水处理论文常见微型生物在污水处理中的作用和应用Word格式.docx

1、3 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

2、的作用及其生态学意义 165 总结与展望 196 参考文献 217 致谢 231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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、.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

14、，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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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

26、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，

27、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。

28、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。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