活性污泥法中突出丝状菌对絮凝体稳定性和固液分离的影响外文翻译资料

 2022-02-23 20:21:10

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

活性污泥法中突出丝状菌对絮凝体稳定性和固液分离的影响

Wilhelm Burger , Konrad Krysiak-Baltyn , Peter J. Scales , Gregory J.O. Martin ,Anthony D. Stickland , Sally L. Gras

摘要

在活性污泥处理过程中，丝状菌对絮凝体的物理性能有一定的影响，当细菌过多时，协助固液分离或诱导问题。絮体内部的丝状菌可以提高絮体的抗拉强度，但外露的丝状菌、脱水特性与絮体稳定性之间的关系尚不清楚。在这里,采用定量方法测定了四个污水处理厂污泥样本的活化丝状菌丰度。通过自动化的图像分析程序鉴定菌丝和絮凝体，计算突出丝状菌（PFB）的长度相对于絮凝体大小的值。然后评估PFB和絮凝体行为之间的相关性。增加结果表明，纤维丰度增加了絮凝体的相间阻力受阻沉降的函数。此外，增加的丝丰度与较低的凝胶相关，点浓度导致污泥压实性较差。絮凝体强度因子定义为剪切后絮团大小的相对变化，与丝丰度呈正相关。这种外部的突出丝状菌的絮凝稳定性与丝状骨架理论一致，即絮凝体中的丝状菌增加了絮凝体对剪切破坏的抵抗力。此外，还观察到突出和内部丝状结构之间的定性相关性。这项研究证明，丝状菌是提高絮凝体稳定性的必要条件，但如果过度过量会对固液分离产生不利影响。这里开发的工具对现有定性分析方法改进，将允许定量纤维丰度分析，这种方法可用于辅助和优化污水处理厂的运行。

关键词：活性污泥、图像分析、沉降性、絮状物的稳定性

1.介绍

活性污泥法的成功运行依赖于活性污泥絮凝体的物理特性研究(Andreadakis, 1993; Sezgin et al., 1978)，其中许多与丝状细菌的生长有关。絮凝颗粒的大小和形态决定了絮凝体在二沉池中的沉降性，絮凝材料的压缩性也影响后续的脱水性能。丝状细菌与细胞外聚合物(EPS)和成絮体细菌（菌胶团）一起影响这些特性 (Ormeci and Vesilind, 2000; Sezgin et al., 1978)；因此，这三个因素影响废水处理过程的效率(Lau et al., 1984)。

活性污泥絮凝体的表面和结构特性也是固液分离过程中遇到的许多问题的原因(Gray, 2004; Sheng et al., 2006)，特别是丝状细菌的过度生长可能是由于操作上的变化或进水成分的变化造成的。当这种过度生长发生时，纤维会从絮凝体的边缘伸出来，并以一种称为桥接的现象将絮凝体连接起来。在其他情况下，过度的丝状生长导致形成薄而开放的结构絮凝体，这一过程称为弥漫性生长(Andreadakis, 1993; Gray, 2004)。在这两种情况下，过度的丝状生长都会干扰固液分离过程，产生一种污泥，这种污泥沉降缓慢，压实性差(Sezgin et al., 1978)，通常被称为丝状膨胀。

在废水处理工业中，含有大量或少量细丝的污泥的沉降和脱水性能通常由经验和半经验参数决定，如污泥体积指数(SVI)。挤压脱水理论可以提供一种更健壮的脱水性能的特性，固体沉淀污泥达到临界浓度，即固体的凝胶点(фg),形成网络结构(Buscall and White, 1987)。污泥的沉降速度取决于可以用受阻的沉降函数R(ф)来量化的沉降絮体的水动力相互作用(Lester et al., 2005)。利用Lester 等人（2005）提出的分析方法，可以从成批沉降数据中确定初始固体浓度与凝固点之间的固体体积分数的受阻沉降函数。

通过应用Jenkins等人（2004）提出的丝状菌排序方案，通常可以定性地测量工业中丝状菌的丰度。采用人工技术，在显微镜上安装了目测千分尺，研究了纤维丰度与沉降特性之间的关系(Sezgin et al., 1978)。近年来，图像分析也被应用于测量每幅图像的总丝长，这与常用的污泥沉降性经验测量方法有很好的相关性(Arelli et al., 2009; da Motta et al., 2001, 2002)。然而，每幅图像的总丝长可能不足以表征活性污泥的形态特性。后来有人建议，丝状体应该作为一种相对于其他絮凝体特性的指标来表达，例如絮凝体长宽比(Arelli et al., 2009)，以便更好地表征丝状体的生长程度。

絮凝体稳定性对活性污泥处理厂的成功运行也很重要(Sheng et al., 2006)，但很少有研究考虑丝状菌对絮凝体稳定性的影响。虽然流程型工厂的设计通常是为了尽量减少絮凝体的不稳定性和破碎，但高剪切带仍然普遍存在(Jarvis et al., 2005)。理想情况下，絮凝体应足够坚固以抵抗破碎，确保高去除效率 (Jarvis et al., 2005; Parker et al., 1972)，并有利于脱水(Liao et al., 2002; Sezgin et al., 1978)。絮凝颗粒的强度取决于它们的内部约束力和结构。影响絮凝体稳定性的重要因素包括:细菌和聚苯乙烯的表面电荷和疏水性、聚苯乙烯的组成、聚合物缠结以及聚合物桥接过程中二价阳离子的存在(Liao et al., 2002; Mikkelsen and Keiding, 2002; Sheng et al., 2006)。有研究表明，聚苯乙烯的组成，尤其是多糖:蛋白质的比例，比总含量更重要(Sheng et al., 2006)。丝状细菌也被认为有助于絮凝体的稳定性。

丝状骨架理论是一种试图定性解释絮凝体稳定性的模型。该模型表明，丝状菌形成刚性骨架，通过聚苯乙烯聚合物桥接与丝状菌连接形成絮凝体(Lau et al., 1984; Ormeci and Vesilind, 2000; Parker, 1970; Parker et al., 1972; Sezgin et al., 1978)。这些细丝被认为通过增加絮凝体的拉伸强度来提供结构的完整性。尽管该理论被广泛接受，但当Wilen等人（2003）观察到絮凝体稳定性与Eikelboom和Buijsen（1981）的定性丝级呈负相关时，丝状骨架理论的有效性受到了质疑。然而，在活性污泥处理厂的案例研究中，丝状菌的缺乏导致了销絮体(Englande and Eckenfelder, 1972; Sezgin et al., 1978)，与丝状骨架理论一致，但丝状菌对絮凝体稳定性的影响还需要进一步的研究。

虽然许多研究调查了丝状细菌在诸如膨大等操作问题中的作用，但迄今所作的观察基本上是定性的，并以经验参数为基础。因此，本研究的目的是研究丝状菌对活性污泥絮凝体沉降、压实性能以及稳定性的影响。采用定量的方法来评价突出丝状体的丰度，并对其脱水性能进行了稳健的表征。利用图像分析软件ImageJ，根据丝长度与絮凝体面积的关系，建立了一种定量分析突出丝状菌（PFB）丰度的图像分析方法。然后将该方法应用于一系列活性污泥样品中，研究了丝丰度对凝胶点和受阻沉降函数的影响。研究了絮凝体在剪切作用下的稳定性。

2.材料和方法

2.1.活性污泥样品

从澳大利亚墨尔本的四家活性污泥污水处理厂收集了活性污泥样本，这些处理厂主要处理生活污水。这些工厂分别是Altona处理厂（序批式反应器）、Eastern处理厂（连续塞流）、Mt Martha处理厂（连续塞流）和Boneo处理厂（连续塞流）。在实验室里一收到样品，样品就被放在4摄氏度的冰箱里。样品表征由确定单个絮凝体参数立即开始，如丝丰度和絮凝体大小，然后是固体浓度。接下来进行脱水和絮凝体稳定性研究。采用一套样品进行脱水研究，所有实验均在收集样品后2天内完成，而采用另一套样品进行絮凝体稳定性研究，所有实验均在收集样品后3天内完成。

2.2.固体浓度及密度

根据标准方法(Rice and Bridgewater, 2012)测量总悬浮固体（TSS，g/L）的浓度，并将其用作活性污泥样品中固体的评估。

悬浮液rho;sus [g/L]和液体密度rho;liq [g/L]在室温下用校准过的比重瓶（德国Duran集团有限公司）测量，一式三份。在测量rho;sus [g/L]之前，对样本进行浓缩，以减少由低质量分数引起的潜在误差。加厚样品的固体质量分数c [g/g]是通过在60℃的烘箱（S.E.M S.A南澳大利亚有限公司）中干燥样品，直到达到一个恒定的质量来测定的。rho;liq [g/L]测定方法为:将活性污泥样品离心10分钟，离心3000 g，去除悬浮物，然后用0.22 mm针头式过滤器过滤上清液（爱尔兰Merck Millipore有限公司）。

利用rho;sus [g/L]、rho;liq [g/L]和c [g/g]的实测值计算固体密度，rho;s [g/L]如下:

(1)

然后通过将以g/L为单位的TSS浓度除以rho;s [g/L]来确定固体体积分数phi;[v/v]。

2.3.聚苯乙烯的提取与测量

聚苯乙烯萃取前，絮凝体样品2095 g离心20 min，用去离子水（电阻率=mOmega;）替代上清液，污泥饼重悬至原体积。初步试验表明，基于Froslash;lund等人（1996）提出的方法，添加阳离子交换树脂和样品剪切相结合，是聚苯乙烯提取的最一致和可靠的方法。剪切是在一个500毫升的折流烧杯中进行的。样品在750转/分钟的转速下搅拌3小时，使用顶置式电子搅拌器与一个6叶圆盘涡轮（拉什顿涡轮）。提取后，取样品3724 g离心30min。上清液经0.22 mm针头式过滤器过滤，去除悬浮液中的细菌，然后定量聚苯乙烯组分。用比色法测定蛋白质、腐殖质和多糖。DuBois等人（1956）采用葡萄糖标准测定多糖含量，而Lowry法(Lowry et al., 1951)测定蛋白质和腐殖质成分的浓度。本研究采用Hartree（1972）提出的改性方法，以牛血清白蛋白和腐殖酸为标准。

2.4.共聚焦显微镜

使用共聚焦显微镜观察活性污泥絮凝体的内部结构，使用根据制造商提供的协议制备的死活染色剂(美国BacLight细菌活性试剂盒e分子探针)。简单地，将等量的SYTO9和碘化丙钠充分混合，得到染色溶液。将1.5 mL的染液加入500 mL污泥样品中，室温黑暗中培养15 min。然后滴一滴染色样本在显微镜载玻片上，用指甲油封住边缘，固定好一个凹槽。用激光扫描共聚焦显微镜（德国Leica Microsystems）观察染色样品。采用63个物镜，单激发波长488 nm，获得共聚焦图像。在574—678 nm范围内采集碘化丙钠的发射信号，在519—524 nm处采集SYTO9信号。

2.5.絮状物粒度分布

使用Malvern Mastersizer 2000（英国Malvern仪器有限公司）测量每个样品的絮凝体大小分布。使用Hydro 2000G分散单元（英国Malvern仪器有限公司）确保样品在测量前分散。分散装置搅拌速度对絮凝体粒径分布影响不明显（数据未显示）。

2.6.丝状体量化

通过对不同活性污泥样品的光学显微镜图像分析，确定了不同活性污泥样品中突出丝状菌（PFB）的丰度。样本被稀释，以确保每个絮凝体和相关的丝状体作为不同的对象可见，以确保正确的图像分割。稀释后，取混合均匀的液滴涂于显微镜载玻片上，盖上20times;20mm的盖玻片进行图像采集。Olympus BX51光学显微镜（澳大利亚Olympus有限公司）。使用奥林巴斯DP72相机和DP2-BSW软件，用10个物镜拍摄所需的图像。用相差显微镜观察暗丝和亮絮凝体的图像。这使得基于强度的絮凝体和丝状体的分割成为可能。基于Jenne等人（2002）所述方法，开发了一种图像分析程序，并编写了ImageJ脚本，实现图像处理和分析步骤的自动化（这些步骤的描述作为补充信息）。

图1为活性污泥絮凝体的相差显微镜图像（图1A），处理后的图像为目标分割。通过分别应用强度阈值来区分与絮凝体和丝状体相关的对象，以便对感兴趣的对象进行选择性检测。图像处理完成后，仍保留两个独立的二进制图像，分别包含与絮凝体相关的物体（图1B）和外部丝状物（图1C）。利用包含检测对象的二进制图像获取所需的图像分析数据。图1D所示为检测到的絮状边缘和丝状物与图1A中原始图像的叠加，说明目标分割良好。

图1 图像说明了图像预处理和分析的不同步骤，用于丝状物的定量。图像被裁剪以提高清晰度。A）活性污泥絮凝体的相差显微镜图像。B）用于活性污泥絮凝体边缘检测的分段对象。C）与突出丝状菌相关的分节物。D）从B和C中识别的絮凝体边缘和丝状物与a中光学显微镜图像的重叠。

对每个样本共包含900多个絮凝颗粒的130幅图像进行了图像分析。根据图像分析数据，计算出每种样品的絮凝体的总面积和图像中细丝的总长度。将不同活性污泥样品的突出丝状菌丰度进行量化，表示为每个样品每絮凝面积（mm2）的丝长度（mm）。

2.7.间歇沉降和受阻沉降函数的测定

利用墨尔本大学(Lester, 2002)开发的间歇沉降分析方法软件(BSAMS)，利用Lester等人（2005）提出的分析方法，从间歇沉降

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[440984]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章