活性污泥中原生動(dòng)物的特征和作用

摘 要：要了解污水處理過(guò)程的變化或處理水的好壞，最好直接研究分析細菌的生長(cháng)情況。但是對于細菌的觀(guān)察、分類(lèi)鑒定的時(shí)間很長(cháng)，不能及時(shí)起指導生產(chǎn)的指示和預報作用。原生動(dòng)物與細菌之間存在相互依存的功能關(guān)系；原生動(dòng)物個(gè)體大，便于觀(guān)察；對于環(huán)境變化比細菌敏感，更早更容易反映環(huán)境的變化。直接觀(guān)察原生動(dòng)物的種類(lèi)組成、數量、生長(cháng)和變化狀況，也能反映出細菌的生長(cháng)和變化情況，即間接地評價(jià)污水處理過(guò)程和處理效果的好壞，起指導生產(chǎn)的作用。 

1　原生動(dòng)物的基本特征

1.1　形態(tài)

原生動(dòng)物門(mén)屬真核原生生物界，是單細胞的微型動(dòng)物，由原生質(zhì)和一個(gè)或多個(gè)細胞核組成。原生動(dòng)物和多細胞動(dòng)物相同，具有新陳代謝、運動(dòng)、繁殖、對外界刺激的感應性和對環(huán)境的適應性等生理功能。原生動(dòng)物個(gè)體很小，長(cháng)度一般在100～300 μm之間。它們都具有細胞膜。多數種屬的細胞膜結實(shí)而富有彈性，從而使原生動(dòng)物本體保持一定的體形。但也有一些種屬，例如變形蟲(chóng)，只有一層極薄的原生質(zhì)膜，不能保持固定的體形。原生動(dòng)物一般具有一個(gè)或兩個(gè)以上的細胞核，其形狀多種多樣，它們在其細胞內產(chǎn)生形態(tài)的分化，形成了能夠執行各項生命活動(dòng)和生理功能的胞器。在運動(dòng)胞器方面有鞭毛、偽足和纖毛；在營(yíng)養胞器方面有胞口、胞咽和食物泡；用以排出廢料和調節滲透壓的胞器有伸縮泡等。有些種類(lèi)的原生動(dòng)物的細胞膜內分布著(zhù)肌絲，具有收縮變形的功能。

1.2　營(yíng)養方式

原生動(dòng)物的營(yíng)養方式分為以下幾類(lèi)：①動(dòng)物性營(yíng)養，以吞食細菌、真菌、藻類(lèi)或有機顆粒為生，絕大多數原生動(dòng)物為動(dòng)物性營(yíng)養，有些具有胞口、胞咽等攝食器；②植物性營(yíng)養，在有陽(yáng)光的條件下，一些含色素的原生動(dòng)物可利用二氧化碳和水進(jìn)行光合作用合成碳水化合物，如植物性鞭毛蟲(chóng)，但種類(lèi)和數量都很少；③腐生性營(yíng)養，以死的機體或無(wú)生命的可溶性有機物質(zhì)為生；④寄生性營(yíng)養，以其它生物的機體(即寄主)作為生存的場(chǎng)所，并獲得營(yíng)養和能量。

1.3　分類(lèi)

1981年國際原生動(dòng)物學(xué)會(huì )公布了原生動(dòng)物分類(lèi)系統，其中在水處理中常見(jiàn)的有三類(lèi)：

①肉足類(lèi)，其細胞質(zhì)可伸縮變動(dòng)而形成偽足，作為運動(dòng)和攝食的胞器，運動(dòng)速度達3 μm/s，典型的肉足類(lèi)為變形蟲(chóng)屬、簡(jiǎn)便蟲(chóng)屬、表殼蟲(chóng)屬和鱗殼蟲(chóng)屬等；
②鞭毛類(lèi)，具有一根或一根以上的鞭毛。鞭毛長(cháng)度與其體長(cháng)大致相等或更長(cháng)些，是運動(dòng)器官，鞭毛蟲(chóng)又可分為植物性鞭毛蟲(chóng)和動(dòng)物性鞭毛蟲(chóng)，常見(jiàn)的植物性鞭毛蟲(chóng)有滴蟲(chóng)屬、屋滴蟲(chóng)屬和眼蟲(chóng)屬等，常見(jiàn)的動(dòng)物性鞭毛蟲(chóng)有波豆蟲(chóng)屬、尾波蟲(chóng)屬等，鞭毛蟲(chóng)的運行速度達15～300 μm/s；
③纖毛類(lèi)，原生動(dòng)物周身表面或部分表面具有纖毛，作為行動(dòng)或攝食的工具，具有胞口、口圍、口前庭和胞咽等司吞食和消化的細胞器官，分為游泳型和固著(zhù)型兩種，游泳型包括漫游蟲(chóng)屬、草履蟲(chóng)屬、腎形蟲(chóng)屬、斜管蟲(chóng)屬等，固著(zhù)型常見(jiàn)的有鐘蟲(chóng)屬、累枝蟲(chóng)屬、蓋蟲(chóng)屬、聚縮蟲(chóng)屬、盾纖蟲(chóng)屬和殼吸管蟲(chóng)屬等，纖毛類(lèi)運動(dòng)速度較快，可達200～1 000 μm/s。

2　原生動(dòng)物與細菌的關(guān)系

2.1　活性污泥的基本特征

活性污泥是污水活性污泥處理系統的反應工作主體，是由細菌、微型動(dòng)物為主的微生物與懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)混雜在一起所形成的絮狀體顆粒。良好的活性污泥具有很強的吸附分解有機物的能力和良好的沉降性能，絮體的大小約為0.02～0.2 mm，多為茶褐色，微具土壤味，密度約為1.005 g/cm3，含水率99%左右�；钚晕勰嘀猩�存著(zhù)各種微生物，構成了復雜的微生物相。在多數情況下，活性污泥中的主要微生物是細菌，伴之以營(yíng)腐生的原生動(dòng)物構成基本營(yíng)養層次，然后是以細菌為食的掠食性原生動(dòng)物占優(yōu)勢。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

2.2　原生動(dòng)物與細菌的功能關(guān)系

在廢水生物處理系統中將污染物質(zhì)降解的主要是細菌。原生動(dòng)物與細菌的關(guān)系主要為：①掠食關(guān)系，原生動(dòng)物在食物鏈中處于捕食細菌的作用。一方面，原生動(dòng)物通過(guò)對細菌的捕食，能促進(jìn)細菌的生長(cháng)，使細菌的生長(cháng)能維持在對數生長(cháng)期，防止種群的衰老，提高細菌的活力，而且原生動(dòng)物活動(dòng)產(chǎn)生溶解性有機物質(zhì)(DOM)可被細菌再利用，促進(jìn)了細菌的生長(cháng)；另一方面，原生動(dòng)物中存在的某些類(lèi)型(如纖毛類(lèi))具有吞食游離細菌的巨大能力，而游離的細菌個(gè)體小、密度小，較難沉淀，易被出水帶出而影響水質(zhì)。有人證明奇觀(guān)獨縮蟲(chóng)在自然水體中 1 h能吃3萬(wàn)個(gè)細菌。Curds等人在曝氣池中接種纖毛類(lèi)原生動(dòng)物，出水大為改善。②絮凝作用，細菌生長(cháng)到一定程度后就凝集成絮狀物。這種絮狀物為原生動(dòng)物提供了著(zhù)生的環(huán)境，反過(guò)來(lái)絮狀物上的原生動(dòng)物能加速絮凝過(guò)程。Curds等證明纖毛蟲(chóng)能分泌兩種物質(zhì)，一種稱(chēng)為P物質(zhì)，是一種多糖類(lèi)碳水化合物；另一種是屬于單糖結構的葡萄糖及阿拉伯糖，表面電荷為負的懸浮顆粒會(huì )吸收這種P物質(zhì)，通過(guò)懸浮顆粒表面電荷的改變，就使懸浮顆粒集結起來(lái)，形成絮狀物。另外，纖毛蟲(chóng)還能分泌一種粘液，能把絮狀物再聯(lián)結起來(lái)。原生動(dòng)物分泌的粘液對懸浮顆粒和細菌均有吸附能力。這就促進(jìn)了菌膠團的形成和處理能力的提高。

3　研究活性污泥中原生動(dòng)物的目的

要了解污水處理過(guò)程的變化或處理水的好壞，最好直接研究分析細菌的生長(cháng)情況。但是對于細菌的觀(guān)察、分類(lèi)鑒定的時(shí)間很長(cháng)，不能及時(shí)起指導生產(chǎn)的指示和預報作用。原生動(dòng)物與細菌之間存在相互依存的功能關(guān)系；原生動(dòng)物個(gè)體大，便于觀(guān)察；對于環(huán)境變化比細菌敏感，更早更容易反映環(huán)境的變化。直接觀(guān)察原生動(dòng)物的種類(lèi)組成、數量、生長(cháng)和變化狀況，也能反映出細菌的生長(cháng)和變化情況，即間接地評價(jià)污水處理過(guò)程和處理效果的好壞，起指導生產(chǎn)的作用。

4　研究分析方法

4.1　形態(tài)和生理觀(guān)察

采用顯微鏡對污水處理過(guò)程中的活性污泥生長(cháng)、變化進(jìn)行觀(guān)察。特別是觀(guān)察原生動(dòng)物的形態(tài)和生理特征。顯微鏡的放大倍數采用16×10或16×40即可，觀(guān)察到的原生動(dòng)物應與標準圖進(jìn)行對照。建議可以采用《微型生物監測新技術(shù)》上的圖片進(jìn)行比較。通過(guò)原生動(dòng)物的形態(tài)來(lái)確認其種類(lèi)和特性，進(jìn)而來(lái)分析其所處的生理狀態(tài)或生理階段，這能間接反映活性污泥的特性。

4.2　數量分析

建議采用以下簡(jiǎn)單易行的方法：用1 mL移液管，移取1 mL清水到表面皿中。用一橡膠頭小吸管，從表面皿中將1 mL水全部吸盡，然后以均勻的速度徐徐滴下，記錄1 mL水的滴數，并重復數次，以免誤差。用橡膠頭小吸管在反應器中取得均勻的混合液，滴一滴于載玻片上，蓋上蓋玻片，用低倍顯微鏡由左到右或由上到下(注意應采用相同的方向順序)進(jìn)行原生動(dòng)物的計數。應把蓋玻片下所有原生動(dòng)物記錄，并重復數次。用一滴混合液中原生動(dòng)物的記錄數乘以計數吸管1 mL水的滴數，即為每mL活性污泥混合液的原生動(dòng)物數。
 
5　原生動(dòng)物的指示作用

5.1　指示活性污泥性質(zhì)

(1)污泥惡化�；钚晕勰嘈跄�體較小，往往在0.1～0.2 mm以下。主要出現以下優(yōu)勢原生動(dòng)物：豆形蟲(chóng)屬、腎形蟲(chóng)屬、草履蟲(chóng)屬、瞬目蟲(chóng)屬、波豆蟲(chóng)屬、尾滴蟲(chóng)屬、滴蟲(chóng)屬等。這些都屬于快速游泳型的種屬。污泥嚴重惡化時(shí)，微型動(dòng)物幾乎不出現，細菌大量分散，活性污泥的凝聚、沉降能力下降，處理能力差。

(2)污泥解體。絮凝體細小，有些似針狀分散。主要的優(yōu)勢原生動(dòng)物有：變形蟲(chóng)屬、簡(jiǎn)便蟲(chóng)屬等肉足類(lèi)。

(3)污泥膨脹�；钚晕勰喑两敌阅懿�，SVI值高。由于絲狀菌的大量生長(cháng)，出現能攝食絲狀菌的裸口目旋毛科、全毛類(lèi)原生動(dòng)物及擬輪毛蟲(chóng)等。

(4)污泥從惡化恢復到正常。通過(guò)反應參數和環(huán)境的改變，活性污泥從惡化狀態(tài)恢復到正常的過(guò)渡期常常有下列原生動(dòng)物出現：漫游蟲(chóng)屬、斜葉蟲(chóng)屬、管葉蟲(chóng)屬等，這些都屬于慢速游泳或匍匐行進(jìn)的生物。

(5)污泥良好。易成絮體，活性高，沉降性能好。出現的優(yōu)勢原生動(dòng)物為：鐘蟲(chóng)屬、累枝蟲(chóng)屬、蓋蟲(chóng)屬、有肋盾纖蟲(chóng)屬、獨縮蟲(chóng)屬、各種吸管蟲(chóng)類(lèi)、輪蟲(chóng)類(lèi)、寡毛類(lèi)等這些均屬于固著(zhù)性種屬或者匍匐性種屬。

5.2　指示反應操作環(huán)境

(1)優(yōu)勢種屬。Modoni在1988年對污水處理廠(chǎng)進(jìn)行這方面的研究，總結出：高負荷、曝氣量相對不足時(shí)，小鞭毛蟲(chóng)占優(yōu)勢；過(guò)短的水力停留時(shí)間，造成小的游泳型纖毛蟲(chóng)占優(yōu)勢；非常高的負荷或存在難降解的物質(zhì)時(shí)，出現小的裸變形蟲(chóng)和鞭毛蟲(chóng)；大量出現匍匐性和固著(zhù)性纖毛蟲(chóng)或有殼變形蟲(chóng)時(shí)，表明運行環(huán)境良好，處理效果好。另外有研究證明，溶解氧不足易出現阿托氏菌屬、扭頭蟲(chóng)屬和新態(tài)蟲(chóng)屬等；而過(guò)分曝氣則出現肉足類(lèi)及輪蟲(chóng)類(lèi)；有機負荷很低，出現硝化作用時(shí)，能觀(guān)察到游仆蟲(chóng)屬、旋口蟲(chóng)屬、表殼蟲(chóng)屬、鱗殼蟲(chóng)屬及輪蟲(chóng)等；在除氮污水廠(chǎng)，低負荷，長(cháng)水力停留時(shí)間及高溶解氧的場(chǎng)合，有殼變形蟲(chóng)是最好的指示生物。

(2)形態(tài)變化。在一定條件下，原生動(dòng)物能分泌膠質(zhì)并形成膜將蟲(chóng)體包圍起來(lái)，形成孢囊。大多數孢囊用以保護蟲(chóng)體免受不利的環(huán)境因素(如溫度不適，pH值變化，食料短缺等)的影響。待環(huán)境轉好時(shí)，蟲(chóng)體能恢復活力，脫孢而出。同樣，鞭毛蟲(chóng)的鞭毛在條件不利時(shí)，鞭毛消失，條件適宜時(shí)，又重新生出。當曝氣池中溶解氧降低到1 mg/L以下時(shí)，鐘蟲(chóng)生活不正常，體內伸縮泡會(huì )脹得很大，頂端突進(jìn)一個(gè)氣泡，蟲(chóng)體很快會(huì )死亡；當pH值突然發(fā)生變化超過(guò)正常范圍，鐘蟲(chóng)表現為不活躍，纖毛環(huán)停止擺動(dòng)，蟲(chóng)體收縮成團。所以雖然觀(guān)察到鐘蟲(chóng)數量較大，但蟲(chóng)體萎靡或變形時(shí)，則反映出細菌的活力在衰退，污水處理效果有變差的趨勢。

(3)生殖方式。原生動(dòng)物的生殖方式有無(wú)性生殖和有性生殖。無(wú)性生殖即簡(jiǎn)單的細胞分裂，細胞核和原生質(zhì)一分為二。在營(yíng)養、溫度、氧等環(huán)境條件良好的場(chǎng)合，原生動(dòng)物就進(jìn)行連續的無(wú)性生殖。當出現有性生殖(接合生殖)時(shí)，往往預示環(huán)境條件變差或種群已處于衰老期。

5.3　估計有機負荷

Salvado等人發(fā)現城市活性污泥污水廠(chǎng)有機負荷的變化會(huì )導致原生動(dòng)物的結構和數量變化，尤其是纖毛蟲(chóng)屬。他們采用Shannon等人提出的生物多樣性指數(Diversity Index)來(lái)計算活性污泥中纖毛類(lèi)的多樣性指數，計算方法如式(1)。

�И�H＝－∑［Pi·(log2Pi)］�ИИИ�(1) �И�

式中∑Pi��＝1。

�玃i��＝(取樣中i類(lèi)生物的樣本數量)/(取樣中總的樣本數量)

并根據大量的試驗和運行，得出：纖毛類(lèi)多樣性指數與有機負荷呈負相關(guān)關(guān)系，且是線(xiàn)性函數。這樣，他們畫(huà)出纖毛類(lèi)多樣性指數與有機負荷之間的關(guān)系直線(xiàn)或相關(guān)函數模型，通過(guò)觀(guān)察微生物的組成和數量，就能估計污水廠(chǎng)運行的有機負荷。

5.4　預測出水水質(zhì)

Gurds等人在91個(gè)活性污泥曝氣池中進(jìn)行調查，找出原生動(dòng)物種類(lèi)組成與排放水水質(zhì)之間的關(guān)系。發(fā)現雖然原生動(dòng)物對環(huán)境適應的范圍較寬，但最合適、數量最多的是集中在一個(gè)狹小的范圍內。根據這一特征，將出水BOD分為4個(gè)等級：0～10 mg/L,11～20 mg/L，21～30 m g/L，＞30 mg/L，得出活性污泥中纖毛蟲(chóng)的組合比率，并和出水BOD對應，進(jìn)行列表。反復試驗，找出規律。在以后的運行中，只要觀(guān)察原生動(dòng)物的構成情況，即可以預測出水BOD了。實(shí)際證明，有柄纖毛蟲(chóng)的數量和質(zhì)量是預測出水水質(zhì)最重要的原生動(dòng)物。 Al-Shahwani等人為了采用原生動(dòng)物來(lái)反映污水廠(chǎng)的運行效果。通過(guò)回歸分析法，建立出水水質(zhì)和原生動(dòng)物種群和數量的數學(xué)模型。其中有：BOD＝�玜��0+a1x1+a2x2+…這里 x是某一特定原生動(dòng)物的記錄數量，a��是對應的回歸系數。通過(guò)努力，數學(xué)模型在預測出水水質(zhì)時(shí)，具有較高的成功率，有實(shí)用價(jià)值。生活污水處理廠(chǎng)BOD預測成功率為87%，SS為73%；工業(yè)污水處理廠(chǎng)BOD預測成功率為69%，SS為58%。 Madoni等人不僅找出出水BOD,NO3-N等與原生動(dòng)物之間的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)還比較了各運行參數的變化情況，列出了19種原生動(dòng)物與BOD,�㎞H3-N，NO3-N，MLSS，DO ，SVI，SRT等的對照關(guān)系。其中可以看出，有殼變形蟲(chóng)、表殼蟲(chóng)、鱗殼蟲(chóng)、無(wú)柄纖毛蟲(chóng)、鞘居蟲(chóng)等能直接反映出水硝化的程度。

5.5　生物評價(jià)指數

Madoni在采用原生動(dòng)物組成、數量來(lái)指示污水處理狀態(tài)的基礎上，提出用污泥生物指數SBI(Sludge Biotic Index)來(lái)評價(jià)活性污泥的生物特性。這使一直使用觀(guān)察的感性認識判斷生物特性的方法變?yōu)槭褂镁唧w數值。SBI是根據以下幾個(gè)方面確定的。

(1)原生動(dòng)物的密度。根據普遍的研究認為：在活性污泥中，原生動(dòng)物的密度＞106個(gè)/L為良好，104～106個(gè)/Ｌ為中等，＜104個(gè)/Ｌ則為差。因此，SBI在列表時(shí)分為≥1066個(gè)/Ｌ和＜106個(gè)/Ｌ兩檔，前者比后者的SBI大。

(2)原生動(dòng)物的優(yōu)勢種群。把原生動(dòng)物分為匍匐性、部分固著(zhù)性纖毛類(lèi)或Testate amoebae類(lèi)，固著(zhù)性纖毛類(lèi)，蓋蟲(chóng)屬，小口鐘蟲(chóng)，游泳纖毛蟲(chóng)，小型游泳鞭毛蟲(chóng)六類(lèi)，SBI隨以上順序逐漸減小。

(3)原生動(dòng)物的種類(lèi)總數。把活性污泥中檢測出的所有原生動(dòng)物種類(lèi)數量劃分為＞10，8～10，5～7，＜5(單位：個(gè)/mL)。SBI隨以上順序逐漸減小。

(4)小型鞭毛蟲(chóng)的數量。由于小型鞭毛蟲(chóng)出現能指示污水處理相對不理想。所以把其數量劃分為＜10，10～100(單位：個(gè)/mL)。前者SBI大于后者。

由以上四個(gè)方面進(jìn)行列表，并通過(guò)驗證，給定不同情況下的污泥生物指數(SBI)，最后由污泥生物指數來(lái)確定活性污泥法污水處理所具有的質(zhì)量等級。優(yōu)(SBI＝8～10)，良(SBI＝6～7)，中等(SBI＝4～5)，差(SBI＝0～3)。來(lái)源：中國環(huán)保頻道