研究分析活性污泥中原生动物的特征和作用
摘 要：要了解污水处理过程的变化或处理水的好坏，最好直接研究分析细菌的生长情况。但是对于细菌的观察、分类鉴定的时间很长，不能及时起指导生产的指示和预报作用。原生动物与细菌之间存在相互依存的功能关系；原生动物个体大，便于观察；对于环境变化比细菌敏感，更早更容易反映环境的变化。直接观察原生动物的种类组成、数量、生长和变化状况，也能反映出细菌的生长和变化情况，即间接地评价污水处理过程和处理效果的好坏，起指导生产的作用。
1 原生动物的基本特征
1.1 形态
原生动物门属真核原生生物界，是单细胞的微型动物，由原生质和一个或多个细胞核组成。原生动物和多细胞动物相同，具有新陈代谢、运动、繁殖、对外界刺激的感应性和对环境的适应性等生理功能。原生动物个体很小，长度一般在100～300 μm之间。它们都具有细胞膜。多数种属的细胞膜结实而富有弹性，从而使原生动物本体保持一定的体形。但也有一些种属，例如变形虫，只有一层极薄的原生质膜，不能保持固定的体形。原生动物一般具有一个或两个以上的细胞核，其形状多种多样，它们在其细胞内产生形态的分化，形成了能够执行各项生命活动和生理功能的胞器。在运动胞器方面有鞭毛、伪足和纤毛；在营养胞器方面有胞口、胞咽和食物泡；用以排出废料和调节渗透压的胞器有伸缩泡等。有些种类的原生动物的细胞膜内分布着肌丝，具有收缩变形的功能。
1.2 营养方式
原生动物的营养方式分为以下几类：①动物性营养，以吞食细菌、真菌、藻类或有机颗粒为生，绝大多数原生动物为动物性营养，有些具有胞口、胞咽等摄食器；②植物性营养，在有阳光的条件下，一些含色素的原生动物可利用二氧化碳和水进行光合作用合成碳水化合物，如植物性鞭毛虫，但种类和数量都很少；③腐生性营养，以死的机体或无生命的可溶性有机物质为生；④寄生性营养，以其它生物的机体(即寄主)作为生存的场所，并获得营养和能量。
1.3 分类
1981年国际原生动物学会公布了原生动物分类系统，其中在水处理中常见的有三类：
①肉足类，其细胞质可伸缩变动而形成伪足，作为运动和摄食的胞器，运动速度达3 μm/s，典型的肉足类为变形虫属、简便虫属、表壳虫属和鳞壳虫属等；
②鞭毛类，具有一根或一根以上的鞭毛。鞭毛长度与其体长大致相等或更长些，是运动器官，鞭毛虫又可分为植物性鞭毛虫和动物性鞭毛虫，常见的植物性鞭毛虫有滴虫属、屋滴虫属和眼虫属等，常见的动物性鞭毛虫有波豆虫属、尾波虫属等，鞭毛虫的运行速度达15～300 μm/s；
③纤毛类，原生动物周身表面或部分表面具有纤毛，作为行动或摄食的工具，具有胞口、口围、口前庭和胞咽等司吞食和消化的细胞器官，分为游泳型和固着型两种，游泳型包括漫游虫属、草履虫属、肾形虫属、斜管虫属等，固着型常见的有钟虫属、累枝虫属、盖虫属、聚缩虫属、盾纤虫属和壳吸管虫属等，纤毛类运动速度较快，可达200～1 000 μm/s。
2 原生动物与细菌的关系
2.1 活性污泥的基本特征
活性污泥是污水活性污泥处理系统的反应工作主体，是由细菌、微型动物为主的微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起所形成的絮状体颗粒。良好的活性污泥具有很强的吸附分解有机物的能力和良好的沉降性能，絮体的大小约为0.02～0.2 mm，多为茶褐色，微具土壤味，密度约为1.005 g/cm3，含水率99%左右。活性污泥中生存着各种微生物，构成了复杂的微生物相。在多数情况下，活性污泥中的主要微生物是细菌，伴之以营腐生的原生动物构成基本营养层次，然后是以细菌为食的掠食性原生动物占优势。
2.2 原生动物与细菌的功能关系
在废水生物处理系统中将污染物质降解的主要是细菌。原生动物与细菌的关系主要为：①掠食关系，原生动物在食物链中处于捕食细菌的作用。一方面，原生动物通过对细菌的捕食，能促进细菌的生长，使细菌的生长能维持在对数生长期，防止种群的衰老，提高细菌的活力，而且原生动物活动产生溶解性有机物质(DOM)可被细菌再利用，促进了细菌的生长；另一方面，原生动物中存在的某些类型(如纤毛类)具有吞食游离细菌的巨大能力，而游离的细菌个体小、密度小，较难沉淀，易被出水带出而影响水质。有人证明奇观独缩虫在自然水体中 1 h能吃3万个细菌。Curds等人在曝气池中接种纤毛类原生动物，出水大为改善。②絮凝作用，细菌生长到一定程度后就凝集成絮状物。这种絮状物为原生动物提供了着生的环境，反过来絮状物上的原生动物能加速絮凝过程。Curds等证明纤毛虫能分泌两种物质，一种称为P物质，是一种多糖类碳水化合物；另一种是属于单糖结构的葡萄糖及阿拉伯糖，表面电荷为负的悬浮颗粒会吸收这种P物质，通过悬浮颗粒表面电荷的改变，就使悬浮颗粒集结起来，形成絮状物。另外，纤毛虫还能分泌一种粘液，能把絮状物再联结起来。原生动物分泌的粘液对悬浮颗粒和细菌均有吸附能力。这就促进了菌胶团的形成和处理能力的提高。
3 研究活性污泥中原生动物的目的
要了解污水处理过程的变化或处理水的好坏，最好直接研究分析细菌的生长情况。但是对于细菌的观察、分类鉴定的时间很长，不能及时起指导生产的指示和预报作用。原生动物与细菌之间存在相互依存的功能关系；原生动物个体大，便于观察；对于环境变化比细菌敏感，更早更容易反映环境的变化。直接观察原生动物的种类组成、数量、生长和变化状况，也能反映出细菌的生长和变化情况，即间接地评价污水处理过程和处理效果的好坏，起指导生产的作用。
4 研究分析方法
4.1 形态和生理观察
采用显微镜对污水处理过程中的活性污泥生长、变化进行观察。特别是观察原生动物的形态和生理特征。显微镜的放大倍数采用16×10或16×40即可，观察到的原生动物应与标准图进行对照。建议可以采用《微型生物监测新技术》上的图片进行比较。通过原生动物的形态来确认其种类和特性，进而来分析其所处的生理状态或生理阶段，这能间接反映活性污泥的特性。
4.2 数量分析
建议采用以下简单易行的方法：用1 mL移液管，移取1 mL清水到表面皿中。用一橡胶头小吸管，从表面皿中将1 mL水全部吸尽，然后以均匀的速度徐徐滴下，记录1 mL水的滴数，并重复数次，以免误差。用橡胶头小吸管在反应器中取得均匀的混合液，滴一滴于载玻片上，盖上盖玻片，用低倍显微镜由左到右或由上到下(注意应采用相同的方向顺序)进行原生动物的计数。应把盖玻片下所有原生动物记录，并重复数次。用一滴混合液中原生动物的记录数乘以计数吸管1 mL水的滴数，即为每mL活性污泥混合液的原生动物数。
5 原生动物的指示作用
5.1 指示活性污泥性质
(1)污泥恶化。活性污泥絮凝体较小，往往在0.1～0.2 mm以下。主要出现以下优势原生动物：豆形虫属、肾形虫属、草履虫属、瞬目虫属、波豆虫属、尾滴虫属、滴虫属等。这些都属于快速游泳型的种属。污泥严重恶化时，微型动物几乎不出现，细菌大量分散，活性污泥的凝聚、沉降能力下降，处理能力差。
(2)污泥解体。絮凝体细小，有些似针状分散。主要的优势原生动物有：变形虫属、简便虫属等肉足类。
(3)污泥膨胀。活性污泥沉降性能差，SVI值高。由于丝状菌的大量生长，出现能摄食丝状菌的裸口目旋毛科、全毛类原生动物及拟轮毛虫等。
(4)污泥从恶化恢复到正常。通过反应参数和环境的改变，活性污泥从恶化状态恢复到正常的过渡期常常有下列原生动物出现：漫游虫属、斜叶虫属、管叶虫属等，这些都属于慢速游泳或匍匐行进的生物。
(5)污泥良好。易成絮体，活性高，沉降性能好。出现的优势原生动物为：钟虫属、累枝虫属、盖虫属、有肋盾纤虫属、独缩虫属、各种吸管虫类、轮虫类、寡毛类等这些均属于固着性种属或者匍匐性种属。
5.2 指示反应操作环境
(1)优势种属。Modoni在1988年对污水处理厂进行这方面的研究，总结出：高负荷、曝气量相对不足时，小鞭毛虫占优势；过短的水力停留时间，造成小的游泳型纤毛虫占优势；非常高的负荷或存在难降解的物质时，出现小的裸变形虫和鞭毛虫；大量出现匍匐性和固着性纤毛虫或有壳变形虫时，表明运行环境良好，处理效果好。另外有研究证明，溶解氧不足易出现阿托氏菌属、扭头虫属和新态虫属等；而过分曝气则出现肉足类及轮虫类；有机负荷很低，出现硝化作用时，能观察到游仆虫属、旋口虫属、表壳虫属、鳞壳虫属及轮虫等；在除氮污水厂，低负荷，长水力停留时间及高溶解氧的场合，有壳变形虫是最好的指示生物。
(2)形态变化。在一定条件下，原生动物能分泌胶质并形成膜将虫体包围起来，形成孢囊。大多数孢囊用以保护虫体免受不利的环境因素(如温度不适，pH值变化，食料短缺等)的影响。待环境转好时，虫体能恢复活力，脱孢而出。同样，鞭毛虫的鞭毛在条件不利时，鞭毛消失，条件适宜时，又重新生出。当曝气池中溶解氧降低到1 mg/L以下时，钟虫生活不正常，体内伸缩泡会胀得很大，顶端突进一个气泡，虫体很快会死亡；当pH值突然发生变化超过正常范围，钟虫表现为不活跃，纤毛环停止摆动，虫体收缩成团。所以虽然观察到钟虫数量较大，但虫体萎靡或变形时，则反映出细菌的活力在衰退，污水处理效果有变差的趋势。
(3)生殖方式。原生动物的生殖方式有无性生殖和有性生殖。无性生殖即简单的细胞分裂，细胞核和原生质一分为二。在营养、温度、氧等环境条件良好的场合，原生动物就进行连续的无性生殖。当出现有性生殖(接合生殖)时，往往预示环境条件变差或种群已处于衰老期。
5.3 估计有机负荷
Salvado等人发现城市活性污泥污水厂有机负荷的变化会导致原生动物的结构和数量变化，尤其是纤毛虫属。他们采用Shannon等人提出的生物多样性指数(Diversity Index)来计算活性污泥中纤毛类的多样性指数，计算方法如式(1)。
H＝－∑［Pi·(log2Pi)］(1)
式中∑Pi＝1。
Pi＝(取样中i类生物的样本数量)/(取样中总的样本数量)
并根据大量的试验和运行，得出：纤毛类多样性指数与有机负荷呈负相关关系，且是线性函数。这样，他们画出纤毛类多样性指数与有机负荷之间的关系直线或相关函数模型，通过观察微生物的组成和数量，就能估计污水厂运行的有机负荷。
5.4 预测出水水质
Gurds等人在91个活性污泥曝气池中进行调查，找出原生动物种类组成与排放水水质之间的关系。发现虽然原生动物对环境适应的范围较宽，但最合适、数量最多的是集中在一个狭小的范围内。根据这一特征，将出水BOD分为4个等级：0～10 mg/L,11～20 mg/L，21～30 m g/L，＞30 mg/L，得出活性污泥中纤毛虫的组合比率，并和出水BOD对应，进行列表。反复试验，找出规律。在以后的运行中，只要观察原生动物的构成情况，即可以预测出水BOD了。实际证明，有柄纤毛虫的数量和质量是预测出水水质最重要的原生动物。 Al-Shahwani等人为了采用原生动物来反映污水厂的运行效果。通过回归分析法，建立出水水质和原生动物种群和数量的数学模型。其中有：BOD＝a0+a1x1+a2x2+…这里 x是某一特定原生动物的记录数量，a是对应的回归系数。通过努力，数学模型在预测出水水质时，具有较高的成功率，有实用价值。生活污水处理厂BOD预测成功率为87%，SS为73%；工业污水处理厂BOD预测成功率为69%，SS为58%。 Madoni等人不仅找出出水BOD,NO3-N等与原生动物之间的相关关系，同时还比较了各运行参数的变化情况，列出了19种原生动物与BOD,NH3-N，NO3-N，MLSS，DO ，SVI，SRT等的对照关系。其中可以看出，有壳变形虫、表壳虫、鳞壳虫、无柄纤毛虫、鞘居虫等能直接反映出水硝化的程度。
5.5 生物评价指数
Madoni在采用原生动物组成、数量来指示污水处理状态的基础上，提出用污泥生物指数SBI(Sludge Biotic Index)来评价活性污泥的生物特性。这使一直使用观察的感性认识判断生物特性的方法变为使用具体数值。SBI是根据以下几个方面确定的。
(1)原生动物的密度。根据普遍的研究认为：在活性污泥中，原生动物的密度＞106个/L为良好，104～106个/Ｌ为中等，＜104个/Ｌ则为差。因此，SBI在列表时分为≥1066个/Ｌ和＜106个/Ｌ两档，前者比后者的SBI大。
(2)原生动物的优势种群。把原生动物分为匍匐性、部分固着性纤毛类或Testate amoebae类，固着性纤毛类，盖虫属，小口钟虫，游泳纤毛虫，小型游泳鞭毛虫六类，SBI随以上顺序逐渐减小。
(3)原生动物的种类总数。把活性污泥中检测出的所有原生动物种类数量划分为＞10，8～10，5～7，＜5(单位：个/mL)。SBI随以上顺序逐渐减小。
(4)小型鞭毛虫的数量。由于小型鞭毛虫出现能指示污水处理相对不理想。所以把其数量划分为＜10，10～100(单位：个/mL)。前者SBI大于后者。
由以上四个方面进行列表，并通过验证，给定不同情况下的污泥生物指数(SBI)，最后由污泥生物指数来确定活性污泥法污水处理所具有的质量等级。优(SBI＝8～10)，良(SBI＝6～7)，中等(SBI＝4～5)，差(SBI＝0～3)。
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