（市政工程专业论文）原生动物活性的测定及影响因素的研究.pdf

摘要 本课题主要研究原生动物活性及其影响因素，通过原生动物的活性来揭示内 源呼吸过程的一个方面。内源呼吸包括活性细胞体的维持、捕食、失活、自溶等 四个部分。内源呼吸不仅和耗氧量有关，更重要的是它对污泥的减量起到了关键 的作用。本课题从捕食角度出发，考察原生动物对细菌的捕食，因而需要研究原 生动物在内源呼吸阶段的活性。本研究主要针对在不同的负荷、泥龄条件下，原 生动物内源呼吸阶段的活性进行了研究，并讨论了原生动物内源呼吸的影响因 素。 研究使用了耗氧呼吸速率( o u r ) 来表征原生动物的活性。通过加入氯化 钠的方法，使原生动物的活性受到了有效的抑制。从而成功的得出了在内源呼吸 阶段原生动物的耗氧呼吸速率。 结果表明，在氯化钠浓度为1 2 9 l 时，对原生动物活性起到了抑制作用。原 生动物在内源呼吸阶段对氧气的需求，约占到内源呼吸总耗氧量的2 0 左右。 【关键词】o u r原生动物活性内源过程 污泥减量加盐实验 i n v e s t i g a t i o no ft h ea c t i v i t yo fp r o t o z o a a n di n f l u e n t i a lp a r a m e t e r s a b s t n c t ：1 1 l i st h c s i si sm a i l l l yf o c u s e do nd e t e 咖j i i a t i o no ft l l ea d i v i c yo fp m t 0 z o a ， w h i c hi s 卸i m p o n 觚tp a r to fe n d o g c n o u sp r o c e 鹞e si nb i o l o g i c a lw a s t e w a t c r 仃e a t n l e n l ( b w ds y s t e m s ，a i i di n v e s t i g a t i o no fi i l n u e 蚯a lp 啦m c t c r ss u c h 髂s l u d g e r e t 曲t i 彻t i m e ( s r d 锄d 仃c a t m e n tl o a d i n g e n d o g 如o u sp m 讳s s e si nb w t s y s t e m s ， c o 璐i s t i go fc c l lm a i l l t c n 趾c e ，c c l li n a c t i v a t i o na n d1 y s i s ，锄dp f c d a t i b yp r o t o z o a ， r e l a t et ot h eo v e r a l lo x y g c nc o s u m p t i o 舔w e u 勰t h es l u d g ep r o d u c l i 衄ht h i s t l l e s i s ，t h ee f f c c to fp r e d a t i o no nb a c t e r i ab yp m t o z o aw 雒s t u d i e db a s e do n t l i e d c t 咖i n a t i o no fa c t i v i t y a c t i v i t i e su n d e rd i 丘 e f e n ts r ta n d1 0 a d i n g sw e 他m s u f e d 柚da 1 1 a l y s i sw 弱a i s od o n ca i m i l l gt of i n de 仃e c t so ft l l e s ep a i a m e t e r so na c t i v i t y i t h es t l l d y r e s p i r o m e 啦ct e s tw a se m p l o y e dt 0d e t e m i n eo x y g e nu p t a k er a t e ( 0 u r ) ，a i i dn a c lw a sa d d e dt or 咖o v ep m t o z o a 1 1 1 e 删0 r e t h ea c t 舢yo fp r o t o z o a c a nb ed e t e n n i n e du n d e rs 啪a t i o nc o n d i t i o nw i t ha n dw i t h o u tt h ep r e s e n c eo ft h e s e p r e d a t o f s i tw a sc o n c l u d c dt l l a tan “= lc o n c e n t r a t i o no f1 2 9n a c l lw a ss u i t a b l et o e l i m i n a t ea l m o s ta l lp r o t o z o a ，觚da2 0 a c t i v i t yw a so b s e e d k e y w o r d so x y g e nu p t a k er a t e ( o u r ) ；a c t i v i t yo fp m t o z o a ；e n d o g e n o u sp r o c e s s e s ； s l u d g er c d u c t i o n ；e x p e r i m e n to fn a a 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除：史中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：多燃 日 期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 本课题主要研究原生动物活性及其影响因素，通过原生动物的活性来揭示内 源过程的一个方面。内源过程，包括维持、捕食、失活、自溶等四个大方面。 1 1 内源过程示意图 有资料指出，内源过程耗氧量不仅占污水厂总耗氧量的5 0 ，更重要的是 它对污泥减量有着很大的贡献。污泥减量主要有物化法和生物法，生物方法 的减量，其本质是活性细胞体的减少，而活性细胞的减少，对应的过程就是微生 物的内源过程。目前从微生物内源衰减过程这一微观角度研究污泥减量问题还很 少。但如不对微生物内源过程获得一个全面认识，就很难实现减少污泥产量。只 有从微生物生长、代谢的微观角度入手，从本质上弄清活性污泥的自然衰减机理 才有可能从根本上对微生物内源衰减过程有一个全面认识，以达到优化控制最终 出水和污泥减量的目的。本课题从捕食角度出发，考察原生动物对细菌的捕食， 因而需要研究原生动物在内源呼吸阶段的活性。测定原生动物活性的方法有很 多，本文围绕其中的用耗氧量来表征原生动物活性的方法展开研究，并得出原生 动物在内源呼吸阶段的耗氧速率。 l 、 课题研究背景 内源过程和污泥减量之间有着一定的关系，而污泥减量，正是当今关注的热 点问题之一。 1 1 污泥减量的方法 污泥减量的方法有很多，如超声波污泥减量法、臭氧污泥减量法、解偶联代 北8 4 页第l 页 一物物一 一胞一 一动动一 一细一 一生生一 一亡一 一原后一食 活一死一 网 “弋 围 乒 1持溶了 一化量一维 自一 一氧能 溶一 一过得 自一 嚣 一 第一章耋 论 谢污泥减量法、利用原生动物和后生动物捕食细菌法等等。 a 隐性生长 生物细胞溶解系统 通过强化细菌的隐性生长可以达到污泥减量的目的。所谓隐性生长是指细菌 利用衰亡细菌所形成的二次基质生长，整个过程包含了溶胞和生长。利用各种溶 胞技术，使细菌能够迅速死亡并分解成为基质再次被其他细菌所利用，是在污 泥减量中常应用的手段。促进细胞溶解，在传统活性污泥法模型中可以认为是增 大了细胞衰减速率，这样可以降低剩余污泥的产量。生物细胞溶解系统类似于超 声波系统，将机械压力应用于污泥的回流系统，压破细胞壁，释放出细胞内的物 质。使用这种方法的二沉池能减少5 0 的污泥，并减少丝状菌的种群。 超声波污泥减量法 自从1 9 9 3 年超声波被引入污泥处理中来，现已有美国、英国、德国、瑞士、 日本、西班牙、及我国台湾等地科学家积极利用该技术进行污泥处理，研究内容 包括可行性、优化条件、机理等。超声波能有效的破坏菌胶团结构，将其内部包 含水释放成为可以比较容易去除的自由水。超声波通过交替的压缩、扩张作用产 生空穴作用，在溶液中这个作用以微气泡的形成、生长和破裂来体现，以此来压 碎细胞壁，释放出细胞内所含的成分和细胞质，以便进一步降解3 1 。 臭氧无剩余污泥处理工艺 在此工艺中，剩余污泥的消化与污水处理在同一个曝气池中同时进行。工艺 分成两个过程，一个是臭氧氧化过程，另一个是生物降解过程，其流程如下所 示： 进水一一出水 1 2 臭氧无剩余污泥污水处理工艺流程 从二沉池中沉下来的污泥，一部分直接回流到曝气池中，另一部分则是先进 行臭氧处理然后再回流到曝气池。污泥经过臭氧处理后，能够提高其可生物降解 共8 4 页第2 负 第一章绪论 性，在曝气池中与污水同时进行生物处理。臭氧联合活性污泥工艺的原理是：曝 气池中部分活性污泥在臭氧反应器中被臭氧氧化，大部分活性污泥微生物在臭氧 反应器中被杀灭或被氧化为有机质，而这些由污泥臭氧氧化而来的有机质在随后 的生物处理中被降解”。 b 解偶联代谢 解偶联的定义是：没有磷酸化的呼吸过程，即氧化和磷酸化相互分离，在降 解相同基质条件下，微生物的合成量将降低。微生物学家认为，细胞产量和分解 代谢产生的能量直接相关，但在某些条件下，如存在质子载体、重金属、异常温 度和好氧一厌氧交替循环时，呼吸超过了a t p 产量，即分解代谢和合成代谢解偶 联此时微生物能过量消耗底物，底物的消耗速率很高咖。 c 利用微型动物对污泥减量 一般来说，利用微型动物对污泥进行减量可从以下三个方面着手。 一是利用微型动物在食物链中的捕食作用。从生态学角度，当系统中食物链 越长，能量损失越多，可用于合成生物体的能量就越少，最终形成的总的生物量 也就越少。因此，延长食物链或强化食物链中的微型动物的捕食作用均能达到减 少剩余污泥产生量的目的。生物膜法与传统活性污泥法相比，一个重要特点是在 生物膜中体型较大营养级较高的微型动物容易繁殖，甚至出现苍蝇类的昆虫， 使得食物链变长变复杂。生物膜处理系统内产生的污泥量一般要比活性污泥法低 1 4 1 6 】o 1 - 3 原生动物食物链示意图 二是直接利用微型动物对污泥的摄食和消化，在减少污泥的容量同时增加污 泥的可溶性。原生动物中的附着型的种类如缘毛类纤毛虫，以及后生动物中的附 着型的轮虫均有较强的摄食悬浮性固体的能力。而苍蝇一类的昆虫的幼虫和一些 软体动物更能够直接吞食较大的絮状活性污泥或生物膜。 第一章绪论 三是利用微型动物来增强细菌的活性或增加有活性的细菌的数量，从而增强 细菌的自身氧化和代谢能力。微型动物和细菌之间的关系，除了捕食者和被捕食 者的关系外，还有互利的关系。在污水生物处理系统中，微型动物和细菌可以共 存。细菌对微型动物捕食可以形成菌胶团进行抵御，同时，细菌的分泌物能刺激 原生动物的生长，反过来原生动物活动产生溶解性有机物质可被细菌再利用，促 进细菌的生长。 这其中，研究原生动物对细菌的捕食作用，取得了一定的成果。下面重点介 绍一下捕食作用的机理及发展。 活性污泥是一个典型的人工生态系统，有物质和能量的输入和输出，有细菌、 原生动物、寡毛类、线虫等各种生物，它们之间有竞争、捕食等各种关系。正是 这些生物的活动使污水得以净化。根据生态学的理论，食物链越长，能量在传递 过程中被消耗的比例就越大，最终在系统中存在的生物量就越少。 在好氧工艺中，原生动物是以捕食分散的细菌维持生命的，这也促进了絮状 或膜状形成菌的生长，而常规工艺中形成的微生物，均以菌胶团的形式存在，大 部分不能被原生动物消耗。而对于后生动物而言，虽然可以捕食菌胶团内的细菌， 但由于在曝气池中不断的曝气、搅拌，对大型的后生动物的生长不利，因而，后 生动物的数量小于原生动物，不能消耗大量的菌胶团。这使得在活性污泥生态系 统中，物质和能量的传递并不顺畅，绝大部分物质和能量停留在初级消费者一细 菌这个营养级上，而不能通过向更高营养级的传递使生物量减少，这是形成大量 剩余活性污泥的根本原因。 传统的活性污泥工艺不能维持较长的食物链，而产生大量的剩余污泥，因此， 问题的重点为对污水处理的运行工艺加以改进，以适应微型动物的生长，并通过 它们对细菌的捕食作用以达到最大限度地减少污泥产量。为了克服捕食这一选择 性，促进分散微生物的生长，1 9 9 6 年在瑞典由l e e 和w e l a n d e 洛人，进行了二 阶段系统处理人工合成废水的研究，即两段法工艺”。所谓两段法，第一段为 分散细菌培养阶段( 分散培养反应器) ，促进分散细菌生长的同时达到对污水中有 机物的降解。其目的是在细菌高速降解有机物的同时不形成菌胶团，其固体停留 时间要小于细菌的世代时间：第二阶段为捕食阶段( 捕食反应器) ，促进原、后生 动物的生长。在第二阶段中为了保持一定量的原、后生动物的生长，要求污泥龄 共8 4 页第4 页 第一章绪论 长于水力停留时间”。该阶段可以利用生物膜法工艺或膜一生物反应器达到要 求。两阶段法中第一阶段使细菌能够在分散的状态下更有效的降解有机物。在此 条件下，该系统的污泥产量是常规工艺污泥量的3 0 5 0 j ”。 图l _ 4 两段式传统活性污泥系统 第一阶段为细菌分散培养反应器第二阶段为捕食反应器 g h y 0 0 t 等人在第二段用膜作为保持微型动物的手段，研究了整个系统对污 泥的减量和对污水的处理效果时发现，污水中8 0 以上的c 是在第一阶段降 低的。虽然在第一阶段的污泥产率系数和普通活性污泥法相当，但从整个系统看， 污泥的产率系数还是大大降低的。 在国内对原生动物的研究中，哈尔滨建筑大学王宝贞等开发的淹没式生物膜 污水处理里新技术，采用固定式载体填料，增加了原生动物和后生动物在曝气池 中的数量，有效的减少了剩余污泥的产量，小试研究确定其剩余污泥产量仅为常 规活性污泥法的l l o 一1 ，sm 1 。 以上提到的这些方法大体可以分为物化和生物方法两类。物化方法由于增加 运行费用而限制了在城市污水处理厂的广泛应用；利用微型动物捕食污泥，虽然 污泥减量程度有限、减量稳定性有待加强，但由于能耗低、不产生二次污染， 作为一种生态工程技术而备受关注。因此，利用生物方法对污泥进行减量，是当 今发展的方向。 1 2 原生动物的介绍 1 2 1 原生动物的概念 原生动物最早在1 6 4 7 年由虎克所发现，故1 6 4 7 年也被看成是原生动物研究 尹 彳一 日鳖磊一堕 卜 撒 一 一 一 一 第 一将 第一章绪论 的诞生时代。原生动物是最简单的生物。每个原生动物是一个单独的细胞，但这 个单细胞可执行多细胞生物的所有功能一摄食、消化、运动和生殖。原生动物的 分布是十分广泛的，淡水、海水、潮湿的土壤、污水沟、甚至雨后积水中都会有 大量的原生动物分布“。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。原生动物的概念没有特别的进化或分类的意 思。严格来说，原生动物不是一个自然群类，是为了方便归在一起的，共同特点 只是它们都是单细胞动物。从生态学和进化学的角度来讲，原生动物是一个单位， 相当于一个动物个体而非动物的组成细胞。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。所以， 从这种意义上说，原生动物是完整的生物“。 原生动物是微生物中的一个重要组成部分。微生物是一个混合群体，其生长 分为四个生长期( 即停滞期、对数期、静止期和衰老期) 。有机物多时，以有机物 为食料的细菌占优势；当细菌很多时，才出现以细菌为食料的原生动物“”。 1 2 2 原生动物的分类 目前，原生动物已经发现的种类有6 5 0 0 0 种，其中，半数为化石种，约l o 0 0 0 种为寄生种。按最新的分类系统，原生动物作为原生动物界的一个亚界。原生动 物业界共分为肉足虫鞭毛虫门、盘蜷虫门、顶复合器门、微孢子虫门和纤毛虫门。 经典的分类把原生动物门分为4 个纲鞭毛虫纲、肉足虫纲、孢子虫纲和纤毛 虫纲。 在水处理中常见的原生动物可以分为三类，分别是： 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 耻m 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； 菇8 4 页第6 页 图1 5 肉足类变形虫 第一章结论 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1 5 3 0 0 um s ： 图卜6 鞭毛类的尾波虫 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2 0 0 1 0 0 0 | l m s 。 图卜7 纤毛虫类肾形虫 在实验中，不光对原生动物，还对微型动物进行观察和测定。微型动物是一 个模糊的界定，在水处理领域，习惯把原生动物和一些体型较小的后生动物( 如 轮虫、线虫、大型无脊椎动物如环节纲的蚯蚓和软体动物等) 称之为微型动物。 严格地说，微型动物不是生物分类学上的概念，而是一种俗称“。原生动物是 微型动物的一个构成单元，本课题的研究对象是微型动物其中的原生动物，及和 其密切相关的一些分类、特性，具体内容将在第二章中详细介绍。 1 3 研究原生动物的背景及意义 近些年来，国际和国外对于原生动物的研究呈越来越多之势。人们发现，如 果通过适当的方式方法，对原生动物的各项指标和机理加以研究，可以为污泥减 量做出一定的指导作用。就本课题而言，主要研究活性污泥法中，原生动物的活 性。 通常来说，微生物的活性和许多因素有关。除了微生物量，还受到水中的溶 解氧含量、p h 值、水温以及生物处理装置的运行情况等多种因素的影响，所以 微生物活性与微生物量在数值上往往不成比例，在单位活性污泥中所附着生长的 微生物量相同的情况下，微生物活性会因进水水质或运行条件的变化而有所变 动。因此，微生物活性能够更准确表示原生动物对水中细菌等其它微生物的影响 “”。原生动物的活性也是如此。就原生动物而言，原生动物活性是污水生物系 统的重要参数，表示了单位载活性污泥中所附着生长的原生动物进行新陈代谢活 动的强度。原生动物的活性，也反应了原生动物的捕食能力。 2 、 研究意义 了解内源过程，从而对污泥进行减量化是有着重要的意义的。就现在而言， 污泥的处理是一项亟待解决的问题，因此围绕污泥问题，近年来世界各国相继展 开对各种污水处理新工艺、新技术的研究。 由于污泥具有病原体负荷高、含水率高、重金属蓄积、恶臭、易形成二次污 染等特性，目前的剩余污泥处置方法由于各自存在的问经远远不能满足城市卫生 和土地保护的要求，给污水处理带来了沉重的负担。污泥处置已从过去仅仅作为 污水处理的一个单元发展成了令污水处理厂不得不优先考虑的重要环节，因为污 水处理厂5 0 以上的费用是用于污泥处置的“。在经过了无害化、资源化阶段 之后，大规模的减量化是当前污水处理厂最普遍、同时也是最迫切的需要。对于 污泥问题的担忧，并不是现在刚刚开始的。早在2 0 世纪9 0 年代，就提出了对剩 余污泥处置的新概念污泥减量化。减量化是通过物理、化学、生物等手段使 整个污水处理系统向外排放的生物固体量达到最少。 共8 4 页第8 页 第一章绪论 如上节所讲，当能定量的了解原生动物的活性时，才能更好的把原生动物和 污泥减量两者间的关系构建出来，达到其最终的利用原生动物对污泥减量的作 用。利用生物方法，对污泥进行减量化处理，在现实中是具有很大的实用价值的。 污泥问题，已经成为世界各国棘手的问题之一：现阶段，在北京在建和投产 的污水处理厂的工艺选择中，均以生物处理技术为主。尤其是活性污泥法是国内 外污水生物处理众多方法中应用最为广泛的方法之一，我国城市污水处理厂中采 用活性污泥法的更是占9 0 以上。和其他的传统方法相比，活性污泥法在保证良 好的出水水质上是相当经济有效的，但它有其致命的缺点：产生约为污水处理量 1 一2 的大量剩余污泥。截至2 0 0 2 年底，我国已建成运转的污水处理厂超过4 2 7 座，年排放干污泥约3 0 万吨，每年的污泥量还在以1 0 的速度递增，如果折合 成含固率2 0 的脱水泥饼，产量高达1 5 0 万吨。随着人口的增长和工业的发展， 污泥量还将大大增加。这就使我们面临的环境更为严峻。污泥减量也逐渐提到议 事日程中来。拿高碑店污水处理厂来说，它每天的污水处理量约为1 0 0 万吨，这 就是说，每天将有卜2 万吨的剩余污泥产生。 就现在而言，污泥的处理是一项亟待解决的问题，因此围绕污泥问题，近年 来世界各国展开各种污水处理新工艺、新技术的研究。长期以来，大量的污泥产 量、营养物去除以及出水水质的保证之间的矛盾一直困扰着传统废水生物处理技 术。如上所述，所产生的大量生物污泥不仅增加了污水处理厂基建运行费用，运 行管理的难度也大大增加，并且由于污泥进一步处置不当而导致环境二次污染。 从可持续的角度来看，这种污染转嫁的局面，没有从根本上解决污染问题，即没 有达到清洁生产的目的。 利用微生物进行污泥减量，虽然污泥减量程度有限、减量稳定性有待加强， 但由于能耗低、不产生二次污染，作为一种生态工程技术而备受关注。尤其是为 了迎接2 0 0 8 年在北京举办的奥运会，并突出”绿色奥运的理念，环境因素就格 外突出。 要利用微型动物对污泥进行减量，必须要研究微生物自身的一些性质。目前 从微型动物内源衰减过程这一微观角度研究污泥减量问题，迄今在国内外相关研 究非常少，但这个问题如不从根本上加以解决，就很难通过生物手段达到污泥减 量的目的。而且已有研究表明微生物内源过程占有污水处理厂总的耗氧量超过 第一章绪论 5 0 。此外，内源过程也直接影响响污水处理厂微生物种群的处理效率以及系统 的稳定性。因此，如不对微生物内源过程获得一个全面认识，很难实现污水处理 达标的同时同步减少污泥产量，并提高污泥的稳定化程度，进而进一步降低污水 处理厂的基建和运行费用。原生动物作为生物捕食的重要方面，其内源过程就更 为值得我们去研究。 3 、 本课题研究内容 本课题主要是考察原生动物的活性及其影响因素。其中包括：原生动物在不 同工况下活性的比较，抑制原生动物活性的方法、原生动物活性测定实验方法的 研究等。 3 1 原生动物的观测： 在本实验中，显微镜的目镜倍数为4 倍，物镜为6 0 倍，放大倍数为2 4 0 倍。 原生动物作为观测的生物，有以下的一些优点： a 、从数量和种类来讲：在污水的活性污泥法处理中，对污水中的污染物降 解起着关键作用的是细菌，另外，一些原生动物也起到相应的作用。在本实验条 件下，后生动物在活性污泥法污水处理系统中数量相对少一些，约为1 0 0 个l ； 原生动物的数量相对是多的，约有1 5 0 个l 。在实验中，常见的原生动物种类也 通常比后生动物要多，如后生动物主要是轮虫，原生动物有钟虫、累枝虫及少量 的草履虫等。 ， b 、从体积和观测上讲：细菌是单细胞的，其个体比较小，一般大小约在1 i lm 左右，1 0 0 0 倍以上显微镜才能看到其形状。而相对来讲，原生动物相对个体 比细菌要大，长度一般在1 0 0 3 0 0 um 1 ”，变化相对明显，便于显微镜的观测 和计数工作的展开。 c 、原生动物在污水处理中是细菌的捕食者，因此它在食物链上处于较高的 位置。原生动物的生长，也可以反映出曝气池中细菌的生长大致情况。并且，原 生动物也是工艺运行好坏的指示生物。 原生动物的种类以及其特性，将在本论文的第二章详细给大家介绍。 共8 4 页第l o 页 第一章绪论 3 2 原生动物的影响因素 考察原生动物的活性，首先要了解一下对原生动物影响的因素有哪些。 据不同文献报道，影响原生动物活性的环境条件较多。 a 、温度的影响。相对而言，原生动物的最适温度范围比细菌要小。细菌的 适宜温度为2 0 4 0 ，原生动物的最适宜温度应该在在2 5 2 9 ”1 。因此，当 温度变化时( 尤其是在冬季，污水温度将低至1 2 ) ，会对污水中的原生动物活 性产生影响。 b 、食物的影响。食物的影响表现在当食物( 细菌) 浓度低时，繁殖速率与食 物浓度成正比，但当食物浓度到了一定程度后，食物浓度再提高，繁殖速率也不 再增加。这个结果也符合m o n o d 方程的论述。m o n o d 方程为： ( 1 均( d x d t ) = 旷。【s ( k s + s ) 】 c 、盐度的影响。在活着的生命体内，均需要对外界进行物质和营养的交换。 当微生物周围的水中含盐量增加时，相对于微生物内部来讲，就形成了一种浓度 梯度。此时，盐份在渗透压及溶质浓度的调节能力的作用下，开始向微生物细胞 内扩散。当赫度达到一定程度时，超过了微生物的自身调节范围，也就导致了微 生物的死亡1 ”。 d 、 其它的影响因素。有资料指出，原生动物的活性还与降解的基质有关， 当降解的基质是葡萄糖或甲醇时，细菌的生长会有一些不同，这也会导致原生动 物活性有所变化。此外，影响微型动物繁殖的其他环境条件还有p h 、砚、c 0 ：及 重金属等2 ”。 本实验根据不同负荷、不同泥龄以及不同的温度、p h 值下，原生动物的活 性变化规律情况，做了在相应工况下的观测，以便对实际的污水处理运行起到指 导作用。 ；e8 4 页第l l 页 第一章绪论 4 、 实验的基本原理 4 1 测定微生物活性的方法 对于活性的测定，有很多的方法。 可以用于表征微生物活性的指标有各种酶( 如脱氢酶、蛋白酶等) 活性、a t p 含量以及耗氧速率o u r 等2 “。 a 酶的测定 有机物在污水中的分解，是在酶的参与下实现的。因此，酶的活性也在一定 程度上反映了微生物活性的变化。根据酶合成的方式，微生物细胞内的酶可以分 为诱导酶和组成酶两类。诱导酶是在环境中有诱导物( 通常是酶的底物) 存在的 情况下，由诱导物诱导而生成的酶。组成酶是微生物细胞中经常存在的一类酶。 组成酶的合成只受细胞内遗传物质的控制，与环境中的营养物质无关。在这些酶 中脱氢酶占有重要的地位，因为有机物在生物体内的氧化往往是通过脱氢来进行 的。活性污泥中脱氢酶的活性与水中营养物浓度成正比，在处理污水过程中，活 性污泥脱氨酶活性的降低，直接说明了污水中可利用物质营养浓度的降低。此外， 由于酶是一类蛋白质，对毒物的作用非常敏感，当污水中有毒物存在时，会使酶 失活，造成污泥活性下降让”。 b a r p 的活性测定方法 a t p 即三磷酸腺苷( a d e n o s i n et r i p h o s p h a l e ) ，它是活细胞普遍具有的组分， 是所有生物活动的直接能源，是生命活力韵标志。a t p 对活物质之此相对为常 数。外界条件的变化如温度、p h 、供氧、重金属、有毒化合物等都会影响a t p 含量。所以潮9 定a t p 可以确定微生物的活力。测出a t p 并对比其变化，可以在 微生物学及废水生物处理的理论和应用中作为一个指标，说明很多问题。a t p 一 经与萤火虫提取物混合即产生闪光且光量与a t p 含量成正比。据此原理即可进 行a t p 定量测定汹1 。 c 通过o u r 测定原生动物活性 通过耗氧速率0 u r 测定原生动物的活性是本实验的核心内容。耗氧呼吸速 率，o u r ( o x y g e nu p t a k er a t e ) ，是评价污泥生物活性的常用指标之一，即好氧微 共斛页第】2 页 第一章绪论 生物每单位时间和体积内消耗的氧n “。呼吸速率与活性污泥混合液的溶解氧浓 度变化之间存在着密切联系，而后者可以简单、可靠地测量。通过测定溶解氧浓 度的变化，可以得出污泥中所有微生物的呼吸速率“”。 o u r 测定也是给水和废水的生物处理研究中生物膜微生物活性分析的一个 常用方法。根据饮用水生物处理中生物膜的特点对o u r 的测定方法进行了适当 改进。同各种酶( 如脱氢酶、蛋白酶等) 活性、a r p 含量的测定相比，0 u r 是表征 微生物活性的一个可以较为简便快捷地进行测定的指标，测定过程具有所需设备 简单，操作容易的特点。 4 2 微生物抑制剂 上面所说的测定方法，只能测定出污泥中包括细菌、原生动物、后生动物和 其它一些耗氧微生物的共同耗氧速率。而本课题是研究原生动物的耗氧速率，这 就必须排除干扰的因素，如后生动物和细菌的影响。因此，在测定前，必须对需 要测定的水样预处理，以消除这些因素。这就要在实验中加入抑制类的物质，使 得生物的活性得到预期的效果。 能够造成微生物抑制的元素有很多，许多抑制剂也正是利用了这个特点而制 成的。下面举几个例子来说明会造成微生物活性抑制的因素。 a 酚类对活性的抑制作用 据有关资料表明，几乎所有的酚类化合物都对活性污泥中的微生物有抑制作 用，区别只是程度不同而已。研究认为，在使得呼吸速率能保持在8 0 以上的 ：对候? 。酚类的影响在短时间内可以自然消除。呼吸速率不能保持在8 0 以上时， 则不能自然消除，而且会造成污泥膨胀。在研究微生物的活性时，就是利用一些 特殊的抑制剂，对相应的微生物进行抑制。例如，可以利用a 1 u 、t c m p 等作 为抑制剂，考察在一些情况下对硝化和反硝化的影响n ”。 b 铝对活性的抑制作用 铝絮凝剂是当今比较常用的絮凝剂之一。但是，它也会对微生物的活性造成 一定的影响。当铝絮凝剂与活性污泥刚接触时，就对活性污泥有一定的抑制作用， 且聚合氯化铝抑制作用略强。但随着时间的增长，a l c b 对脱氢酶活性的抑制明 共8 4 页第1 3 页 显高于聚合氯化铝“”。过量的铝投加，能够使微生物的活性大幅降低。如：a 1 3 + 的投加量为4 0 m g ，l 时，其活性只有原活性的3 2 2 ”。 c 氯化钠对活性的抑制作用 在介绍氯化钠对微生物活性的影响时，可以知道，过高的盐度，会导致微生 物的死亡。而体积大的微生物，相对的交换速率就较大，因此外界对其影响也就 比体积小的显著。而体积相对小的微生物，在相同的盐度下，能够存活下来。利 用这一特点，可以排除体型较大的微生物的影响嘲1 。 具体的方法就是加入适量的氯化钠，使得加入的盐量能把体积较大的原生动 物杀死，而又不影响细菌的生存。在内源呼吸期间，所消耗的氧气主要由原生动 物和细菌共同组成。此时，加入碳源，细菌直接利用碳源的能力要远远超过原生 动物，因此，细菌对氧气的消耗增大，而原生动物在短时间内不会增加对氧气的 消耗量。因此，所消耗的氧气就为细菌所贡献的。随着加盐量的增加，细菌的生 长也会受到抑制。当内源呼吸阶段的耗氧量减少，而最大比增长阶段的耗氧量没 有明显减少时的数据进行分析，可以知道，这时，原生动物基本受到抑制，细菌 没有受到抑制。再把这个得出的耗氧量数据同未加盐时相比较，就能得出原生动 物的耗氧量。利用这种方法，就成功的排除了细菌的耗氧量对原生动物耗氧量的 干扰。 具体o u r 的测定方法与实验步骤，详见第三章。 5 、 国内外研究现状 5 1 对原生动物活性的研究 对于微生物活性测定的研究，现在也呈越来越多之势。可以用于表征微生物 活性的指标除了本实验所采用的o u r 方法外，还有可测量各种酶( 如脱氢酶、蛋 白酶等) 活性、a t p 含量等方法。但因为0 u r 的测定方法相比较其它方法而言， 简单易行，因此，现在在国内，利用o u r 的方法也变得越来越多。例如，用o u r 的测定，进行废水有机组分鉴定试验的数据分析或调控污水厂中的活性污泥口”。 通过0 u r 的变化曲线，来说明在废水中各个耗氧物质的变化情况。另外，用0 u r 共8 4 斑第1 4 面 第一章绪论 来表征表征活性污泥硝化活性也在研究之列“1 。 在生产实践中，常常在设置对照组，消除营养物浓度变化影响因素的条件下， 通过测定活性污泥在不同工业废水中脱氢酶活性的变化情况来评价工业废水成 分的毒性，评价对不同工业废水的生物可降解性。 5 2 在运行系统中加盐的研究 本实验中，测量原生动物内源呼吸耗氧量的主要方法是利用盐抑制原生动物 的活性。对于盐对水中微生物的影响，已经有人做过了一些实验。 据有关文献显示，在加盐实验和无盐实验中，微生物无论从结构还是形态上， 都存在着一些差异。在无盐条件的活性污泥处理系统内，系统运行状态达到稳定 后，活性污泥颗粒很大，菌胶团呈封闭状，形状为不规则形，絮凝体紧密度不好， 呈疏松状。镜检发现活性污泥所含的微生物种类丰富，存在大量丝状菌，有大量 的原生动物。在含盐率稍有所提高时，微生物的种类与污水中不含海水时基本相 同，只是菌胶团变得较为密实。在继续提高盐的浓度后，经过一段时间运行发现， 菌胶团变得更为密实，呈小的团块状。微生物的种类及数量发生了变化。不仅后 生动物及更高级微生物已消失，而且原生动物豆形虫也已不存在。为适应环境的 变化，钟虫已发生了一些变异，镜检发现钟虫的柄变粗。盐度对活性污泥构型的 改变在盐度为3 5 9 l 的处理系统内表现更为明显。镜检几乎看不到丝状菌。造成 细菌无法再以丝状菌为骨架，絮凝体多附着在进水中死亡的微型动物的残体上， 污泥解体。此时系统中微生物基本绝迹n ”。 据文献显示，当污水中含1 2 海水时，在显微镜下观察，徽生物的种类与污 水中不含海水时基本相同，只是菌胶团变得较为密实。 污水中含z 4 嗨水时，菌胶团变得更为密实，呈小的团块状。微生物的种类 及数量发生了变化。不仅后生动物及更高级微生物已消失，而且原生动物豆形虫 也已不存在。 当海水组分达到3 6 时，基本上是以累枝虫为主，单柄纤毛虫和独缩虫都已 看不到。实验证明，原生动物对环境的变化有很强的适应性，因此，随着盐度的 提高，其生命活动依然很活跃，但单柄纤毛虫和独缩虫数量逐渐减少，更多的是 等枝虫和累枝虫。随着盐度的提高，后生动物如轮虫，以及更高级的微生物如红 共8 4 页第1 5 页 第一章绪论 斑颤虫都消失不见d ”。 在系统中加入盐后，发现s v i 值和加入的盐度之间，存在着一定的关系。盐 度影响污泥的沉降性，使s v i 变小。在加盐实验的运行中未发生污泥膨胀现象。 这可能和污泥结构的改变有关。无盐条件下，丝状菌交织分布构成骨架，菌胶团 附着其上形成絮凝体，重复上述过程形成更大的絮凝体。而随着盐度的增加，镜 检发现丝状菌的数量逐渐减少几乎消失。这必将造成污泥构型的改变，从而改变 污泥的沉降性能。s v i 变化见下图1 8 3 ”： 图l 一8 盐度对s 的影响 第二章原生动物及其在污水中的作用 第二章原生动物及其在污水中的作用 本章主要介绍原生动物的一些主要特征，以及其在水中的作用。这些原理， 为实验的正常运行、原生动物的观测起到了很重要的指导作用。 1 原生动物简介 1 1 原生动物的分类及特性 1 1 1 原生动物的特性 原生动物随着取食及细胞膜的渗透作用，相当多的水分也随之不断的进入体 内。原生动物的伸缩泡担任这一功能。在身体的一定部位，细胞质内过多的水分 聚集，形成小泡，它由小变大，最后形成一个被膜包围的伸缩泡，当其中充满水 分后，就自行收缩将水分通过体表排出体外。细胞代谢过程中所产生的含氮废物， 也溶于水中进入伸缩泡排出体外，所以伸缩泡维持着体内水分的平衡并兼有排泄 作用。 在本课题的研究手段中，就是利用了微生物的这个特点，从而使得原生动物 和细菌区分开来。其具体的方法和步骤见第4 章。 1 1 2 原生动物的营养方式 原生动物的营养方式分为以下几类，见表2 一l “1 2 1 原生动物营养类型 营养方式特点 以吞食细菌、真菌、藻类或有机颗粒主，绝大多数原生动物 动物性营养 为动物性营养 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 植物性营养 和水进行光合作用合成碳水化合物 腐q t 性营养以死的机体或无生命的可溶性有机物质为主 以其它7 物的机体( 即寄主) 作为乍存的场所，并获得营养和 寄乍性营养 能量 第二章原生动物及其在污水中的作用 1 2 原生动物的生长环境 在活性污泥处理工艺里，原生动物主要生长在活性污泥之中。活性污泥是由 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o 0 2 一o 2m m ，多为茶褐色，微具土壤味，密度约为1 0 0 5 9 c m 3 ， 含水率9 9 9 6 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，然后就是以细菌为食的掠食性原生动物占优势。 2 原生动物的作用 2 1 原生动物与细菌的关系 活性污泥是一个典型的人工生态系统，有物质和能量的输入和输出，有细菌 原生动物等各种生物，它们之间存在着各种各样的关系。正是这些关系，使得污 水在各微生物的综合因素下，得以进化。下面，主要介绍一下原生动物和细菌之 间的相互作用。 众所周知，细菌对水处理有着至关重要的影响，在废水生物处理系统中将污 染物质降解的主要是细菌，而原生动物对水处理的作用，主要是通过原生动物对 细菌的影响表现出来。可以说，对污水处理起作用的主要是细菌，其次就是原生 动物。原生动物与细菌的关系主要为： 2 1 1 原生动物在食物链中捕食细菌的作用 总体来说，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；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。有人在曝气池中接 种纤毛类原生动物，使得出水水质大为改善。”1 。根据经验可知，、t j 原生动物的 活性好时，其对细菌的影响力就相对增强。蚓此，当原生动物处j 活跃的状态时， 捕食的细菌数量也会久大增加，导致出水的 r j 泥量下降1 。原牛动物是活性污 泥中最 。要的捕食什通过捕食活性污泥l i 一绷菌，使细简f 粜持九刈数乍长期，维 肚8 4 一 kf “ 第二章原生动物及其在污水中的作用 持了细菌降解污染物的活性并减少了污泥的生成量3 ”，在活性污泥中的作用仅 次于细菌。 另外，捕食作用还可以起到优化作用州。 a 优化基质的碳氮磷比率 细菌生长需要合适的碳氮磷比率，没有捕食者的细菌群落通常存在限制性营 养因子。原生动物的捕食可释放整合在死细菌中的非活性形态营养物质，从而使 细菌群落更快地生长和保持更高的活力。原生动物的捕食能加快水生生态系统中 p 的矿化3 ”。 b 优化细菌群落 促进多种细菌的共存，提高了活性污泥生物多样性，协同促进了污水的净化。 原生动物的捕食压力有利于增殖较快的细菌生长。并且，原生动物的捕食作用可 降低病源细菌浓度，提高出水水质蚰1 。 c 导致细菌形态与生长方式的改变 原生动物存在时，一些原来悬浮生长的个体细菌采用絮状菌胶团或菌链的方 式生长，去除原生动物并连续培养几代后，这些菌胶团或菌链又以悬浮个体的方 式生长，由于原生动物对食物的大小具有选择性，菌胶团和菌链一般都比原生动 物大，可以抵制原生动物的捕食，是一种有效的捕食防御机制。在曝气池的末端， 絮状菌胶团的增多，可提高活性污泥在沉淀池的沉淀性。 2 1 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。c u r d s 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。掘经验发现， 如果絮状物 卉牛的纤毛虫多，则水就清。细菌本身有警：凝作用，符出现纤 第二章原生动物及其在污水中的作用 毛虫，更能加速絮凝过程。 2 1 3 促进作用 细菌生长需要维生素和氨基酸等生长因子。有些细菌可自身合成这些因子， 有些则需要从环境中获得。例如，在环境中添加氨基酸可刺激动胶杆菌属细菌的 生长。微生物优先利用水中的溶解性有机物，然后才降解难溶解的有机物，在降 解难溶的有机物时，微生物分泌细胞外酶分解难容的有机物。有资料表明，鞭毛 虫和纤毛虫能分泌生长因子刺激细菌生长“。碳水化合物能作为生物的营养源， 但绝大多数细菌不能降解利用自身的胞外聚合物，其它污水细菌降解，但原生动 物可以降解细菌的部分胞外聚合物，促进矿物质的循环，从而促进细菌的生长。 2 2 原生动物的指示性作用 活性污泥是由细菌、微型动物为主的微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一 起所形成的茶褐色的絮凝体。其中的微生物主要由细菌组成，细菌主要有菌胶团 细菌和丝状菌，数量可占污泥中微生物总量的9 0 9 5 左右，细菌在有机废 水的处理中起着最重要的作用m 1 。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。因此，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，即间接地评污水处理过程和处理效果的好 坏，起指导生产的作用“”。 各种生物对环境要求不一，指示生物又叫生物指标物，就是指那些在一定范 围内，能通过其特性、数量、种类和种群等变化，指示环境或环境特征的生