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重要作用，絮體結(jié)構(gòu)特征可采用絮體大小、絮體形狀、絮體密實程度和絮體單位懸浮固體內(nèi)總細絲長度等表征.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(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的形成與污泥沉降性起著重要作用.絮體大小和形狀的演化能夠用來描述絮體形成情況，從而從微觀層面反映污泥成長成熟特征.
活性污泥法廢水純氧曝氣處理時，純氧壓力高于空氣中氧的分壓，可顯著提高氧的轉(zhuǎn)移速率，改變工藝技術(shù)參數(shù).前人研究發(fā)現(xiàn)純氧曝氣活性污泥法具有高有機負荷、高污染去除性能，可顯著提高污泥沉降速率和改善污泥脫水性能，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、抗沖擊能力強.而這些宏觀工藝參數(shù)的改變都是系統(tǒng)微觀特征(微生物種群、絮體結(jié)構(gòu))變化的結(jié)果，然而，對純氧曝氣活性污泥法中絮體微觀結(jié)構(gòu)特征及其變化的研究未見報道.
為了探索純氧曝氣活性污泥培養(yǎng)過程中絮體結(jié)構(gòu)變化，本研究采用純氧曝氣序批式反應(yīng)器(SBR)直接培養(yǎng)和馴化活性污泥絮體.通過絮體顯微圖像分析，考察直接培養(yǎng)和馴化過程中絮體大小、形狀、密實程度和單位懸浮固體內(nèi)總細絲長度等特征的變化規(guī)律，為更好地培養(yǎng)純氧曝氣污水處理活性污泥提供微觀分析技術(shù)基礎(chǔ).
2 材料與方法
2.1 活性污泥培養(yǎng)
污泥培養(yǎng)采用柱狀反應(yīng)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(yǎng)過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(yīng)器中不投加接種污泥，采用生活污水直接培養(yǎng)法培養(yǎng)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、進水5 min、曝氣600 min、沉降115 min.另一組反應(yīng)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二沉池(污泥濃度(MLSS)為4744.00 mg · L-1)，對取回的污泥進行絮凝沉降，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.運行過程中均不排泥.
2.2 污泥絮體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測量
絮體大小、形狀、密實程度和絲狀菌指數(shù)分別以當量直徑(Deq)、規(guī)則度(Rd)、孔隙率(Po)和單位懸浮固體內(nèi)總細絲長度(Ftl)來表征.Deq和Ftl計算
規(guī)則度的計算以圓為參照物，設(shè)圓為完全規(guī)則形狀，將在顯微鏡觀察面上投影面積與圓相同的污泥絮體周長與圓的周長相比較，比值越接近于1，說明絮體形狀越規(guī)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(mm).
孔隙率的計算根據(jù)孔隙是造成絮體結(jié)構(gòu)松散的主要原因，將絮體投影面內(nèi)孔隙面積比上絮體總面積，比值越大，說明絮體結(jié)構(gòu)越松散.公式如下：
式中，Api為單個絮體內(nèi)所有孔隙的面積之和(mm2);TA為絮體總投影面積(mm2).
以上參數(shù)均利用顯微分析技術(shù)測量.在曝氣條件下，從反應(yīng)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(shù)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.一個載玻片采集圖像數(shù)為80張左右，其中含有絮體320個左右，分析時取自平均值.利用Image-pro Plus圖像分析軟件對采集的圖片進行對比度、顏色飽和度、HSI測量區(qū)域選擇等預(yù)處理，然后選擇測量參數(shù)(面積、孔隙面積、周長、絲狀菌長度)，測量值導(dǎo)出到Excel中，最后計算出每個絮體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)值.
顯微鏡拍攝采集絮體圖片時，觀察污泥絮體中原生動物、后生動物，參照圖譜鑒別計數(shù).
3 結(jié)果與討論
3.1 活性污泥培養(yǎng)階段確定
污泥濃度(MLSS)是活性污泥的基本特征.纖毛蟲是活性污泥系統(tǒng)重要的指示原生動物之一，其在活性污泥中存在周期最長，且細胞體積大，便于鑒別計數(shù)等優(yōu)勢，因此試驗中將MLSS與纖毛蟲的密度變化作為污泥直接培養(yǎng)、馴化過程階段劃分的依據(jù).
污泥培養(yǎng)過程中，MLSS變化如圖 1所示.直接培養(yǎng)過程中MLSS從無到有，緩慢增長，22 d后指數(shù)式快速增長到3941.00 mg · L-1.直接培養(yǎng)1~7 d系統(tǒng)內(nèi)原生動物的優(yōu)勢種為鞭毛蟲，不存在纖毛蟲.第8 d開始出現(xiàn)纖毛蟲，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(tǒng)內(nèi)開始出現(xiàn)后生動物(輪蟲、線蟲等)，由于捕食作用導(dǎo)致纖毛蟲數(shù)量開始減少并在35 d時相對穩(wěn)定在220 ind. · L-1左右.35 d后形成以固著型纖毛蟲為優(yōu)勢種的微型動物種群，變化不大，此時COD去除率達到95.10%，可認為污泥培養(yǎng)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(yǎng)的初期、中期、后期.
圖1 污泥培養(yǎng)過程中MLSS變化
污泥馴化培養(yǎng)過程中，從開始馴化到第10 d，MLSS呈線性增長趨勢，10 d后也以指數(shù)方式增長，整個馴養(yǎng)過程MLSS增加了2637.00 mg · L-1，增長量比污泥直接培養(yǎng)法少1290.00 mg · L-1，總的增長率低于直接培養(yǎng)法.存在一定數(shù)量纖毛蟲(25 ind. · L-1)的接種污泥在緩慢適應(yīng)新環(huán)境過程中，系統(tǒng)內(nèi)纖毛蟲數(shù)量先小幅度增加(238 ind. · L-1)后又減少到初始值.第11 d開始纖毛蟲數(shù)量逐步增加到22 d最大值(1575 ind. · L-1).第23 d系統(tǒng)內(nèi)開始出現(xiàn)后生動物，纖毛蟲數(shù)量開始降低，并在31 d時相對穩(wěn)定在220 ind. · L-1左右，此時，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(yǎng)初期與馴化培養(yǎng)初期、中期時間有所差異，但總時間相同.由于直接培養(yǎng)的后期比馴養(yǎng)培養(yǎng)長(4 d)，直接培養(yǎng)污泥需要更長的時間達到系統(tǒng)穩(wěn)定.
3.2 活性污泥直接培養(yǎng)和馴化過程中絮體結(jié)構(gòu)變化
3.2.1 絮體結(jié)構(gòu)大小
活性污泥直接培養(yǎng)、馴化培養(yǎng)過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(jié)構(gòu)分布范圍，圖 3、圖 4誤差棒意義相同).活性污泥直接培養(yǎng)過程中絮體Deq呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢(從1.00 μm到250.90 μm).培養(yǎng)初期絮體Deq增長速度較快，中期增長緩慢，后期又快速增長.這是由于培養(yǎng)初期污水中營養(yǎng)豐富，微生物量少，微生物快速生長、聚集形成污泥絮體并快速增大;培養(yǎng)中期，微生物大量繁殖，造成污水中營養(yǎng)限制，微生物及其生長載體的污泥絮體增長緩慢，Deq變化比較平穩(wěn);培養(yǎng)后期，系統(tǒng)中存在大量污泥絮體，這些小的污泥絮體通過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(yǎng)過程中絮體Deq變化
圖3 污泥培養(yǎng)過程中絮體Rd變化
污泥馴養(yǎng)過程中，絮體Deq整體也呈現(xiàn)出增長趨勢.但在馴養(yǎng)初期絮體Deq由開始的196.00 μm先降低到111.40 μm，中后期絮體Deq呈現(xiàn)增長趨勢，逐步增大到31 d的281.50 μm.這是由于馴化污泥取回前在無曝氣、無營養(yǎng)物質(zhì)的二沉池內(nèi)經(jīng)過長時間停留，絮體內(nèi)微生物長期處于失活狀態(tài).在取泥、 運輸和絮凝沉降過程中，剪切力使得污泥絮體結(jié)構(gòu)強度又被大大減弱，致使污泥附著的原生動物游離出絮體.這些游離的原生動物在污泥系統(tǒng)內(nèi)運動捕食，導(dǎo)致大量絮體解體，絮體Deq逐步減小.馴化中期，絮體上附著菌大量繁殖，微生物的新陳代謝物質(zhì)附著于越來越密實的絮體上，絮體Deq迅速增大.馴化后期，絮體附著物和細菌分泌的胞外聚合物(EPS)使絮體表面更松散，絮體開始出現(xiàn)解體，導(dǎo)致絮體Deq減小.
兩種方法培養(yǎng)的污泥絮體顆粒大小均呈增長趨勢，但增長速率有所不同，直接培養(yǎng)法污泥絮體增長速率比馴化法快，成熟后馴化培養(yǎng)的污泥絮體顆粒略大.
3.2.2 絮體形狀變化
培養(yǎng)過程中絮體規(guī)則度(Rd)變化規(guī)律如圖 3所示，污泥直接培養(yǎng)過程中絮體Rd不斷減小，從0.873減小到0.339，后期稍有回升.鏡檢發(fā)現(xiàn)，在最初形成的絮體大多數(shù)為圓形，隨著絮體的生長，絮體結(jié)構(gòu)逐漸變成中期的橢圓形、長條形、垂絲形等松散結(jié)構(gòu)，再演變成后期的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，表面形狀不規(guī)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(nèi)波動.馴化初期多為不規(guī)則絮體，中期形狀稍有改觀，后期也是內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，表面形狀各異的絮體(圖 4d~f).
圖4 污泥培養(yǎng)過程中絮體形狀變化(注：直接培養(yǎng)過程絮體，a~c分別為培養(yǎng)5、21、35 d;馴化培養(yǎng)過程絮體d~f為分別為培養(yǎng)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.隨著絮體粒徑增大，絮體形狀越不規(guī)則，這一結(jié)論與Vahedi和Gorczyca的研究結(jié)果相一致.根據(jù)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(yǎng)的成熟污泥絮體規(guī)則度大小相似，但變化規(guī)律不同，直接培養(yǎng)污泥絮體Rd逐步減小，而馴化污泥是0.400上下波動.
3.2.3 絮體密實程度變化
污泥培養(yǎng)過程中絮體孔隙率(Po)變化如圖 5所示.污泥直接培養(yǎng)絮體Po變化范圍小(0.008~0.049)，培養(yǎng)初期、中期絮體Po呈現(xiàn)增大趨勢，后期有一定的波動性.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(xiàn)減小趨勢，中期呈增長趨勢.
圖5 污泥培養(yǎng)過程中絮體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，隨著絮體粒徑的增大，絮體孔隙率不斷增大.根據(jù)斯莫盧霍夫斯基的絮團-絮團動力學(xué)凝聚過程可以理解，絮體與絮體在碰撞凝聚時必然存在孔隙，凝聚的越多孔隙越多，因此隨著絮體粒徑的增大，絮體孔隙率也越大.但當絮體Deq大于104.00 μm時，由于擠壓作用，隨著絮團-絮團不斷絮凝，形成的絮體內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yǎng)初期和中期絮體Po呈增大趨勢，馴化培養(yǎng)初期和后期呈減小趨勢，培養(yǎng)成熟后，直接培養(yǎng)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(shù)變化
污泥培養(yǎng)過程中的絮體絲狀菌指數(shù)(Ftl)變化如圖 6所示.直接培養(yǎng)前16 d和馴化培養(yǎng)整個過程，絮體內(nèi)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，且營養(yǎng)配比合理，而絲狀菌適于在低溶解氧或低負荷環(huán)境生長，但是污泥直接培養(yǎng)過程的中期，系統(tǒng)中開始出現(xiàn)大量絲狀菌(圖 4b)，到污泥培養(yǎng)的第31 d達到絮體Ftl最大值(30.50 μm · mg-1)，污泥容積指數(shù)(SVI)為41.90 mL · g-1.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，主要由于培養(yǎng)污泥絮體在中后期絮體粒徑增大，結(jié)構(gòu)密實，導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣很難傳輸?shù)叫躞w內(nèi)部，抑制了常規(guī)微生物的生長，絲狀菌獲得更多的營養(yǎng)，快速生長;絲狀菌的生長反過來又促進營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣在絮體內(nèi)部的流動，致使污泥培養(yǎng)成熟后絮體內(nèi)絲狀菌數(shù)量迅速減少，試驗第35 d系統(tǒng)內(nèi)絲狀菌指數(shù)已恢復(fù)到3.00 μm · mg-1.當然，直接培養(yǎng)后期由于絲狀菌大量存在，增加了絮團-絮團絮凝的能力，從而促進絮體Deq迅速增大.
圖6 污泥培養(yǎng)過程中絮體Ftl變化
3.3 絮體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)相關(guān)性
活性污泥絮體結(jié)構(gòu)各特征間相互影響、相互制約.直接培養(yǎng)污泥、馴化污泥的絮體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Pearson相關(guān)性如圖 7所示.
圖7 不同培養(yǎng)階段污泥絮體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣圖(注：a. 直接培養(yǎng)絮體，b. 馴化培養(yǎng)污泥)
活性污泥直接培養(yǎng)初期，絮體Deq與Po顯著正相關(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(shù)量較少，不容易發(fā)生微絮體間的凝聚現(xiàn)象，形成的孔隙也小.絮體Rd和Deq、Rd和Po顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為-0.945(p<0.05)，-0.97(p<0.05).因為在污泥培養(yǎng)系統(tǒng)剛啟動時系統(tǒng)內(nèi)無絲狀菌，隨著微絮體-微絮體凝聚成絮體過程中，絮體Deq不斷增大，絮體內(nèi)部孔隙越來越大，絮體形狀也越來越不規(guī)則.直接培養(yǎng)中期，絲狀菌對絮體結(jié)構(gòu)起了較大作用，絮體Ftl與絮體Po和Rd都顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)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，向各個方向隨機地生長繁殖，促進絮體的不規(guī)則生長，使絮體內(nèi)部松散，孔隙增大，外形輪廓更加不規(guī)則.直接培養(yǎng)后期，各參數(shù)間相關(guān)性均不十分顯著，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(yǎng)后期系統(tǒng)內(nèi)絲狀菌仍大量存在，但大多絲狀菌變得很長，伸出絮體外長度可達到絮體Deq的2～3倍，這些絮體外絲狀菌對絮體結(jié)構(gòu)的作用減小.
污泥馴化初期，絮體Deq和Rd、Deq和Po均顯著正相關(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(guī)律可知，盡管絮體Rd隨著絮體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(shù)間相關(guān)性都不十分顯著，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(guī)則度.馴化后期，對絮體結(jié)構(gòu)起較大作用的是絮體Rd，它與其他參數(shù)均顯著相關(guān)，其中與絮體Deq、Ftl顯著負相關(guān)(r= -1，p<0.05)，與Po顯著正相關(guān)(r=1，p<0.05).
4 結(jié)論
1)直接培養(yǎng)污泥過程中絮體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(yǎng)成熟后的污泥絮體顆粒比直接培養(yǎng)法略大.
2)直接培養(yǎng)污泥絮體Rd在培養(yǎng)過程中不斷減小，從0.873減小到0.339，絮體形成過程中，絮體的形狀由圓形逐步變成不規(guī)則形狀.而馴化污泥絮體Rd變化不大，在0.400~0.520范圍內(nèi)波動，絮體逐步從不規(guī)則形狀的松散結(jié)構(gòu)變成內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，表面形狀各異的絮體.
3)直接培養(yǎng)污泥絮體Po變化范圍小，從0.008~0.049內(nèi)波動，初期和中期絮體Po呈現(xiàn)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(dǎo)致變化范圍廣，初期和后期絮體Po呈現(xiàn)減小趨勢.直接培養(yǎng)法得到的污泥結(jié)構(gòu)更加密實.
4)污泥直接培養(yǎng)中期開始出現(xiàn)絲狀菌，并在后期達到30.50 μm · mg-1，隨即又恢復(fù)到3 μm · mg-1;污泥馴化整個過程中系統(tǒng)內(nèi)均無大量絲狀菌出現(xiàn).
5)污泥直接培養(yǎng)初期絮體Deq與Po顯著正相關(guān)，Rd與Deq、Po顯著負相關(guān);中期絮體Ftl與Po、Rd都顯著負相關(guān)，絲狀菌作用較大;后期各參數(shù)間相關(guān)性均不十分顯著.污泥馴化初期，絮體Deq與Rd、Po均顯著正相關(guān)，中期各參數(shù)間相關(guān)性不顯著.馴化后期Rd起較大作用，與其他參數(shù)均顯著相關(guān).具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
6)兩種培養(yǎng)方法各有優(yōu)勢，馴化培養(yǎng)污泥MLSS增長速度優(yōu)于直接培養(yǎng)法，適應(yīng)于污水處理污泥的快速培養(yǎng)需要;直接培養(yǎng)法絮體結(jié)構(gòu)優(yōu)于馴化培養(yǎng)法，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適應(yīng)于高質(zhì)量污泥的培養(yǎng)需要.
