微型生物在污水回用處理中的指導作用
摘要：針對污水回用處理ICAST裝置[1]，通過長期鏡檢觀測，本文 總結 了ICAST反應池內所占優勢的微型生物，對運行過程中由于工況改變致使微型生物性狀發生的變化進行了 分析 。結果表明，微型生物、特別是原生動物對污水回用處理裝置 經濟 高效運行可起指導作用。
關鍵詞：ICAST 微型生物 活性污泥
生活污水在廢水處理及其資源化利用中占有相當大的比例，建立一個比較完善的、經濟高效的小區污水回用處理系統，實現污水就地資源化和無害化，具有巨大的 社會 、經濟和環境效益。ICAST(Intermittent or Cyclic Activated Sludge Technology，間歇/循環活性污泥技術)[1]是一種適合小區污水回用處理的新型改良SBR工藝的處理技術。
在ICAST反應池中，參與污水回用處理的是由細菌、原生動物、后生動物和懸浮物質、膠體物質混合形成的具有吸附分解有機物能力的絮狀體顆粒——活性污泥。是否具有良好性能的活性污泥是對污水進行生化處理最終達到資源化利用的基礎，因此本文就污水回用處理ICAST裝置，通過長期鏡檢觀測，從活性污泥培養到正常運行的整個過程中，對微型生物進行深入 研究 ，分析ICAST反應池中微生物的變化 規律 ，以及當工況發生改變時生物相的變化趨勢，利用生物指示作用為處理裝置的最優化運行控制和集成化管理提供 科學 的 理論 依據。
1 研究對象
活性污泥中存在著多種微型生物，它們共同構成了相當復雜的生物相，其中數量占主導地位并起到降解污染物質主要作用的是細菌。從生物學角度了解污水處理是否達到預期效果，最直接 方法 是對活性污泥中的細菌進行研究，觀察細菌的生長情況及在運行中發生的種類、數量等變化。 目前 ，對細菌觀察和分類鑒定的周期較長，作出診斷還沒有較為簡易的可行方法，不能及時地起到指導裝置運行的作用。
但是，活性污泥中的原生動物與細菌之間存在著相互依存和制約的關系：① 原生動物對細菌的捕食，可促進細菌生長和提高細菌活性;② 細菌的絮凝作用提供了原生動物的生長環境，而在絮狀物上生長的原生動物又能加速絮凝過程;③ 原生動物分泌的粘液對懸浮顆粒和細菌均有吸附能力;④ 除細菌外，原生動物也能直接攝入微小的懸浮粒性有機物(DOM, dissolved organic matter)，以及通過滲透性營養直接吸收溶解性有機物(POM, particular organic matter);⑤ 原生動物體積較細菌大可便于觀察，周圍環境發生變化時比細菌更加敏感，更及時地反映出運行狀態。
因此，原生動物的種類、數量、生長狀況和菌膠團等指標可以間接定性地評價污水回用處理裝置運轉狀態的好壞，起到生物指示的作用。
2 ICAST處理裝置及運行方式
污水回用處理ICAST裝置[1]，如圖1所示。該裝置運行方式如圖2所示，生活污水經調節池進入ICAST反應池進行生化處理，ICAST反應池采用間歇式和連續式兩種運行方式。其中，連續式運行時(如圖3所示)為連續進水、連續出水;間歇式運行時(如圖4所示)為間歇進水、間歇出水。
圖1 污水回用處理系統
Fig.1 System of living sewage reusing treatment device
本文在活性污泥培養完成后，分別采用間歇和連續兩種工藝運行該裝置，對ICAST反應池中的微型生物進行觀測，在研究生物指導作用的同時，對比不同條件下該反應池中微型生物生態群落之間的異同。
圖2 處理流程示意圖 圖3 連續式運行示意圖
Fig.2 Flow chart of ICAST treatment process Fig.3 Sketch map of the continuing process
圖4 間歇式運行示意圖
Fig.4 Sketch map of the intermittent process
3 活性污泥的馴化與培養
本文接種的活性污泥菌種取自上海市曲陽污水廠二次沉淀池回流濃縮污泥，微型生物活性強，污泥絮體和沉降性能均良好，原生動物已演替到較高級的類型。起初對新進污泥進行不進水的悶曝，一段時間后對ICAST反應池進行間歇進水，污水為上海理工大學高層住宅每日所排生活污水40 m3×d-1，且水量隨培養時間的增加而逐漸增加，最終達到設計處理水量，實現正常的間歇運行。
在馴化與培養過程中，每天通過顯微鏡進行鏡檢，分析污泥的性狀和微型生物種類和數量的變化趨勢。通過三周的觀測，發現由于曲陽污水廠污水水質和本裝置所處理污水水質均為生活污水，有相同的水質特征，故所馴化培養的活性污泥中微型生物對新進污水的適應過程較短。最初幾天的馴化過程中，原生動物類緣毛目(Peritricha)固著型纖毛蟲(圖5)數量有明顯減少，替代之大量出現的是全毛目(Holotricha)游泳型纖毛蟲(圖6)，并有部分的吸管蟲(圖7)出現。隨著培養時間的推進，當污泥中的微型生物逐漸適應新的水質和生長環境時，固著型的纖毛蟲重新開始大量出現，伴之有少量的游泳型纖毛蟲。在污泥培養后期，固著型纖毛蟲已占絕對優勢，相繼出現漫游蟲(圖8)、輪蟲(圖9)等微型生物，此時污泥的培養已基本完成，活性污泥全面形成大顆粒絮團，且結構緊密，沉降性能良好。由于進水的有機物濃度不高，因此生化需氧量BOD5在150 mg×l-1左右。污泥沉降比SV在15%左右，污泥濃度MLSS在1200 mg×l-1左右。
圖5 固著型纖毛蟲 圖6 游動型纖毛蟲 圖7 吸管蟲
Fig. 5 Sessile ciliates Fig. 6 Wandering ciliates Fig. 7 Suctoria
圖8 漫游蟲 圖9 輪蟲
Fig. 8 Lionotus Fig. 9 Rotifer
4 ICAST反應池中的優勢微型生物
在間歇運行方式時，ICAST反應池中經常觀測到的微型生物有：湖累枝蟲(Epistylis lacustris)，樹狀聚縮蟲(Zoothamnium arbuscula)，水虱偽獨縮蟲(Pseudocarchesium aselli)，瓶累枝蟲(Epistylis urceolata)，圓筒蓋蟲(Opercularia cylindrata)，白鐘蟲(Vorticella alba)，轉輪蟲(Rotaria rotatoria)，小口鐘蟲(Vorticella microstoma)等。
由間歇運行改為連續運行方式時，待運行大約二周后出水較穩定，這時反應池中經常觀測到的微生物有：湖累枝蟲(Epistylis lacustris)，彩蓋蟲(Opercularia phryganeae)，薄漫游蟲(Litonotus lamella)，瓶累枝蟲(Epistylis rotans)，白鐘蟲(Vorticella alba)，八鐘蟲(Vorticella octava)，杯鐘蟲(Vorticella cupifera)，圓筒蓋蟲(Opercularia cylindrata)等。
從以上微生物種類可以看出，處于正常運行的ICAST反應池中，生物的種類會變得比較單純，主要以有柄的纖毛蟲占優勢，這與 文獻 [2, 3]獲得的結論相一致。
5 微型生物在ICAST反應池中的指導作用
在整個污水回用處理過程中，微型生物特別是原生動物狀態好壞起著至關重要的作用，活性污泥中的生物相在通常情況下是比較穩定的，但當外界條件或工況突然發生改變時，原生動物的種屬和數量以及菌膠團的結構也將隨之發生變化。通過微型動物的生物指示特性，可以對處理工藝起到定性的指導作用。
5.1 對出水水質的指導作用
ICAST反應池處于正常運行中，除定期對出水進行監測之外，還應以微型生物的鏡檢情況，判斷活性污泥凈化污水的效能。通過觀測ICAST反應池內活性污泥的生物相，發現：活性污泥系統中，以固著型的纖毛蟲為主且具有較好的活性時，活性污泥易成絮體，沉降性能好，出水較清澈，懸浮物質少，水質良好;同時，通過觀測有柄的纖毛蟲數量，以及有柄纖毛蟲占整個原生動物的百分比，都可預測出水的BOD5， 方法 十分簡單，只要能認出纖毛蟲是否有柄，無需做進一步的分辨;若有柄纖毛蟲的數量突然下降，則出水BOD5會出現波動，這時應立即追查事故原因以求盡快解決 問題 。
Gurds等人通過在多家活性污泥曝氣池中進行的調查，找出了原生動物種類的組成與排水水質之間的關系，在系統的運行中，只要觀察原生動物構成情況就可大致預測出水的BOD5值[2~4]，Al-shahwani等人通過回歸 分析 法建立了出水水質和原生動物種群和數量的數學模型[5]，Madoni等人列出了19種原生動物與BOD5、NH3-N，NO3--N，MLSS、DO、SVI、SRT等的對照關系[6]。這些結論與上述本文試驗鏡檢狀況相一致。
5.2 對工況的指導作用
當由于設備故障或其他因素導致工況突然發生不正常的變化時，污泥中的原生動物和后生動物的活性會受到不同程度的抑制。由于是處理生活污水，一般不含有毒物質，且pH值也不存在較大的波動，故對處理效果 影響 較大的是進水濃度、進水水量、溫度和溶解氧的變化。通過鏡檢發現：原生動物和后生動物的活動會明顯減少，鐘蟲等固著型纖毛類微型動物口緣纖毛會停止擺動，蟲體收縮;正常運行時，鐘蟲靠體內伸縮泡的定期收縮把吞入體內的多余水分不斷排除體外，以維持體內的水分平衡，但若反應池內的溶解氧DO濃度降至1 mg×l-1以下時，伸縮泡就會處于舒張狀態，不再活動，有時鐘蟲還會脫去尾部的柄，在蟲體的頂端還會突起一個體積和自身體積大致相當的空泡 (圖10)，從而導致蟲體死亡，同時污泥中后生動物的線蟲數量會突然增加(圖11)。
圖10 鐘蟲頭頂空泡 圖11 線蟲 圖12 胞囊
Fig. 10 Vorticella with low dissolved oxygen Fig. 11 Nemato Fig. 12 Cyst
當不利的工況在一段時間內得不到有效改善時，原生動物會由于無法進行正常的新陳代謝致使蟲體變圓，鞭毛、纖毛或偽足等細胞器縮入體內或消失，細胞水分陸續由伸縮泡排出，蟲體縮小，最后伸縮泡消失，分泌出膠狀的物質于體表凝固后形成胞殼，最終形成“胞囊(cyst)”(圖12)，以渡過不良的環境。此時，活性污泥可能出現解體，導致絮體變小，甚至出現惡化的現象，出水水質會出現惡化。一旦工況恢復正常，其胞殼就會破裂并恢復蟲體的原形，活性污泥的性能也會逐漸改善。
因此，若保持污水回用處理裝置 經濟 高效運行，則應避免由于活性污泥中微生物生態的長期失衡導致處理裝置無法正常運行。
參考 文獻 :
[1]張道方, 紀桂霞, 史雪霏, 等. ICAST用于小區污水回用處理及自控與監測系統設計 研究 [J]. 上海理工大學學報, 2003, 25(4): 313-317.
[2]Gurds C.H., Cockburn A. and Vanddyke J.M. An experimental study of the role of the ciliated protozoa in the activated sludge process[J]. Water Pollution Contr. 1968, 67: 312-329.
[3]沈韞芬. 微型生物在污水處理中的原理、作用和 應用 [J]. 生物學通報, 1999, 34(7): 1-4.
[4]李探微, 彭永臻, 朱 曉. 活性污泥中原生動物的特征和作用[J]. 給水排水, 2001, 27(4): 24-27.
[5]Al-Shahwani S.M. The use of protozoa to indicate changes in the performance of activated sludge plants. Water Resource, 1991, 25(6): 633-638.
[6]Madoni P. Comparative analysis of the activated sludge micro-fauna in several sewage treatment works. Water Resource, 1993, 27(9): 1485-1491.
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