天然水体中的微型生物和水体自净 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 200Λm 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。其它微型生物如原生动物和藻类也 能对污染物的降解起一定的作用, 但对比细菌 来说, 这个作用是很微弱的。更重要的是能起水 质是否净化的指示作用。作者曾于 1974 年调查 北京市莲花河2凉水河在自净过程中原生动物 的种类组成。
污水处理厂就是将自然界中水体自净 的过程在时间上和空间上加以强化条件, 使天 然的河流自净机制在工厂中实现。
污水生物处理的原理 随着城市人口的增长和经济的发展, 生活 污水和工业废水的排入量都相应地加大。为了 提高人们的生活质量, 加速城市污水处理厂的 建设已是势在必行。处理废水时, 通常用初级、 二级、三级来表示废水处理的程度。初级处理用 于去除悬浮固体和漂浮物质, 有时伴之以中和、 均衡作用, 一般称之为物理、化学处理。因处理 未达到标准, 就要进入二级生物处理, 乃至三级 高级处理。生物处理可分为好氧处理、厌氧处理 和氧化塘处理三类。现以好氧处理中的活性污 泥法为例, 阐明污水生物处理的原理。其他方法 的原理基本类似。活性污泥法中的关键装置是 曝气池。从初级处理中来的污水进入曝气池后, 与活性污泥混和, 通过曝气充氧促进了活性污 泥上的细菌不断地对污染物质进行降解作用。
什么叫活性污泥 凡有机物质丰富的废 水中都能生长微生物。若连续地进行曝气, 微生 物更能大量增殖。这些好氧微生物和水中的固 体物质凝在一起形成了颗粒。颗粒不断地增大, 成絮状。若是停止曝气, 静止后这些絮状颗粒就 会沉淀, 形若污泥。故将曝气池中这些充满了微 生物的絮状颗粒称为活性污泥。
活性污泥的培养与驯化 在 1 个初始的 曝气池中, 活性污泥的增长一般可分为 4 个阶 段；
1、调整期 由于对废水的不适应, 细菌中 的一些种类死亡。剩下的细菌也有一个适应的 过程。这一时期细菌分裂较慢, 数量较少, 相应 的净化能力也较低。
2) 生长旺盛期 这个时期 细菌分裂速度猛增, 细菌的数量以几何级数方 式增加, 因而活性污泥净化能力最强, 表示有机 物 含 量 的 一 个 指 标—— 5 日 生 化 需 氧 量 (BOD 5) 下降极快。
3) 平衡期 这时若没有新的 有机物补充, 细菌所需的基质已逐渐用完, 不利 于细菌的生长。而细菌在增殖中分泌的代谢产 物大量积累, 也对细菌的生长有抑制作用, 虽然 细菌仍有分裂, 但速度放慢, 并开始了细菌的死 亡, 但细菌的总数仍能保持平衡状态。
4) 衰老期 上述状态若再继续下去, 环境中的基质已耗 尽, 而代谢产物已积累甚多, 造成细菌大量死 亡。只有保持曝气池中的活性污泥永远处在第 2 或第 3 阶段, 才能保持高度的净化效率, 这是 污水处理厂面临的首要问题。当然, 最好是能直 接检查细菌生长的情况, 以判断活性污泥的好 坏。
但是细菌的检查是很麻烦的, 而且还不能及 时, 原生动物可以弥补这一缺陷。
原生动物群落在活性污泥培养、驯化过程 中的演替模式 ，培养初期 引入的污水中含有大量的 溶 解 性 有 机 物 (DOM , disso lved o rgan ic m atter) 和悬浮的粒性有机物(POM , particu lar o rgan ic m atter)。最初出现的必须能直接利用 有机物的初级消费者, 就是异养菌和原生动物 中的肉足虫和鞭毛虫(图 3) , 如蛞蝓囊变形虫、 简简变虫、尾波豆虫、梨波豆虫、侧弹跳虫。 活性污泥培养、驯化过程中原生动物群落演替的模式 ，培养中期 这时细菌的繁殖力增强, 其 新陈代谢速度比鞭毛虫和肉足虫强得多。主要 是分散、游离的细菌。鞭毛虫因竞争不过细菌而 消亡, 肉足虫出现了以细菌为食的种类, 如小螺 足虫, 扇形马氏虫。同时开始出现吃细菌的的自 由游泳的纤毛虫 , 如片状漫游虫、卵圆口 虫、毛板壳虫、尾草履虫等, 间或亦有既能游泳、 又能着生的喇叭虫。当分散游离的细菌大量繁 殖并开始形成絮状物时, 开始出现爬行的下毛 目纤毛虫 , 如有肋木盾纤虫、盘状游仆虫 等, 因为絮状物提供了爬行的条件。随着细菌成 絮作用的加大, 这时细菌中出现了大量自养性 细菌, 如
硝化菌、硫细菌、铁细菌和氢细菌。自养 性的真核生物如藻类也会伴着絮状物而出现。 多细胞鞍甲轮虫、腔轮虫也会在絮状物上爬行。 完成期 随着细菌絮状物的增多, 为有 柄的种类提供了着生条件。于是缘毛目纤毛虫 占领了优势的位置, 如单体的小口钟虫、 沟钟虫、八钟虫; 群体的瓶累枝虫、褶累枝虫、微 盘盖虫、螅状独缩虫等。蛭态类轮虫也会着生在 絮状物上。有时还能见到线虫, 水生昆虫也能从 外界飞入。在池中形成一条复杂的食物链。这 时, 由于自养菌的大量繁殖, 大大地提高了对污 染物的净化能力。当驯化好的活性污泥进入正 常运转处理时, 生物种类会变得比较单纯些, 以 有柄纤毛虫占优势。
3 原生动物指示活性污泥效能的原理
3. 1 促进细菌生长、提高细菌活性 由于原生 动物对细菌的捕食, 非但不会影响细菌的生长, 还能使细菌维持在对数生长期, 防止种群的衰 老, 有利于提高降解速度。此外, 原生动物在活 动中产生的DOM 也可被细菌再利用, 促进了 细菌的生长。
3. 2 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(Cu rds) 甚至认为纤毛虫比细 菌担负了更多的絮凝作用。
3. 3 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 1999 年第 34 卷第 7 期 生 物 学 通 报 — 3 — 污泥的沉淀效率。
3. 4 净化污水和澄清出水 除细菌外, 原生动 物也能直接摄入微小的 POM , 如钟虫、喇叭虫。 而腐生性的鞭毛虫如波豆虫等能通过渗透性营 养直接吸收DOM。在一定程度上使污水得到 净化。污染物的降解主要靠细菌。实验证明在 1 000m 2 水池中, 球衣菌可吸引 30t 有机物质, 其中 20t 被分解为无机物质, 10t 组成细菌自 身。如果这 10t 细菌(包含有致病菌) 从污水处 理厂中直接排入天然水体, 就会造成新的污染。 事实上约有半数以上的细菌, 尤其是游离的细 菌, 在曝气池中不断地被原生动物吃掉。奇观独 缩虫 Ca rchesium sp ectabile 每个群体每小时能 吃 30 000 个细菌, 每个四膜虫每小时能吃 500 ～ 600 个细菌。Cu rds(1968) 实验证明活性污泥 在没有纤毛虫的条件下出水的BOD 5 为 54～ 70m göL , 在有纤毛虫的条件下出水的BOD 5 为 7～ 24m göL。
3. 5 敏锐的毒物反应 工业废水中有不少的 有毒物质, 从直观上说, 原生动物对毒物的反应 比细菌敏感得多, 而其他微型动物又比原生动 物更为敏感。当群体的缘毛类纤毛虫缩成一团 时表示有毒。钟虫的前端吐出大泡泡、身体渐渐 地收缩并从柄上脱落、甚至死亡, 表示缺氧。
4 原生动物的预报作用 通常污水处理厂每天都要对本厂的出水进 行水质监测。
若超出国家规定的排放标准, 就要 及时追查原因, 以求解决。除化学分析外, 最好 能配合原生动物的镜检, 因为有些化学项目当 天得不到数据, 如BOD 5 要到 5d 后才能得知。 根据上述原生动物指示作用的原理, 镜检 曝气池中原生动物的生物相就可以判断出活性 污泥的活力。此外, 还可以用曝气池中有柄纤毛 虫的数量或百分比来预报出水的BOD 5。例如 我们曾将湖南石油化工厂曝气池中的有柄纤毛 虫数量和出水中的BOD 5 两个参数进行了统计 处理, 证明了两者具有显著性相关(图 4)。日本 的盛下勇用有柄纤毛虫占整个原生动物的百分 比来预报出水的BOD 5, 若达到 60% , 可预报 BOD 5 在1 0以下: 若只有4 0 % , 则BOD 5 超过 有柄纤毛虫数量(对数) 了 10。
这个方法十分简单, 只要认识纤毛虫是 否有柄, 并不要求鉴定种类, 一般在半小时内就 可以计数完毕。若数量突然下降, 立即可以追查 事故原因。数据和公式不能用于其 它污水处理厂。各厂可根据本厂的数据建立相 关公式, 以求能预报出水质量。 5 用微型生物评价污水处理厂的效能 污水经污水处理厂处理后, 是否能改善天 然水体的水质状况, 是一个众所关注的问题。中 国科学院动物研究所许木启研究员(1998) 用国 家 标准《水质2微型生物群落监测2PFU 法》 (GBöT 12990291) 评价了北京高碑店污水处理 厂的效能。北京市护城河污水经通惠河流入温 榆河, 该厂就建在通惠河畔。1984 年污水处理 厂未运行前, 在通惠河的双桥站挂了一天的 PFU (Po lyu rethane Foam U n it 的缩写, 即泡沫 塑料块) 内只观察到 1 种原生动物。在污水处理 厂运行了 3 年后, 1996 年在同一地点、用同样 的方法却观察到 19 种原生动物。这证明了通惠 河的微型生物群落得到了恢复, 也证明了建立 污水处理厂对保护水环境是十分必要的。
