原生动物在活性污泥中的作用

生工081朱玉凤08L0302135原生动物在活性污泥中的作用活性污泥是城市污水在活性污泥处理系统的反应主体，是由细菌、微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起所组成的絮状体颗粒。活性污泥中生存着各种微生物，构成了复杂的生物相。在多数情况下，活性污泥中的主要微生物是细菌,原生动物构成其基本营养层次，然后是以细菌为食的掠食性原生动物占优势。城市污水处理厂的处理效果主要取决于活性污泥中的微生物。原生动物能用来改善水质、评价和指示污水厂的运行和处理效果。原生动物与细菌之间存在相互依存的功能关系。原生动物在活性污泥中的作用为：分泌粘液可促进生物絮凝；吞食游离细菌和微小污泥有利于改善水质；可用于作为污水净化程度的指示生物等。原生动物个体大，便于观察，对于环境变化比细菌更为敏感、更容易反映环境的变化。根据原生动物的生理特征及其在不同环境中的种属、数量、活性等方面的变化，可以迅速为活性污泥工艺提供有益的指示信息。因此，直接观察原生动物的种类组成、数量、个体生理的变化情况，也能反映出细菌的生长变化状况，即间接地评价污水处理过程和处理效果的好坏，从而起到指导生产运行的作用。一、原生动物与细菌的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，使细菌的生长能力维持在对数生长期，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。②共生关系：细菌生长到一定程度就凝集成絮状物。这种絮状物为原生动物提供了共生的环境，反过来絮状物上的原生动物能加速絮凝过程。二、原生动物的捕食作用2．1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。在矿物质贫乏的废水中,异养微鞭毛虫的存在,使可溶性有机物中的磷酸根态磷的矿化率提高6倍,N的率提高30%。各种浮游动物群落中,单位生物量的原生动物分泌无机磷和氮的能力最强。N和P的释放,优化碳氮磷比率,促进了污水净化。2.2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。原生动物捕食其它细菌,例如黄杆菌等。原生动物的捕食压力有利于增殖较快的细菌生长等。在活性污泥形成的初始阶段,由于食物和微生物的比率大,营养充足,各种细菌大量繁殖,处于对数生长期,此时原生动物捕食作用有利于选择细菌的生存,促进污水的净化。通过竞争和捕食引起的选择压力可以解释某些细菌的缺失。原生动物的捕食作用可降低病源细菌浓度,提高出水质。2.3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。悬浮的个体细菌由于与污水接触的表面积大,悬浮的个体细菌和在于菌胶团细菌竞争营养时占有优势,但大多数原生动物对悬浮的个体细菌的选择性捕食菌作用,有利于菌胶团获取充足营养,促进絮凝。当悬浮的个体细菌数量减少到一定程度时,在絮凝体表面爬行的原生动物,为了获取足够的食物,也会捕食疏松地连在絮凝体表面上的细菌。菌胶团细菌也可以从菌胶团上游离出来,这又有利于原生动物获取充足的食物,并促进菌胶团的更新,使其保持旺盛的代谢活力。2..4纤毛的运动促进营养物质和氧气的扩散缘毛类纤毛虫口围盘的纤毛数量多,波动快,在其周围形成小涡流,促进营养物质向细菌表面传递,利于代谢废物的传出,小涡流还促进了氧气的溶解,延长了氧气在曝气池中的滞留时间,从而提高氧气的利用效率。2.5促进絮凝絮凝对活性污泥的沉淀至关重要,它影响到出水的固体悬浮的含量。原生动物可以促进絮凝作用,草履虫和独缩虫等纤毛虫和一些鞭毛虫向胞外分泌的可溶性多糖类物质,能促进凝胶颗粒形成絮凝[9,16]。这些物质可能有促进捕食的作用。据作者对北京高碑店污水厂及北小河污水厂的活性污泥观察表明,褶累枝虫的枝和袋扉门虫的鞘有利于细微絮凝体集合成较大的絮凝体。然而在没有原生动物存在或者数量很少时,许多细菌虽然可以形成絮凝,但絮凝体偏小并且结构松散,可见原生动物存在促进了絮凝作用。三、限制捕食作用的因子3.1滞留时间草履虫、四膜虫和瞬目虫等纤毛虫是高效率的滤食者,但它们必需在曝气池中停留一定时间。污水在曝气池中的滞留时间少于一周时,原生动物的群落随着滞留时间的变化而变化,当滞留时间大于一周时,原生动物群落趋于稳定。由于它们属于自由游泳类群,因而不能通过固着在菌胶团上回流到曝气池中,增殖到足够数量才能起到重要捕食者的作用。而缘毛类纤毛虫固着在活性污泥上生长,可通过回流污泥来补充数量,从而成为曝气池中的主要捕食者。3.2细菌密度一些游泳纤毛虫在日达2.6×107～1×109个·ml/1时达到最大捕食率,菌食性游泳类纤毛虫所需的最低细菌密度为4×106～5×107个·ml/1。在连续反应器中将细菌和原生动物共同培养,当细菌的密度下降到约1.0×104～1.0×107·ml-1,则停止下降。3.3细菌生理状况纤毛虫捕食活细菌比捕食死细菌长得更快。把纤毛虫分别与正常假担胞菌和受辐射过的假担胞菌在相同条件下进行培养,实验后纤毛虫的生物量前者是后者的两倍。3..3BOD变化在进水BOD波动的条件下,出水的BOD和游离细菌数比恒定条件下的要高。污水厂的负荷在每天的不同时段处于波动状态,即使曝行条件保持相对恒定的条件下,出水水质也难以保持恒定。BOD负荷高时,促进细菌增长,细菌数尤其是游离细菌数增加,这就为原生动物提供了更丰富的食物,从而促进原生动物的生长。但由于BOD负荷的变化原生动物数量的增长之间存在着时滞效应,在BOD负荷波动的频率快或者强度大时,原生动物无法通过数量变化及时清除过量的游离细菌,导致出水水质下降。在BOD负荷增高时,为了保证出水水质的恒定,可通过增加曝气量和延长滞留时间等方法来提高BOD去处率。四、原生动物的指示作用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0.1～0.2mm以下。主要出现以下优势再生动物：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，处理效果差。(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。易形成絮体，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。2、指示反应操作环境(1)优势种属。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。(2)形态变化。当曝气池中溶解氧降低到1mg／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。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。当原生动物出现有性生殖(接合生殖)时，往往预示环境条件变差或种群已处于衰老期。3、预测有机负荷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。通过观察微生物的组成和数量，就能预测污水厂运行的有机负荷。4、预测出水水质通过对活性污泥曝气池中的原生动物的调查，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：0～10mg/L,11～20mg/L，21～30mg/L，30mg/L。在生产运行过程中，只要观察原生动物的构成情况，即可以预测出水BOD了。实践证明，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。原生动物可以促进絮凝作用,草履虫和独缩虫等纤毛虫和一些鞭毛虫向胞外分泌的可溶性多糖类物质,能促进凝胶颗粒形成絮凝。这些物质可能有促进捕食的作用。然而在没有原生动物存在或者数量很少时,许多细菌虽然可以形成絮凝,但絮凝体偏小并且结构松散,可见原生动物存在促进了絮凝作用。五、分泌生长因子和降解胞外聚合物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长。在海洋中,鞭毛虫的数量和氨基酸浓度存在着正相关,其中与色氨酸浓度关联最强,这些氨基酸对海洋细菌的生长有促进作用。活性污泥中存在大量蛋白质、碳水化合物和DNA等大分子胞外聚合物,其中蛋白质和碳水化合物的比例约为3.9～5.1,并且这些胞外聚合物的量随着污泥龄的增加而增多。在絮凝菌的纯培养中也发现了胞外蛋白和核酸及碳水化合物等。由于曝气池中的细菌多数都是死的,这些化合物很可能来自死细菌的自溶和裂解。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。一些存在于污水的细菌能降解其它细菌的胞外聚合物],但动胶杆菌属细菌的胞外聚合物即使在矿物质丰富的情况下,也很难被其它污水细菌降解,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。原生动物自溶产物和分泌的胞外聚合物也可以促进细菌的生长。过滤培养过梨形四膜虫的培养液,去除其它非胞外聚合物成分,将滤液加到大肠杆菌的培养基中,大肠杆菌数量增加。在有活的梨形四膜虫存在时,也增加了大肠杆菌的数量。此外梨形四膜虫等原生动物还可分泌胞外蛋白酶,一些细菌,例如芽胞杆菌和假单胞杆菌等也能分泌酶胞外蛋白。由于胞外聚合物属于难降解的化合物,自然降解的速度缓慢,细菌和原生动物对胞外聚合物的再利用加速了它们的矿化过程。由于原生动物在曝气池的总生物量中,一般仅占5%～10%。而占生物量绝大多数的细菌又主要是死细菌,因此,原生动物的胞外聚合物对细菌的活动影响不大。在厌氧条件下除去部分细菌并添加培养基,在原培养基中的积累的代谢产物对细菌产生产物抑制,甚至对细菌有致死作用。梨形四膜虫可以清除乙酸、丁酸和乙醛等细菌代谢产物。原生动物对细菌代谢产物的清除,可以防止由细菌代谢产物积累而毒害细菌。活性污泥菌胶团内部的细菌,由于养料不足,多数处于内源呼吸相,代谢产物并未积累到毒害细胞的水平。由于曝气池中水流的运动,悬浮生长的个体细菌的代谢废物,可以不断从细菌表面被带离。因此,由代谢产物积累而引起的产物抑制在活性污泥并不重要