污泥性质分析方法

1SOUR

比耗氧速率（specific oxygen uptake rate，SOUR）根据MLVSS、测定时间t 和溶解氧变化率计算。测定异养菌和自养菌的耗氧速率，通过外加葡萄糖（COD 500mg/L）、淀粉（COD 500mg/L）、NH4Cl（20mgN/L）、和NaNO2(20mgN/L）。而内源呼吸速率则没有外加基质。25摄氏度

取50mL混合液，5000 r/min下离心5 min，去掉上清液，用蒸馏水将泥团重新悬浮至原体积，5000 r/min下离心5 min，再去掉上清液，如此连续操作3次后，

将泥团装入带密封塞的300 mL 溶解氧瓶中，然后用所配营养液补充溶液体积至300 mL 。在测量过程中，保证溶解氧仪探头与橡胶瓶塞紧密连接，并将密封的广口瓶置于磁力搅拌器上，磁力搅拌器可保证混合液中污泥呈悬浮状态[194]。根据MLVSS 和溶解氧变化率求得污泥的比好氧速率（Specific Oxygen Utilization Rate ，SOUR ）[195]

()()0/t S O U R D O D O t M L V S S =-?（

2-12） 式中 DO0——测定读数初始时DO 值，mg/L ；

DOt ——测定读数结束时DO 值，mg/L 。

2 膜阻

膜污染通常由两部分组成：膜孔污染以及泥饼层污染。根据Darcy 公式，可以计算出过滤总阻力、膜孔污染阻力及泥饼层阻力。

t P J R μ?= (2-29) t m c p R R R R =++ (2-30)

式中 J ——膜通量，L/(m 2·h)； P ?——膜两侧压力差，kPa ；

μ——滤液动力学粘度，Pa·

s ； R t ——膜过滤总阻力，m -1；

R m ——膜自身阻力，m -1；

R c ——泥饼层阻力，m -1；

R p ——膜孔污染阻力，m -1。

根据Darcy 公式，测定不同通量条件下的过膜压力并进行回归，计算出膜自身阻力R m ；膜过滤结束时，结合此时的过膜压力，通量以及滤液粘度，计算出膜的总阻力R t ；将膜组件取出，用自来水冲洗掉表面泥饼层，测定清水通量及相应的过膜的压力，获得R m 和R p 之和；在此基础上，减去阻力R m ，得到膜孔污染阻力R p ；将总阻力R t 减去R m 和R p 得到泥饼层阻力R c 。

3 亲疏水性

接触角能够表征污泥混合液的相对疏水性，可以用于计算污泥的表面热力学性质，如表面张力、表面自由能等。使用水、甲 酰胺和二碘甲烷为测试液体测定（JC2000A 型，上海中晨科技有限公司）。将污泥混合液稀释，用0.45μm 醋酸纤维膜抽滤，用超纯水冲洗膜表面两次，将其放在1%琼脂板上，以保持污泥

水分。测定前，将膜粘到载玻片上，室温干燥20min 。然后，采用静滴技术，将超纯水、甲酰胺和二碘甲烷滴到膜片上，将滴片过程拍摄下来，用图像分析软件分析计算接触角。每个样品测定8次，取平均值[75]。

（1） 污泥样品的制备与接触角测定

将5~10 ml 污泥样品稀释于50~100 ml 蒸馏水中，然后在抽滤装置中用0.45滤膜边缓慢搅拌边进行抽滤，直至将液体抽干，污泥均匀的沉积于滤膜表面形成一层污泥层。将沉积污泥层连同滤膜粘在载玻片上，放置于50℃恒温箱中轻柔干燥2小时，取出进行接触角测定。本研究中采用接触角法测定污泥样品的表面能参数，包括Lewis 酸分量（+i γ）、Lewis 碱分量（-i γ）以及Lifshitz-van der Waals 分量（LW i γ）。检测液体为蒸馏水、丙三醇和二碘甲烷。

在已知检测液体的表面能（LW pl γ，+pl γ，-pl γ）以及污泥样品表面和检测液体

的接触角()θ，采用Young-Dupré公式（2-19）和（2-20）[199]计算获得污泥样品的表面能参数（LW i γ，+i γ，-i γ）。

+-

+=pl pl LW pl pl γγγγ2 （2-19）

)γγγγγγ(γpl i pl i LW pl LW i pl +

--+++=+2θ)cos 1( （2-20）

（2） 表面张力作用能的计算

污泥的相对亲疏水性可以用通过污泥絮体相互作用的单位面积总界面自由

能（IF 121G ?）进行定量分析，它主要由单位面积界面自由能LW 分量（LW

y0G ?）

和单位面积界面自由能的Lewis 酸碱分量（AB

y0G ?）组成，其计算公式如下：

AB y0LW

y0IF 121G G G ?+?=? （2-21）

)γγ)(γγ2(ΔG LW 2LW 1LW 1LW 2LW y0--= （2-22）

)γγγγ(2)γγγ(γ2)γγγ(γ2ΔG 111121122112AB

y0+--++++----++--++-+=

（2-23）

式中 1，2——分别代表污泥絮体和水。

XDLO 理论描述了物质相互之间单位面积的作用能，包括酸碱作用能（AB ）、Lifshitz-van der waals 作用能（LW ）和静电排斥能（EL ）。本研究把污泥絮体间的相互作用看作面与面之间的作用[200]，计算式如下所示：

EL 121AB 121LW 121XDLVO 121E E E E ++= （2-24）

单位面积的LW 、EL 和AB 作用能可由式（2-25）至式（2-28）获得：

2LW 12112π2A )(h E -= （2-25） LW y02

0ΔG 12π2A -= （2-26）

)λ

h h exp(ΔG (h)E 0AB y 0AB 121-= （2-27） )sinh(kh)1coth(kh)(1k ξεε(h)E 210r EL 121+-= （2-28）式中 0h ——Born 排斥作用引起的最小作用距离(0.158 nm)；

r ε——流体介电常数；

0ε——真空电容率；

k ——Debye 长度的倒数；1debay

k -= T ——绝对温度；

g R ——气体常数；

F ——Faraday 常数；

s I ——离子强度；

1ξ——膜表面电势；

λ——AB 酸碱作用能衰减长度。

4 分形维数

分形维数用于将絮体结果定量化，用Matlab7.0进行图像分析，将RGB 图转换为二值图，提取污泥絮体并计算周界分形维数（DP ）、圆度（R ）、形状系数（FF ）和三维纵横比（AR ）。

取适量污泥混合液，经碱性美兰简单染色后利用显微镜（BX51，Olympus ）观察活性污泥絮体形态，并对其进行放大拍摄，获得污泥絮体的真彩图。本文中圆度、形状因子和三维纵横比等形态学参数的计算是借助软件Image Pro-Plus 6.0（Media Cybernetics ，INC ）对上述照片进行分析实现的。首先在Matlab 8.0环

境条件下将图像转化为二值图像；然后利用Image Pro-Plus 6.0计算出污泥絮体的面积、周长、特征长度和特征宽度等。具体计算如下：

（1） 圆度（Roundness ） 圆度是指絮体接近理论圆的程度，

，絮体形状越接近圆，圆度Ro 越接近1。

24O R area length

π=?（2-14） （2） 形状因子（Form Factor ）

形状因子对絮体边界粗糙度非常敏感，圆的形状因子等于1

2

4area FF perimeter π?=（2-15） （3） 三维纵横比（Aspect Ratio ）

三维纵横比能较好地反映絮体伸展程度，絮体向外延伸越多，纵横比越大，圆的纵横比等于1，

4()1length width AR width

π-=+?（2-16） 式中 area ——絮体面积，μm2；

length ——絮体特征长度，μm ；

width ——絮体特征宽度，μm ；

perimeter ——絮体周长，μm 。

另外，为了能够较为准确的定量丝状菌浓度，本研究选择使用丝状菌长度与污泥絮体面积的比值这一参数。采用骨骼化法确定丝状菌长度，同时通过计算絮体投影面上的像素点个数获得絮体的面积。我们可在二值图像的基础上按式（2-17）、（2-18）分别计算菌丝长度和絮体面积[197,198]。

cal 1221F .N image ??=∑

丝状菌长度（2-17）

image image EFLI /FAI =∑∑

丝状菌长度絮体面积（2-18） 式中 N ——丝状菌骨架所占据的像素点个数；

Fcal——计算因子，表示每个像素所代表的长度，μm/pixel；

1.122——校正因子。

5荧光显微镜观察

6泥P

7SEM

使用扫描电子显微镜(SEM)(Quanta 200, FEI)观测MBR 反应器中粘附于中空纤维膜表面的污泥层的形态。将污染后的膜组件取出，从中部剪下一段，浸入含有2.5%戊二醛的磷酸缓冲液中(0.1 M, pH=7.2) 4 h，采用磷酸缓冲液清洗，随后依次采用50%、75%、90%、95%和100%的乙醇进行脱水，用叔丁醇清洗三次，冷冻后抽真空干燥，用离子溅射仪在样品表面镀上一层金属膜后在SEM 下观测拍照。用于对比的未污染的洁净膜直接喷金后观测。

采用电子扫描显微镜（型号：Hitachi S-3400N，Japan）观察受污染的膜表面形态。样品在扫描前要先进行预处理[20]：①2.5%的戊二醛固定，②磷酸缓冲溶液清洗，③不同浓度的乙醇进行脱水，④叔丁醇清洗，⑤冷却后抽真空抽真空，⑥样品固定，⑦镀金属膜[58]。制备好的样品置于扫描电子显微镜下进行观察和拍照，摄取样品表面的二次电子形貌。并利用与扫描电镜组合的能量色散X射线光谱仪（EDX）进行膜表面污染物元素分析。

采用扫描电子显微镜（S-3000N，Hitachi，Japan）观察各反应器中的污泥形态。污泥样品和膜丝样品的预处理步骤如下[195]：（1）pH=7.2，浓度为2.5%戊二醛溶液固定；（2）-1磷酸盐缓冲溶液清洗；（3）50%、70%、90%、100%的乙醇溶液进行梯度脱水；（4）叔丁醇清洗；（5）冷冻干燥；（6）喷金。预处理后在电子显微镜下进行观察和能谱分析（EDX）。

8原子力显微镜分析

在两MBR系统运行到达终点（TMP≥30KPa）时从反应器中取出被污染的膜组件，各剪一段5cm左右的膜丝，用自来水将外面粘附的泥饼层冲洗掉，将膜丝放置50℃的烘箱烘干48小时，之后用刀片切下一段5mm左右的膜丝，因为该实验室用的是中空纤维膜丝，所以为了在观察中保持膜表面平整，需要用刀片将膜丝从中间切开并展平，用双面胶将膜丝外表面朝上贴在载玻片上，注意整个操作过程中切勿用手碰触膜丝表面，以防膜丝受到污染影响观察效果，我们以

干净的膜丝为对照对MFC-MBR系统与传统MBR系统中污染后的膜丝进行了表面原子力显微镜的观察，扫描范围为10×10μm。对扫描完的图像进行处理与计算，得出膜表面平均粗糙度Ra、均方粗糙度Rms以及平均高度。

9三维荧光光谱分析

实验过程中，按2.3.1提取方法提取出污泥S-EPS、LB-EPS及TB-EPS，放入1cm石英比色皿，以超纯水为空白，在荧光光谱仪（Jasco FP-6500）中进行三维荧光扫描。光谱仪采用氙弧灯作为激发光源，激发和发射狭缝宽度为5nm，激发光波长范围为220nm~400nm，发射光波长为250~500nm，扫描步长均为2nm，扫描速度为1200nm/min。扫描完后自动进行仪器荧光光谱校正。

10红外分析

采用傅里叶变换红外光谱仪（型号：SPECTRUM ONE B）进行反应器中污泥S-EPS、LB-EPS、TB-EPS以及泥饼污染物和膜表面的红外光谱分析，首先将EPS及泥饼层在恒温培养箱中50°C烘干，将烧杯壁上残留的粉末刮下来保存。操作过程中取一定量的粉末与适量的KBr混合进行研磨，在用压片机其压制成半透明的薄片，迅速在中红外（4000~400nm-1）下进行扫描。更换衰减全反射（ATR）附件测定膜表面污染物的化学组成。

11凝胶色谱分析

采用高效液相色谱仪（SHIMAZU）测定S-EPS、LB-EPS与TB-EPS的分子量分布情况，色谱柱采用凝胶过滤色谱柱（GFC Water 250），检测器为紫外检测器，流动相采用0.1mol/L NaCl、0.002 mol/L NaH2PO4、0.002 mol/L Na2HPO4的磷酸盐缓冲液，流速0.4ml/min，进入柱子之前样品和流动相均先经过0.45 μm的膜过滤。

12EPS的提取与测定

12.1EPS的提取

取50ml污泥混合液，在4000r/min下离心5min，取上清液经0.45μm的膜过滤得到溶解性胞外聚合物（S-EPS）。之后用50°C的0.85%的NaCl溶液补足体积至50ml搅拌使污泥再悬浮，立即用旋转混合器混合一分钟后将污泥混合液在4000r/min条件下离心10min，取上清液经0.45μm的膜过滤得到松散结合态EPS（LB-EPS）。将剩余的污泥团用0.85%的NaCl溶液再悬浮至50ml，在

80°C条件下水浴提取30min，然后在4000 r/min条件下离心15min，取上清液经0.45μm的膜过滤得到紧密结合态EPS（TB-EPS）。

SMP 和EPS 分别是指可溶性有机物和污泥胞外聚合物，它们的主要成分是蛋白质和多糖。本实验采用热法提取EPS。首先取一定量的污泥混合液，于5000rpm转速下离心5 分钟，移出上清液，并用0.45μm 滤膜过滤，所得滤液即为SMP；将上述泥样用蒸馏水定容至50ml，水浴（80℃）30 分钟，然后用同样的方法离心并过滤，所得滤液即为EPS。实验以蛋白质和多糖的总量作为SMP 和EPS 的定量标准，采用苯酚-硫酸法测定多糖浓度，以标准葡萄糖溶液绘制标准曲线；蛋白质的浓度采用Folin 分光光度法检测，以牛血清蛋白标准溶液绘制标准曲线。

取50 mL污泥混合液于离心筒中，5000 r/min离心5 min后取上清液，上清液经过0.45 μm滤膜后所得滤液即为SMP。然后用蒸馏水将离心筒中剩下的泥团重新悬浮至原有体积，摇匀后于80℃水浴中加热30 min，5000 r/min离心5 min，上清液经过0.45 μm滤膜后收集滤液用于EPS分析。SMP和EPS的主要成分为糖和蛋白质，其中，蛋白质采用改进的Lowry[192]法测定，多糖采用蒽酮法测定[193]。同时采用凝胶渗透色谱仪（型号：LC-10ADvp）进行SMP的分子量分布分析。污泥上清液经过中速定性滤纸过滤后进行总有机碳（TOC）分析，代表MBR中的溶解性和胶体性物质。

12.2EPS的测定

EPS的主要成分为糖类、蛋白质和少量的腐殖酸。在本实验中进水采用人工合成的污水，所以污泥混合液中所含腐殖酸的量很少，EPS中的组分主要为多糖和蛋白质，在本实验中用糖类和蛋白质的总量来表示EPS的量。糖浓度采用苯酚-磺酸法测定，蛋白质浓度采用Folin 酚分光光度法测定[57]。

13水质分析方法

污泥混合液经4000rpm离心5min，得到上清液。溶解性组分在测定前均经过0.45μm膜过滤。COD、N、P等水质指标的监测按照《水和废水监测分析方法》[72]进行测定分析。COD采用重铬酸钾法测定。氨氮用纳氏试剂比色法测定。亚硝态氮采用N（1-萘基）—乙二胺光度法测定。硝态氮采用酚二磺酸分光光度法测定。TP采用钼锑抗分光光度法测定。TOC和TN使用TOC-5000设备（Shimadzu Co., Tokyo, Japan）测定。多糖采用苯酚—磺酸分光光度法测定，蛋白质采用Folin酚分光光度法测定。