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(shí)程度和絮體單位(unit)懸浮固體內(nèi)總細(xì)絲長(zhǎng)度等表征.絮體大小、形狀反映污泥對(duì)感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(duì)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(lái)描述絮體形成情況，從而從微觀層面反映污泥成長(zhǎng)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（striking）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(jī)負(fù)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(yùn)行的穩(wěn)定性、抗沖擊能力強(qiáng).而這些宏觀工藝參數(shù)的改變都是系統(tǒng)微觀特征變化的結(jié)果，然而，對(duì)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(jiàn)報(bào)道.
為了探索純氧曝氣活性污泥培養(yǎng)過(guò)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)器直接培養(yǎng)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(yǎng)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(nèi)總細(xì)絲長(zhǎng)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(guò)程中污水中溶解氧保持在6.00—8.00 mg · L-1.試驗(yàn)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(jìn)水CO
D、NH3-
N、TP分別為mg · L-1、mg · L-1、mg · L-1.運(yùn)行周期為720 min，其中排水、進(jìn)水5 mi
N、曝氣600 mi
N、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為4744.00 mg · L-1)，對(duì)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(yùn)行方式方法與第1組相同.運(yùn)行過(guò)程中均不排泥.
2.2 污泥絮體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)量
絮體大小、形狀、密實(shí)程度和絲狀菌（fungus)指數(shù)分別以當(dāng)量直徑、規(guī)則度、孔隙率和單位懸浮固體內(nèi)總細(xì)絲長(zhǎng)度來(lái)表征.Deq和Ftl計(jì)算
規(guī)則度的計(jì)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(zhǎng)與圓的周長(zhǎng)相比較，比值越接近于1，說(shuō)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，P為絮體投影周長(zhǎng).
孔隙率的計(jì)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(shuō)明絮體結(jié)構(gòu)越松散.公式如下：
式中，Api為單個(gè)絮體內(nèi)所有孔隙的面積之和;TA為絮體總投影面積.
以上參數(shù)均利用顯微分析技術(shù)測(cè)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載物臺(tái)上，顯微鏡接數(shù)碼(digital)相機(jī)，并用配套的軟件對(duì)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(shù)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(duì)采集的圖片進(jìn)行對(duì)比度、顏色飽和度、HSI測(cè)量區(qū)域選擇等預(yù)處理，然后選擇測(cè)量參數(shù)，測(cè)量值導(dǎo)出到Excel中，最后計(jì)算出每個(gè)絮體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)值.
顯微鏡拍攝采集絮體圖片時(shí)，觀察污泥絮體中原生動(dòng)物、后生動(dòng)物，參照?qǐng)D譜鑒別計(jì)數(shù).
3 結(jié)果與討論
3.1 活性污泥培養(yǎng)階段確定
污泥濃度是活性污泥的基本特征.纖毛蟲(chóng)是活性污泥系統(tǒng)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(zhǎng)，且細(xì)胞體積大，便于鑒別計(jì)數(shù)等優(yōu)勢(shì)，因此試驗(yàn)中將MLSS與纖毛蟲(chóng)的密度變化作為污泥直接培養(yǎng)、馴化過(guò)程階段劃分的依據(jù).
污泥培養(yǎng)過(guò)程中，MLSS變化如圖 1所示.直接培養(yǎng)過(guò)程中MLSS從無(wú)到有，緩慢增長(zhǎng)，22 d后指數(shù)式快速增長(zhǎng)到3941.00 mg · L-1.直接培養(yǎng)1~7 d系統(tǒng)內(nèi)原生動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)種為鞭毛蟲(chóng)，不存在纖毛蟲(chóng).第8 d開(kāi)始出現(xiàn)纖毛蟲(chóng)，并大量繁殖成為優(yōu)勢(shì)種.第23 d系統(tǒng)內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)后生動(dòng)物，由于捕食作用導(dǎo)致纖毛蟲(chóng)數(shù)量開(kāi)始減少并在35 d時(shí)相對(duì)穩(wěn)定在220 ind. · L-1左右.35 d后形成以固著型纖毛蟲(chóng)為優(yōu)勢(shì)種的微型動(dòng)物種群，變化不大，此時(shí)COD去除率達(dá)到95.10%，可認(rèn)為污泥培養(yǎng)基本完成.因此，試驗(yàn)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(guò)程中MLSS變化
污泥馴化培養(yǎng)過(guò)程中，從開(kāi)始馴化到第10 d，MLSS呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，10 d后也以指數(shù)方式增長(zhǎng)，整個(gè)馴養(yǎng)過(guò)程MLSS增加了2637.00 mg · L-1，增長(zhǎng)量比污泥直接培養(yǎng)法少1290.00 mg · L-1，總的增長(zhǎng)率低于直接培養(yǎng)法.存在一定數(shù)量纖毛蟲(chóng)的接種污泥在緩慢適應(yīng)新環(huán)境過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)纖毛蟲(chóng)數(shù)量先小幅度增加后又減少到初始值.第11 d開(kāi)始纖毛蟲(chóng)數(shù)量逐步增加到22 d最大值.第23 d系統(tǒng)內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)后生動(dòng)物，纖毛蟲(chóng)數(shù)量開(kāi)始降低，并在31 d時(shí)相對(duì)穩(wěn)定（解釋:穩(wěn)固安定；沒(méi)有變動(dòng))在220 ind. · L-1左右，此時(shí)，COD去除率達(dá)到97.31%，可認(rèn)為污泥馴化完成.因此，試驗(yàn)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(shí)間有所差異，但總時(shí)間相同.由于直接培養(yǎng)的后期比馴養(yǎng)培養(yǎng)長(zhǎng)，直接培養(yǎng)污泥需要更長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定.
3.2 活性污泥直接培養(yǎng)和馴化過(guò)程(guò chéng)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(guò)程中絮體大小變化如圖 2所示.活性污泥直接培養(yǎng)過(guò)程中絮體Deq呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)（trend).培養(yǎng)初期絮體Deq增長(zhǎng)速度較快，中期增長(zhǎng)緩慢，后期又快速增長(zhǎng).這是由于培養(yǎng)初期污水中營(yíng)養(yǎng)豐富，微生物量少，微生物快速生長(zhǎng)、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(yíng)養(yǎng)限制，微生物及其生長(zhǎng)載體的污泥絮體增長(zhǎng)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(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(yǎng)過(guò)程(guò chéng)中絮體Deq變化
圖3 污泥培養(yǎng)過(guò)程中絮體Rd變化
污泥馴養(yǎng)過(guò)程(guò chéng)中，絮體Deq整體也呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì).但在馴養(yǎng)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(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(yǎng)物質(zhì)的二沉池內(nèi)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間停留，絮體內(nèi)微生物長(zhǎng)期處于失活狀態(tài).在取泥、 運(yùn)輸和絮凝沉降過(guò)程中，剪切力使得污泥絮體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又被大大減弱，致使污泥附著的原生動(dòng)物游離出絮體.這些游離的原生動(dòng)物在污泥系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)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（fungus)大量繁殖，微生物的新陳代謝物質(zhì)附著于越來(lái)越密實(shí)的絮體上，絮體Deq迅速增大.馴化后期，絮體附著物和細(xì)菌分泌(secretion)的胞外聚合物使絮體表面更松散，絮體開(kāi)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(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速率有所不同，直接培養(yǎng)法污泥絮體增長(zhǎng)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(guò)程中絮體規(guī)則度變化規(guī)律如圖 3所示，污泥直接培養(yǎng)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(xiàn)，在最初形成的絮體大多數(shù)為圓形，隨著絮體的生長(zhǎng)，絮體結(jié)構(gòu)逐漸變成中期的橢圓形、長(zhǎng)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(shí)，表面形狀不規(guī)則的絮體.而馴化污泥絮體Rd變化不大，在0.400~0.520內(nèi)波動(dòng).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(shí)，表面形狀各異的絮體.
圖4 污泥培養(yǎng)過(guò)程(guò chéng)中絮體形狀變化
絮體Rd的變化不是獨(dú)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（research)結(jié)果相一致.根據(jù)Deq將絮體劃分為小絮體、大絮體，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(dòng).
3.2.3 絮體密實(shí)程度變化
污泥培養(yǎng)過(guò)程中絮體孔隙率變化如圖 5所示.污泥直接培養(yǎng)絮體Po變化范圍小，培養(yǎng)初期、中期絮體Po呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，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，馴化初期、后期絮體Po呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，中期呈增長(zhǎng)趨勢(shì).
圖5 污泥培養(yǎng)過(guò)程中絮體Po變化
污泥絮體Deq和Po變化表明：絮體Deq小于104.00 μm時(shí)，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(tuán)-絮團(tuán)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，因此隨著絮體粒徑的增大，絮體孔隙率也越大.但當(dāng)絮體Deq大于104.00 μm時(shí)，由于擠壓作用，隨著絮團(tuán)-絮團(tuán)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(shì)，馴化培養(yǎng)初期和后期呈減小趨勢(shì)，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（fungus)指數(shù)變化
污泥培養(yǎng)過(guò)程中的絮體絲狀菌指數(shù)變化如圖 6所示.直接培養(yǎng)前16 d和馴化培養(yǎng)整個(gè)過(guò)程，絮體內(nèi)絲狀菌含量少.這是由于本研究采用純氧曝氣氧含量高，且營(yíng)養(yǎng)配比合理，而絲狀菌適于在低溶解氧或低負(fù)荷環(huán)境生長(zhǎng)，但是污泥直接培養(yǎng)過(guò)程的中期，系統(tǒng)中開(kāi)始出現(xiàn)大量絲狀菌，到污泥培養(yǎng)的第31 d達(dá)到絮體Ftl最大值，污泥容積指數(shù)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(shí)，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)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(zhǎng)，絲狀菌獲得更多的營(yíng)養(yǎng)，快速生長(zhǎng);絲狀菌的生長(zhǎng)反過(guò)來(lái)又促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、氧氣在絮體內(nèi)部的流動(dòng)，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(yàn)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(dāng)然，直接培養(yǎng)后期由于絲狀菌大量存在，增加了絮團(tuán)-絮團(tuán)絮凝的能力，從而促進(jìn)絮體Deq迅速增大.
圖6 污泥培養(yǎng)過(guò)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
活性污泥直接培養(yǎng)初期，絮體Deq與Po顯著正相關(guān)，因?yàn)榇穗A段的絮體大多為微小絮體，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De
Q、Rd和Po顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為-0.945，-0.97.因?yàn)樵谖勰嗯囵B(yǎng)系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)無(wú)絲狀菌，隨著微絮體-微絮體凝聚成絮體過(guò)程中，絮體Deq不斷增大，絮體內(nèi)部孔隙越來(lái)越大，絮體形狀也越來(lái)越不規(guī)則.直接培養(yǎng)中期，絲狀菌對(duì)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(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別達(dá)到-0.959、-0.875.由于絲狀菌從絮體中伸出來(lái)，向各個(gè)方向隨機(jī)地生長(zhǎng)繁殖，促進(jìn)絮體的不規(guī)則生長(zhǎng)，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，絮體Po和Ftl負(fù)相關(guān)性較大.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(zhǎng)，伸出絮體外長(zhǎng)度可達(dá)到絮體Deq的2～3倍，這些絮體外絲狀菌對(duì)絮體結(jié)構(gòu)的作用減小.
污泥馴化初期，絮體Deq和R
D、Deq和Po均顯著正相關(guān)(related)，r分別為1、0.958.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?yàn)樾躞w-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，少量絲狀菌影響絮體規(guī)則度.馴化后期，對(duì)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De
Q、Ftl顯著負(fù)相關(guān)，與Po顯著正相關(guān).
4 結(jié)論
1)直接培養(yǎng)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(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(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(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(dòng)，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(shí)，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(dòng)，初期和中期絮體Po呈現(xiàn)出隨粒徑增大而增大的趨勢(shì).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(shì).直接培養(yǎng)法得到的污泥結(jié)構(gòu)更加密實(shí).
4)污泥直接培養(yǎng)中期開(kāi)始出現(xiàn)絲狀菌，并在后期達(dá)到30.50 μm · mg-1，隨即又恢復(fù)到3 μm · mg-1;污泥馴化整個(gè)過(guò)程(guò chéng)中系統(tǒng)內(nèi)均無(wú)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De
Q、Po顯著負(fù)相關(guān);中期絮體Ftl與P
O、Rd都顯著（striking）負(fù)相關(guān)，絲狀菌作用較大;后期各參數(shù)(parameter)間相關(guān)性均不十分顯著.污泥馴化初期，絮體Deq與R
D、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(jiàn)污水寶商城資料或
6)兩種培養(yǎng)方法各有優(yōu)勢(shì)，馴化培養(yǎng)污泥MLSS增長(zhǎng)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.
