研究分析活性污泥中原生動物的特征和作用
摘 要：要了解污水處理過程的變化或處理水的好壞，最好直接研究分析細菌的生長情況。但是對于細菌的觀察、分類鑒定的時間很長，不能及時起指導生產的指示和預報作用。原生動物與細菌之間存在相互依存的功能關系；原生動物個體大，便于觀察；對于環境變化比細菌敏感，更早更容易反映環境的變化。直接觀察原生動物的種類組成、數量、生長和變化狀況，也能反映出細菌的生長和變化情況，即間接地評價污水處理過程和處理效果的好壞，起指導生產的作用。
1 原生動物的基本特征
1.1 形態
原生動物門屬真核原生生物界，是單細胞的微型動物，由原生質和一個或多個細胞核組成。原生動物和多細胞動物相同，具有新陳代謝、運動、繁殖、對外界刺激的感應性和對環境的適應性等生理功能。原生動物個體很小，長度一般在100～300 μm之間。它們都具有細胞膜。多數種屬的細胞膜結實而富有彈性，從而使原生動物本體保持一定的體形。但也有一些種屬，例如變形蟲，只有一層極薄的原生質膜，不能保持固定的體形。原生動物一般具有一個或兩個以上的細胞核，其形狀多種多樣，它們在其細胞內產生形態的分化，形成了能夠執行各項生命活動和生理功能的胞器。在運動胞器方面有鞭毛、偽足和纖毛；在營養胞器方面有胞口、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。有些種類的原生動物的細胞膜內分布著肌絲，具有收縮變形的功能。
1.2 營養方式
原生動物的營養方式分為以下幾類：①動物性營養，以吞食細菌、真菌、藻類或有機顆粒為生，絕大多數原生動物為動物性營養，有些具有胞口、胞咽等攝食器；②植物性營養，在有陽光的條件下，一些含色素的原生動物可利用二氧化碳和水進行光合作用合成碳水化合物，如植物性鞭毛蟲，但種類和數量都很少；③腐生性營養，以死的機體或無生命的可溶性有機物質為生；④寄生性營養，以其它生物的機體(即寄主)作為生存的場所，并獲得營養和能量。
1.3 分類
1981年國際原生動物學會公布了原生動物分類系統，其中在水處理中常見的有三類：
①肉足類，其細胞質可伸縮變動而形成偽足，作為運動和攝食的胞器，運動速度達3 μm/s，典型的肉足類為變形蟲屬、簡便蟲屬、表殼蟲屬和鱗殼蟲屬等；
②鞭毛類，具有一根或一根以上的鞭毛。鞭毛長度與其體長大致相等或更長些，是運動器官，鞭毛蟲又可分為植物性鞭毛蟲和動物性鞭毛蟲，常見的植物性鞭毛蟲有滴蟲屬、屋滴蟲屬和眼蟲屬等，常見的動物性鞭毛蟲有波豆蟲屬、尾波蟲屬等，鞭毛蟲的運行速度達15～300 μm/s；
③纖毛類，原生動物周身表面或部分表面具有纖毛，作為行動或攝食的工具，具有胞口、口圍、口前庭和胞咽等司吞食和消化的細胞器官，分為游泳型和固著型兩種，游泳型包括漫游蟲屬、草履蟲屬、腎形蟲屬、斜管蟲屬等，固著型常見的有鐘蟲屬、累枝蟲屬、蓋蟲屬、聚縮蟲屬、盾纖蟲屬和殼吸管蟲屬等，纖毛類運動速度較快，可達200～1 000 μm/s。
2 原生動物與細菌的關系
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、微型動物為主的微生物與懸浮物質、膠體物質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。活性污泥中生存著各種微生物，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，伴之以營腐生的原生動物構成基本營養層次，然后是以細菌為食的掠食性原生動物占優勢。
2.2 原生動物與細菌的功能關系
在廢水生物處理系統中將污染物質降解的主要是細菌。原生動物與細菌的關系主要為：①掠食關系，原生動物在食物鏈中處于捕食細菌的作用。一方面，原生動物通過對細菌的捕食，能促進細菌的生長，使細菌的生長能維持在對數生長期，防止種群的衰老，提高細菌的活力，而且原生動物活動產生溶解性有機物質(DOM)可被細菌再利用，促進了細菌的生長；另一方面，原生動物中存在的某些類型(如纖毛類)具有吞食游離細菌的巨大能力，而游離的細菌個體小、密度小，較難沉淀，易被出水帶出而影響水質。有人證明奇觀獨縮蟲在自然水體中 1 h能吃3萬個細菌。Curds等人在曝氣池中接種纖毛類原生動物，出水大為改善。②絮凝作用，細菌生長到一定程度后就凝集成絮狀物。這種絮狀物為原生動物提供了著生的環境，反過來絮狀物上的原生動物能加速絮凝過程。Curds等證明纖毛蟲能分泌兩種物質，一種稱為P物質，是一種多糖類碳水化合物；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吸收這種P物質，通過懸浮顆粒表面電荷的改變，就使懸浮顆粒集結起來，形成絮狀物。另外，纖毛蟲還能分泌一種粘液，能把絮狀物再聯結起來。原生動物分泌的粘液對懸浮顆粒和細菌均有吸附能力。這就促進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物的目的
要了解污水處理過程的變化或處理水的好壞，最好直接研究分析細菌的生長情況。但是對于細菌的觀察、分類鑒定的時間很長，不能及時起指導生產的指示和預報作用。原生動物與細菌之間存在相互依存的功能關系；原生動物個體大，便于觀察；對于環境變化比細菌敏感，更早更容易反映環境的變化。直接觀察原生動物的種類組成、數量、生長和變化狀況，也能反映出細菌的生長和變化情況，即間接地評價污水處理過程和處理效果的好壞，起指導生產的作用。
4 研究分析方法
4.1 形態和生理觀察
采用顯微鏡對污水處理過程中的活性污泥生長、變化進行觀察。特別是觀察原生動物的形態和生理特征。顯微鏡的放大倍數采用16×10或16×40即可，觀察到的原生動物應與標準圖進行對照。建議可以采用《微型生物監測新技術》上的圖片進行比較。通過原生動物的形態來確認其種類和特性，進而來分析其所處的生理狀態或生理階段，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)進行原生動物的計數。應把蓋玻片下所有原生動物記錄，并重復數次。用一滴混合液中原生動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物數。
5 原生動物的指示作用
5.1 指示活性污泥性質
(1)污泥惡化。活性污泥絮凝體較小，往往在0.1～0.2 mm以下。主要出現以下優勢原生動物：豆形蟲屬、腎形蟲屬、草履蟲屬、瞬目蟲屬、波豆蟲屬、尾滴蟲屬、滴蟲屬等。這些都屬于快速游泳型的種屬。污泥嚴重惡化時，微型動物幾乎不出現，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。主要的優勢原生動物有：變形蟲屬、簡便蟲屬等肉足類。
(3)污泥膨脹。活性污泥沉降性能差，SVI值高。由于絲狀菌的大量生長，出現能攝食絲狀菌的裸口目旋毛科、全毛類原生動物及擬輪毛蟲等。
(4)污泥從惡化恢復到正常。通過反應參數和環境的改變，活性污泥從惡化狀態恢復到正常的過渡期常常有下列原生動物出現：漫游蟲屬、斜葉蟲屬、管葉蟲屬等，這些都屬于慢速游泳或匍匐行進的生物。
(5)污泥良好。易成絮體，活性高，沉降性能好。出現的優勢原生動物為：鐘蟲屬、累枝蟲屬、蓋蟲屬、有肋盾纖蟲屬、獨縮蟲屬、各種吸管蟲類、輪蟲類、寡毛類等這些均屬于固著性種屬或者匍匐性種屬。
5.2 指示反應操作環境
(1)優勢種屬。Modoni在1988年對污水處理廠進行這方面的研究，總結出：高負荷、曝氣量相對不足時，小鞭毛蟲占優勢；過短的水力停留時間，造成小的游泳型纖毛蟲占優勢；非常高的負荷或存在難降解的物質時，出現小的裸變形蟲和鞭毛蟲；大量出現匍匐性和固著性纖毛蟲或有殼變形蟲時，表明運行環境良好，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、扭頭蟲屬和新態蟲屬等；而過分曝氣則出現肉足類及輪蟲類；有機負荷很低，出現硝化作用時，能觀察到游仆蟲屬、旋口蟲屬、表殼蟲屬、鱗殼蟲屬及輪蟲等；在除氮污水廠，低負荷，長水力停留時間及高溶解氧的場合，有殼變形蟲是最好的指示生物。
(2)形態變化。在一定條件下，原生動物能分泌膠質并形成膜將蟲體包圍起來，形成孢囊。大多數孢囊用以保護蟲體免受不利的環境因素(如溫度不適，pH值變化，食料短缺等)的影響。待環境轉好時，蟲體能恢復活力，脫孢而出。同樣，鞭毛蟲的鞭毛在條件不利時，鞭毛消失，條件適宜時，又重新生出。當曝氣池中溶解氧降低到1 mg/L以下時，鐘蟲生活不正常，體內伸縮泡會脹得很大，頂端突進一個氣泡，蟲體很快會死亡；當pH值突然發生變化超過正常范圍，鐘蟲表現為不活躍，纖毛環停止擺動，蟲體收縮成團。所以雖然觀察到鐘蟲數量較大，但蟲體萎靡或變形時，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。原生動物的生殖方式有無性生殖和有性生殖。無性生殖即簡單的細胞分裂，細胞核和原生質一分為二。在營養、溫度、氧等環境條件良好的場合，原生動物就進行連續的無性生殖。當出現有性生殖(接合生殖)時，往往預示環境條件變差或種群已處于衰老期。
5.3 估計有機負荷
Salvado等人發現城市活性污泥污水廠有機負荷的變化會導致原生動物的結構和數量變化，尤其是纖毛蟲屬。他們采用Shannon等人提出的生物多樣性指數(Diversity Index)來計算活性污泥中纖毛類的多樣性指數，計算方法如式(1)。
H＝－∑［Pi·(log2Pi)］(1)
式中∑Pi＝1。
Pi＝(取樣中i類生物的樣本數量)/(取樣中總的樣本數量)
并根據大量的試驗和運行，得出：纖毛類多樣性指數與有機負荷呈負相關關系，且是線性函數。這樣，他們畫出纖毛類多樣性指數與有機負荷之間的關系直線或相關函數模型，通過觀察微生物的組成和數量，就能估計污水廠運行的有機負荷。
5.4 預測出水水質
Gurds等人在91個活性污泥曝氣池中進行調查，找出原生動物種類組成與排放水水質之間的關系。發現雖然原生動物對環境適應的范圍較寬，但最合適、數量最多的是集中在一個狹小的范圍內。根據這一特征，將出水BOD分為4個等級：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的組合比率，并和出水BOD對應，進行列表。反復試驗，找出規律。在以后的運行中，只要觀察原生動物的構成情況，即可以預測出水BOD了。實際證明，有柄纖毛蟲的數量和質量是預測出水水質最重要的原生動物。 Al-Shahwani等人為了采用原生動物來反映污水廠的運行效果。通過回歸分析法，建立出水水質和原生動物種群和數量的數學模型。其中有：BOD＝a0+a1x1+a2x2+…這里 x是某一特定原生動物的記錄數量，a是對應的回歸系數。通過努力，數學模型在預測出水水質時，具有較高的成功率，有實用價值。生活污水處理廠BOD預測成功率為87%，SS為73%；工業污水處理廠BOD預測成功率為69%，SS為58%。 Madoni等人不僅找出出水BOD,NO3-N等與原生動物之間的相關關系，同時還比較了各運行參數的變化情況，列出了19種原生動物與BOD,NH3-N，NO3-N，MLSS，DO ，SVI，SRT等的對照關系。其中可以看出，有殼變形蟲、表殼蟲、鱗殼蟲、無柄纖毛蟲、鞘居蟲等能直接反映出水硝化的程度。
5.5 生物評價指數
Madoni在采用原生動物組成、數量來指示污水處理狀態的基礎上，提出用污泥生物指數SBI(Sludge Biotic Index)來評價活性污泥的生物特性。這使一直使用觀察的感性認識判斷生物特性的方法變為使用具體數值。SBI是根據以下幾個方面確定的。
(1)原生動物的密度。根據普遍的研究認為：在活性污泥中，原生動物的密度＞106個/L為良好，104～106個/Ｌ為中等，＜104個/Ｌ則為差。因此，SBI在列表時分為≥1066個/Ｌ和＜106個/Ｌ兩檔，前者比后者的SBI大。
(2)原生動物的優勢種群。把原生動物分為匍匐性、部分固著性纖毛類或Testate amoebae類，固著性纖毛類，蓋蟲屬，小口鐘蟲，游泳纖毛蟲，小型游泳鞭毛蟲六類，SBI隨以上順序逐漸減小。
(3)原生動物的種類總數。把活性污泥中檢測出的所有原生動物種類數量劃分為＞10，8～10，5～7，＜5(單位：個/mL)。SBI隨以上順序逐漸減小。
(4)小型鞭毛蟲的數量。由于小型鞭毛蟲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/mL)。前者SBI大于后者。
由以上四個方面進行列表，并通過驗證，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確定活性污泥法污水處理所具有的質量等級。優(SBI＝8～10)，良(SBI＝6～7)，中等(SBI＝4～5)，差(SBI＝0～3)。
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