微型生物在污水處理中的原理_作用和應用

1、微型生物在污水處理中的原理、作用和應用沈韞芬(中國科學院水生生物研究所武漢430072沈韞芬原生動物學家。中國科學院水生生物研究所研究員,中國 原生動物學會理事長,國際原生動物學會理事,中國動物學會副理事長。1933年生于上海市。1953年南京大學生物系畢業(yè)。1960年原蘇聯(lián)科學院動物研究所獲副博士學位。1995年當選為中國科學院院士。主持了我國22個省、自治區(qū)的原生動物區(qū)系和分類研究。首次探討了西藏原生動物的地理分布和生態(tài)特點,首先在我國不同氣候帶開展土壤原生動物的研究,闡明了不同溫度地區(qū)的區(qū)系組成特點和季節(jié)變動規(guī)律。30年來通過對武漢東湖中浮游的、著生的和底泥的原生動物種類、數量的季節(jié)變動

2、規(guī)律和在富營養(yǎng)化過程中原生動物群落結構與功能的長期演變過程的研究,提出了新的見解。對PFU 法(Po lyu rethane Foam U n it 不斷改進和創(chuàng)新,使之成為一種有效的水環(huán)境質量評價體系,并被1991年我國國家環(huán)保局頒布實施的水質2微型生物群落監(jiān)測PFU 法所采用。這是我國第一個自行制定的生物監(jiān)測國家標準。她被國際同行譽為“是建立微型生物群落評價的世界領導者之一”。發(fā)表論文、專著等104篇。摘要未經處理的城市工業(yè)廢水和生活污水直接排入江、湖、河、海,是造成我國水污染的主要原因。本文重點介紹污水處理廠曝氣池生物處理的機理,以及微型生物、特別是原生動物能指示和預報污水處理廠的凈化效

3、能。關鍵詞污水處理微型生物凈化效能指示和預報圖1北京蓮花河2涼水河自凈過程1天然水體中的微型生物和水體自凈在水生態(tài)系中,人們根據生態(tài)習性常將各種生物歸納為浮游生物、周叢生物、底棲生物、游泳生物、微型生物、自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物等。其中微型生物是指在顯微鏡下才能觀察到的微小生物,主要是細菌、真菌、藻類和原生動物,也包括小型的后生動物如輪蟲、橈足類的無節(jié)幼體、線蟲等,其大小在200m 以下。在天然水體中參與了生態(tài)系統(tǒng)中的物質循環(huán)和能量流。由于人類的經濟活動,天然水體不斷地受到污染的脅迫。在物理、化學和生物的綜合作用下,只要這種污染度不超越閥值,會使污染的水體得到凈化,這種現象稱為水體自凈。水體中的生物

4、,主要是微生物能直接或間接地把污染物作為營養(yǎng)源,既滿足了微生物自身生長的需要,又使污染物降解。這樣,污染的水體得到了凈化,這就是水體自凈的基本原理。其它微型生物如原生動物和藻類也能對污染物的降解起一定的作用,但對比細菌來說,這個作用是很微弱的。更重要的是能起水質是否凈化的指示作用。作者曾于1974年調查北京市蓮花河2涼水河在自凈過程中原生動物的種類組成。圖1可見該河有數處污染源。第 處為焦化廠、煉鋼廠排入的合酚、氰廢水,水色發(fā)黑。岸邊生長著大量的以球衣細菌、菌膠團及其它游離細菌為主的生物膜。其中只發(fā)現一種原生動物溝鐘蟲,個體處于收縮狀態(tài),反映出對此污染河段極不適應。流經10km后,酚、氰濃度大

5、幅度下降,生物膜中除細菌占優(yōu)勢外,還出現了相當多的著生的、群體的緣毛類纖毛蟲46種,表示出水質已有好轉。直至27km 一直是水體自凈很活躍的河段。生物膜已構成復雜的生物群落結構,除細菌外,還有藻類、原生動物、輪蟲、線蟲和寡毛類。其中原生動物已增至8種。第 污染源(有機磷農藥、化工、冶煉等廢水出現后,原已有一定程度凈化了的水質又遭破壞,原生動物種類復又下降至2種。直至73km后,水質得到根本好轉,原生動物增至16種。污水處理廠就是將自然界中水體自凈的過程在時間上和空間上加以強化條件,使天然的河流自凈機制在工廠中實現。2污水生物處理的原理隨著城市人口的增長和經濟的發(fā)展,生活污水和工業(yè)廢水的排入量都

6、相應地加大。為了提高人們的生活質量,加速城市污水處理廠的建設已是勢在必行。處理廢水時,通常用初級、二級、三級來表示廢水處理的程度。初級處理用于去除懸浮固體和漂浮物質,有時伴之以中和、均衡作用,一般稱之為物理、化學處理。因處理未達到標準,就要進入二級生物處理,乃至三級高級處理。生物處理可分為好氧處理、厭氧處理和氧化塘處理三類?，F以好氧處理中的活性污泥法為例,闡明污水生物處理的原理。其他方法的原理基本類似?；钚晕勰喾ㄖ械年P鍵裝置是曝氣池。從初級處理中來的污水進入曝氣池后,與活性污泥混和,通過曝氣充氧促進了活性污泥上的細菌不斷地對污染物質進行降解作用。2.1什么叫活性污泥凡有機物質豐富的廢水中都能生

7、長微生物。若連續(xù)地進行曝氣,微生物更能大量增殖。這些好氧微生物和水中的固體物質凝在一起形成了顆粒。顆粒不斷地增大,成絮狀。若是停止曝氣,靜止后這些絮狀顆粒就會沉淀,形若污泥。故將曝氣池中這些充滿了微生物的絮狀顆粒稱為活性污泥。2.2活性污泥的培養(yǎng)與馴化在1個初始的曝氣池中,活性污泥的增長一般可分為4個階段 (圖2:圖2活性污泥增長和基質濃度變化曲線1調整期由于對廢水的不適應,細菌中的一些種類死亡。剩下的細菌也有一個適應的過程。這一時期細菌分裂較慢,數量較少,相應的凈化能力也較低。2生長旺盛期這個時期細菌分裂速度猛增,細菌的數量以幾何級數方式增加,因而活性污泥凈化能力最強,表示有機物含量的一個指

8、標5日生化需氧量(BOD5下降極快。3平衡期這時若沒有新的有機物補充,細菌所需的基質已逐漸用完,不利于細菌的生長。而細菌在增殖中分泌的代謝產物大量積累,也對細菌的生長有抑制作用,雖然細菌仍有分裂,但速度放慢,并開始了細菌的死亡,但細菌的總數仍能保持平衡狀態(tài)。4衰老期上述狀態(tài)若再繼續(xù)下去,環(huán)境中的基質已耗盡,而代謝產物已積累甚多,造成細菌大量死亡。只有保持曝氣池中的活性污泥永遠處在第2或第3階段,才能保持高度的凈化效率,這是污水處理廠面臨的首要問題。當然,最好是能直接檢查細菌生長的情況,以判斷活性污泥的好壞。但是細菌的檢查是很麻煩的,而且還不能及時,原生動物可以彌補這一缺陷。2.3原生動物群落在

9、活性污泥培養(yǎng)、馴化過程中的演替模式2.3.1培養(yǎng)初期引入的污水中含有大量的溶解性有機物(DOM ,disso lved o rgan ic m atter 和懸浮的粒性有機物(POM ,particu lar o rgan ic m atter 。最初出現的必須能直接利用有機物的初級消費者,就是異養(yǎng)菌和原生動物中的肉足蟲和鞭毛蟲(圖3,如蛞蝓囊變形蟲、簡簡變蟲、尾波豆蟲、梨波豆蟲、側彈跳蟲。 圖3活性污泥培養(yǎng)、馴化過程中原生動物群落演替的模式2.3.2培養(yǎng)中期這時細菌的繁殖力增強,其新陳代謝速度比鞭毛蟲和肉足蟲強得多。主要是分散、游離的細菌。鞭毛蟲因競爭不過細菌而消亡,肉足蟲出現了以細菌為食的

10、種類,如小螺足蟲,扇形馬氏蟲。同時開始出現吃細菌的的自由游泳的纖毛蟲(圖3,如片狀漫游蟲、卵圓口蟲、毛板殼蟲、尾草履蟲等,間或亦有既能游泳、又能著生的喇叭蟲。當分散游離的細菌大量繁殖并開始形成絮狀物時,開始出現爬行的下毛目纖毛蟲(圖3,如有肋木盾纖蟲、盤狀游仆蟲等,因為絮狀物提供了爬行的條件。隨著細菌成絮作用的加大,這時細菌中出現了大量自養(yǎng)性細菌,如硝化菌、硫細菌、鐵細菌和氫細菌。自養(yǎng)性的真核生物如藻類也會伴著絮狀物而出現。多細胞鞍甲輪蟲、腔輪蟲也會在絮狀物上爬行。2.3.3完成期隨著細菌絮狀物的增多,為有柄的種類提供了著生條件。于是緣毛目纖毛蟲(圖3占領了優(yōu)勢的位置,如單體的小口鐘蟲、溝鐘蟲

11、、八鐘蟲;群體的瓶累枝蟲、褶累枝蟲、微盤蓋蟲、螅狀獨縮蟲等。蛭態(tài)類輪蟲也會著生在絮狀物上。有時還能見到線蟲,水生昆蟲也能從外界飛入。在池中形成一條復雜的食物鏈。這時,由于自養(yǎng)菌的大量繁殖,大大地提高了對污染物的凈化能力。當馴化好的活性污泥進入正常運轉處理時,生物種類會變得比較單純些,以有柄纖毛蟲占優(yōu)勢。3原生動物指示活性污泥效能的原理3.1促進細菌生長、提高細菌活性由于原生動物對細菌的捕食,非但不會影響細菌的生長,還能使細菌維持在對數生長期,防止種群的衰老,有利于提高降解速度。此外,原生動物在活動中產生的DOM 也可被細菌再利用,促進了細菌的生長。3.2促進活性污泥的絮凝作用活性污泥的絮凝現象

12、直接關系到細菌氧化有機物的能力和污泥的沉淀作用。廢水的曝氣池中停留一定時間后要排入沉淀池,這時活性污泥就要沉淀下來。一是保證沉淀池的出水比較清徹,二是沉淀后的活性污泥有一部分要重新回流到曝氣池中以便和不斷流入的新廢水混合,如此重復不止。細菌的絮凝作用提供了原生動物的生長環(huán)境,而在絮狀物上生長的原生動物又能加速絮凝過程。已證明纖毛蟲能分泌兩種物質,一種是多糖類碳水化合物,能改變懸浮顆粒的表面電荷,使懸浮顆粒集結起來,形成絮狀物;另外一種是粘朊,能把絮狀物再聯(lián)結起來,最大的絮狀物直徑可達3mm ?？缕?Cu rds 甚至認為纖毛蟲比細菌擔負了更多的絮凝作用。3.3提高活性污泥的沉降速度在絮凝時,原

13、生動物分泌的粘液對懸浮顆粒和細菌均有吸附能力,不僅促進了絮凝作用,同時也促進了活性污泥的沉淀效率。3.4凈化污水和澄清出水除細菌外,原生動物也能直接攝入微小的POM,如鐘蟲、喇叭蟲。而腐生性的鞭毛蟲如波豆蟲等能通過滲透性營養(yǎng)直接吸收DOM。在一定程度上使污水得到凈化。污染物的降解主要靠細菌。實驗證明在1000m2水池中,球衣菌可吸引30t有機物質,其中20t被分解為無機物質,10t組成細菌自身。如果這10t細菌(包含有致病菌從污水處理廠中直接排入天然水體,就會造成新的污染。事實上約有半數以上的細菌,尤其是游離的細菌,在曝氣池中不斷地被原生動物吃掉。奇觀獨縮蟲Ca rchesium sp ect

14、abile每個群體每小時能吃30000個細菌,每個四膜蟲每小時能吃500 600個細菌。Cu rds(1968實驗證明活性污泥在沒有纖毛蟲的條件下出水的BOD5為54 70m g L,在有纖毛蟲的條件下出水的BOD5為724m g L。3.5敏銳的毒物反應工業(yè)廢水中有不少的有毒物質,從直觀上說,原生動物對毒物的反應比細菌敏感得多,而其他微型動物又比原生動物更為敏感。當群體的緣毛類纖毛蟲縮成一團時表示有毒。鐘蟲的前端吐出大泡泡、身體漸漸地收縮并從柄上脫落、甚至死亡,表示缺氧。4原生動物的預報作用通常污水處理廠每天都要對本廠的出水進行水質監(jiān)測。若超出國家規(guī)定的排放標準,就要及時追查原因,以求解決。

15、除化學分析外,最好能配合原生動物的鏡檢,因為有些化學項目當天得不到數據,如BOD5要到5d后才能得知。根據上述原生動物指示作用的原理,鏡檢曝氣池中原生動物的生物相就可以判斷出活性污泥的活力。此外,還可以用曝氣池中有柄纖毛蟲的數量或百分比來預報出水的BOD5。例如我們曾將湖南石油化工廠曝氣池中的有柄纖毛蟲數量和出水中的BOD5兩個參數進行了統(tǒng)計處理,證明了兩者具有顯著性相關(圖4。日本的盛下勇用有柄纖毛蟲占整個原生動物的百分比來預報出水的BOD5,若達到60%,可預報BOD5在10以下:若只有40%,則BOD5超 過圖4湖南石油化工廠有柄纖毛蟲數量(對數了10。這個方法十分簡單,只要認識纖毛蟲是

16、否有柄,并不要求鑒定種類,一般在半小時內就可以計數完畢。若數量突然下降,立即可以追查事故原因。圖4所示的數據和公式不能用于其它污水處理廠。各廠可根據本廠的數據建立相關公式,以求能預報出水質量。5用微型生物評價污水處理廠的效能污水經污水處理廠處理后,是否能改善天然水體的水質狀況,是一個眾所關注的問題。中國科學院動物研究所許木啟研究員(1998用國家標準水質2微型生物群落監(jiān)測2PFU法(GB T12990291評價了北京高碑店污水處理廠的效能。北京市護城河污水經通惠河流入溫榆河,該廠就建在通惠河畔。1984年污水處理廠未運行前,在通惠河的雙橋站掛了一天的PFU(Po lyu rethane Foam U n it的縮寫,即泡沫塑料塊內只觀察到1種原生動物。在污水處理廠運行了3年后,1996年在同一地點、用同樣的方法卻觀察到19種原生動物。這證明了通惠河的微型生物群落得到了恢復,也證明了建立污水處理廠對保護水環(huán)境是十分必要的。6參考文獻1王家楫,沈韞芬,龔循矩著.廢水生物處理微型動物圖志.北京:中國建筑工業(yè)出版社.1976,1981重印.2許木啟,翟家驥,邵永怡.利用PFU原生動物