1 引言
原生動(dòng)物常作為污水生物處理系統(tǒng)中的指示生物而受到人們的關(guān)注.鐘蟲、累枝蟲是原生動(dòng)物門纖毛綱緣毛目的微小動(dòng)物，其中，鐘蟲呈倒鐘形且單體生活，柄螺旋而收縮;累枝蟲形態(tài)與鐘蟲相似且群體生活，有分枝，柄無肌絲不收縮.研究發(fā)現(xiàn)，污水處理曝氣池中鐘蟲和累枝蟲大量出現(xiàn)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(jié)構(gòu)、較高濃度的生物量、較強(qiáng)的沖擊負(fù)荷和抵抗有毒有害物質(zhì)的能力.目前，由于SBR培養(yǎng)好氧顆粒污泥的試驗(yàn)大部分采用人工配制污水，很難提供適合原生動(dòng)物生長繁殖的生存環(huán)境，使得研究人員很少在顆粒污泥表層發(fā)現(xiàn)大量原生動(dòng)物附著的現(xiàn)象，因此，忽視了對(duì)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(xiàn)的纖毛類原生動(dòng)物，推測其分泌的粘性物質(zhì)能吸附懸浮顆粒和細(xì)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(tǒng)中培養(yǎng)出富有原生和后生動(dòng)物的好氧顆粒污泥，并對(duì)其中鐘蟲和輪蟲的形成與特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鐘蟲與輪蟲有利于顆粒的穩(wěn)定和提高出水澄清度.
通過長期研究發(fā)現(xiàn)，接種城市污水處理廠的活性污泥，采用實(shí)際生活污水可成功培養(yǎng)出表層附著大量累枝蟲(纖毛綱緣毛目累枝蟲屬)等原生動(dòng)物的好氧顆粒污泥，且能長期穩(wěn)定運(yùn)行.基于此，本研究旨在通過探明表層附著累枝蟲的特殊好氧顆粒污泥的形成過程及其性能，為污水生物處理研究提供參考.
2 試驗(yàn)方法與材料
2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的建立與操作
試驗(yàn)采用的序批式反應(yīng)器(SBR)為高500 mm、內(nèi)徑200 mm、有效容積為11 L的有機(jī)玻璃圓柱.試驗(yàn)原水來自一個(gè)生活區(qū)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(yīng)器運(yùn)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(yīng)器各階段，每天運(yùn)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(yàn)期間，氣速基本穩(wěn)定在1.2 cm · s-1左右，室內(nèi)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(shù)(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(jiān)測分析方法》(第4版)進(jìn)行測定.
2.3 顆粒污泥的形態(tài)觀察
從接種污泥到好氧顆粒污泥形成的整個(gè)過程觀察采用Olympus公司的CX31型光學(xué)顯微鏡，每隔一定時(shí)間取反應(yīng)器中的混合液進(jìn)行觀察并拍攝污泥照片.采用XL-30ESEM掃描電鏡(Scanning Electron Microscopy，SEM)觀察顆粒的微觀形態(tài)，樣品預(yù)處理前需經(jīng)過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(xù)使用磷酸緩沖液漂洗樣品3次，每次15 min.緊接著，使用濃度梯度(50%、70%、80%、90%和95%)的乙醇溶液對(duì)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)過臨界點(diǎn)干燥和鍍膜后即可進(jìn)行樣品的觀察(Araujo et al., 2003).
2.4 原生動(dòng)物的計(jì)數(shù)
原生動(dòng)物的計(jì)數(shù)采用人工計(jì)數(shù)法(Al-Shahwani et al., 1991).從反應(yīng)器中取部分混合液，在1 L廣口瓶中充分?jǐn)噭?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(duì)原生動(dòng)物進(jìn)行計(jì)數(shù);重復(fù)計(jì)數(shù)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(shù)量.用1滴混合液中原生動(dòng)物的記錄數(shù)乘以刻度吸管中1 mL混合液的滴數(shù)，即為微型生物的密度數(shù)據(jù)(即每mL活性污泥混合液的原生動(dòng)物數(shù))，密度單位為ind · mL-1.
2.5 累枝蟲吞噬懸浮絮體觀察
使用直接免疫熒光法(Mutasim et al., 2001)，通過熒光染色劑對(duì)懸浮絮體進(jìn)行染色.本試驗(yàn)采用的熒光染色劑為異硫氰酸熒光素(Fluorescein Isothiocyanate，F(xiàn)ITC).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(yǎng)箱中反應(yīng)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(yàn).用膠頭滴管吸取少量已染色的懸浮絮體滴于載玻片上，然后將活的累枝蟲放置于絮體中間，通過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測量顆粒污泥的沉降時(shí)間來確定的(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(jì)算沉速，多次測量取其平均值作為此粒徑范圍內(nèi)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(yīng)器內(nèi)取一定量污泥，用水沖洗后使之依次通過孔徑為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(qiáng)度測定
顆粒污泥強(qiáng)度的測定采用Ghangrekar等(1996)的測定方法.具體步驟為：從反應(yīng)器中取出部分顆粒污泥用自來水稀釋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(nèi)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(shù)，污泥的完整性系數(shù)可在一定程度上表示顆粒污泥的強(qiáng)度，污泥完整性系數(shù)越大，則污泥顆粒強(qiáng)度越大.
3 結(jié)果與討論
3.1 顆粒污泥的形成與形態(tài)特征
原水來自附近生活小區(qū)化糞池出水.以當(dāng)?shù)啬吵鞘形鬯幚韽S活性污泥作為反應(yīng)器接種污泥，該活性污泥結(jié)構(gòu)松散，且形態(tài)不規(guī)則.如圖 1所示，初始階段，由于反應(yīng)器采用較大的選擇壓(沉淀時(shí)間短)，導(dǎo)致一些輕質(zhì)絮體排出反應(yīng)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(duì)選擇壓等外部條件需要一定的適應(yīng)過程及新生污泥結(jié)構(gòu)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.隨著污泥的逐漸顆粒化，SVI不斷降低.運(yùn)行30 d后，污泥顆粒結(jié)構(gòu)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，累枝蟲開始大量繁殖，并附著于顆粒表層.枝狀累枝蟲的大量存在增加了顆粒污泥的浮力，導(dǎo)致顆粒的沉降性能下降(Li et al., 2013)，導(dǎo)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(yùn)行70 d后，附著大量累枝蟲的顆粒污泥成為活性污泥的主要形態(tài)(圖 2)，污泥顆�；Ч黠@，平均粒徑在1 mm左右，顆粒的沉降性能逐步改善.運(yùn)行120 d后，取部分混合液通過光學(xué)顯微鏡觀察，附著大量累枝蟲的顆粒污泥平均粒徑可達(dá)2 mm左右，約占顆�？倲�(shù)量的90%左右，附著少量累枝蟲的顆粒污泥約占10%.后期運(yùn)行階段，由于污泥顆粒粒徑增大，累枝蟲的影響變小，污泥SVI逐步下降至45 mL · g-1左右，污泥濃度上升并穩(wěn)定在4900 mg · L-1左右.
圖 1 好氧污泥顆�；囵B(yǎng)中SVI和MLSS的變化 
圖 2 表層附著累枝蟲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)
接種的污泥來自以處理生活污水為主的城鎮(zhèn)污水處理廠，活性污泥中存在大量累枝蟲等原生動(dòng)物.由于累枝蟲等原生動(dòng)物針對(duì)周圍介質(zhì)化學(xué)作用的體表保護(hù)性不完善，對(duì)環(huán)境具有很強(qiáng)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(fù)荷運(yùn)行均有利于累枝蟲等原生動(dòng)物的生長與繁殖.原生動(dòng)物分為游泳型和固著型兩種，累枝蟲屬于常見的固著型原生動(dòng)物，而反應(yīng)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依靠柄附著于顆粒污泥表層才不易被洗出反應(yīng)器，從而成為反應(yīng)器中的優(yōu)勢物種.這可能是形成表層附著大量累枝蟲好氧顆粒污泥的主要原因.
3.2 累枝蟲對(duì)好氧顆粒污泥特性的影響
3.2.1 累枝蟲對(duì)出水SS 的影響
研究表明，原生動(dòng)物通過攝取污水中的懸浮物、游離細(xì)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).
本文通過比較反應(yīng)器中平均累枝蟲密度和平均出水SS的變化趨勢來證明累枝蟲對(duì)降低出水懸浮物的作用.如圖 3所示，在系統(tǒng)運(yùn)行初始階段，由于反應(yīng)器內(nèi)累枝蟲的數(shù)量相對(duì)較少，且污泥顆�；潭炔桓撸磻�(yīng)器中有大量絮體污泥存在，導(dǎo)致出水SS居高不下，平均出水SS達(dá)到238 mg · L-1;之后隨著污泥顆�；袄壑οx大量生長，累枝蟲密度不斷提高，出水SS逐步下降，第100 d左右時(shí)，累枝蟲密度達(dá)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(yùn)行中，反應(yīng)器平均水溫保持24 ℃左右.120 d后，反應(yīng)器水溫由于室內(nèi)溫度下降而下降至16 ℃，導(dǎo)致累枝蟲世代周期延長.陳立婧等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，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后累枝蟲密度逐漸下降并趨于穩(wěn)定，出水SS出現(xiàn)小幅度上升.由圖 3還可發(fā)現(xiàn)，出水SS與累枝蟲密度變化整體呈相反的趨勢，累枝蟲密度增大，出水SS降低，累枝蟲密度減小，出水SS上升.由此可初步推斷：累枝蟲通過捕食污水中細(xì)小絮體和游離細(xì)菌的方式減少出水SS，提高出水澄清度.
圖 3 出水SS、水溫與累枝蟲密度的變化
采用直接免疫熒光法，通過熒光染色劑對(duì)水中的游離細(xì)菌進(jìn)行染色，在DMI3000B熒光顯微鏡下觀察累枝蟲對(duì)游離細(xì)菌的吞食.從圖 4a可以看到被 染色發(fā)出熒光的游離細(xì)菌和未進(jìn)食的累枝蟲.經(jīng)過8 h后，從圖 4b可以看到累枝蟲體內(nèi)已有大量發(fā)出藍(lán)色熒光的物質(zhì)，說明累枝蟲吞食了水體中懸浮的游離細(xì)菌.證明累枝蟲能捕食水中游離細(xì)菌，可以減少出水SS，提高出水澄清度.
圖 4 累枝蟲攝食細(xì)菌(a.累枝蟲與染色游離細(xì)菌，×400，b.攝食游離細(xì)菌的累枝蟲，×400)
3.2.2 累枝蟲對(duì)有機(jī)物與氨氮去除影響
通過比較CODCr與氨氮(NH4+-N)的去除效果、污泥負(fù)荷率及累枝蟲密度的變化趨勢，可以分析累枝蟲對(duì)水質(zhì)造成的影響.如圖 5所示，在整個(gè)反應(yīng)器運(yùn)行過程中NH4+-N去除率變化幅度較小，且基本保持在85.0%以上，說明累枝蟲對(duì)NH4+-N去除效果的影響不明顯.在反應(yīng)器運(yùn)行開始階段，累枝蟲數(shù)量很少，平均CODCr去除率為62.5%;隨著累枝蟲的大量繁殖，CODCr去除率開始上升，此階段的平均CODCr去除率為88.1%，最高時(shí)達(dá)到95.4%，說明累枝蟲在達(dá)到最高密度的同時(shí)，往往預(yù)示著良好的出水水質(zhì)(Salvado et al., 1995);120 d后，累枝蟲密度逐漸下降，同時(shí)CODCr去除率也略有下降.由此驗(yàn)證了Schwarzenbeck等(2004)的觀點(diǎn)：表層生長高活性原生動(dòng)物的顆粒污泥有很強(qiáng)的CODCr去除能力.分析其原因?yàn)椋豪壑οx可吞食懸浮游離細(xì)菌，降低出水SS進(jìn)而降低出水CODCr(劉來勝等，2013).累枝蟲能通過柄分泌粘液或者刺激性化合物，提高細(xì)菌活性(Weber et al., 2007).累枝蟲等原生動(dòng)物還可通過捕食作為選擇壓，使繁殖能力強(qiáng)、活性高的細(xì)菌存活下來，從而提高有機(jī)碳利用率.
圖 5 CODCr去除率、氨氮去除率和累枝蟲密度的變化
3.2.3 累枝蟲對(duì)顆粒污泥結(jié)構(gòu)的影響
通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察表層附著累枝蟲的顆粒污泥內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖 6a、b所示.在顆粒污泥外 表層，累枝蟲的柄與絲狀菌相互纏繞，并根植于顆粒內(nèi)部(圖 6c、d)，形成密實(shí)的“骨架”，有利于顆粒污泥的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.由于累枝蟲柄分泌的粘性物質(zhì)(Weber et al., 2007)可以吸附懸浮微粒和細(xì)菌(圖 6b)，有利于菌膠團(tuán)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(nèi)部斷面(c.×500，d.×2000)的SEM(粒徑Ø=2.00 mm)
本文采用機(jī)理圖直觀表示表層附著累枝蟲的好氧顆粒污泥形成過程和結(jié)構(gòu)特點(diǎn).由圖 7可知，這種好氧顆粒污泥的形成主要經(jīng)過以下3個(gè)階段：第1階段，累枝蟲附著在污泥絮體上進(jìn)行繁殖，同時(shí)累枝蟲通過柄分泌對(duì)懸浮顆粒和細(xì)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(tuán)的形成與聚集;第2階段，菌膠團(tuán)相互聚集，初步形成好氧顆粒污泥，且累枝蟲附著在顆粒污泥表層，繼續(xù)分泌粘液促進(jìn)顆粒化，累枝蟲柄和絲狀菌成為顆粒污泥的“骨架”，有助于提高顆粒污泥結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性;第3階段，隨著“骨架”的作用、菌膠團(tuán)的聚集和累枝蟲的繁殖，表層附著大量累枝蟲的成熟好氧顆粒污泥最終形成.
圖 7 表層附著累枝蟲的好氧顆粒污泥形成過程
通過分樣篩篩選出粒徑在2 mm左右的顆粒污泥若干，再通過光學(xué)顯微鏡區(qū)分出表層附著大量累枝蟲的顆粒污泥與附著極少量累枝蟲的兩種顆粒污泥，分別進(jìn)行顆粒強(qiáng)度測試和沉速試驗(yàn).
污泥完整性系數(shù)可在一定程度上表示顆粒污泥的強(qiáng)度，污泥完整性系數(shù)越大，則說明污泥顆粒強(qiáng)度越大.按照強(qiáng)度測試分析方法處理和計(jì)算后，得出附著大量累枝蟲顆粒污泥與附著極少量累枝蟲顆粒污泥的完整系數(shù)分別為99.1%和97.6%，均大于97%，兩種顆粒幾乎無破損現(xiàn)象發(fā)生.相對(duì)于其他學(xué)者培養(yǎng)出的完整系數(shù)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(qiáng)度.
沉速實(shí)驗(yàn)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，附著極少量累枝蟲的顆粒污泥沉速相比附著大量累枝蟲的顆粒污泥可提高15.0%，說明附著顆粒表層生長的累枝蟲會(huì)略微降低顆粒污泥的沉速.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
1)采用實(shí)際生活污水及接種城市污水處理廠中富有累枝蟲的活性污泥，通過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(yǎng)出表層附著大量累枝蟲、具有良好沉降性能和強(qiáng)度的好氧顆粒污泥.
2)顆粒表層的累枝蟲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柄可以成為顆粒污泥的“骨架”，有利于顆粒污泥的形成及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的提高.
