水处理论文—常见微型生物在污水处理中的作用和应用

摘要Error! No text of specified style in document.常见微型生物在污水处理中的作用和应用李小龙1(1. 青海大学土木工程学院，西宁 810016)摘要污水处理厂的处理效果主要取决于水中的微生物。原生动物、微型后生动物和底栖动物是其重要的组成部分。近年来国内外学者对其分类和应用的研究成果， 并分3个层次分别阐述了原生动物、微型后生动物及底栖动物的生态学意义。有必要重新认识微生物对于污水处理的积极意义。关键词：原生动物，微型后生动物，底栖动物，污水处理，指示生物土木工程学院给排水科学与工程 25Error! No text of specified style in document.ABSTRACTThe processing effect of sewage treatment plant mainly depends on the microorganisms in the water. Its important parts have, metazoan and benthonic animal. The classification and applications accomplishments that the domestic and oversea scholars have achieved in recent years are summarized. It states respectively anhistozoa, metazoan and benthonic animals ecological significance according to three levels. It is necessary to learn more about the significance of microorganisms for sewage water treatment.Key words: Anhistozoa, Metazoan, Benthonic animal, Polluted water, Biological indicator目录目录1 绪论12 原生动物32.1原生动物的形态与构造32.2 原生动物的营养与繁殖32.3常见的原生动物32.3.1 肉足类32.3.2 鞭毛类42.3.3 纤毛类52.4 原生动物在污水生物处理中的作用62.4.1 原生动物对污水净化的影响72.4.2 以原生动物为指示生物83 后生动物103.1 轮虫103.2 甲壳类动物113.3 其他小动物114 底栖动物134.1底栖动物的分类与基本特性134.2 底栖动物的生活类型134.2.1 固着动物（sessile benthos）134.2.2 穴居动物（burrowing benthos）144.2.3钻蚀动物（boring benthos）144.3底栖动物的摄食和生殖方式154.3.1 出芽生殖（budding）154.3.2 芽裂生殖（fission）154.3.3 断裂生殖（fragmentation）154.4 底栖动物在水环境中的分布及其功能154.5底栖动物在水环境中的作用及其生态学意义165 总结与展望196 参考文献217 致谢23Error! No text of specified style in document.1 绪论刚开学的时候，景明霞老师就告诉同学们，“水处理生物学”课程是给排水专业10门主干课程之一，是给水排水专业的必修课，其重要性自然不言而喻。因此，同学们对本门课程的学习都相当重视，力求将老师课堂上所传授的知识消化，融会贯通，进而以后能学以致用。另外老师课堂上还鼓励我们拓展知识面，不能局限于老师课堂上所讲授的知识，让我们课后多通过青海大学图书馆的官网，通过文献检索在中国知网上，多浏览阅读期刊论文，及时把握专业前沿的动向，培养专业兴趣。这一点极大地培养并提高了我们的文献检索和计算机操作的基本技能。我相信这些能力都将会对我们日后的学习和工作产生巨大的影响和帮助。通过课堂的学习，有幸聆听到景明霞老师对水处理生物学课程的讲授，主要学到了水处理生物学基础、污染物的生物分解与转化、水质安全与生物检测与微生物学的研究方法等四个大方面的知识。我了解到水处理生物学主要研究水处理工程和环境水体水质净化、保持过程（即水中污染物的迁移、分解与转化过程）中涉及的生物学问题，特别是微生物学问题，是一门由普通生物学、环境微生物学和水质工程学相结合，为了满足水处理和环境水体水质净化、保持工程的需要而发展起来的一门边缘性学科。水处理生物学在学科体系上属于应用微生物学的范畴，在研究对象和内容上与环境微生物学有一定交叉。进而，我又认识到“水处理生物学”研究的对象则主要集中在与水中污染物的迁移、分解及转化过程密切相关的微生物、微型水生动物和水生或湿生植物，特别是应用于水处理工程实践的生物种类。其中，细菌等原核微生物在水处理工程中通常起着关键的作用，是水处理生物学研究的重点对象。其中学习到了以下几个方面的内容：（1）水处理工程和环境水体水质净化、保持相关的生物种类的形态、生理特性及生态；（2）水中（微）生物种类间的相互作用；（3）（微）生物与水中污染物的相互作用关系；（4）水中污染物的生物分解与转化机理；（5）生物在水体净化和水处理中的作用机理和规律；（6）水中有害（微）生物的控制方法；（7）水处理（微）生物学的研究方法等。然而，近年来随着污染加剧，水资源短缺严重，人类对水质提出了更高的要求，污水深度处理与回用技术兴起。污水处理厂的侧重点不再是核算污染物的排放量，而是如何改善水质。生物处理技术开始显现其独特优势。在水生态系中，人们根据生态习性常将各种生物归纳为浮游生物、周丛生物、底栖生物、游泳生物、微型生物、自养生物和异养生物等。其中微型生物是指在显微镜下才能观察到的微小生物 ，主要是细菌、真菌、藻类和原生动物，也包括小型的后生动物如轮虫、桡足类的无节幼体、线虫等，其大小在 200m以下。在天然水体中参与了生态系统中的物质循环和能量流。由于人类的经济活动，天然水体不断地受到污染的胁迫。在物理、化学和生物的综合作用下，只要这种污染度不超越阀值，会使污染的水体得到净化，这种现象称为水体自净。水体中的生物，主要是微生物能直接或间接地把污染物作为营养源，既满足了微生物自身生长的需要，又使污染物降解。这样，污染的水体得到了净化，这就是水体自净的基本原理。当今在多种污染物的联合毒性监测领域，仍是一片空白，这是因为环境污染物中，有许多不可确定的复合污染物，它们之间存在拮抗、抑制和协同作用，要攻克这一空白领域，生物预警系统发展的前景不可限1。2 原生动物原生生物(Protista)一词早期用来指所有原始的简单生物，是指单细胞的真核生物。常见的如草履虫、变形虫、疟原虫(引起人体疟疾的病原体)等是真核生物。凡动物都是真核生物，单细胞绿藻(如衣藻)、单细胞的真菌(如酵母菌)等都是真物。不要把它们误认为是原核生物。2.1原生动物的形态与构造原生动物是动物界中最低等的单细胞动物。它们的个体都很小，长度一般在100-300m之间（少数种类的长度可达几个毫米，而个别小的种类的长度则只有几个毫米）。每个细胞常只有一个细胞核，少数种类也有两个或两个以上细胞核的。原生动物在形态上虽然只有一个细胞核，但在生理上却是一个完善的有机体，能和多细胞动物一样行使营养、呼吸、排泄、生殖等机能。其细胞体内各部分有不同的分工，形成机能不同的“胞器”。常见的“胞器”有运动胞器、消化与营养胞器、排泄胞器和感觉胞器等。2.2 原生动物的营养与繁殖 原生动物包含了生物界的全部营养类型。大部分原生动物营异养型生活，以吞食细菌、真菌、藻类等有机体为食，或以死亡的有机体、腐烂物、有机颗粒为食；少数含有光和色素，能像植物一样自养生活。大多数进行好氧呼吸，也有一部分可以在无氧条件下生活。具有较强的趋利避害感应性。与植物的营养方式一样，在有阳光的条件下，可利用二氧化碳和水合成碳水化合物，只有少数的原生动物采取这种营养方式，如植物性鞭毛虫。原生动物的繁殖方式有无性增殖及有性繁殖。无性繁殖为二分裂繁殖，也有复分裂繁殖。绝大部分原生动物可以形成休眠体（又称孢囊），以抵抗不良环境，至环境条件适宜时，又复萌发，长出新细胞。2.3常见的原生动物一般认为原生动物有30000余种，也有人认为有44000余种。污水生物处理中常见的原生动物有三类：肉足类、鞭毛类和纤毛类。2.3.1 肉足类肉足类原生动物大多数没有固定的形状，少数种类为球形。细胞质表面形成的一层薄膜，可伸缩变动而形成伪足，作为运动和摄食的胞器。绝大部分肉足类都营动物性营养。肉足类原生动物没有专门的胞口，完全依靠伪足摄食，以细菌、藻类、有机颗粒和比它本身小的原生动物为食物。可以任意改变形状的肉足类为根足变形虫，一般就叫做变形虫。还有一些体形不变的肉足类，呈球形，它的伪足呈针状，如辐射变形虫和太阳虫等。肉足类在自然界分布很广，土壤和水体中都有。中污带水体是多数种类最适宜的生活环境，在污水和污水生物处理构筑物中也有发现。就安全方面来说，重要的水传染病阿米巴痢疾就是由于寄生的变形虫所引起的（见图2.3.1）。图2.3.1变形虫形态结构示意图2.3.2 鞭毛类这类原生动物因为具有一根或一根以上的鞭毛，所以统称鞭毛虫或鞭毛类原生动物。鞭毛长度大致与基体长相等或更长些，是运动器官。鞭毛虫可分为植物性鞭毛虫和动物性鞭毛虫。植物性鞭毛虫多数有叶绿体，是仅有的进行植物性营养的原生动物。此外，有少数无色的植物性鞭毛虫，它们没有叶绿体，但具有植物性鞭毛虫所专有的某些物质，如坚硬的表膜和副淀粉粒等，形体一般很小，它们也会进行动物性营养。在自然界中的绿色的种类较多，在活性污泥中则无色的植物性鞭毛虫较多。最普通的植物性鞭毛虫为绿眼虫。它是植物性营养型的，有时能进行植物式腐生性营养。最适宜的环境是中污性小水体，也能适应多污性水体。在生活污水中较多，在寡污性净水或流水中极少。在活性污泥中和生物滤池表层滤料的生物膜上均有发现，但为数不多。此外还有杆囊虫，它的鞭毛比眼虫粗，利用溶解于水中的有机物进行腐生性营养；还有一种衣滴虫，有两根鞭毛和两个伸缩泡。有些能进行光合作用的鞭毛类原生动物常被划分在藻类植物中，如黄群藻和拟黄团藻等。动物性鞭毛虫体内无叶绿体，也没有表膜、副淀粉粒等植物性鞭毛虫所特有的物质。一般体形很小。它们是靠吞食细菌等微生物和其他固体食物生存的，有些还兼有动物式腐生性营养。在自然界中，动物性鞭毛虫生活在腐化有机物较多的水体内。在污水处理厂曝气池运行的初期阶段，往往出现动物性鞭毛虫。常见的动物性鞭毛虫有梨波豆虫和跳侧滴虫等（图2.3.2）。 图2.3.2 动物性鞭毛虫2.3.3 纤毛类纤毛类原生动物或纤毛虫的特点是周身表面或部分表面具有纤毛，作为运动或摄食的工具。纤毛虫是原生动物中构造最复杂的种类，不仅有比较明显的胞口，还有口围、口前庭和胞咽等起吞食和消化作用的细胞器官。它的细胞核有大核（营养核）和小核（生殖核）两种，通常大核只有一个，小核则有一个以上。纤毛类可分为游泳型和固着型两种。前者能自由游动，如周身有纤毛的草履虫，后者则附着在其他物体上生活，如钟虫等。固着型的纤毛虫可形成群体。纤毛虫（图2.3.3）喜食细菌及有机颗粒，竞争能力强，与污水生物处理的关系较为密切。在污水生物处理中常见的游泳型纤毛虫有草履虫、肾形虫、豆形虫、漫游虫、裂口虫等。常见的固着型纤毛虫主要是钟虫类。钟虫类因外形像敲得钟而得名。钟虫前端有环形纤毛丛构成的纤毛带，形成似波动膜的构造。纤毛摆动使水形成漩涡，把水中的细菌、有机颗粒引进胞口。食物在虫体内形成食物泡。当泡内食物逐渐被消化和吸收后，泡亦消失，剩下的残渣和水分渗入较大的伸缩泡。伸缩泡逐渐胀大，到一定程度即收缩，把泡内废物排出体外。伸缩泡只有一个，而食物泡的个数则随钟虫活动的旺盛程度而增减。大多数钟虫在后端有尾柄，它们靠尾柄附着在其他物质上。也有无尾柄的钟形虫，它们可在水中自由游动。有尾柄的钟虫，有时可在水中自由游动，也可离开原来的附着物，靠前端纤毛的摆动而移到另一个固体物质上。大多数钟虫类进行裂殖。有尾柄的钟形虫的幼体刚从母体分裂出来，尚未形成尾柄时，靠后端纤毛带摆动而自由游动。常见的单个个体的钟类有小口钟虫、沟钟虫、领钟虫等。这种单个个体的钟虫统称为钟虫或普通钟虫。常见的群体钟虫类有等枝虫和盖纤虫等。常见的等枝虫有瓶累枝虫等。盖纤虫有集盖虫、彩盖虫等。等枝虫的各个钟形体的尾柄一般互相连接呈等枝状，也有不分枝而个体独立生活的。盖纤虫的虫体的尾柄在顶端互相连接，虫口波动膜处生有“小柄”。集盖虫的虫体一般为卵圆形或近似梨形，中部显著地胀大，前端口围远较最宽阔的中部为小，尾柄细而柔弱，群体不大，常不超过16个个体。彩盖虫的虫体伸直时近似纺锤形，体长约为体宽的3倍，收缩时类似卵圆形，尾柄较粗而坚实，群体较小，一般由2-8个个体组成。等枝虫和盖纤虫的尾柄内，不像普通钟虫，都没有肌丝，所以尾柄不能伸缩，当受到刺激后只有虫体收缩。群体钟虫和普通钟虫都经常出现于活性污泥和生物膜中，可作为处理效果较好的指示生物。一种生物只能在某一种环境中生长，这种生物就是这一环境的指示生物。水中原生动物除上述三类外，还有吸管虫类原生动物和孢子类原生动物。吸管类成虫具有吸管，而且也长有柄，固着在固体物质上，吸管用来诱捕食物。吸管虫在污水处理中的作用还没有很好的研究。孢子虫是寄生性的，其生活史较复杂，能产生孢子，主要在卫生医疗方面有重要性，间日疟原虫就属于这一类生物。图2.3.3 游泳型纤毛虫2.4 原生动物在污水生物处理中的作用细指示生物又叫生物指标物，就是指那些在一定地区范围内，能通过其特性、数量、种类和种群等变化，指示环境或某一环境因子特征的生物。根据特点，可以将水体划分为多污性水体，中污性水体，中污性水体和寡污性水体2。在应用中最好是采用常见而又占优势的种类来指示该水体的污染程度。多污性水体的原生动物有:施氏肾形虫 、变豆形虫 、闪瞬目虫、梨形四膜虫、小口钟虫 、及扭头虫、齿口虫等 5，6菌数量多，分解有机物的能力强，并且繁殖迅速，是污水生物处理中污染物去除的主要承担者。原生动物在污水中的数量比较大，常占微型动物总数的95%以上，因而也有一定的净化污染物的能力；原生动物多以细菌等为食物，其吞食活性污泥的能力近年来得到了较多关注和研究，成为可能的污泥减量化方法；原生动物还可以作为指示物，用以反映活性污泥和生物膜的质量以及污水净化的程度3。水体污染的生物检测是指利用水生生物在一定水环境条件下由于水体污染物的影响而产生的各种反应来测试水体的污染状况。传统上，生物检测采用测量生物体内蓄积的污染物浓度的方法， 揭示环境污染的程度和状况。近年来，生物检测概念的范畴已明显扩大，包括测量生物体暴露于污染环境中的生理、生态、遗传等参数变化，以获得污染的有关信息及暴露所造成的影响。目前已经有许多原生动物成为毒理实验的模式生物，最常用的是草履虫(Paramecium)、四膜虫(Tetrahymena)等 。最早的研究主要是直观地反映不同浓度下单一毒物对生命体的形态改变、生长刺激、生长抑制、死亡引发等方面以及多种毒物的联合效应。林利明等曾利用草履虫对不同水质的趋化性，分析它们移动到实验区水样的数目，从而判断水质的污染程度和毒性大小。吴伟等用阳性致突变物诱发四膜虫刺泡发射，结果表明，四膜虫对致突变阳性物质相当敏感，且有剂量效应关系。Schultz 研究小组 通过对不同种类的化学毒物引起的群体生长变化的研究，建立了以四膜虫为生物模型的定量构效关系 ;根据化学物的结构、理化特性如分子量、疏水性等，利用 logKow等分子特性参数(molecular descriptor)，由已知的化学物质毒性来预测其它类似化学物的潜在毒性。从而在一定程度上克服了面对现代工业中成千上万种化学物质的毒性评估工作而束手无策的困难。现在有关水质的毒理学研究已经扩展到分子领域，随着分子生态毒理学的建立，采用现代分子生物学方法与技术研究对原生动物的胞内生物大分子水平及酶活性、胞内重要抗氧化系统等做出研究，从而对在个体、种群或生态系统水平上的影响做出预报4。促进活性污泥的絮凝作用 活性污泥的絮凝现象直接关系到细菌氧化有机物的能力和污泥的沉淀作用。废水的曝气池中停留一定时间后要排入沉淀池，这时活性污泥就要沉淀下来。一是保证沉淀池的出水比较清彻，二是沉淀后的活性污泥有一部分要重新回流到曝气池中以便和不断流入的新废水混合，如此重复不止。细菌的絮凝作用提供了原生动物的生长环境， 而在絮状物上生长的原生动物又能加速絮凝过程。已证明纤毛虫能分泌两种物质，一种是多糖类碳水化合物，能改变悬浮颗粒的表面电荷，使悬浮颗粒集结起来，形成絮状物;另外一种是粘朊，能把絮状物再联结起来，最大的絮状物直径可达3mm。柯兹( Curds)甚至认为纤毛虫比细菌担负了更多的絮凝作用。渗透过滤系统是由沉淀池、无氧消化池和滤床等几部分组成。有机废水通过沉淀池、无氧消化池进入滤床，在适宜的滤床上流动时，能够使得细菌快速繁殖。细菌将有机碎屑作为食物，在基质上形成菌膜，然后可以发现藻类和真菌，最终会产生原生动物。纤毛虫是原生动物中的优质种，很常见，纤毛虫在游动过程中，会向环境中分泌粘多糖物质，是悬浮的颗粒状物质粘连成絮状沉淀，从而使浑浊的水体变得清澈。提高活性污泥的沉降速度在絮凝时，原生动物分泌的粘液对悬浮颗粒和细菌均有吸附能力 ，不仅促进了絮凝作用，同时也促进了活性污泥的沉淀效率。在氧化塘一类的构筑物中，藻类的作用则比原生动物更重要，当然细菌还是其主要作用。 2.4.1 原生动物对污水净化的影响 由于人类的经济活动，天然水体不断地受到污染的胁迫。在物理、化学和生物的综合作用下，只要这种污染度不超越阀值，会使污染的水体得到净化，这种现象称为水体自净。水体自净包括物理自净、化学自净和生物自净。而物化作用虽然可以导致污染物浓度下降，但污染物绝对量上几乎没有减少。因此在水体自净的过程中，以生物的捕食、同化等生化过程使污染物得以转化、降解即生物自净至为重要。这其中细菌起主要作用，而原生动物所起的作用主要是吞食细菌，这不但起了净化污水的作用 而且它控制了细菌的增殖速度，保持了微生物群体的生态平衡，同时它还可以吞食污水中的固体有机物及溶解的有机物，直接起净化作用。综上所述，由于原生动物个体微小，生命周期较短，对环境的变化敏感，对污染能够迅速做出反应，原生动物群落的变化能及时反映水体环境的突然变化。因此在监测评价水质的瞬时变化（如瞬时排污）和长期内的连续变化（长期效应）方面，原生动物作为理想的监测生物具有不可替代的作用。但是由于水质情况复杂，生态系统多种多样，适应能力各不相同 ，难以确定污染物的性质和含量5。因此，在条件许可的情况下，应采取多种方法进行综合监测 ，以确保监测结果的科学性。动物性营养型的原生动物，如动物性鞭毛虫、变形虫、纤毛虫等直接利用水中的有机物质，对水中有机物的净化起一定的积极作用。但是这些原生动物是以吞食细菌为主的，它们直接提高有机物去除效率的作用，还需进一步研究。在活性污泥法中，纤毛虫可促进生物絮凝作用。活性污泥凝聚得好，则在二次沉淀池中沉降的好，从而改善水质。科兹在1963年通过实验证明，小口钟虫、褶累枝虫和尾草履虫等纤毛虫能分泌一些促进凝聚的糖类和黏朊。他甚至认为在生物凝集过程中纤毛虫比细菌起的作用更大。纤毛虫能大量吞食细菌，特别是游离细菌，因此可改善生物处理法出水的水质。科兹等人在实验条件下进行试验，发现曝气池中有纤毛虫(节盖虫、苔藓伪瞬目虫)时，出水中游离细菌立刻降至1-8百万个/ml，出水很清澈。同时，加入纤毛虫后出水的其他指标也有改善。他们认为纤毛虫除掠食细菌外，还有一定程度的净化作用。2.4.2 以原生动物为指示生物 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 +a1 x 1 +a2 x 2 +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 %6。由于不同种类的原生动物对环境条件的要求不同，对环境变化的敏感程度也不同，所以可以利用原生动物种群的生长情况，判断生物处理构筑物的运转情况及污水净化的效果。原生动物的形体比细菌大得多，用低倍显微镜即可观察，因此以原生动物为指示生物较为方便。对污水处理构筑物中的原生动物进行镜检时，需注意以下几个方面：原生动物种类的组成；种类数量的变化；各种群的代谢活力。在生物处理构筑物中会有一些常见种类。根据湖北省水生生物研究所的观察和分析，在我国一些污水处理厂的活性污泥中，最常见的纤毛虫是小口钟虫、沟钟虫、八钟虫、领钟虫、彩盖虫、微盘盖虫、集盖虫、熄状独缩虫、卑怯管叶虫；肉足类虫是点滴简变虫、小螺足虫；鞭毛虫是尾波豆虫、梨波豆虫、粗袋鞭虫等。由于多数原生动物是广栖性的，能忍受很宽的环境范围，所以某些种类的少量出现并不能完全说明构筑物的处理效果。必须注意各种类的数量变化。原生动物生长适宜的pH范围与细菌和藻类的相仿，但很多原生动物对于毒物的影响比细菌更敏感，所以在污水处理系统中根据原生动物的变化情况，常可在细菌受到影响之前采取适当的措施。一般情况下，在活性污泥的培养和驯化阶段中，原生动物种类的出现和数量的变化往往按一定的顺序进行。在运行初期，曝气池中出现鞭毛虫和肉足虫。若钟虫出现且数量较多，2 原生动物则说明活性污泥已成熟，充氧正常。在正常运行的曝气池中，如果固着型纤毛虫减少，游泳型纤毛虫突然增加，表明处理效果将变坏。 除原生动物的种类和数量外，还应注意各种群的代谢活力。例如，纤毛虫在环境适宜时，用裂殖方式进行繁殖；当食物不足时，或溶解氧、温度、pH值不适宜，或者有毒物质超过其忍受限度时，就变为接合繁殖，甚至形成孢囊以保证其身体。所以，当观察到纤毛虫活动力差，钟虫类口盘缩进、伸缩泡很大、细胞质空泡化、活动力差、畸形、接合繁殖、有大量孢囊形成等现象时，即使虫数较多，也说明处理效果不好。根据以上叙述可知，在污水的生物处理厂中应对原生动物进行长期的显微镜观察，以掌握本厂正常运转时常见且数量多的种类。然后根据日常镜检结果，就可对污水处理的效果进行判断。如果发现状态较差的原生动物突然猛增或其他不正常现象，就说明运转出现了问题，应及时采取补救措施，以保证处理工艺正常运行。应当指出，无论用原生动物或下节将要提到的其他微型动物作为指示剂生物时，都要谨慎吧。因为它们虽然可以直接在显微镜下观察，但作为指示物都还没有准确的定性定量的方法，目前只能起辅助理化分析的作用。 Error! No text of specified style in document.3 后生动物目前，世界上超过90%的城市污水处理采用的是活性污泥法（图3.1）。因此，国内外许多研究者首先关注的就是微型后生动物在活性污泥系统中的生长情况和减量效果。Ratsak 等人在研究荷兰某污水处理厂活性污泥系统中寡毛蚓类的种群动态时，发现随着仙女虫的大量生长，污泥产量随之降低，而且用于曝气所需的能量也大大地降低，污泥容积指数 ( SVI) 得到改善。 图3.1 活性污泥反应器示意图Ratsak还发现寡毛虫种群的大小与剩余污泥产量的多少有明显的关系，如果系统中每毫升污泥混合液里存在寡毛蚓超过20-30条，污泥量就能减少。但是，由于这些蠕虫在曝气池中生长空间和时间上的不稳定性，有时会影响污泥减量的效果。一般桡足类和线虫占沉积物中小型底栖动物的 50%以上，而纤毛虫、涡虫、介形类等其他小型底栖动物虽然丰度与前者相当，但其生态作用却常常被研究者忽视 (Along，1987a)。过去大量研究中，部分红树林湿地生态系统的小型底栖动物已被鉴定至“门 ”或“纲 ”，但有关小型底栖动物的物种组成和群落结构方面的研究后生动物也称多细胞动物，其机体不像原生动物，由多细胞组成。在水处理工作中常见的微型后生动物主要是多细胞的无脊椎动物，包括轮虫、甲壳类动物和昆虫及幼虫等7。3.1 轮虫 轮虫（Rotifers）是多细胞动物中比较简单的一种。其身体前端有一个头冠，头冠上有一列、二列或多列纤毛形成的纤毛环。纤毛环经常摆动，将细菌和有机颗粒等引入口部，纤毛环还是幼虫的运动工具。如图轮虫有旋转的龙卡而得名。龙图透明的壳，两侧对称，体后，多数有尾状物。轮虫以细菌、小的原生动物和有机颗粒等为食物，所以在污水的生物处理中有一定的净化作用。 在污水生物处理过程中，轮虫也可作为指示生物。当活性污泥中出现轮虫时，往往表明处理效果良好，但如数量太多，则有可能破坏污泥的结构，使污泥松散而上浮。活性污泥中常见的轮虫有转轮虫（Rosaria rotator）、红眼旋转虫（Philodinaetythrophthalma）等，轮虫在水源水中大量繁殖时，有可能阻塞水厂的砂滤池。3.2 甲壳类动物通常提到甲壳类动物就会使人想到虾类。水处理中遇到的多为微型甲壳类动物，这类生物的主要特点是具有坚硬的甲壳。在给水排水工程中常见的甲壳类动物有水蚤（Daphnia）和剑水蚤（Cyclops）。如图，它以细菌和藻类为食料。它们若大量繁殖，可能影响水厂滤池的正常。氧化塘出水中往往含有较多藻类，可以利用甲壳类动物去净化这种出水。3.3 其他小动物水中有机淤泥和生物黏膜上常生活着一些其他小动物，如线虫和昆虫（包括其幼虫）等。在污水生物处理的活性污泥和生物膜中都可发现线虫（Nematode）。线虫的虫体为长线形，在水中一般长0.252mm，断面为圆形。有些线虫是寄生性的，在污水处理中遇到的是独立生活的。线虫可同化其他微生物不易降解的固体有机物。在水中出现的小虫或其幼虫还有摇蚊幼虫（Chironomus larva）、蜂蝇（Epistaxis Texan）幼虫和颤蚯蚓（Tubbier）（图3.3）等，这些生物都可用做研究河川污染的指示生物。动物生活时需要氧气，但微型动物在缺氧的环境里也能生存数小时。一般说，在无毒污水的生物处理过程中，如无动物生长，往往说明溶解氧不足。图3.3 水中其他常见小动物 魏源等人8用活性污泥法处理小区生活污水时，让蠕虫在推流式曝气池中自然生长。在整个运行过程中蠕虫都存在，红斑顠体虫和仙女虫交替占据优势地位，前者占据优势地位的时间较多，而后者一旦成为优势种时，污泥减量效果就更加明显。该研究进一步表明， 高密度蠕虫不仅能显著降低污泥产率，而且能明显提高污泥的沉降性能。当蠕虫总密度小于50条/mg时，平均污泥产率和污泥容积指数为 0.122 kg/kg 和77mL/g；当蠕虫总密度大于 100条/mg 时，则进一步下降至 0.10 kg/kg 和41mL/g。研究还发现，蠕虫密度越高， 污水处理系统的出水水质就越差，尤其是硝酸氮浓度增加明显：相对而言，仙女虫对出水水质的影响大于红斑顠体虫。当仙女虫占优势时，还会导致出水PO3-P浓度的增加。 目前关于利用微型动物对污泥进行减量的研究，主要集中在研究具体工艺中微型动物摄食导致污泥减量的程度。由于影响污泥产量的因素较多，如选用的微型动物种类及各种工艺的差异登，文献中所报道的污泥减量比例变化幅度很大。用于摄食剩余污泥的微型动物主要包括：原生动物、轮虫等体型较小的微型动物，其最大优势就是数量多，生长速度快；环节动物和软体动物等体型较大的微型动物，其优势是受外环境影响小、采集方便，便于集中投放。最初人们认为原生动物捕食细菌，减少了曝气池中的细菌总数，降低了活性污泥的活性，可能对污水处理效果产生负面影响。随着研究深入，发现部分原生动物的存在可以促进细菌活力，提高出水水质，其在活性污泥中的净化作用仅次于细菌。微型动物还可以分泌生长因子和降解胞外聚合物；优化基质的碳氮磷比率；优化细菌群落；导致细菌形态和生长方式的改变；促进营养物质和氧气的扩散；促进絮凝。经过研究发现向MYR内投加待处理污泥总量126.9g时，污泥累积减少量为100.2 g，污泥总减量率为78.960，其中基于原生动物生物捕食作用引起的污泥累积减少量为710g，占总的污泥累积减少量73.9 0。翟小蔚等人采用两段式膜生物反应器作为原生动物哺养系统，培养富含原生动物的污泥，再将其定期接种于普通活性污泥中，削减了剩余污泥并使污泥的絮凝沉降性能得到改善。蚯蚓生态滤池 ( VBF)（图3.3.1）是在普通生物滤池的基础上，引入适宜蚯蚓生长的有机物分解处理层而形成的一种生态滤池，见图 2。在这一工艺中，它充分利用了蚯蚓具有较强的吞食细菌、有机物，提高滤料通透性( 透水、通气) 的能力，当污水自上而下滤过时， 不断与滤料相接触，从而使微生物在滤料表面繁殖，形成生物膜。生物膜是由多种微生物和微型动物组成的生物群落，它利用污水中的有机污染物作为营养物质进行分解代谢获得能量， 并形成新的微生物机体。虽然现有的污水处理工艺适合于大多数后生动物的生长，并能使污泥减量，但是由于曝气池搅动大，运行的工况并不完全适合一些后生动物的生长，如颤蚓等。因此，有些研究者也制造专门适合后生动物生长的反应器（图3.3.2）进行污泥减量9。 图3.3.1蚯蚓生态滤池示意图 图3.3.2回流污泥生物滤池示意图 4 底栖动物目前， 国内对底栖动物群落的研究也多集中于种群时空动态变化与生物多样性恢复。关于底栖动物与生态系统的相互作用研究很少 。本文重阐述了底栖动物对系统初级生产、有机物可持续生产、植被结构和分布格局，进而对整个生态系统结构与功能的影响等方面作用的研究进展。按照水体中生物的存在位置与形态，水生生物可分为四大类群，即浮游生物、自游生物(或游泳生物)、漂浮生物和底栖生物(或水底生物)。“底栖生物”是水生生物学中对水生生物的一个分类，它包括上一节讨论的许多原生动物与微型后生动物。由于底栖生物有许多特殊的生物学特征，它们在水体物质循环及水质保护中发挥着十分重要的作用，本节特别讨论一下底栖生物的一些特性。4.1底栖动物的分类与基本特性 底栖生物(benthonic organism)由栖息在水域底部和不能长时间在水中游动的各类生物所组成，是水生食物中的一个重要生态类型。它是一个很大的生物类群，其中类和生活方式都远比浮游生物和自游生物复杂。包括底栖植物（benthonic plant）、底栖动物（zoo benthos，或benthonic animal）与微生物。底栖植物主要是水生维管束植物和各种藻类，底栖动物包括腔肠动物、海绵动物、扁形动物、线形动物、环节动物、节足动物等。 底栖生物的生活习性不过爬行、匍匐、附着、攀缘、穴居等。多数底栖生物不能远距离移动。这一点作为环境污染指示生物是有优越性的。但在某些情况下很难把它们和浮游生物及自游生物分清楚，如甲壳类的蟹是底栖动物，但其幼体是在水中漂流的。近代研究常根据筛网孔径的大小将他们划分为不同的类型。一般而言，将不能通过500m。孔径筛网的动物称为大型底栖动物（macro fauna）能通过500m孔径筛网但不能通过42m孔径筛网的动物为微型底栖动物（Nano fauna）。这种分类方法是为了研究的方便。与分类地位和生活习性无关。20世纪60年代以前，底栖动物的研究对象主要是体径超过1mm的大型底栖生物和体重超过1g的巨型底栖生物。其后，对生存于沿岸或水下沉积物颗粒间的大量体积为0.41mm的小型底栖动物 (也称间隙动物和体径小于0.4mm的微型底栖生物的调查研究受到较多底重视。微型底栖动物主要是原生动物等。它们的数量远远超过大型底栖生物，虽然个体很小，但其生物量却几乎与大型动物相等。在物质转化及食物链方面的作用重要。4.2 底栖动物的生活类型根据其生活类型，底栖动物可分为固着动物、穴居动物、攀爬动物和钻蚀动物等。4.2.1 固着动物（sessile benthos）在水底表面或其突出物上营终生固着或临时固着。淡水中终生固着的种类比海洋少的多。但有共同点。较低等的种类主要包括海绵动物(Sponge)和刺胞动物(Cnidarian)，较高等的永久固着动物在淡水中仅有淡水壳菜(Limnoperna lacustris)，成体以足丝固着于坚硬的底质上。由于长期营固着生活，这类动物身体的构造通常都较简单，除感觉器官（如触手、触丝）相对发达外，一些器官还有退化现象。固着生物常形成群体，过度孳生时可造成不利影响，如淡水壳菜常损害水工建筑或堵塞工厂供水管道。临时固着的动物则种类甚多，在流水环境中想当普遍，其固着方式多样，如蛭类用吸盘固定，某些摇蚊用吸盘固定，某些摇蚊及石蛾幼虫则固定于底质上的巢、管等等。4.2.2 穴居动物（burrowing benthos）这类动物通常将身体的全部或大部分埋藏于疏松的底质中。其成员在淡水中有一些线虫、颤蚓科寡毛类、双壳类软体动物以及摇蚊类幼虫等。它们对穴居有种种适应，首先，多数种类都具有细长的体形，使之易于在底质中穿行。这个特点除见于多数蠕虫外，一些真穴居双壳类如中国淡水蛏（Novaculina chinensis）的贝壳也是相当纵长的。其次，为解决底质中氧气（有时包括食物）供应不足问题，穴居动物常有部分身体露出于底质外。如颤蚓类，常将尾部露出并不断摇摆，搅动水流以取得氧气，有些种类如尾鳃蚓则更在尾部各节有成对的指状鳃，以提高气体交换效率。淡水蛏则有很长的进出水管，以便从水体中取得氧气及悬浮食物颗粒。另外，许多蚌类具有肌肉发达的斧足也是湖底开凿穴道的一种适应。穴居动物分布在淤泥为主的底质中，有时可达到相当大的深度，入颤蚓类在日本琵琶湖南部有时可钻至湖底0.9m。因此采集底栖动物定量样品时应考虑采泥器是否能达到 一定的深度。就疏松湖底而言，一般认为至少应穿透20cm底质才有可能采到该处90% 的生物。 泛指爬行于底质表面和攀缘于水底突出物（包括水草）上的动物。它们的组成非常复杂，不但体型差异很大，运动能力和方式也不相同。一般而言，在底质表面爬行的类群个体都较大，常有较厚重的贝壳和被甲，常见的如腹足类的环棱螺（Belay）、圆田螺（Cipangopaludina）以及甲壳类的各种蟹类和鳌虾（Stacks）和半翅目的田鳖、红娘华等。在突出物和植物上攀缘的种类大都体形较小，贝壳亦相对较单薄，常见的如淡水线虫及寡毛纲中的仙女虫科种类，软体动物则以螺科种类为主。 攀爬动物中有不少种类有营负管或负囊的习性，负管由砂粒或植物种子构成，并随虫体而移动。有负管的种类以毛翅目幼虫为多，仙女虫中的管盘虫（Aulophorus）亦常见。有厚重负管的种类多只在泥表爬行，而负管轻巧的种类则常见于水生植物上。这一类群的活动能力一般都不大。与此相反，攀爬动物中又有活动能力相当强的种类，如龙虱和一些虾类，不但善于主动游泳，而且活动范围很广，由于其栖息地主要仍为水底，故有些学者称此类动物为自由底栖动物（nektonic benthos）。4.2.3钻蚀动物（boring benthos）这类动物能用机械或化学方法在较坚硬的物体上钻蚀洞穴，多见于海洋生物如船蛆（Torpedo）。在淡水中并未发现真正代表。4.3底栖动物的摄食和生殖方式功能摄食类群（functional feeding groups）是根据摄食对象和方法的差异对水生动物进行的一项生态分类，它包括撕食者、收集者、刮食者和捕食者。生殖方式视种类而异，有的类群主要是无性生殖。有性生殖只偶然见到；不少种类则只行有性生殖。无性生殖分为以下三类：4.3.1 出芽生殖（budding） 由体壁向外凸出形成芽体，芽体在一个个体上可能同时出现2-3个，这类生殖在淡水中仅见于水螅（Hydra）。4.3.2 芽裂生殖（fission）在扁形动物及低等环节动物中常见，这类生殖系在身体的某个部位出现组织增生并形成芽裂。以低等寡毛类为例，通常在中部的某一体节形成芽区（budding zone），在该区增生若干新节，前面若干新节形成母体尾部而后面新节则发育为幼体的头部，待幼体成熟后脱离母体。这类生殖常见于扁形动物单肠目如微口虫（Microstomum）以及寡毛类仙女虫科的许多种类。4.3.3 断裂生殖（fragmentation） 由虫体自切为若干段，每段再生出新的头部和尾部，形成完整的成体，这种现象以寡毛类的带丝蚓（Lumbriculus）最为常见。有性生殖在底栖动物中是普遍现象，不论是雌雄同体还是雌雄异体，生殖时都需经过异体受精，形成受精卵并发育成幼体。不少种类能分泌膜状物将或多或少的受精卵包裹起来，以利幼体在其中孵化，这个构造通称卵茧（cocoon）。底栖动物幼体的发育可分为直接发育和间接发育两种方式。直接发育是幼体孵化后，其形态即与成体无大差异；间接发育是幼体形态与成体不同，须经简单或复杂的变态阶段，其典型代表如昆虫的发育。水生昆虫的变态主要有两类：一类为不完全变态（incomplete metamorphosis），变态过程无蛹期，幼虫常有气管鳃和翅芽，通称稚虫（naiad），见于蜻蜓、蜉蝣等目；另一类为完全变态（complete metamorphosis），发育过程包括卵、幼虫、蛹、成虫四个阶段，常见于鞘翅目和双翅目。4.4 底栖动物在水环境中的分布及其功能低栖生物的生存、发展、分布和数量变动除与水温、盐度、营养条件有密切关系外，受沉积物理化性质的影响也很明显。多数底栖动物在生活史中都有一个成长或短的浮游幼体阶段。幼体漂浮在水层中生活，能随水流动，向远处扩散，但绝大多数幼体对底质都要求甚严。例如固着生活的藤壶，底内生活的蚶、蛤类，只定着在适宜的底质上。这种特点在一定程度上限制了某些底栖动物的分布范围。低栖生物的栖息活动和分布受沉积作用的影响很大。河口区沉积过程活跃，在一定程度上影响底栖动物的定着、栖息和活动。在沉积速率较高的粗颗粒区域，底栖动物的生物量和密度很低，常常难以发现。但在粗颗粒沉积少而有机物含量较高的区域（营养条件好），常常有大量低栖生物，形成特殊的生物群落。低栖生物的生命活动又常干扰破坏自然情况下海底沉积物的层理结构，尤其是大量摄食沉积物的底栖动物，而且也改变沉积物的性质。底栖动物寿命较长，迁移能力有限，且包括敏感种和耐污种，故常称为“水下哨兵“，其种类与多样性可作为长期监测水体质量的指示生物。淹没式生物膜污水处理工艺(见图4.4.1)是利用生物膜上形成的由菌、藻、原生动物及后生动物组成的较长的食物链和复杂的生态系统，在有效地对污水中的有机污染物、细菌等进行生物降解和同化的同时，降低系统中剩余活性污泥的产量，其剩余污泥产量为传统污泥处理法的1/3-1/10，甚至更少。王琳等人10利用淹没式生物膜污水处理工艺处理广东番禺祁福新村污水，其处理量为 8 000 m3/d，设计水力停留时间6 h，在池底装有不锈钢管系统的穿孔管压缩空气扩散器，能实现剩余污泥的零排放。但是该处理工艺 TP 的去除率只有36%，也没有考虑氮的去除。李军等人11利用淹没序批式生物膜反应器处理污水时得出: 在载体填料密度为 30%， 水力停留时间为9 h( 厌氧3 h、好氧6 h)时，进水COD负荷在 0.27-1.32 kg/( m3d) 范围内，污泥产率只有0.199 6 kg/kg。王亚炜等人12采用 2个新型颤蚓污泥生物减量反应器(图4.4.2)处理剩余污泥。这个反应器内多层水平隔板的通气孔径分别为5mm和1mm，并且分别接种比例为28条/L的颤蚓。研究表明，2 种颤蚓反应器污泥减量的效果分别为44%和33%，连续曝气的污泥减量效果为46%，要优于间歇曝气33%的污泥减量效果：同时发现，经过处理后的污泥的粒径减小，但是污泥沉降性能得到改善。整个试验中也明显出现了营养元素氮、磷的释放，特别是磷的升高尤为明显，究其原因可能是颤蚓排泄物中磷的含量较高，但不易转化为溶解态的磷酸盐。 图4.4.1 淹没式生物膜示意图 图4.4.2 颤蚁污泥反应示意图4.5底栖动物在水环境中的作用及其生态学意义随着对对水体生态系统研究的深入，底栖动物的作用愈显重要，目前国内对底栖动物的群落结构和多样性及其在生态系统中的作用等已经做了的很多研究工作。大型底栖动物同人类的关系十分密切，许多大型底栖动物可供食用，是渔业采捕和养殖的对象，具有重要的经4 底栖动物Error! No text of specified style in document.济价值。更多的大型底栖动物是经济鱼类、虾类的天然饵料，是碎屑食物链的关键一环。大型底栖动物是海洋环境中一个重要的生态类群，它在水体生态系统的能流和物流中占有十分重要的地位。大型底栖动物可分为底上动物和底内动物。底上动物以捕食者和杂食者居多，而底内动物一般是沉积食性者和滤食食性者，另外还有一部分则表现为这两种食性兼而有之，如端足类的，它们可滤食自己挖洞过程中再悬浮起来的表面沉积物颗粒。大型底栖动物以许多方式影响着水层中的能流和物流过程，它们当中的大多数物种，其生命周期的一部分时间是以浮游幼虫的形式在水层中度过的。在热带和温带海域，这些浮游幼虫是肉食性动物的重要食物，比如水螅虫产生的水母是水层区捕食者的重要捕食对象。据报道有相当数量的底栖无脊椎动物，特别是在夜间表现为有规律地向水的近底层迁移，直接与水层的生物相互影响，成为底层乃至水层区鱼类的重要食物来源。此外，大型底栖动物的摄食、建管和筑穴等生物扰动能够使沉积物颗粒发生改变和混合，它们也通过产生粘液