表層附著(zhù)累枝蟲(chóng)好氧顆粒污泥特性

　　1 引言

　　原生動(dòng)物常作為污水生物處理系統中的指示生物而受到人們的關(guān)注.鐘蟲(chóng)、累枝蟲(chóng)是原生動(dòng)物門(mén)纖毛綱緣毛目的微小動(dòng)物，其中，鐘蟲(chóng)呈倒鐘形且單體生活，柄螺旋而收縮;累枝蟲(chóng)形態(tài)與鐘蟲(chóng)相似且群體生活，有分枝，柄無(wú)肌絲不收縮.研究發(fā)現，污水處理曝氣池中鐘蟲(chóng)和累枝蟲(chóng)大量出現往往指示污泥性狀良好，出水水質(zhì)好(Holubar et al., 2000).

　　好氧顆粒污泥是通過(guò)微生物自凝聚作用形成的顆粒狀污泥，與普通活性污泥相比，其具有良好的沉降性能、密實(shí)的結構、較高濃度的生物量、較強的沖擊負荷和抵抗有毒有害物質(zhì)的能力.目前，由于SBR培養好氧顆粒污泥的試驗大部分采用人工配制污水，很難提供適合原生動(dòng)物生長(cháng)繁殖的生存環(huán)境，使得研究人員很少在顆粒污泥表層發(fā)現大量原生動(dòng)物附著(zhù)的現象，因此，忽視了對好氧顆粒污泥中原生動(dòng)物的研究.Weber等(2007)首先研究了在好氧顆粒污泥表層出現的纖毛類(lèi)原生動(dòng)物，推測其分泌的粘性物質(zhì)能吸附懸浮顆粒和細菌，以及其死亡后的殘骸可作為顆粒污泥形成的骨架.Li 等(2013)在SBR系統中培養出富有原生和后生動(dòng)物的好氧顆粒污泥，并對其中鐘蟲(chóng)和輪蟲(chóng)的形成與特征進(jìn)行了研究，發(fā)現鐘蟲(chóng)與輪蟲(chóng)有利于顆粒的穩定和提高出水澄清度.

　　通過(guò)長(cháng)期研究發(fā)現，接種城市污水處理廠(chǎng)的活性污泥，采用實(shí)際生活污水可成功培養出表層附著(zhù)大量累枝蟲(chóng)(纖毛綱緣毛目累枝蟲(chóng)屬)等原生動(dòng)物的好氧顆粒污泥，且能長(cháng)期穩定運行.基于此，本研究旨在通過(guò)探明表層附著(zhù)累枝蟲(chóng)的特殊好氧顆粒污泥的形成過(guò)程及其性能，為污水生物處理研究提供參考.

　　2 試驗方法與材料

　　2.1 試驗系統的建立與操作

　　試驗采用的序批式反應器(SBR)為高500 mm、內徑200 mm、有效容積為11 L的有機玻璃圓柱.試驗原水來(lái)自一個(gè)生活區排放的實(shí)際生活污水，CODCr為350~450 mg · L-1，NH4+-N為20~30 mg · L-1，TP為4~8 mg · L-1.反應器運行方式為：進(jìn)水5 min，曝氣180 min，沉淀3 min，出水15 min，閑置37 min. 采用時(shí)間程序控制器(PLC)自動(dòng)控制反應器各階段，每天運行6個(gè)周期，每個(gè)周期進(jìn)水量與排水量均控制在7 L，排水比為7 /11.試驗期間，氣速基本穩定在1.2 cm · s-1左右，室內溫度保持在15~30 ℃.

　　2.2 顆粒污泥和水質(zhì)的分析

　　混合液污泥濃度(MLSS)、污泥容積指數(SVI)、懸浮固體濃度(SS)、TP、 CODCr與NH4+-N均依照國家環(huán)保局《水和廢水監測分析方法》(第4版)進(jìn)行測定.

　　2.3 顆粒污泥的形態(tài)觀(guān)察

　　從接種污泥到好氧顆粒污泥形成的整個(gè)過(guò)程觀(guān)察采用Olympus公司的CX31型光學(xué)顯微鏡，每隔一定時(shí)間取反應器中的混合液進(jìn)行觀(guān)察并拍攝污泥照片.采用XL-30ESEM掃描電鏡(Scanning Electron Microscopy，SEM)觀(guān)察顆粒的微觀(guān)形態(tài)，樣品預處理前需經(jīng)過(guò)2.5%的戊二醛在4 ℃下固定近12 h，將固定液倒掉之后用0.1 mol · L-1、pH=7.0的磷酸緩沖液漂洗樣品3次，每次15 min.然后使用1%的鋨酸溶液固定樣品1~2 h，倒掉固定液后繼續使用磷酸緩沖液漂洗樣品3次，每次15 min.緊接著(zhù)，使用濃度梯度(50%、70%、80%、90%和95%)的乙醇溶液對樣品進(jìn)行脫水處理，每種濃度處理15 min，再用100%的乙醇處理兩次，每次20 min.然后使用乙醇與醋酸異戊酯的混合液(V/V=1/1)處理樣品約30 min，再用純醋酸異戊酯處理樣品1~2 h.經(jīng)過(guò)臨界點(diǎn)干燥和鍍膜后即可進(jìn)行樣品的觀(guān)察(Araujo et al., 2003).

　　2.4 原生動(dòng)物的計數

　　原生動(dòng)物的計數采用人工計數法(Al-Shahwani et al., 1991).從反應器中取部分混合液，在1 L廣口瓶中充分攪勻;然后使用1 mL 的刻度吸管吸取1 mL混合液，徐徐注入一滴混合液于載玻片上并蓋上蓋玻片，用低倍顯微鏡對原生動(dòng)物進(jìn)行計數;重復計數3滴混合液，取其平均值，即得1滴混合液中原生動(dòng)物的數量.用1滴混合液中原生動(dòng)物的記錄數乘以刻度吸管中1 mL混合液的滴數，即為微型生物的密度數據(即每mL活性污泥混合液的原生動(dòng)物數)，密度單位為ind · mL-1.

　　2.5 累枝蟲(chóng)吞噬懸浮絮體觀(guān)察

　　使用直接免疫熒光法(Mutasim et al., 2001)，通過(guò)熒光染色劑對懸浮絮體進(jìn)行染色.本試驗采用的熒光染色劑為異硫氰酸熒光素(Fluorescein Isothiocyanate，FITC).首先，將FITC完全溶于二甲基亞砜溶液(Dimethyl Sulfoxide，DMSO)，然后用膠頭滴管將取自混合液上清液的分散絮體滴入已經(jīng)溶解的FITC中，在潮濕密閉的恒溫培養箱中反應5 h，染色劑完成染色，用磷酸緩沖液沖洗3次后即可用于試驗.用膠頭滴管吸取少量已染色的懸浮絮體滴于載玻片上，然后將活的累枝蟲(chóng)放置于絮體中間，通過(guò)Leica的DMI3000B熒光顯微鏡拍攝該種微型生物吞食前后的照片，以證明它們具有吞食能力.

　　2.6 顆粒污泥沉降速度測定與粒徑篩選

　　顆粒污泥沉速是通過(guò)測量顆粒污泥的沉降時(shí)間來(lái)確定的(董春娟等，2006).取一容積大于 1 L 的量筒，測量其高度(h)并加滿(mǎn)水，分別取一定量(10~20個(gè))的各粒徑范圍的顆粒污泥加入量筒，測量每個(gè)顆粒污泥從量筒頂部沉降到底部所用的時(shí)間(t)，利用公式v=h/t計算沉速，多次測量取其平均值作為此粒徑范圍內顆粒污泥的沉降速度v(m · h-1).顆粒污泥的粒徑分布采用篩分法確定：從反應器內取一定量污泥，用水沖洗后使之依次通過(guò)孔徑為2.5、2.0、1.6、1.43和1.25 mm的分樣篩，然后將各個(gè)分樣篩截留的顆粒污泥收集.

　　2.7 顆粒污泥強度測定

　　顆粒污泥強度的測定采用Ghangrekar等(1996)的測定方法.具體步驟為：從反應器中取出部分顆粒污泥用自來(lái)水稀釋10倍，取25 mL稀釋后的顆粒污泥倒入高50 cm、直徑5 cm的圓形容器中沉降，收集在第1 min內沉降于容器底部的污泥顆粒，將其稀釋到150 mL并放在搖床上以200 r · min-1的速度搖5 min;然后將污泥倒入150 mL的量筒中，沉降1 min后倒出上清液;稱(chēng)量上清液中污泥的質(zhì)量和沉降顆粒污泥的質(zhì)量.將沉降顆粒污泥的質(zhì)量占總污泥質(zhì)量的比例定義為完整系數，污泥的完整性系數可在一定程度上表示顆粒污泥的強度，污泥完整性系數越大，則污泥顆粒強度越大.

　　3 結果與討論

　　3.1 顆粒污泥的形成與形態(tài)特征

　　原水來(lái)自附近生活小區化糞池出水.以當地某城市污水處理廠(chǎng)活性污泥作為反應器接種污泥，該活性污泥結構松散，且形態(tài)不規則.如圖 1所示，初始階段，由于反應器采用較大的選擇壓(沉淀時(shí)間短)，導致一些輕質(zhì)絮體排出反應器，MLSS由接種時(shí)的1968 mg · L-1降至1543 mg · L-1.可能由于接種污泥對選擇壓等外部條件需要一定的適應過(guò)程及新生污泥結構較為松散且沉降性能較差的特點(diǎn)，污泥的SVI從接種時(shí)的106.7 mL · g-1升至155.5 mL · g-1.隨著(zhù)污泥的逐漸顆�；�，SVI不斷降低.運行30 d后，污泥顆粒結構較為密實(shí)，污泥形態(tài)趨于聚集態(tài)，污泥平均粒徑較小，為210 μm，污泥的SVI保持在50 mL · g-1左右，MLSS保持在4000 mg · L-1左右.55 d后，污泥顆粒粒徑增大，累枝蟲(chóng)開(kāi)始大量繁殖，并附著(zhù)于顆粒表層.枝狀累枝蟲(chóng)的大量存在增加了顆粒污泥的浮力，導致顆粒的沉降性能下降(Li et al., 2013)，導致部分顆粒被洗出，污泥SVI上升至70 mL · g-1左右，MLSS降至3500 mg · L-1左右.運行70 d后，附著(zhù)大量累枝蟲(chóng)的顆粒污泥成為活性污泥的主要形態(tài)(圖 2)，污泥顆�；�效果明顯，平均粒徑在1 mm左右，顆粒的沉降性能逐步改善.運行120 d后，取部分混合液通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀(guān)察，附著(zhù)大量累枝蟲(chóng)的顆粒污泥平均粒徑可達2 mm左右，約占顆�？倲盗康�90%左右，附著(zhù)少量累枝蟲(chóng)的顆粒污泥約占10%.后期運行階段，由于污泥顆粒粒徑增大，累枝蟲(chóng)的影響變小，污泥SVI逐步下降至45 mL · g-1左右，污泥濃度上升并穩定在4900 mg · L-1左右.

圖 1 好氧污泥顆�；�培養中SVI和MLSS的變化

 
圖 2 表層附著(zhù)累枝蟲(chóng)的好氧顆粒污泥形態(tài)圖片(a.光學(xué)顯微鏡，×40，b.掃描電鏡SEM，×60)

　　接種的污泥來(lái)自以處理生活污水為主的城鎮污水處理廠(chǎng)，活性污泥中存在大量累枝蟲(chóng)等原生動(dòng)物.由于累枝蟲(chóng)等原生動(dòng)物針對周?chē)�介質(zhì)化學(xué)作用的體表保護性不完善，對環(huán)境具有很強的敏感性(關(guān)萍等，2013).因此，采用相似實(shí)際生活污水作為原水，其C、N、P的濃度環(huán)境與SBR的低負荷運行均有利于累枝蟲(chóng)等原生動(dòng)物的生長(cháng)與繁殖.原生動(dòng)物分為游泳型和固著(zhù)型兩種，累枝蟲(chóng)屬于常見(jiàn)的固著(zhù)型原生動(dòng)物，而反應器中較高的水力剪切力和較短的沉降時(shí)間形成較高的選擇壓迫使累枝蟲(chóng)依靠柄附著(zhù)于顆粒污泥表層才不易被洗出反應器，從而成為反應器中的優(yōu)勢物種.這可能是形成表層附著(zhù)大量累枝蟲(chóng)好氧顆粒污泥的主要原因.

　　3.2 累枝蟲(chóng)對好氧顆粒污泥特性的影響

　　3.2.1 累枝蟲(chóng)對出水SS 的影響

　　研究表明，原生動(dòng)物通過(guò)攝取污水中的懸浮物、游離細菌及分泌粘性物質(zhì)促進(jìn)絮凝，以減少出水SS和提高澄清度，改善出水水質(zhì).

　　本文通過(guò)比較反應器中平均累枝蟲(chóng)密度和平均出水SS的變化趨勢來(lái)證明累枝蟲(chóng)對降低出水懸浮物的作用.如圖 3所示，在系統運行初始階段，由于反應器內累枝蟲(chóng)的數量相對較少，且污泥顆�；�程度不高，反應器中有大量絮體污泥存在，導致出水SS居高不下，平均出水SS達到238 mg · L-1;之后隨著(zhù)污泥顆�；�及累枝蟲(chóng)大量生長(cháng)，累枝蟲(chóng)密度不斷提高，出水SS逐步下降，第100 d左右時(shí)，累枝蟲(chóng)密度達到最高值33250 ind · mL-1，出水SS降至最低值44 mg · L-1.在前100 d運行中，反應器平均水溫保持24 ℃左右.120 d后，反應器水溫由于室內溫度下降而下降至16 ℃，導致累枝蟲(chóng)世代周期延長(cháng).陳立婧等(2009)研究發(fā)現，溫度是原生動(dòng)物的重要生態(tài)限制因子，且大部分原生動(dòng)物密度與水溫呈顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系，低溫會(huì )影響原生動(dòng)物的增殖速率(沈韞芬等，1990).120 d后累枝蟲(chóng)密度逐漸下降并趨于穩定，出水SS出現小幅度上升.由圖 3還可發(fā)現，出水SS與累枝蟲(chóng)密度變化整體呈相反的趨勢，累枝蟲(chóng)密度增大，出水SS降低，累枝蟲(chóng)密度減小，出水SS上升.由此可初步推斷：累枝蟲(chóng)通過(guò)捕食污水中細小絮體和游離細菌的方式減少出水SS，提高出水澄清度.

 圖 3 出水SS、水溫與累枝蟲(chóng)密度的變化

　　采用直接免疫熒光法，通過(guò)熒光染色劑對水中的游離細菌進(jìn)行染色，在DMI3000B熒光顯微鏡下觀(guān)察累枝蟲(chóng)對游離細菌的吞食.從圖 4a可以看到被 染色發(fā)出熒光的游離細菌和未進(jìn)食的累枝蟲(chóng).經(jīng)過(guò)8 h后，從圖 4b可以看到累枝蟲(chóng)體內已有大量發(fā)出藍色熒光的物質(zhì)，說(shuō)明累枝蟲(chóng)吞食了水體中懸浮的游離細菌.證明累枝蟲(chóng)能捕食水中游離細菌，可以減少出水SS，提高出水澄清度.

 圖 4 累枝蟲(chóng)攝食細菌(a.累枝蟲(chóng)與染色游離細菌，×400，b.攝食游離細菌的累枝蟲(chóng)，×400) 

　　3.2.2 累枝蟲(chóng)對有機物與氨氮去除影響

　　通過(guò)比較CODCr與氨氮(NH4+-N)的去除效果、污泥負荷率及累枝蟲(chóng)密度的變化趨勢，可以分析累枝蟲(chóng)對水質(zhì)造成的影響.如圖 5所示，在整個(gè)反應器運行過(guò)程中NH4+-N去除率變化幅度較小，且基本保持在85.0%以上，說(shuō)明累枝蟲(chóng)對NH4+-N去除效果的影響不明顯.在反應器運行開(kāi)始階段，累枝蟲(chóng)數量很少，平均CODCr去除率為62.5%;隨著(zhù)累枝蟲(chóng)的大量繁殖，CODCr去除率開(kāi)始上升，此階段的平均CODCr去除率為88.1%，最高時(shí)達到95.4%，說(shuō)明累枝蟲(chóng)在達到最高密度的同時(shí)，往往預示著(zhù)良好的出水水質(zhì)(Salvado et al., 1995);120 d后，累枝蟲(chóng)密度逐漸下降，同時(shí)CODCr去除率也略有下降.由此驗證了Schwarzenbeck等(2004)的觀(guān)點(diǎn)：表層生長(cháng)高活性原生動(dòng)物的顆粒污泥有很強的CODCr去除能力.分析其原因為：累枝蟲(chóng)可吞食懸浮游離細菌，降低出水SS進(jìn)而降低出水CODCr(劉來(lái)勝等，2013).累枝蟲(chóng)能通過(guò)柄分泌粘液或者刺激性化合物，提高細菌活性(Weber et al., 2007).累枝蟲(chóng)等原生動(dòng)物還可通過(guò)捕食作為選擇壓，使繁殖能力強、活性高的細菌存活下來(lái)，從而提高有機碳利用率.

 圖 5 COD_Cr去除率、氨氮去除率和累枝蟲(chóng)密度的變化 

　　3.2.3 累枝蟲(chóng)對顆粒污泥結構的影響

　　通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)察表層附著(zhù)累枝蟲(chóng)的顆粒污泥內、外部結構，結果如圖 6a、b所示.在顆粒污泥外 表層，累枝蟲(chóng)的柄與絲狀菌相互纏繞，并根植于顆粒內部(圖 6c、d)，形成密實(shí)的“骨架”，有利于顆粒污泥的結構穩定.由于累枝蟲(chóng)柄分泌的粘性物質(zhì)(Weber et al., 2007)可以吸附懸浮微粒和細菌(圖 6b)，有利于菌膠團相互聚集，因而可促進(jìn)好氧顆粒污泥形成.

 圖 6 顆粒污泥表層(a.×500，b.×2000)與內部斷面(c.×500，d.×2000)的SEM(粒徑Ø=2.00 mm) 

　　本文采用機理圖直觀(guān)表示表層附著(zhù)累枝蟲(chóng)的好氧顆粒污泥形成過(guò)程和結構特點(diǎn).由圖 7可知，這種好氧顆粒污泥的形成主要經(jīng)過(guò)以下3個(gè)階段：第1階段，累枝蟲(chóng)附著(zhù)在污泥絮體上進(jìn)行繁殖，同時(shí)累枝蟲(chóng)通過(guò)柄分泌對懸浮顆粒和細菌有吸附能力的粘液(Weber et al., 2007)，與EPS(Extracellular Polymeric Substances)、絲狀菌等共同作用促進(jìn)菌膠團的形成與聚集;第2階段，菌膠團相互聚集，初步形成好氧顆粒污泥，且累枝蟲(chóng)附著(zhù)在顆粒污泥表層，繼續分泌粘液促進(jìn)顆�；�，累枝蟲(chóng)柄和絲狀菌成為顆粒污泥的“骨架”，有助于提高顆粒污泥結構的強度和穩定性;第3階段，隨著(zhù)“骨架”的作用、菌膠團的聚集和累枝蟲(chóng)的繁殖，表層附著(zhù)大量累枝蟲(chóng)的成熟好氧顆粒污泥最終形成.

 圖 7 表層附著(zhù)累枝蟲(chóng)的好氧顆粒污泥形成過(guò)程 

　　通過(guò)分樣篩篩選出粒徑在2 mm左右的顆粒污泥若干，再通過(guò)光學(xué)顯微鏡區分出表層附著(zhù)大量累枝蟲(chóng)的顆粒污泥與附著(zhù)極少量累枝蟲(chóng)的兩種顆粒污泥，分別進(jìn)行顆粒強度測試和沉速試驗.

　　污泥完整性系數可在一定程度上表示顆粒污泥的強度，污泥完整性系數越大，則說(shuō)明污泥顆粒強度越大.按照強度測試分析方法處理和計算后，得出附著(zhù)大量累枝蟲(chóng)顆粒污泥與附著(zhù)極少量累枝蟲(chóng)顆粒污泥的完整系數分別為99.1%和97.6%，均大于97%，兩種顆粒幾乎無(wú)破損現象發(fā)生.相對于其他學(xué)者培養出的完整系數在90%以下的顆粒污泥(張捍民等，2010)，本研究顆粒污泥具有更好的顆粒強度.

　　沉速實(shí)驗測得兩種好氧顆粒污泥的平均沉降速度分別為55.4 m · h-1和63.7 m · h-1，在顆粒污泥粒徑相同的情況下，附著(zhù)極少量累枝蟲(chóng)的顆粒污泥沉速相比附著(zhù)大量累枝蟲(chóng)的顆粒污泥可提高15.0%，說(shuō)明附著(zhù)顆粒表層生長(cháng)的累枝蟲(chóng)會(huì )略微降低顆粒污泥的沉速.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。

　　4 結論

　　1)采用實(shí)際生活污水及接種城市污水處理廠(chǎng)中富有累枝蟲(chóng)的活性污泥，通過(guò)SBR較高的水力剪切力和較短的沉降時(shí)間共同作用可培養出表層附著(zhù)大量累枝蟲(chóng)、具有良好沉降性能和強度的好氧顆粒污泥.

　　2)顆粒表層的累枝蟲(chóng)有利于減少出水懸浮固體，提高出水澄清度，但會(huì )略微降低顆粒污泥的沉降性能.

　　3)根植于顆粒污泥的累枝蟲(chóng)柄可以成為顆粒污泥的“骨架”，有利于顆粒污泥的形成及結構強度和穩定性的提高.