1 引言
活性污泥絮體作為微型生物單元在污水生化處理中起著(zhù)重要作用，絮體結構特征可采用絮體大小、絮體形狀、絮體密實(shí)程度和絮體單位懸浮固體內總細絲長(cháng)度等表征.絮體大小、形狀反映污泥對污染物吸收與降解性能，絮體孔隙率反映絮體內部結構，往往直接影響廢水的傳質(zhì)從而影響污水處理效果，孔隙率的大小還反映污泥的脫水沉降性.絲狀菌對活性污泥絮體結構的形成與污泥沉降性起著(zhù)重要作用.絮體大小和形狀的演化能夠用來(lái)描述絮體形成情況，從而從微觀(guān)層面反映污泥成長(cháng)成熟特征.
活性污泥法廢水純氧曝氣處理時(shí)，純氧壓力高于空氣中氧的分壓，可顯著(zhù)提高氧的轉移速率，改變工藝技術(shù)參數.前人研究發(fā)現純氧曝氣活性污泥法具有高有機負荷、高污染去除性能，可顯著(zhù)提高污泥沉降速率和改善污泥脫水性能，系統運行的穩定性、抗沖擊能力強.而這些宏觀(guān)工藝參數的改變都是系統微觀(guān)特征(微生物種群、絮體結構)變化的結果，然而，對純氧曝氣活性污泥法中絮體微觀(guān)結構特征及其變化的研究未見(jiàn)報道.
為了探索純氧曝氣活性污泥培養過(guò)程中絮體結構變化，本研究采用純氧曝氣序批式反應器(SBR)直接培養和馴化活性污泥絮體.通過(guò)絮體顯微圖像分析，考察直接培養和馴化過(guò)程中絮體大小、形狀、密實(shí)程度和單位懸浮固體內總細絲長(cháng)度等特征的變化規律，為更好地培養純氧曝氣污水處理活性污泥提供微觀(guān)分析技術(shù)基礎.
2 材料與方法
2.1 活性污泥培養
污泥培養采用柱狀反應器，底面直徑7.20 cm，高度92.00 cm，有效容積3.20 L，氧氣罐供氧，供氣量為0.1 L · min-1，培養過(guò)程中污水中溶解氧保持在6.00—8.00 mg · L-1.試驗分成兩組：第1組反應器中不投加接種污泥，采用生活污水直接培養法培養活性污泥，生活污水取自安徽工業(yè)大學(xué)污水管，污水中添加葡萄糖、NH4Cl和KH2PO4以控制碳氮磷比為100 ∶ 5 ∶ 1，進(jìn)水COD、NH3-N、TP分別為(1000.00±100.00)mg · L-1、(50.00±10.00)mg · L-1、(5.00±2.00)mg · L-1.運行周期為720 min，其中排水、進(jìn)水5 min、曝氣600 min、沉降115 min.另一組反應器采用接種污泥法馴化活性污泥，接種污泥取自馬鞍山某污水處理廠(chǎng)二沉池(污泥濃度(MLSS)為4744.00 mg · L-1)，對取回的污泥進(jìn)行絮凝沉降，取出沉降性良好的污泥作為接種污泥，使用污水和運行方式與第1組相同.運行過(guò)程中均不排泥.
2.2 污泥絮體結構特征參數的測量
絮體大小、形狀、密實(shí)程度和絲狀菌指數分別以當量直徑(Deq)、規則度(Rd)、孔隙率(Po)和單位懸浮固體內總細絲長(cháng)度(Ftl)來(lái)表征.Deq和Ftl計算
規則度的計算以圓為參照物，設圓為完全規則形狀，將在顯微鏡觀(guān)察面上投影面積與圓相同的污泥絮體周長(cháng)與圓的周長(cháng)相比較，比值越接近于1，說(shuō)明絮體形狀越規則.具體公式如下：
式中，A為絮體投影面積(mm2)，P為絮體投影周長(cháng)(mm).
孔隙率的計算根據孔隙是造成絮體結構松散的主要原因，將絮體投影面內孔隙面積比上絮體總面積，比值越大，說(shuō)明絮體結構越松散.公式如下：
式中，Api為單個(gè)絮體內所有孔隙的面積之和(mm2);TA為絮體總投影面積(mm2).
以上參數均利用顯微分析技術(shù)測量.在曝氣條件下，從反應器中部量取一定體積的活性污泥，混勻后使用帶有刻度的膠頭滴管滴取0.05 mL的污泥樣品于載玻片中央，蓋上蓋玻片置于顯微鏡(奧林巴斯BX53，日本)載物臺上，顯微鏡接數碼相機(明美Mshot DC30，中國)，并用配套的軟件(明美MShot Digital Imaging System，中國)對載玻片逐行拍攝采集絮體圖片，并保存為1024×768像素的JPEG格式圖像.一個(gè)載玻片采集圖像數為80張左右，其中含有絮體320個(gè)左右，分析時(shí)取自平均值.利用Image-pro Plus圖像分析軟件對采集的圖片進(jìn)行對比度、顏色飽和度、HSI測量區域選擇等預處理，然后選擇測量參數(面積、孔隙面積、周長(cháng)、絲狀菌長(cháng)度)，測量值導出到Excel中，最后計算出每個(gè)絮體結構特征參數值.
顯微鏡拍攝采集絮體圖片時(shí)，觀(guān)察污泥絮體中原生動(dòng)物、后生動(dòng)物，參照圖譜鑒別計數.
3 結果與討論
3.1 活性污泥培養階段確定
污泥濃度(MLSS)是活性污泥的基本特征.纖毛蟲(chóng)是活性污泥系統重要的指示原生動(dòng)物之一，其在活性污泥中存在周期最長(cháng)，且細胞體積大，便于鑒別計數等優(yōu)勢，因此試驗中將MLSS與纖毛蟲(chóng)的密度變化作為污泥直接培養、馴化過(guò)程階段劃分的依據.
污泥培養過(guò)程中，MLSS變化如圖 1所示.直接培養過(guò)程中MLSS從無(wú)到有，緩慢增長(cháng)，22 d后指數式快速增長(cháng)到3941.00 mg · L-1.直接培養1~7 d系統內原生動(dòng)物的優(yōu)勢種為鞭毛蟲(chóng)，不存在纖毛蟲(chóng).第8 d開(kāi)始出現纖毛蟲(chóng)，并大量繁殖成為優(yōu)勢種(22 d密度達到938 ind. · L-1).第23 d系統內開(kāi)始出現后生動(dòng)物(輪蟲(chóng)、線(xiàn)蟲(chóng)等)，由于捕食作用導致纖毛蟲(chóng)數量開(kāi)始減少并在35 d時(shí)相對穩定在220 ind. · L-1左右.35 d后形成以固著(zhù)型纖毛蟲(chóng)為優(yōu)勢種的微型動(dòng)物種群，變化不大，此時(shí)COD去除率達到95.10%，可認為污泥培養基本完成.因此，試驗中將1~7 d、8~22 d、23~35 d分別確定為污泥直接培養的初期、中期、后期.
圖1 污泥培養過(guò)程中MLSS變化
污泥馴化培養過(guò)程中，從開(kāi)始馴化到第10 d，MLSS呈線(xiàn)性增長(cháng)趨勢，10 d后也以指數方式增長(cháng)，整個(gè)馴養過(guò)程MLSS增加了2637.00 mg · L-1，增長(cháng)量比污泥直接培養法少1290.00 mg · L-1，總的增長(cháng)率低于直接培養法.存在一定數量纖毛蟲(chóng)(25 ind. · L-1)的接種污泥在緩慢適應新環(huán)境過(guò)程中，系統內纖毛蟲(chóng)數量先小幅度增加(238 ind. · L-1)后又減少到初始值.第11 d開(kāi)始纖毛蟲(chóng)數量逐步增加到22 d最大值(1575 ind. · L-1).第23 d系統內開(kāi)始出現后生動(dòng)物，纖毛蟲(chóng)數量開(kāi)始降低，并在31 d時(shí)相對穩定在220 ind. · L-1左右，此時(shí)，COD去除率達到97.31%，可認為污泥馴化完成.因此，試驗中將1~10 d、11~22 d、22~31 d分別確定為污泥馴化的初期、中期、后期.
因此，直接培養初期與馴化培養初期、中期時(shí)間有所差異，但總時(shí)間相同.由于直接培養的后期比馴養培養長(cháng)(4 d)，直接培養污泥需要更長(cháng)的時(shí)間達到系統穩定.
3.2 活性污泥直接培養和馴化過(guò)程中絮體結構變化
3.2.1 絮體結構大小
活性污泥直接培養、馴化培養過(guò)程中絮體大小變化如圖 2所示(圖中標準差反映不同大小的絮體結構分布范圍，圖 3、圖 4誤差棒意義相同).活性污泥直接培養過(guò)程中絮體Deq呈現出不斷增長(cháng)的趨勢(從1.00 μm到250.90 μm).培養初期絮體Deq增長(cháng)速度較快，中期增長(cháng)緩慢，后期又快速增長(cháng).這是由于培養初期污水中營(yíng)養豐富，微生物量少，微生物快速生長(cháng)、聚集形成污泥絮體并快速增大;培養中期，微生物大量繁殖，造成污水中營(yíng)養限制，微生物及其生長(cháng)載體的污泥絮體增長(cháng)緩慢，Deq變化比較平穩;培養后期，系統中存在大量污泥絮體，這些小的污泥絮體通過(guò)生物絮凝作用形成大絮體，使得絮體Deq迅速增大.
圖2 污泥培養過(guò)程中絮體Deq變化
圖3 污泥培養過(guò)程中絮體Rd變化
污泥馴養過(guò)程中，絮體Deq整體也呈現出增長(cháng)趨勢.但在馴養初期絮體Deq由開(kāi)始的196.00 μm先降低到111.40 μm，中后期絮體Deq呈現增長(cháng)趨勢，逐步增大到31 d的281.50 μm.這是由于馴化污泥取回前在無(wú)曝氣、無(wú)營(yíng)養物質(zhì)的二沉池內經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間停留，絮體內微生物長(cháng)期處于失活狀態(tài).在取泥、 運輸和絮凝沉降過(guò)程中，剪切力使得污泥絮體結構強度又被大大減弱，致使污泥附著(zhù)的原生動(dòng)物游離出絮體.這些游離的原生動(dòng)物在污泥系統內運動(dòng)捕食，導致大量絮體解體，絮體Deq逐步減小.馴化中期，絮體上附著(zhù)菌大量繁殖，微生物的新陳代謝物質(zhì)附著(zhù)于越來(lái)越密實(shí)的絮體上，絮體Deq迅速增大.馴化后期，絮體附著(zhù)物和細菌分泌的胞外聚合物(EPS)使絮體表面更松散，絮體開(kāi)始出現解體，導致絮體Deq減小.
兩種方法培養的污泥絮體顆粒大小均呈增長(cháng)趨勢，但增長(cháng)速率有所不同，直接培養法污泥絮體增長(cháng)速率比馴化法快，成熟后馴化培養的污泥絮體顆粒略大.
3.2.2 絮體形狀變化
培養過(guò)程中絮體規則度(Rd)變化規律如圖 3所示，污泥直接培養過(guò)程中絮體Rd不斷減小，從0.873減小到0.339，后期稍有回升.鏡檢發(fā)現，在最初形成的絮體大多數為圓形，隨著(zhù)絮體的生長(cháng)，絮體結構逐漸變成中期的橢圓形、長(cháng)條形、垂絲形等松散結構，再演變成后期的內部結構密實(shí)，表面形狀不規則的絮體(圖 4a~c).而馴化污泥絮體Rd變化不大，在0.400~0.520內波動(dòng).馴化初期多為不規則絮體，中期形狀稍有改觀(guān)，后期也是內部結構密實(shí)，表面形狀各異的絮體(圖 4d~f).
圖4 污泥培養過(guò)程中絮體形狀變化(注：直接培養過(guò)程絮體，a~c分別為培養5、21、35 d;馴化培養過(guò)程絮體d~f為分別為培養5、21、31 d)
絮體Rd的變化不是獨立的，它與粒徑變化密切聯(lián)系.隨著(zhù)絮體粒徑增大，絮體形狀越不規則，這一結論與Vahedi和Gorczyca的研究結果相一致.根據Deq將絮體劃分為小絮體(Deq﹤130.00 μm)、大絮體(Deq>130.00 μm)，小絮體Rd均大于0.520，大絮體Rd均小于該值.
兩種方法培養的成熟污泥絮體規則度大小相似，但變化規律不同，直接培養污泥絮體Rd逐步減小，而馴化污泥是0.400上下波動(dòng).
3.2.3 絮體密實(shí)程度變化
污泥培養過(guò)程中絮體孔隙率(Po)變化如圖 5所示.污泥直接培養絮體Po變化范圍小(0.008~0.049)，培養初期、中期絮體Po呈現增大趨勢，后期有一定的波動(dòng)性.馴化污泥絮體Po受絮體的解體和重絮凝影響大，其變化范圍較大(0.030~0.120)，馴化初期、后期絮體Po呈現減小趨勢，中期呈增長(cháng)趨勢.
圖5 污泥培養過(guò)程中絮體Po變化
污泥絮體Deq和Po變化(圖 2、圖 5)表明：絮體Deq小于104.00 μm時(shí)，隨著(zhù)絮體粒徑的增大，絮體孔隙率不斷增大.根據斯莫盧霍夫斯基的絮團-絮團動(dòng)力學(xué)凝聚過(guò)程可以理解，絮體與絮體在碰撞凝聚時(shí)必然存在孔隙，凝聚的越多孔隙越多，因此隨著(zhù)絮體粒徑的增大，絮體孔隙率也越大.但當絮體Deq大于104.00 μm時(shí)，由于擠壓作用，隨著(zhù)絮團-絮團不斷絮凝，形成的絮體內部結構緊密，孔隙減小，因此孔隙率不隨絮體粒徑變化.
因此，直接培養初期和中期絮體Po呈增大趨勢，馴化培養初期和后期呈減小趨勢，培養成熟后，直接培養的污泥絮體Po小于馴化污泥絮體Po.
3.2.4 絮體絲狀菌指數變化
污泥培養過(guò)程中的絮體絲狀菌指數(Ftl)變化如圖 6所示.直接培養前16 d和馴化培養整個(gè)過(guò)程，絮體內絲狀菌含量少(0~0.40 μm · mg-1).這是由于本研究采用純氧曝氣氧含量高，且營(yíng)養配比合理，而絲狀菌適于在低溶解氧或低負荷環(huán)境生長(cháng)，但是污泥直接培養過(guò)程的中期，系統中開(kāi)始出現大量絲狀菌(圖 4b)，到污泥培養的第31 d達到絮體Ftl最大值(30.50 μm · mg-1)，污泥容積指數(SVI)為41.90 mL · g-1.產(chǎn)生這一現象的原因，主要由于培養污泥絮體在中后期絮體粒徑增大，結構密實(shí)，導致?tīng)I養物質(zhì)、氧氣很難傳輸到絮體內部，抑制了常規微生物的生長(cháng)，絲狀菌獲得更多的營(yíng)養，快速生長(cháng);絲狀菌的生長(cháng)反過(guò)來(lái)又促進(jìn)營(yíng)養物質(zhì)、氧氣在絮體內部的流動(dòng)，致使污泥培養成熟后絮體內絲狀菌數量迅速減少，試驗第35 d系統內絲狀菌指數已恢復到3.00 μm · mg-1.當然，直接培養后期由于絲狀菌大量存在，增加了絮團-絮團絮凝的能力，從而促進(jìn)絮體Deq迅速增大.
圖6 污泥培養過(guò)程中絮體Ftl變化
3.3 絮體結構特征參數相關(guān)性
活性污泥絮體結構各特征間相互影響、相互制約.直接培養污泥、馴化污泥的絮體結構特征參數Pearson相關(guān)性如圖 7所示.
圖7 不同培養階段污泥絮體結構特征參數相關(guān)系數矩陣圖(注：a. 直接培養絮體，b. 馴化培養污泥)
活性污泥直接培養初期，絮體Deq與Po顯著(zhù)正相關(guān)(r=0.996，p<0.05)，因為此階段的絮體大多為微小絮體(Deq僅為1.00 μm)，絮體的數量較少，不容易發(fā)生微絮體間的凝聚現象，形成的孔隙也小.絮體Rd和Deq、Rd和Po顯著(zhù)負相關(guān)，相關(guān)系數r分別為-0.945(p<0.05)，-0.97(p<0.05).因為在污泥培養系統剛啟動(dòng)時(shí)系統內無(wú)絲狀菌，隨著(zhù)微絮體-微絮體凝聚成絮體過(guò)程中，絮體Deq不斷增大，絮體內部孔隙越來(lái)越大，絮體形狀也越來(lái)越不規則.直接培養中期，絲狀菌對絮體結構起了較大作用，絮體Ftl與絮體Po和Rd都顯著(zhù)負相關(guān)，相關(guān)系數r分別達到-0.959(p<0.05)、-0.875(p<0.05).由于絲狀菌從絮體中伸出來(lái)，向各個(gè)方向隨機地生長(cháng)繁殖，促進(jìn)絮體的不規則生長(cháng)，使絮體內部松散，孔隙增大，外形輪廓更加不規則.直接培養后期，各參數間相關(guān)性均不十分顯著(zhù)，其中絮體Po和Rd的正相關(guān)性較大(r=0.655，p<0.05)，絮體Po和Ftl負相關(guān)性較大(r=-0.638，p<0.05).和中期不同，盡管培養后期系統內絲狀菌仍大量存在，但大多絲狀菌變得很長(cháng)，伸出絮體外長(cháng)度可達到絮體Deq的2～3倍，這些絮體外絲狀菌對絮體結構的作用減小.
污泥馴化初期，絮體Deq和Rd、Deq和Po均顯著(zhù)正相關(guān)，r分別為1(p<0.05)、0.958(p<0.05).比較圖 2、圖 3中污泥馴化初期絮體Deq和絮體Rd變化規律可知，盡管絮體Rd隨著(zhù)絮體Deq的減小而減小，但絮體Rd減小的幅度很小.絮體孔隙大小隨著(zhù)絮體Deq的減小而大幅度減小，因為絮體-絮體解體后，孔隙消失，絮體Po減小.馴化中期各參數間相關(guān)性都不十分顯著(zhù)，其中只有Ftl和Rd的r大于0.6(p<0.05)，少量絲狀菌影響絮體規則度.馴化后期，對絮體結構起較大作用的是絮體Rd，它與其他參數均顯著(zhù)相關(guān)，其中與絮體Deq、Ftl顯著(zhù)負相關(guān)(r= -1，p<0.05)，與Po顯著(zhù)正相關(guān)(r=1，p<0.05).
4 結論
1)直接培養污泥過(guò)程中絮體Deq不斷增大，從1.00 μm 增加到250.90 μm;而馴化污泥絮體Deq是先減小后增大，Deq由196.00 μm減小到111.40 μm，然后又不斷增大.馴化培養成熟后的污泥絮體顆粒比直接培養法略大.
2)直接培養污泥絮體Rd在培養過(guò)程中不斷減小，從0.873減小到0.339，絮體形成過(guò)程中，絮體的形狀由圓形逐步變成不規則形狀.而馴化污泥絮體Rd變化不大，在0.400~0.520范圍內波動(dòng)，絮體逐步從不規則形狀的松散結構變成內部結構密實(shí)，表面形狀各異的絮體.
3)直接培養污泥絮體Po變化范圍小，從0.008~0.049內波動(dòng)，初期和中期絮體Po呈現出隨粒徑增大而增大的趨勢.馴化污泥絮體Po受絮體的解體和重絮凝影響大，導致變化范圍廣，初期和后期絮體Po呈現減小趨勢.直接培養法得到的污泥結構更加密實(shí).
4)污泥直接培養中期開(kāi)始出現絲狀菌，并在后期達到30.50 μm · mg-1，隨即又恢復到3 μm · mg-1;污泥馴化整個(gè)過(guò)程中系統內均無(wú)大量絲狀菌出現.
5)污泥直接培養初期絮體Deq與Po顯著(zhù)正相關(guān)，Rd與Deq、Po顯著(zhù)負相關(guān);中期絮體Ftl與Po、Rd都顯著(zhù)負相關(guān)，絲狀菌作用較大;后期各參數間相關(guān)性均不十分顯著(zhù).污泥馴化初期，絮體Deq與Rd、Po均顯著(zhù)正相關(guān)，中期各參數間相關(guān)性不顯著(zhù).馴化后期Rd起較大作用，與其他參數均顯著(zhù)相關(guān).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。
6)兩種培養方法各有優(yōu)勢，馴化培養污泥MLSS增長(cháng)速度優(yōu)于直接培養法，適應于污水處理污泥的快速培養需要;直接培養法絮體結構優(yōu)于馴化培養法，結構穩定，適應于高質(zhì)量污泥的培養需要.
