此外,由图5可知,膜区的脱氢酶活性低于水解区,且变化幅度比水解区小。这是由于污泥脱氢酶活性反映的是反应器中活性微生物量及其对有机物的降解活性,由于进水中的大部分有机物是在水解区和主曝气区得到降解[9],因此水解区以降解有机物的异养菌为主,而膜区主要进行的是氨氮的硝化过程[9],则以自养的硝化菌为主,从而导致膜区的脱氢酶活性低于水解区。同时,由于水解区位于膜区前,其受进水冲击负荷的影响大,如05-22到06-26,进水有机物浓度由6096mg•L-1降至1173mg•L-1后又升至3169mg•L-1,则脱氢酶活性(以MLVSS计)由12.1 g·mg-1·h-1降至5.6 g·mg-1·h-1后又升至10.3 g·mg-1·h-1。此后虽然进水有机物浓度稳定在2000-2500mg•L-1之间,但脱氢酶活性仅稳定了半个月便有所下降,这与前段分析原因相同,即污泥活性受到了抑制。
2.3.3 污泥比耗氧速率
活性污泥的比耗氧速率(specific oxygen uptake rate,SOUR)是评价污泥代谢活性的一个重要指标,且由于在好氧处理过程中微生物对有机物的降解和氨氮的硝化都是耗氧的,因此可以用SOUR为特征参数表示污泥的活性。
图6 污泥SOUR的变化
由图6可知,水解区和膜区的SOUR均呈现先缓慢上升后下降的趋势,结合图2分析,这可能是由于前期即对应于图2的Lv2阶段污泥浓度高,使氧气进入活性污泥絮体内部传质阻力增大,故SOUR较低;对应于图2的Lv3阶段,随着污泥浓度的下降,SOUR略有升高,随后因难降解有机物积累的影响,SOUR又呈现下降趋势。
肖景霓等[10]研究表明,污泥比耗氧速率与污泥颗粒的大小及松散程度有关。结合图5、6,发现从07-10(试验运行第130天)开始,污泥脱氢酶活性和SOUR变化趋势一致,即先降低幅度大,后降低幅度小,说明反应器中难降解物质积累所造成的抑制从第130天开始逐渐表现出来。
此外,由图6可知,膜区SOUR低于水解区,这是由于SOUR反映了基质脱氢氧化代谢过程中的受氢速率,反映氧化酶传递氧接受氢再生辅酶的能力。在间歇回流缺氧过程中,分子氧的缺乏状态使氧化酶传递氧的过程受阻,在缺乏其他受氢体的情况下辅酶 H2逐渐积累,使代谢过程中的吸氧潜能增加,当有分子氧输入时污泥就表现出极高的氧吸收速率。因此随着缺氧过程的进行,污泥的氧吸收潜能逐渐增加,从而导致水解区的SOUR高于膜区。
2.4 污泥ECP的积累
ECP是在一定环境条件下由微生物,主要是细菌分泌于细胞体外的一些高分子聚合物(相对分子质量>10000)组成[11],其主要有机成分是糖类和蛋白质,二者的质量比约在0.2-5.0之间[12],此外还有核酸、脂类、腐殖酸以及无机成分。ECP可以从细胞表面脱离以胶体或溶解状态存在于液相主体中,部分研究者认为混合液中ECP的积累会造成污泥沉降性能变差[13-14]。
本试验测定了接种污泥混合液和第196天膜区污泥混合液的ECP、蛋白质和多糖含量(以每克MLVSS计),具体见表3。由表3可见,(1)蛋白质和多糖是ECP的主要成分,二者之和在接种污泥和第196天膜区污泥混合液中所占比例分别为67.8%和72.9%;(2)第196天膜区污泥的ECP及其中的蛋白质和多糖含量均比接种污泥有明显增加,分别是接种污泥的1.8、2.6和1.8倍;体系中ECP总量及污泥中蛋白质与多糖比值的增加不利于污泥活性及其沉降性能的改善;(3)蛋白质和多糖在ECP中所占比例也有所变化,蛋白质所占比例由15.7%增至22.4%,而多糖比例略有下降,由52.1%降至50.5%。以上数据表明后期ECP在污泥混合液中明显积累。造成ECP明显积累的原因有三点:(1)试验后期垃圾渗滤液水质发生了很大变化,有机物浓度由试验初期的14000mg•L-1左右降至3000mg•L-1左右,相应的BOD5/COD由0.6降至0.28,污泥负荷大大降低,微生物处于内源阶段进而造成ECP的产生量增加;(2)试验后期污泥绝对数量上的减少造成ECP在污泥混合液中相对比例的提高;(3)由于MBR的运行特点使得微生物所分泌的ECP被膜截留在反应器中而不能随出水流失,从而加剧了其在反应器中的积累。
表3 试验过程中ECP的变化
由此可见,图3中后期SV30和SVI不断增加,正是由于ECP在反应器中的积累所造成。
2.5 MBR中污泥的粒径分布
通过激光粒度分析仪(型号:LS-POP)考察污泥的粒径分布,平均粒径的变化如图7所示。由图7可知,接种污泥平均粒径为46.39μm,系统运行后污泥颗粒粒径呈下降趋势,由运行第50天的42.1μm降至27.62μm,离心上清液也呈现出相同的趋势。这与其他人对MBR中污泥粒径变化的研究相似[4,15]。
图7 MBR中污泥粒径的变化
污泥颗粒粒径变小的原因,一方面是由于反应器中泥龄太长;另一方面,为了增强膜面冲刷作用以防止膜污染,反应器中设置了内循环导流板(图1),而污泥絮凝体是由微生物、无机颗粒、ECP和多价态阳离子之间相互作用形成的聚合网状结构,膜面错流产生的机械磨损力和对污泥聚合网状絮凝体的撕裂作用会破坏污泥絮凝体结构,释放出ECP,从而造成污泥颗粒粒径的减小。
2.6 膜区生物相的变化
膜的无选择性分离作用为各种微生物在反应器中的停留和大量生长创造了条件,从而丰富了生物反应器中的微生物相。试验中通过显微镜观察了膜区生物相随运行条件的变化情况。在驯化阶段,污泥外观呈褐色,污泥絮体大而松散,和水相区别明显,生物相中原生动物主要以豆形虫和肾形虫为主;当反应器处于稳定运行阶段时,污泥外观呈黄褐色,絮体变得非常细碎,和水相混合成均一粘稠的液体,污泥过滤性能变差,生物相中原生动物分别以钟虫和累枝虫、固着型吸管虫、楯纤虫为主;在后期阶段,污泥外观呈黄褐色,絮体细小,不易沉降,生物相中原生动物主要以轮虫为主,污泥有明显的老化现象。