì)反應(yīng)器優(yōu)勢(shì)細(xì)菌的分布影響顯著，15、20和25 ℃會(huì)誘導(dǎo)不同細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)，相同溫度的活性污泥樣品微生物群落結(jié)構(gòu)較為相似.從圖 4b可以看出，與反應(yīng)器的運(yùn)行溫度相對(duì)應(yīng)，所取的活性污泥樣品可以聚為三大類：第一類為M23和M34，分別代表第23 d和34 d反應(yīng)器運(yùn)行溫度為20 ℃時(shí)的樣品;第二類為H87、H60、H72，分別代表第87、60和72 d的25 ℃反應(yīng)器的樣品;第三類為L(zhǎng)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(yīng)器的樣品，第5個(gè)代表第37 d 25 ℃反應(yīng)器的樣品.在第37 d時(shí)，由于系統(tǒng)在改變溫度后運(yùn)行時(shí)間較短，溫度對(duì)25 ℃反應(yīng)器中污泥群落結(jié)構(gòu)的影響并不明顯，因此，H37樣品與其余4個(gè)低溫系統(tǒng)的樣品聚為一類.

　　圖 4 兩反應(yīng)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分析(b)

　　表3 用于分析微生物群落結(jié)構(gòu)的污泥樣品的沉降性

　　考慮系統(tǒng)運(yùn)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(xiàn)三者之間有著微妙的關(guān)系.由表 2和圖 4b可以看出，溫度的變化可導(dǎo)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(duì)于中溫(20 ℃)和低溫(15 ℃)，盡管聚類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(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，在聚類分析的第三類樣品中有兩個(gè)樣品單獨(dú)聚為一個(gè)小類，它們是H37和L37，分別代表調(diào)節(jié)溫度2 d后高溫系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)的活性污泥.與變溫前相比，樣品H37的污泥沉降性無明顯變化(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(jié)構(gòu)、絲狀菌及污泥絮體結(jié)構(gòu)并無明顯差別，因此，可以推斷此時(shí)低溫系統(tǒng)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)過約20 d左右，低溫系統(tǒng)污泥逐漸好轉(zhuǎn)，SVI穩(wěn)定在230 mL · g-1附近.可以看出，在低溫系統(tǒng)中，伴隨著污泥沉降性的急劇惡化和逐漸好轉(zhuǎn)，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程.許多研究表明，活性系統(tǒng)中SVI往往隨著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(fù)電性，較多的EPS會(huì)使菌膠團(tuán)之間的排斥力增大，進(jìn)而導(dǎo)致污泥在沉降過程中絮凝困難.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(dǎo)致污泥SVI升高.綜合這兩方面來看，可以推斷低溫系統(tǒng)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(jié)果.

　　圖 5所示為受溫度影響較大的優(yōu)勢(shì)菌的系統(tǒng)發(fā)育樹.在所有活性污泥樣品中，受溫度影響較大的優(yōu)勢(shì)細(xì)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，共5種;再次為放線菌門，共3種;最后是綠彎菌門和厚壁菌門，各1種.本試驗(yàn)所得序列與GeneBank數(shù)據(jù)庫(kù)中序列的比對(duì)結(jié)果顯示，系統(tǒng)中一半以上的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌與生長(zhǎng)在厭氧或者微氧條件下的已知菌種相似;絕大多數(shù)細(xì)菌與已有菌種的相似度均大于95%，只有條帶34代表的細(xì)菌與已知菌種的相似度為91%(未顯示數(shù)據(jù)).由DGGE圖譜可以看出，條帶34所代表的細(xì)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(xì)菌的生長(zhǎng).可以推斷這種細(xì)菌可能是本試驗(yàn)除磷系統(tǒng)中特有的一種嗜冷細(xì)菌.條帶10和11代表的細(xì)菌均與Acinetobacter sp.相似性較高曾經(jīng)指出，Acinetobacter sp.是活性污泥系統(tǒng)中典型的聚磷菌.在本實(shí)驗(yàn)中，低溫時(shí)這種細(xì)菌的數(shù)量較多，與之對(duì)應(yīng)的是低溫時(shí)系統(tǒng)的除磷效率更高，由此推測(cè)，Acinetobacter sp.可能在除磷過程中起著相當(dāng)重要的作用.條帶13對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中唯一的厚壁菌門，在試驗(yàn)的整個(gè)過程中始終存在于兩個(gè)反應(yīng)器中.該細(xì)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(qiáng)化生物除磷過程.

　　圖 5 受溫度影響較大的細(xì)菌的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹

　　為研究污泥沉降性與微生物菌群結(jié)構(gòu)的關(guān)系，我們對(duì)兩者進(jìn)行了對(duì)應(yīng)分析(Correspondence analysis)，結(jié)果如圖 6所示.圖中樣品名稱中字母H和L分別表示25 ℃和15 ℃反應(yīng)器，其后的數(shù)字表示污泥的SVI值.當(dāng)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(shì)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)，17、46(放線菌門)，主要為變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)和放線菌門(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(shì)菌和絲狀菌的生長(zhǎng)，而這種環(huán)境究竟如何影響Thiothrix II的生長(zhǎng)及在此過程中上述9優(yōu)勢(shì)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(shì)菌有7種，依次為條帶34(變形菌門)、3(綠彎菌門)、39(α-變形菌)、14(α-變形菌)、6(擬桿菌門)、42(擬桿菌門)和12(擬桿菌門)，主要屬于變形菌門(Proteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes).前人的研究表明，活性污泥絮體中大多數(shù)細(xì)菌均屬于變形菌門和擬桿菌門(Bacteroidetes)，它們?cè)谖廴疚锏娜コ�過程中發(fā)揮著重要作用.在高溫系統(tǒng)中，這些細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)伴隨著污泥沉降的逐漸好轉(zhuǎn)，可以推測(cè)它們應(yīng)該是菌膠團(tuán)細(xì)菌的重要組成部分.此外，有研究指出，高溫有利于厚壁菌門細(xì)菌的生長(zhǎng).然而在本實(shí)驗(yàn)中，高溫對(duì)厚壁菌門細(xì)菌的影響并不明顯.具體參見污水寶商城資料或http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 6 反應(yīng)器中所取污泥樣品的菌群分布與污泥沉降性的對(duì)應(yīng)分析

　　4 結(jié)論

　　1)在15~25 ℃范圍內(nèi)，高溫有利于污泥沉降性能的改善，升溫和降溫均可導(dǎo)致EPS中蛋白質(zhì)含量在短期內(nèi)急劇增加.25 ℃時(shí)會(huì)抑制絲狀菌的生長(zhǎng)，而15 ℃時(shí)會(huì)刺激Thiothrix II型絲狀菌的大量增殖.

　　2)當(dāng)絲狀菌數(shù)量變化不大時(shí)，污泥中不可揮發(fā)性固體和含磷量對(duì)沉降性影響顯著，EPS的增加不利于污泥的沉降，污泥密度與沉降性能無顯著相關(guān)性.

　　3)A/O除磷系統(tǒng)中受低溫影響較大的優(yōu)勢(shì)菌為變形菌門、擬桿菌門和放線菌門，它們可能與系統(tǒng)中的絲狀菌有著某種聯(lián)系.受高溫影響較大的優(yōu)勢(shì)菌為變形菌門和擬桿菌門，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(tuán)細(xì)菌的重要組成部分.