1 引言
原生動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注.鐘蟲、累枝蟲是原生動物門纖毛綱緣毛目的微小動物，其中，鐘蟲呈倒鐘形且單體生活，柄螺旋而收縮;累枝蟲形態與鐘蟲相似且群體生活，有分枝，柄無肌絲不收縮.研究發現，污水處理曝氣池中鐘蟲和累枝蟲大量出現往往指示污泥性狀良好，出水水質好(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物生長繁殖的生存環境，使得研究人員很少在顆粒污泥表層發現大量原生動物附著的現象，因此，忽視了對好氧顆粒污泥中原生動物的研究.Weber等(2007)首先研究了在好氧顆粒污泥表層出現的纖毛類原生動物，推測其分泌的粘性物質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物的好氧顆粒污泥，并對其中鐘蟲和輪蟲的形成與特征進行了研究，發現鐘蟲與輪蟲有利于顆粒的穩定和提高出水澄清度.
通過長期研究發現，接種城市污水處理廠的活性污泥，采用實際生活污水可成功培養出表層附著大量累枝蟲(纖毛綱緣毛目累枝蟲屬)等原生動物的好氧顆粒污泥，且能長期穩定運行.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.試驗原水來自一個生活區排放的實際生活污水，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：進水5 min，曝氣180 min，沉淀3 min，出水15 min，閑置37 min. 采用時間程序控制器(PLC)自動控制反應器各階段，每天運行6個周期，每個周期進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均依照國家環保局《水和廢水監測分析方法》(第4版)進行測定.
2.3 顆粒污泥的形態觀察
從接種污泥到好氧顆粒污泥形成的整個過程觀察采用Olympus公司的CX31型光學顯微鏡，每隔一定時間取反應器中的混合液進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，樣品預處理前需經過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%)的乙醇溶液對樣品進行脫水處理，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.經過臨界點干燥和鍍膜后即可進行樣品的觀察(Araujo et al., 2003).
2.4 原生動物的計數
原生動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物進行計數;重復計數3滴混合液，取其平均值，即得1滴混合液中原生動物的數量.用1滴混合液中原生動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物數)，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)，通過熒光染色劑對懸浮絮體進行染色.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)的各粒徑范圍的顆粒污泥加入量筒，測量每個顆粒污泥從量筒頂部沉降到底部所用的時間(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孔徑為2.5、2.0、1.6、1.43和1.25 mm的分樣篩，然后將各個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;稱量上清液中污泥的質量和沉降顆粒污泥的質量.將沉降顆粒污泥的質量占總污泥質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特征
原水來自附近生活小區化糞池出水.以當地某城市污水處理廠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(沉淀時間短)，導致一些輕質絮體排出反應器，MLSS由接種時的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程及新生污泥結構較為松散且沉降性能較差的特點，污泥的SVI從接種時的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.運行30 d后，污泥顆粒結構較為密實，污泥形態趨于聚集態，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，附著大量累枝蟲的顆粒污泥成為活性污泥的主要形態(圖 2)，污泥顆粒化效果明顯，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，取部分混合液通過光學顯微鏡觀察，附著大量累枝蟲的顆粒污泥平均粒徑可達2 mm左右，約占顆粒總數量的90%左右，附著少量累枝蟲的顆粒污泥約占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 好氧污泥顆粒化培養中SVI和MLSS的變化 
圖 2 表層附著累枝蟲的好氧顆粒污泥形態圖片(a.光學顯微鏡，×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污水處理廠，活性污泥中存在大量累枝蟲等原生動物.由于累枝蟲等原生動物針對周圍介質化學作用的體表保護性不完善，對環境具有很強的敏感性(關萍等，2013).因此，采用相似實際生活污水作為原水，其C、N、P的濃度環境與SBR的低負荷運行均有利于累枝蟲等原生動物的生長與繁殖.原生動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物，而反應器中較高的水力剪切力和較短的沉降時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器，從而成為反應器中的優勢物種.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 累枝蟲對好氧顆粒污泥特性的影響
3.2.1 累枝蟲對出水SS 的影響
研究表明，原生動物通過攝取污水中的懸浮物、游離細菌及分泌粘性物質促進絮凝，以減少出水SS和提高澄清度，改善出水水質.
本文通過比較反應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的數量相對較少，且污泥顆粒化程度不高，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;之后隨著污泥顆粒化及累枝蟲大量生長，累枝蟲密度不斷提高，出水SS逐步下降，第100 d左右時，累枝蟲密度達到最高值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 ℃，導致累枝蟲世代周期延長.陳立婧等(2009)研究發現，溫度是原生動物的重要生態限制因子，且大部分原生動物密度與水溫呈顯著正相關關系，低溫會影響原生動物的增殖速率(沈韞芬等，1990).120 d后累枝蟲密度逐漸下降并趨于穩定，出水SS出現小幅度上升.由圖 3還可發現，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、水溫與累枝蟲密度的變化
采用直接免疫熒光法，通過熒光染色劑對水中的游離細菌進行染色，在DMI3000B熒光顯微鏡下觀察累枝蟲對游離細菌的吞食.從圖 4a可以看到被 染色發出熒光的游離細菌和未進食的累枝蟲.經過8 h后，從圖 4b可以看到累枝蟲體內已有大量發出藍色熒光的物質，說明累枝蟲吞食了水體中懸浮的游離細菌.證明累枝蟲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 累枝蟲攝食細菌(a.累枝蟲與染色游離細菌，×400，b.攝食游離細菌的累枝蟲，×400)
3.2.2 累枝蟲對有機物與氨氮去除影響
通過比較CODCr與氨氮(NH4+-N)的去除效果、污泥負荷率及累枝蟲密度的變化趨勢，可以分析累枝蟲對水質造成的影響.如圖 5所示，在整個反應器運行過程中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NH4+-N去除效果的影響不明顯.在反應器運行開始階段，累枝蟲數量很少，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%，最高時達到95.4%，說明累枝蟲在達到最高密度的同時，往往預示著良好的出水水質(Salvado et al., 1995);120 d后，累枝蟲密度逐漸下降，同時CODCr去除率也略有下降.由此驗證了Schwarzenbeck等(2004)的觀點：表層生長高活性原生動物的顆粒污泥有很強的CODCr去除能力.分析其原因為：累枝蟲可吞食懸浮游離細菌，降低出水SS進而降低出水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，提高細菌活性(Weber et al., 2007).累枝蟲等原生動物還可通過捕食作為選擇壓，使繁殖能力強、活性高的細菌存活下來，從而提高有機碳利用率.
圖 5 CODCr去除率、氨氮去除率和累枝蟲密度的變化
3.2.3 累枝蟲對顆粒污泥結構的影響
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、外部結構，結果如圖 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，并根植于顆粒內部(圖 6c、d)，形成密實的“骨架”，有利于顆粒污泥的結構穩定.由于累枝蟲柄分泌的粘性物質(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表示表層附著累枝蟲的好氧顆粒污泥形成過程和結構特點.由圖 7可知，這種好氧顆粒污泥的形成主要經過以下3個階段：第1階段，累枝蟲附著在污泥絮體上進行繁殖，同時累枝蟲通過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，且累枝蟲附著在顆粒污泥表層，繼續分泌粘液促進顆粒化，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構的強度和穩定性;第3階段，隨著“骨架”的作用、菌膠團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，再通過光學顯微鏡區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分別為99.1%和97.6%，均大于97%，兩種顆粒幾乎無破損現象發生.相對于其他學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.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
4 結論
1)采用實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間共同作用可培養出表層附著大量累枝蟲、具有良好沉降性能和強度的好氧顆粒污泥.
2)顆粒表層的累枝蟲有利于減少出水懸浮固體，提高出水澄清度，但會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構強度和穩定性的提高.
