活性污泥中的微生物

第五章第五章 活性污泥微生物活性污泥微生物 5 0 真核与原核真核与原核 5 0 1 原核 指核质和细胞质之间不存在明显核膜 其染色体由单一 核酸组成的一类微生物 原核微生物包括古菌 即古细菌 真细菌 放线菌 蓝细菌 粘细 菌 立克次氏体 支原体 衣原体和螺旋体 5 0 2 真核 真核生物是指由真核细胞 有细胞核 组成的生物 真核细胞和原核细胞的最大区别就在于细胞核 真核细胞的细胞核 是有核膜的 核膜将整个细胞核与周围的细胞质隔开 而原核细胞 是没有真正意义上的细胞核的 它有的只是核区 无核膜 绿色是大肠杆菌 枯草杆菌 流感嗜血杆菌 5 1 原生动物原生动物 原生动物不仅是和细菌一起在污水净化中起主要作用的生物 而 且是表示处理过程是否良好的一种重要的指示型生物 5 1 1 原生动物的基本特征原生动物的基本特征 5 1 1 1 形态形态 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 m 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 5 1 1 2 营养方式营养方式 原生动物的营养方式分为以下几类 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 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 腐生性营养 以死的机体或无生命的可溶性有机物质为生 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 5 1 1 3 分类分类 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 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 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 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 m s 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 m s 5 1 2 原生动物与细菌的关系原生动物与细菌的关系 5 1 2 1 活性污泥的基本特征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 为为 0 02 0 2 mm 多为茶褐色 微具土壤味 密度约为 多为茶褐色 微具土壤味 密度约为 1 005 g cm3 含水率 含水率 99 左右 活性污泥中生存着各种微左右 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 本营养层次 然后是以细菌为食的掠食性原生动物占优势 5 1 2 2 原生动物与细菌的功能关系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 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 易被出水带出而水质 有人证明奇观独缩虫在 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 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 5 1 3 活性污泥中原生动物的目的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 5 1 4 5 1 4 1 形态和生理观察形态和生理观察 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 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 5 1 4 2 数量分析数量分析 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 1 5 原生动物的指示作用原生动物的指示作用 5 1 5 1 指示活性污泥性质指示活性污泥性质 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 1 5 2 指示反应操作环境指示反应操作环境 1 优势种属 Modoni 在 1988 年对污水处理厂进行这方面的研究 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 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 1 5 3 估计有机负荷估计有机负荷 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 1 5 4 预测出水水质预测出水水质 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 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 a 0 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 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 1 5 5 生物评价指数生物评价指数 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 为中等 104 个 则为差 因此 SBI 在列表时分为 1066 个 和 106 个 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 良 SBI 6 7 中等 SBI 4 5 差 SBI 0 3 5 1 2 原生动物的作用原生动物的作用 活性污泥中生物的生态类型和污泥絮凝体有联系 能够同时形成附 着性原生动物的絮凝体 通过其网状构造大大促进去除细菌和絮凝 体碎片的过程 另外 附着在絮凝体上的或者匍匐在絮凝体上的原 生动物 由于它们的分泌物 在沉降过程中有可能使悬浮着的细菌 和附有物质附着在絮凝体上 综上所述 处理出水水质和絮凝体大 小关系不大 而取决于由沉淀所留下来的微生物的多少 因而 可 以认为 这也取决于随着污泥絮凝体而形成的原生动物的生态学特 征 5 2 后生动物介绍后生动物介绍 有多个细胞构成的这些后生动物占优势情况甚少 但是在低负荷活 性污泥 特别是掩饰曝气法的活性污泥中有事轮虫类和寡毛类能够 成为有事种属 演变历程 运行 20 天后 活性污泥生物相已经达到稳定 开始 运行的初期 好氧性细菌呈分散状态存在 但在 90 天左右就形成大 量的絮凝体 最初出现的生物中虽有一些是以可溶性有机物质为营 养源的生物 但绝大多数纤毛虫类是不是细菌的生物 因而 可以 认为可溶性有机物质的及细菌存在的状态就成为原生动物变迁的主 要原因 也就是说 随着细菌的增长 有机物质减少 因而鞭毛虫 类也随之减少 相反 自由游泳型纤毛虫类就要增加 当细菌形成 絮状体是 二次沉淀池的沉淀量增加而且只有絮凝体化了的细菌才 能选择性地回流到曝气池 在这种情况下 细菌絮凝体不仅成为固 着型及匍匐型原生动物的营养源 还为原生动物提供栖息的环境 另一方面 自由游泳型的生物很容易被冲洗出去 一般认为 絮凝 体的回流对固着型原生动物的增长起着极为有利的作用 图片 后生动物图片后生动物图片 图片区 1 变形虫 阿米巴 amoeba 顾名思义 变形虫是能变形的 不过这种变形也是有限度的 一些种类的变形虫 能向四外伸出假足 以探查水中的化学成分 决定移动方向 而有些种类