0371-60972711
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2016-10-11 09:15:33 來源： 點(diǎn)擊：
1 引言活性污泥法(Activated Sludge Process)用于城市生活污水和工業(yè)廢水處理已有一百多年歷史，是最廣泛應(yīng)用的廢水生物處理工藝，其核心是活性污泥中存在的微生物(細(xì)菌類、真菌類、原生動(dòng)物和微型后生動(dòng)物等)及其群體所組成的微生態(tài)降解系統(tǒng).活性污泥培養(yǎng)馴化是活性污泥系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過馴化條件(原污泥、廢水水質(zhì)、處理工藝等)對(duì)微生物的選擇作用，構(gòu)建適用于不同水質(zhì)和運(yùn)行條件下的活性污泥微生態(tài)系統(tǒng).然而，對(duì)活性污泥的培養(yǎng)馴化機(jī)理并不是十分了解，只是推測(cè)在此過程中可能涉及到微生物群落正向自發(fā)突變的積累.
微型動(dòng)物在活性污泥微生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用：一方面，微型動(dòng)物(Microfauna)(包括原生動(dòng)物(Protozoa)和微型后生動(dòng)物(Micro-metazoa))通過捕食細(xì)菌，保持細(xì)菌群落活力，從而維持活性污泥微生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定;另一方面，產(chǎn)生的溶解性有機(jī)物質(zhì)(DOM)代謝產(chǎn)物可作為細(xì)菌的礦物營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖等.更重要的是，活性污泥微型動(dòng)物與污水廠運(yùn)行狀況之間存在著密切的關(guān)系，可作為活性污泥污水處理性能的指示生物，從而反映活性污泥系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài).
生物群落物種多樣性可以反映群落的結(jié)構(gòu)和功能，多樣性高低可通過量化指數(shù)來衡量.在一定時(shí)期內(nèi)物種多度保持不變的群落稱為“穩(wěn)定群落”，而把另外一些物種多度表現(xiàn)出很大變化的群落稱為“不穩(wěn)定群落”.有研究者基于物種數(shù)與群落總多度之比定義的穩(wěn)定性指數(shù)以及群落物種多樣性值的變異系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化探討群落穩(wěn)定性問題.然而，目前對(duì)于活性污泥培養(yǎng)馴化過程中微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)演變的研究，僅進(jìn)行了粗略的描述，對(duì)活性污泥微型動(dòng)物群落物種多樣性、穩(wěn)定性等缺乏系統(tǒng)的研究.
本研究以廢水生物處理中廣泛使用的序批式活性污泥工藝(Sequencing batch reactor，SBR)為平臺(tái)，對(duì)培養(yǎng)馴化過程中活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)、物種多樣性及穩(wěn)定性情況進(jìn)行考察.對(duì)污泥馴化過程中微型動(dòng)物生態(tài)學(xué)研究，可從微生態(tài)層面揭示污水處理間歇曝氣活性污泥馴化中微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征、物種多樣性和穩(wěn)定性變化規(guī)律，以揭示缺氧/好氧交替環(huán)境下活性污泥培養(yǎng)馴化微觀機(jī)理，闡明微型動(dòng)物群落與污泥特性及污水處理效果之間的相互關(guān)系，為活性污泥培養(yǎng)馴化啟動(dòng)和系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行操作提供技術(shù)基礎(chǔ)支撐.
2 材料與方法
2.1 反應(yīng)器運(yùn)行控制
試驗(yàn)采用序批式反應(yīng)器(SBR)，反應(yīng)器主體由高85 cm、內(nèi)徑7.5 cm的有機(jī)玻璃柱制成，有效容積為 3.2 L.空氣壓縮機(jī)通過置于反應(yīng)器底部的微孔曝氣頭提供系統(tǒng)所需氧氣，同時(shí)為泥、水的混勻與環(huán)流提供動(dòng)力.通過調(diào)節(jié)空氣流量計(jì)控制曝氣強(qiáng)度(0.2 L·min-1)，維持水中穩(wěn)定的溶解氧((5.42±0.03)mg·L-1).反應(yīng)器在室溫(20±2.1)℃下運(yùn)行.
接種污泥取自馬鞍山市某污水處理廠好氧池回流污泥，清洗3遍后投加至SBR反應(yīng)器悶曝，2 d后混合液懸浮固體濃度(MLSS)為1100 mg·L-1，污泥沉降比(SV)為32%.運(yùn)行16 d，MLSS達(dá)到4000 mg·L-1左右時(shí)，通過每日排泥的方式維持穩(wěn)定的MLSS，并控制污泥齡θ為20 d左右.
污泥培養(yǎng)馴化原水由自來水配制而成，水中投加一定量的C6H12O6、NH4Cl、KH2PO4(微量元素來自于試驗(yàn)用水)，使碳、氮、磷之比接近100∶5∶1.用NaHCO3/Na2CO3緩沖體系(pH=9.25)調(diào)節(jié)進(jìn)水pH至7.50±0.05.整個(gè)試驗(yàn)過程中，進(jìn)水 CODCr 為(1695.28±139.50)mg·L-1、氨氮為(40.71±7.83)mg·L-1、總磷為(8.25±0.17)mg·L-1，污泥負(fù)荷約為0.3 kg·kg-1·d-1.
SBR反應(yīng)器每天運(yùn)行2個(gè)周期，每個(gè)周期12 h，分成2個(gè)階段：①反應(yīng)器進(jìn)水曝氣階段，時(shí)間10 h;②沉淀排水階段，曝氣完成后自然沉淀時(shí)間2 h，然后將反應(yīng)器中上清液通過出水口排出，排水比(進(jìn)水體積與反應(yīng)池總有效體積之比)為1/3.2，然后補(bǔ)入新鮮原水至原水位，重新進(jìn)入下一個(gè)周期運(yùn)行，如此循環(huán)往復(fù).通過系統(tǒng)中活性污泥微型動(dòng)物群落物種多樣性及出水水質(zhì)等指標(biāo)判定，運(yùn)行約1個(gè)月，活性污泥微型動(dòng)物群落達(dá)初步穩(wěn)定，馴化完成.
2.2 微型動(dòng)物采樣、鑒別計(jì)數(shù)與分類統(tǒng)計(jì)
從反應(yīng)器啟動(dòng)后第4 d開始取樣，每1～2 d在曝氣階段結(jié)束前30 min內(nèi)，通過虹吸管在反應(yīng)器垂直方向上等距離(距離反應(yīng)器底部10 cm、40 cm、70 cm處)采集3個(gè)一定量污泥混合液平行樣用于微型動(dòng)物鑒別計(jì)數(shù).另外，取一定量的混合液做污泥特性常規(guī)項(xiàng)檢測(cè)，沉淀結(jié)束前取上清液做水質(zhì)常規(guī)項(xiàng)檢測(cè).
使用微量移液器(DRAGON大龍)移取25 μL搖勻后的污泥混合液置于光學(xué)顯微鏡(PH50系列)(×100或×400)下對(duì)微型動(dòng)物進(jìn)行鑒別、計(jì)數(shù).根據(jù)形態(tài)學(xué)和行為學(xué)特征并依照?qǐng)D譜、文獻(xiàn)將微型動(dòng)物按需要鑒定到種或類群.原生動(dòng)物均鑒定到種，輪蟲、線蟲等微型后生動(dòng)物鑒定到類群.鑒定工作在5 h(最長(zhǎng)不超過8 h)內(nèi)完成，以避免微型動(dòng)物群落物種多度和豐富程度在鑒別過程中改變. 將微型動(dòng)物群落中常見的纖毛蟲類原生動(dòng)物分為菌食性纖毛蟲和肉食性纖毛蟲，其中菌食性纖毛蟲又分為匍匐型纖毛蟲(Crawling ciliates)、固著型纖毛蟲和游泳型纖毛蟲等三大類群，將微型動(dòng)物數(shù)量所得數(shù)據(jù)折算成個(gè)· mL-1.
2.3 微型動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種群及群落物種多樣性與穩(wěn)定性分析
確定優(yōu)勢(shì)種的優(yōu)勢(shì)度計(jì)算公式：Y=(ni/N)×fi，其中，ni表示第i個(gè)種的多度(單位體積混合液中微型動(dòng)物群落所有物種的個(gè)體總數(shù))，N表示微型動(dòng)物群落所有物種的總多度，fi為第i個(gè)種在樣品中出現(xiàn)的頻率.優(yōu)勢(shì)度Y≥0.02的種為優(yōu)勢(shì)種，優(yōu)勢(shì)種屬和優(yōu)勢(shì)類群參考同樣方法確定.活性污泥微型動(dòng)物群落物種多樣性指數(shù)計(jì)算方法如表 1所示.
表 1 微型動(dòng)物群落物種多樣性指數(shù)的計(jì)算及意義 
采用物種穩(wěn)定指數(shù)WS和多樣性穩(wěn)定指數(shù)WH表征活性污泥培養(yǎng)馴化過程中微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性.物種穩(wěn)定指數(shù) WS= S/N，其中S、N同上;多樣性穩(wěn)定指數(shù) WH= ds /dm，其中，ds為不同馴化階段的多樣性值標(biāo)準(zhǔn)差，dm不同馴化階段的多樣性值的平均值(蔣杰賢等，2011).以上兩個(gè)指數(shù)的值越小，群落越穩(wěn)定.
2.4 理化與運(yùn)行參數(shù)測(cè)定
化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH+4-N)、總磷(TP)按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定;污泥沉降比(SV)采用30 min沉降直接讀數(shù)法測(cè)定;混合液懸浮固體濃度(MLSS)采用重量法測(cè)定;溶解氧(DO)和水溫(T)采用便攜式溶解氧測(cè)定儀(雷磁JPBJ-608)測(cè)定;pH值采用數(shù)顯pH計(jì)(雷磁PHS-25)測(cè)定.
2.5 數(shù)據(jù)處理與分析
所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)(除另有注明外)均取3個(gè)平行樣的平均值進(jìn)行分析.統(tǒng)計(jì)分析采用軟件SPSS 19.0進(jìn)行Spearman秩相關(guān)性和t檢驗(yàn)分析，采用Origin 9.0和Excel 2007完成相關(guān)圖表制作.
3 結(jié)果
3.1 活性污泥培養(yǎng)馴化階段的劃分
污泥特性、污染物降解效能、生物特性等方面是評(píng)價(jià)活性污泥系統(tǒng)性能的重要依據(jù)，故本研究根據(jù)污泥濃度(MLSS)和污泥沉降性能(SVI)、出水水質(zhì)(CODCr、NH+4-N)、活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征劃分污泥培養(yǎng)馴化階段.
反應(yīng)器運(yùn)行10 d時(shí)，MLSS達(dá)2800 mg·L-1(適宜范圍為2000～4000 mg·L-1)，SVI值由啟動(dòng)時(shí)的250 mL·g-1降為70 mL·g-1(適宜范圍為50～150 mL·g-1)(圖 1a);CODCr、NH+4-N去除率分別達(dá)94.19%和100%，此后變化不大(兩者標(biāo)準(zhǔn)差SD分別為2.50%和2.45%)(圖 1b).運(yùn)行1～14 d，其平均相對(duì)多度(物種個(gè)體數(shù)量占所有物種總數(shù)量的百分比)高達(dá)95.27%.運(yùn)行20 d后，鞭毛蟲平均相對(duì)多度才降低至40%以下(36.14%).運(yùn)行23 d后降至10%以下(2.49%)，此后一直維持在10%以下(4.52%±3.57%).指示活性污泥馴化成熟的微型后生動(dòng)物輪蟲在反應(yīng)器運(yùn)行23 d后才開始出現(xiàn)，綜合考慮后續(xù)微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的變化情況及其穩(wěn)定性將污泥成熟起始時(shí)間定為第26 d.因此，可將整個(gè)培養(yǎng)馴化過程劃分為初期(污泥性能達(dá)標(biāo)期)、中期(鞭毛蟲消減期)和后期(污泥成熟期)3個(gè)階段，各階段分別為1～10 d、11～25 d、26～31 d.
圖 1培養(yǎng)馴化過程中污泥特性( a) 和污水處理效果( b) 動(dòng)態(tài)變化
3.2 污泥馴化過程中微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)與物種多樣性變化3.2.1 馴化過程中微型動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種群變化
由活性污泥微型動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種群對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)度可知(表 2)，活性污泥培養(yǎng)馴化初期鞭毛蟲為唯一優(yōu)勢(shì)類群(Y≥0.02)，其優(yōu)勢(shì)度高達(dá)0.989.到馴化中期，鞭毛蟲優(yōu)勢(shì)度下降至0.509，比培養(yǎng)馴化初期降低了48.5%，匍匐型纖毛蟲和固著型纖毛蟲成為優(yōu)勢(shì)類群，優(yōu)勢(shì)度分別達(dá)0.133和0.322.馴化后期，微型動(dòng)物群落優(yōu)勢(shì)類群達(dá)到4個(gè)，分別是匍匐型纖毛蟲(Y=0.144)、固著型纖毛蟲(Y=0.275)、肉食性纖毛蟲(Y=0.533)和鞭毛蟲(Y=0.044).
表 2 污泥不同馴化階段微型動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種群組成及優(yōu)勢(shì)度Y
馴化初期，波豆蟲屬(Bodo sp.)為唯一優(yōu)勢(shì)屬(Y=0.989)，包括4個(gè)低等的鞭毛蟲優(yōu)勢(shì)種：尾波豆蟲(B. caudatus)(Y=0.160)、阿氏波豆蟲(B. alexeieffii)(Y=0.021)、球波豆蟲(B. globosus)(Y=0.112)、小波豆蟲(B. minimus)(Y=0.643).馴化中期優(yōu)勢(shì)種屬增至5個(gè)，分別為斜管蟲屬(Chilodonella sp.)(Y=0.020)、楯纖蟲屬(Aspidisca sp.)(Y=0.032)、鐘蟲屬(Vorticella sp.)(Y=0.216)、累枝蟲屬(Epistylis sp.)(Y=0.071)和波豆蟲屬(Bodo sp.)(Y=0.503)，含有7個(gè)優(yōu)勢(shì)種，分別是有肋楯纖蟲(A. costata)(Y=0.027)、溝鐘蟲(V. convallaria)(Y=0.024)、小口鐘蟲(V.microstoma)(Y=0.135)、湖累枝蟲(E. lacustris)(Y=0.061)、尾波豆蟲(B. caudatus)(Y=0.080)、球波豆蟲(B. globosus)(Y=0.072)和小波豆蟲(B. minimus)(Y=0.216)，增加了4個(gè)較高等級(jí)的固著型和匍匐型纖毛蟲，減少了1個(gè)較低等級(jí)的鞭毛蟲.馴化后期，除波豆蟲屬(Bodo sp.)優(yōu)勢(shì)度降至較低水平(Y=0.025)外，其他優(yōu)勢(shì)屬的優(yōu)勢(shì)度均有所提高.此外，半眉蟲屬(Hemiophrys sp.)在后期也成為優(yōu)勢(shì)種屬，其優(yōu)勢(shì)度高達(dá)0.524，此階段優(yōu)勢(shì)種有5個(gè)，均為較高等級(jí)的原生動(dòng)物，已不存在較低等的鞭毛蟲類優(yōu)勢(shì)種(Y<0.02).
3.2.2 污泥馴化過程中微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)
活性污泥馴化初期，鞭毛蟲為單一優(yōu)勢(shì)類群(表 2)，其相對(duì)多度高達(dá)99.0%±1.6%(圖 2b，下同)，物種種數(shù)為4種(圖 3，下同)，占所有物種數(shù)的73.3%±17.4%.馴化中期，鞭毛蟲多度變化較大，在中期的14 d達(dá)到峰值(19587±792)個(gè)·mL-1(圖 2a，下同)，其相對(duì)多度達(dá)96.1%，隨后逐漸減小至馴化后期的5.3%±3.6%，種數(shù)減至1～2種，運(yùn)行20 d鞭毛蟲優(yōu)勢(shì)被固著型纖毛蟲取代.
圖 2馴化過程中活性污泥微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)演變(圖a 數(shù)據(jù)為均值平均值+標(biāo)準(zhǔn)差)
圖 3馴化過程中原生動(dòng)物群落不同類群物種的分布變化
進(jìn)入馴化中期后，固著型纖毛蟲開始大量繁殖，至21 d固著型纖毛蟲多度達(dá)到峰值(9289±51)個(gè)·mL-1，其相對(duì)多度達(dá)66.6%.運(yùn)行15 d，固著型纖毛蟲種數(shù)開始增多，至第20 d達(dá)最大值(7種)，占物種總數(shù)的58.3%，此后所占比例保持相對(duì)穩(wěn)定(SD：±9.8%).匍匐型纖毛蟲在反應(yīng)器運(yùn)行12 d后才出現(xiàn)，至運(yùn)行第21 d，占物種總數(shù)的25.2%±7.9%，后逐漸增長(zhǎng)至第25 d的最大值(10911±533)個(gè)·mL-1，相對(duì)多度也達(dá)最大值71.7%.肉食性纖毛蟲在運(yùn)行初期偶有出現(xiàn)，運(yùn)行25 d后才開始大量繁殖，其后期盡管種類不多(1～3種)，占物種總數(shù)約30%，但多度保持在較高水平(約4500 個(gè)·mL-1)，相對(duì)多度約63%.30 d時(shí)，肉食性纖毛多度達(dá)到最大值(6933±617)個(gè)· mL-1，其相對(duì)多度也達(dá)到最大值67.2%.整個(gè)試驗(yàn)過程中，有殼變形蟲和裸變形蟲種類少，只觀察到了1～2種.有殼變形蟲在試驗(yàn)初期偶有出現(xiàn)，裸變形蟲在試驗(yàn)后期少量出現(xiàn)，它們多度均小于100 個(gè)·mL-1，相對(duì)多度均在1%上下波動(dòng).
微型后生動(dòng)物輪蟲在反應(yīng)器運(yùn)行23 d后出現(xiàn)，且多度較小(約50 個(gè)·mL-1)，說明活性污泥開始逐漸趨于成熟.在整個(gè)試驗(yàn)過程中，未觀察到菌食性游泳型纖毛蟲，這與早期的研究結(jié)論有所不同，可能是因?yàn)樵撓到y(tǒng)污泥負(fù)荷相對(duì)較低(0.3 kg·kg-1·d-1)，而在高負(fù)荷(0.6～0.9 kg BOD·kg-1·MLSS-1·d-1)活性污泥系統(tǒng)中游泳型纖毛蟲才會(huì)成為優(yōu)勢(shì)類群.
因此，SBR工藝活性污泥培養(yǎng)馴化過程中，活性污泥微型動(dòng)物類群演替順序?yàn)椋罕廾x→固著型纖毛蟲→匍匐型纖毛蟲+固著型纖毛蟲→匍匐型纖毛蟲+固著型纖毛蟲+肉食性纖毛蟲→匍匐型纖毛蟲+固著型纖毛蟲+肉食性纖毛蟲+微型后生動(dòng)物;數(shù)量上占較大優(yōu)勢(shì)的類群其包含的優(yōu)勢(shì)種屬和優(yōu)勢(shì)種也多.
污泥培養(yǎng)馴化過程中，活性污泥微型動(dòng)物群落類群出現(xiàn)上述演替規(guī)律的原因可能是：反應(yīng)器啟動(dòng)初期，細(xì)菌活力弱，其對(duì)污泥絮體的凝聚能力低，污泥絮體松散粒徑小，因而不利于爬行或附著于污泥絮體表面捕食細(xì)菌的匍匐型和固著型纖毛蟲生長(zhǎng)繁殖，而有利于游離在細(xì)小絮體表面活動(dòng)的鞭毛蟲存活;此外，相對(duì)于體型較大的纖毛蟲原生動(dòng)物，鞭毛蟲(尤其是異養(yǎng)型鞭毛蟲(HNAN))對(duì)游離細(xì)菌的捕食效率更高，更有競(jìng)爭(zhēng)力而得以快速繁殖.隨著培養(yǎng)馴化的進(jìn)行，細(xì)菌活力得到增強(qiáng)，其凝聚力增加，污泥絮體粒徑增大，爬行或附著于污泥絮體表面捕食細(xì)菌的匍匐型和固著型纖毛蟲數(shù)逐漸成為共優(yōu)勢(shì)類群.隨著污泥培養(yǎng)馴化的進(jìn)一步強(qiáng)化，數(shù)量巨大的匍匐型和固著型纖毛蟲為肉食性纖毛蟲提供了食物，肉食性纖毛蟲大量繁殖成為優(yōu)勢(shì)類群，鞭毛蟲、纖毛蟲又為大型的微型后生動(dòng)物提供了豐富的食物，使得微型后生動(dòng)物出現(xiàn)，形成了穩(wěn)定的食物鏈與微生態(tài)系統(tǒng).
3.2.3 污泥馴化過程中微型動(dòng)物群落物種多樣性變化
污泥馴化過程中微型動(dòng)物群落物種多樣性變化如圖 4所示.培養(yǎng)馴化初期，微型動(dòng)物群落物種Shannon-Wiener指數(shù)H′呈現(xiàn)“先增后減”變化.運(yùn)行4 d時(shí)，H′為0.63±0.09，6 d達(dá)初期最大值的1.24±0.00，較啟動(dòng)時(shí)增大約96.8%，后降低至第10 d的0.96±0.06.馴化初期的Shannon-Wiener指數(shù)H′與Simpson指數(shù)D顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.829，p<0.05)(表 3，下同)，說明群落最常見種集中性程度“先減小后增大”是造成群落物種多樣性“先增后減”的主要原因.進(jìn)入馴化中期后，Shannon-Wiener指數(shù)H′呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì).運(yùn)行至第19 d時(shí)H′達(dá)最大值(1.87±0.18)，比馴化開始時(shí)增大約1.97倍.20 d后H′有小幅降低，直到這一階段結(jié)束前的1.33±0.00.在這一階段(馴化中期)，活性污泥微型動(dòng)物群落物種Shannon-Wiener指數(shù)H′與其Margalef指數(shù)R、Pielou指數(shù)E和Simpson指數(shù)D均顯著相關(guān)(p<0.05)，說明活性污泥培養(yǎng)馴化中期微型動(dòng)物群落物種豐富程度、均勻性和集中性程度均是影響群落物種多樣性變化趨勢(shì)的重要因素.馴化后期，微型動(dòng)物群落物種Shannon-Wiener指數(shù)比馴化中期有所下降，但穩(wěn)定在1.10左右，較馴化前增大約75%.朱鐵群等(2008)的研究也有類似的結(jié)論，即隨著馴化條件不斷強(qiáng)化，活性污泥微生物的多樣性表現(xiàn)出遞減趨勢(shì).
圖 4培養(yǎng)馴化過程中微型動(dòng)物群落物種多樣性指數(shù)隨時(shí)間的變化(數(shù)據(jù)分別為均值±3 個(gè)重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)差)
表 3 微型動(dòng)物群落物種多樣性指數(shù)間的相關(guān)性Table 3
對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)分析可知，培養(yǎng)馴化初期與中期相比群落物種Shannon-Wiener指數(shù)和Margalef指數(shù)均存在顯著性差異(p<0.05)，而Pielou指數(shù)和Simpson指數(shù)差異性不顯著(p>0.05);培養(yǎng)馴化中期和后期相比，這些生物特性指數(shù)差異性均不顯著(p>0.05)，說明活性污泥馴化中后期群落物種多樣性趨于穩(wěn)定.
3.3 活性污泥馴化過程中微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性
活性污泥培養(yǎng)馴化過程中，物種穩(wěn)定指數(shù)和多樣性穩(wěn)定指數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間的變化如圖 5所示.物種穩(wěn)定指數(shù)呈“急劇變小→逐步增大→降低趨穩(wěn)”的變化規(guī)律.具體地，反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)，物種穩(wěn)定指數(shù)WS高達(dá)7.14×10-3，馴化初期結(jié)束前的第9 d即迅速降至0.5×10-3，說明活性污泥培養(yǎng)馴化初期是微型動(dòng)物群落物種穩(wěn)定指數(shù)急劇降低的過程，也即該階段是活性污泥微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性急劇增強(qiáng)的過程.進(jìn)入馴化中期后，WS表現(xiàn)出劇烈的波動(dòng)(方差為2.386×10-3)，說明活性污泥馴化中期微型動(dòng)物群落仍不穩(wěn)定.馴化后期，WS值的波動(dòng)幅度與中期相比較小(方差為0.303×10-3)，說明該階段群落趨于穩(wěn)定;從多樣性穩(wěn)定指數(shù)來看，也可得出同樣的結(jié)論，即馴化中期多樣性穩(wěn)定指數(shù)(0.226)略大于馴化初期多樣性穩(wěn)定指數(shù)(0.216)，而馴化后期多樣性穩(wěn)定指數(shù)(0.155)為整個(gè)培養(yǎng)馴化過程中的最低值，較馴化初期降低28.2%，說明SBR工藝活性污泥培養(yǎng)馴化過程中微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性大小順序?yàn)轳Z化中期略小于初期，而馴化后期明顯大于初期和中期，即培養(yǎng)馴化后期活性污泥微型動(dòng)物群落達(dá)初步穩(wěn)定.
圖 5馴化過程中群落物種穩(wěn)定性指數(shù)與物種多樣性穩(wěn)定指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化
群落的容納能力即群落物種多度是決定群落穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，且物種多樣性的增加是增強(qiáng)群落穩(wěn)定性的重要因素，而物種穩(wěn)定指數(shù)和多樣性穩(wěn)定指數(shù)正是基于群落物種多度、物種數(shù)和物種多樣性指數(shù)建立的群落穩(wěn)定性特征值.由活性污泥馴化過程中微型動(dòng)物群落多度與物種數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間變化的最小二乘法(The least square method)擬合曲線可知(圖 6)，系統(tǒng)運(yùn)行初期和中期，微型動(dòng)物多度和物種數(shù)均增長(zhǎng)較快，培養(yǎng)馴化至后期兩者均趨于穩(wěn)定.此外，t檢驗(yàn)結(jié)果表明：馴化初期和中期，群落多度和物種種數(shù)均存在顯著差異(p<0.05)，而中期和后期相比，群落多度和物種種數(shù)差異性均不顯著(p>0.05)，說明馴化中期和后期微型動(dòng)物群落在多度、物種種數(shù)上已逐步趨于相近.由此可知，活性污泥培養(yǎng)馴化過程中，群落物種多度和物種數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定是微型動(dòng)物群落趨于穩(wěn)定的原因.
圖 6活性污泥馴化過程中微型動(dòng)物群落多度與物種數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間變化
4 結(jié)論
4.1 SBR工藝活性污泥微型動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種群不同于傳統(tǒng)活性污泥工藝
傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)(Conventional activated sludge system，CAS)中，盡管微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)隨周年動(dòng)態(tài)變化，但一般以纖毛蟲類原生動(dòng)物為主，而其中出現(xiàn)頻度最高(>50%)和最有代表性的原生動(dòng)物是緣毛類固著型纖毛蟲和寡毛類匍匐型纖毛蟲，兩者為共優(yōu)勢(shì)類群，尤其是固著型纖毛蟲，其多度最大，在同一個(gè)污水廠中固著型纖毛蟲的Shannon -Wiener多樣性指數(shù)也最高.從原生動(dòng)物種類看，有肋盾纖蟲(A. costata)、凹縫楯纖蟲(A. sulcata)、游仆蟲(E. affinis)、溝鐘蟲(V. convallaria)、褶累枝蟲(E. plicatilis)和半圓表殼蟲(A. hemisphaerica)出現(xiàn)頻率較大，有時(shí)經(jīng)常大量出現(xiàn)，為原生動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種;輪蟲經(jīng)常出現(xiàn)，數(shù)量維持中等水平，為優(yōu)勢(shì)后生動(dòng)物.然而本研究結(jié)果顯示，馴化中期小口鐘蟲(V. microstoma)和溝鐘蟲(V. convallaria)均為優(yōu)勢(shì)種(Y≥0.02)，到馴化后期溝鐘蟲(V. convallaria)已不占優(yōu)勢(shì)(Y<0.02)，而小口鐘蟲(V. microstoma)優(yōu)勢(shì)卻得到進(jìn)一步增強(qiáng)(表 2)，可能是SBR活性污泥工藝存在階段性缺氧環(huán)境(沉淀排水階段)，而小口鐘蟲(V. microstoma)是一種腐生種，它對(duì)低溶解氧環(huán)境條件有很強(qiáng)的耐受力.本研究中SBR活性污泥工藝中微型動(dòng)物群落優(yōu)勢(shì)類群、優(yōu)勢(shì)種不同于傳統(tǒng)活性污泥，如在傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)中不占優(yōu)勢(shì)的肉食性纖毛蟲、小口鐘蟲(V. microstoma)等在該系統(tǒng)中成為優(yōu)勢(shì)類群或優(yōu)勢(shì)種，說明不同的工藝類型其微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)具有明顯的差異，這與前人研究結(jié)論相一致.
4.2 活性污泥微型動(dòng)物群落穩(wěn)定滯后于其水處理性能穩(wěn)定
由試驗(yàn)結(jié)果可知，SVI由運(yùn)行第5 d的248 mL·g-1逐漸降低到11 d的69 mL·g-1，在運(yùn)行12～31 d內(nèi)，保持在適宜范圍內(nèi)(50～150 mL·g-1)，變化較小(SD：±10.3 mL·g-1)(圖 1a)，污泥的沉降比SV 26.1%±5.8%也維持在適宜范圍內(nèi)(15%～30%)，說明微型動(dòng)物群落達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間大于污泥成熟時(shí)間;從污水處理效能來看，反應(yīng)器運(yùn)行10 d后，CODCr、NH+4-N的去除率分別達(dá)94.2%和100%，且直到試驗(yàn)結(jié)束去除率(CODCr、NH+4-N)保持了相對(duì)穩(wěn)定，分別為95.12%±2.50%、99.23%±2.31%(圖 1b)，即活性污泥污染物降解性能達(dá)穩(wěn)定的初期階段只需10 d左右時(shí)間，而培養(yǎng)馴化后期(運(yùn)行25 d后)活性污泥微型動(dòng)物群落才漸趨于穩(wěn)定(圖 5)，由此可知，活性污泥微型動(dòng)物群落達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間也大于處理效能達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間.
活性污泥培養(yǎng)馴化過程中，微型動(dòng)群落穩(wěn)定滯后于污泥成熟、水處理性能穩(wěn)定.其原因可能是活性污泥微生態(tài)系統(tǒng)中有低營(yíng)養(yǎng)級(jí)細(xì)菌、高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的微型動(dòng)物、有機(jī)物、無機(jī)物質(zhì)等，它們由細(xì)菌分泌的有粘性的胞外聚合物(Extracellular polymeric substance，EPS)凝聚成污泥絮體.而細(xì)菌類原核微生物生長(zhǎng)快、繁殖快，產(chǎn)生大量的胞外聚合物是污泥發(fā)生生物絮凝降低SVI，使得污泥成熟時(shí)間短.細(xì)菌容易發(fā)生變異，能很快地適應(yīng)廢水環(huán)境，產(chǎn)生了很高的活性，能快速、高效地的分解廢水中污染物質(zhì)，使得污水處理效果穩(wěn)定所需時(shí)間短;而處于微生態(tài)食物鏈頂端的微型動(dòng)物的生長(zhǎng)繁殖速度低于細(xì)菌，在污泥培養(yǎng)馴化過程中，發(fā)生從低等到高等的優(yōu)勢(shì)種群演替變化(3.2.1 節(jié))，才能達(dá)到群落的穩(wěn)定，因此，微型動(dòng)物群落穩(wěn)定所需時(shí)間較長(zhǎng).
5 結(jié)論
1) 在SBR工藝活性污泥馴化過程中，優(yōu)勢(shì)種屬由以波豆蟲屬(Bodo sp.)為單一種屬向鐘蟲屬(Vorticella sp.)、累枝蟲屬(Epistylis sp.)、楯纖蟲屬(Aspidisca sp.)、斜管蟲屬(Chilodonella sp.)、半眉蟲屬(Hemiophrys sp.)等多個(gè)優(yōu)勢(shì)種屬發(fā)展;微型動(dòng)物群落由以鞭毛蟲為單一優(yōu)勢(shì)類群逐漸向匍匐型纖毛蟲、固著型纖毛蟲、肉食性纖毛蟲等多個(gè)優(yōu)勢(shì)類群演變.
2) 培養(yǎng)馴化過程中，微型動(dòng)物群落物種多樣性先急劇增大后小幅回落直至相對(duì)穩(wěn)定，但總體上呈先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，其中Shannon-Wiener多樣性指數(shù)比剛啟動(dòng)時(shí)增大約75.
3) SBR工藝活性污泥培養(yǎng)馴化過程中，微型動(dòng)物群落穩(wěn)定性變化規(guī)律：馴化初期到中期，略有減小;馴化中期到后期，有較大的增加并趨于穩(wěn)定，這是微型動(dòng)物群落總多度和物種數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定的結(jié)果.
4) 與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比，SBR工藝活性污泥微型動(dòng)物群落中部分優(yōu)勢(shì)類群和優(yōu)勢(shì)種存在差異.
5) 對(duì)微型動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與活性污泥性能及群落物種多樣性、穩(wěn)定性之間的關(guān)系進(jìn)行分析表明，群落穩(wěn)定滯后于馴化污泥成熟與污水處理效能穩(wěn)定.
