研究分析活性污泥中原生動(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(xì)菌的生長(zhǎng)情況。但是對(duì)于細(xì)菌的觀察、分類(lèi)鑒定的時(shí)間很長(zhǎng)，不能及時(shí)起指導(dǎo)生產(chǎn)的指示和預(yù)報(bào)作用。原生動(dòng)物與細(xì)菌之間存在相互依存的功能關(guān)系；原生動(dòng)物個(gè)體大，便于觀察；對(duì)于環(huán)境變化比細(xì)菌敏感，更早更容易反映環(huán)境的變化。直接觀察原生動(dòng)物的種類(lèi)組成、數(shù)量、生長(zhǎng)和變化狀況，也能反映出細(xì)菌的生長(zhǎng)和變化情況，即間接地評(píng)價(jià)污水處理過(guò)程和處理效果的好壞，起指導(dǎo)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(xì)胞的微型動(dòng)物，由原生質(zhì)和一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞核組成。原生動(dòng)物和多細(xì)胞動(dòng)物相同，具有新陳代謝、運(yùn)動(dòng)、繁殖、對(duì)外界刺激的感應(yīng)性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等生理功能。原生動(dòng)物個(gè)體很小，長(zhǎng)度一般在100～300 μm之間。它們都具有細(xì)胞膜。多數(shù)種屬的細(xì)胞膜結(jié)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(xì)胞核，其形狀多種多樣，它們?cè)谄浼?xì)胞內(nèi)產(chǎn)生形態(tài)的分化，形成了能夠執(zhí)行各項(xiàng)生命活動(dòng)和生理功能的胞器。在運(yùn)動(dòng)胞器方面有鞭毛、偽足和纖毛；在營(yíng)養(yǎng)胞器方面有胞口、胞咽和食物泡；用以排出廢料和調(diào)節(jié)滲透壓的胞器有伸縮泡等。有些種類(lèi)的原生動(dòng)物的細(xì)胞膜內(nèi)分布著肌絲，具有收縮變形的功能。
1.2 營(yíng)養(yǎng)方式
原生動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)方式分為以下幾類(lèi)：①動(dòng)物性營(yíng)養(yǎng)，以吞食細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)或有機(jī)顆粒為生，絕大多數(shù)原生動(dòng)物為動(dòng)物性營(yíng)養(yǎng)，有些具有胞口、胞咽等攝食器；②植物性營(yíng)養(yǎng)，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(shù)量都很少；③腐生性營(yíng)養(yǎng)，以死的機(jī)體或無(wú)生命的可溶性有機(jī)物質(zhì)為生；④寄生性營(yíng)養(yǎng)，以其它生物的機(jī)體(即寄主)作為生存的場(chǎng)所，并獲得營(yíng)養(yǎng)和能量。
1.3 分類(lèi)
1981年國(guó)際原生動(dòng)物學(xué)會(huì)公布了原生動(dòng)物分類(lèi)系統(tǒng)，其中在水處理中常見(jiàn)的有三類(lèi)：
①肉足類(lèi)，其細(xì)胞質(zhì)可伸縮變動(dòng)而形成偽足，作為運(yùn)動(dòng)和攝食的胞器，運(yùn)動(dòng)速度達(dá)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(zhǎng)度與其體長(zhǎng)大致相等或更長(zhǎng)些，是運(yùn)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(yùn)行速度達(dá)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(xì)胞器官，分為游泳型和固著型兩種，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(yùn)動(dòng)速度較快，可達(dá)200～1 000 μm/s。
2 原生動(dòng)物與細(xì)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(tǒng)的反應(yīng)工作主體，是由細(xì)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(qiáng)的吸附分解有機(jī)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。活性污泥中生存著各種微生物，構(gòu)成了復(fù)雜的微生物相。在多數(shù)情況下，活性污泥中的主要微生物是細(xì)菌，伴之以營(yíng)腐生的原生動(dòng)物構(gòu)成基本營(yíng)養(yǎng)層次，然后是以細(xì)菌為食的掠食性原生動(dòng)物占優(yōu)勢(shì)。
2.2 原生動(dòng)物與細(xì)菌的功能關(guān)系
在廢水生物處理系統(tǒng)中將污染物質(zhì)降解的主要是細(xì)菌。原生動(dòng)物與細(xì)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(xì)菌的作用。一方面，原生動(dòng)物通過(guò)對(duì)細(xì)菌的捕食，能促進(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng)，使細(xì)菌的生長(zhǎng)能維持在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，防止種群的衰老，提高細(xì)菌的活力，而且原生動(dòng)物活動(dòng)產(chǎn)生溶解性有機(jī)物質(zhì)(DOM)可被細(xì)菌再利用，促進(jìn)了細(xì)菌的生長(zhǎng)；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(xì)菌的巨大能力，而游離的細(xì)菌個(gè)體小、密度小，較難沉淀，易被出水帶出而影響水質(zhì)。有人證明奇觀獨(dú)縮蟲(chóng)在自然水體中 1 h能吃3萬(wàn)個(gè)細(xì)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(xì)菌生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)的葡萄糖及阿拉伯糖，表面電荷為負(fù)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(jié)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(jié)起來(lái)。原生動(dòng)物分泌的粘液對(duì)懸浮顆粒和細(xì)菌均有吸附能力。這就促進(jìn)了菌膠團(tuán)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(xì)菌的生長(zhǎng)情況。但是對(duì)于細(xì)菌的觀察、分類(lèi)鑒定的時(shí)間很長(zhǎng)，不能及時(shí)起指導(dǎo)生產(chǎn)的指示和預(yù)報(bào)作用。原生動(dòng)物與細(xì)菌之間存在相互依存的功能關(guān)系；原生動(dòng)物個(gè)體大，便于觀察；對(duì)于環(huán)境變化比細(xì)菌敏感，更早更容易反映環(huán)境的變化。直接觀察原生動(dòng)物的種類(lèi)組成、數(shù)量、生長(zhǎng)和變化狀況，也能反映出細(xì)菌的生長(zhǎng)和變化情況，即間接地評(píng)價(jià)污水處理過(guò)程和處理效果的好壞，起指導(dǎo)生產(chǎn)的作用。
4 研究分析方法
4.1 形態(tài)和生理觀察
采用顯微鏡對(duì)污水處理過(guò)程中的活性污泥生長(zhǎng)、變化進(jìn)行觀察。特別是觀察原生動(dòng)物的形態(tài)和生理特征。顯微鏡的放大倍數(shù)采用16×10或16×40即可，觀察到的原生動(dòng)物應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行對(duì)照。建議可以采用《微型生物監(jiān)測(cè)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(rèn)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(shù)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(shù)，并重復(fù)數(shù)次，以免誤差。用橡膠頭小吸管在反應(yīng)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(yīng)采用相同的方向順序)進(jìn)行原生動(dòng)物的計(jì)數(shù)。應(yīng)把蓋玻片下所有原生動(dòng)物記錄，并重復(fù)數(shù)次。用一滴混合液中原生動(dòng)物的記錄數(shù)乘以計(jì)數(shù)吸管1 mL水的滴數(shù)，即為每mL活性污泥混合液的原生動(dòng)物數(shù)。
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w較小，往往在0.1～0.2 mm以下。主要出現(xiàn)以下優(yōu)勢(shì)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(yán)重惡化時(shí)，微型動(dòng)物幾乎不出現(xiàn)，細(xì)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(xì)小，有些似針狀分散。主要的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)，出現(xiàn)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(fù)到正常。通過(guò)反應(yīng)參數(shù)和環(huán)境的改變，活性污泥從惡化狀態(tài)恢復(fù)到正常的過(guò)渡期常常有下列原生動(dòng)物出現(xiàn)：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(xiàn)的優(yōu)勢(shì)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(dú)縮蟲(chóng)屬、各種吸管蟲(chóng)類(lèi)、輪蟲(chóng)類(lèi)、寡毛類(lèi)等這些均屬于固著性種屬或者匍匐性種屬。
5.2 指示反應(yīng)操作環(huán)境
(1)優(yōu)勢(shì)種屬。Modoni在1988年對(duì)污水處理廠進(jìn)行這方面的研究，總結(jié)出：高負(fù)荷、曝氣量相對(duì)不足時(shí)，小鞭毛蟲(chóng)占優(yōu)勢(shì)；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(shì)；非常高的負(fù)荷或存在難降解的物質(zhì)時(shí)，出現(xiàn)小的裸變形蟲(chóng)和鞭毛蟲(chóng)；大量出現(xiàn)匍匐性和固著性纖毛蟲(chóng)或有殼變形蟲(chóng)時(shí)，表明運(yùn)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(xiàn)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(xiàn)肉足類(lèi)及輪蟲(chóng)類(lèi)；有機(jī)負(fù)荷很低，出現(xiàn)硝化作用時(shí)，能觀察到游仆蟲(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，低負(fù)荷，長(zhǎng)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(shù)孢囊用以保護(hù)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(zhuǎn)好時(shí)，蟲(chóng)體能恢復(fù)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(dāng)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(nèi)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(dāng)pH值突然發(fā)生變化超過(guò)正常范圍，鐘蟲(chóng)表現(xiàn)為不活躍，纖毛環(huán)停止擺動(dòng)，蟲(chóng)體收縮成團(tuán)。所以雖然觀察到鐘蟲(chóng)數(shù)量較大，但蟲(chóng)體萎靡或變形時(shí)，則反映出細(xì)菌的活力在衰退，污水處理效果有變差的趨勢(shì)。
(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(xì)胞分裂，細(xì)胞核和原生質(zhì)一分為二。在營(yíng)養(yǎng)、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(xù)的無(wú)性生殖。當(dāng)出現(xiàn)有性生殖(接合生殖)時(shí)，往往預(yù)示環(huán)境條件變差或種群已處于衰老期。
5.3 估計(jì)有機(jī)負(fù)荷
Salvado等人發(fā)現(xiàn)城市活性污泥污水廠有機(jī)負(fù)荷的變化會(huì)導(dǎo)致原生動(dòng)物的結(jié)構(gòu)和數(shù)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(shù)(Diversity Index)來(lái)計(jì)算活性污泥中纖毛類(lèi)的多樣性指數(shù)，計(jì)算方法如式(1)。
H＝－∑［Pi·(log2Pi)］(1)
式中∑Pi＝1。
Pi＝(取樣中i類(lèi)生物的樣本數(shù)量)/(取樣中總的樣本數(shù)量)
并根據(jù)大量的試驗(yàn)和運(yùn)行，得出：纖毛類(lèi)多樣性指數(shù)與有機(jī)負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且是線性函數(shù)。這樣，他們畫(huà)出纖毛類(lèi)多樣性指數(shù)與有機(jī)負(fù)荷之間的關(guān)系直線或相關(guān)函數(shù)模型，通過(guò)觀察微生物的組成和數(shù)量，就能估計(jì)污水廠運(yùn)行的有機(jī)負(fù)荷。
5.4 預(yù)測(cè)出水水質(zhì)
Gurds等人在91個(gè)活性污泥曝氣池中進(jìn)行調(diào)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(xiàn)雖然原生動(dòng)物對(duì)環(huán)境適應(yīng)的范圍較寬，但最合適、數(shù)量最多的是集中在一個(gè)狹小的范圍內(nèi)。根據(jù)這一特征，將出水BOD分為4個(gè)等級(jí)：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(duì)應(yīng)，進(jìn)行列表。反復(fù)試驗(yàn)，找出規(guī)律。在以后的運(yùn)行中，只要觀察原生動(dòng)物的構(gòu)成情況，即可以預(yù)測(cè)出水BOD了。實(shí)際證明，有柄纖毛蟲(chóng)的數(shù)量和質(zhì)量是預(yù)測(cè)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)反映污水廠的運(yùn)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(shù)量的數(shù)學(xué)模型。其中有：BOD＝a0+a1x1+a2x2+…這里 x是某一特定原生動(dòng)物的記錄數(shù)量，a是對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)。通過(guò)努力，數(shù)學(xué)模型在預(yù)測(cè)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BOD預(yù)測(cè)成功率為87%，SS為73%；工業(yè)污水處理廠BOD預(yù)測(cè)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(yùn)行參數(shù)的變化情況，列出了19種原生動(dòng)物與BOD,NH3-N，NO3-N，MLSS，DO ，SVI，SRT等的對(duì)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(píng)價(jià)指數(shù)
Madoni在采用原生動(dòng)物組成、數(shù)量來(lái)指示污水處理狀態(tài)的基礎(chǔ)上，提出用污泥生物指數(shù)SBI(Sludge Biotic Index)來(lái)評(píng)價(jià)活性污泥的生物特性。這使一直使用觀察的感性認(rèn)識(shí)判斷生物特性的方法變?yōu)槭褂镁唧w數(shù)值。SBI是根據(jù)以下幾個(gè)方面確定的。
(1)原生動(dòng)物的密度。根據(jù)普遍的研究認(rèn)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(shì)種群。把原生動(dòng)物分為匍匐性、部分固著性纖毛類(lèi)或Testate amoebae類(lèi)，固著性纖毛類(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(shù)。把活性污泥中檢測(cè)出的所有原生動(dòng)物種類(lèi)數(shù)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(shù)量。由于小型鞭毛蟲(chóng)出現(xiàn)能指示污水處理相對(duì)不理想。所以把其數(shù)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(yàn)證，給定不同情況下的污泥生物指數(shù)(SBI)，最后由污泥生物指數(shù)來(lái)確定活性污泥法污水處理所具有的質(zhì)量等級(jí)。優(yōu)(SBI＝8～10)，良(SBI＝6～7)，中等(SBI＝4～5)，差(SBI＝0～3)。
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