污水處理活性污泥微生物群落研究進展

文_蔡安蓉 重慶市渝西水務(wù)有限公司

當前，污水處理主要應(yīng)用的工藝技術(shù)有序批式活性污泥法(SBR)、厭氧-好氧工藝(A/O）、好氧工藝(A2/O)等，這些工藝的實際工作效率、應(yīng)用穩(wěn)定性直接受到活性生物群落結(jié)構(gòu)的影響。近年來，人們通過生物信息手段，對各種工藝參數(shù)、環(huán)境因子下的活性污泥生物的多樣性、動態(tài)變化、以及群落結(jié)構(gòu)進行了深入的研究，將污水處理效率和活性污泥微生物系統(tǒng)之間的聯(lián)系全面、真實地揭露了出來。如，微生物的豐度和多樣性同污水溫度呈正比，而和海拔高度呈反比；污泥停留時間和AOB的豐度有著緊密的關(guān)系；在膜生物反應(yīng)器中，變形菌門是優(yōu)勢群落，在OD工藝中，擬桿菌門是優(yōu)勢群落?？傊?，受到不同污水水質(zhì)、溫暖、以及工藝條件的影響，形成的污泥微生態(tài)系統(tǒng)也各不相同，研究污泥微生態(tài)系統(tǒng)中群落結(jié)構(gòu)的豐富度和多樣性，在提高工藝處理效率、深化對污染物去除的微生物機制的理解方面，意義重大。

1 概要

1.1 研究方法

近些年來，我國對污水處理廠提高更加嚴格的要求：污水處理廠出水必須滿足1級A標準：總氮(TN)15mg/L；SS10mg/L；COD50mg/L；BOD10mg/L。若污水沒有達到排放標準便直接排放，就會導(dǎo)致河道、湖面水體的富營養(yǎng)化。因此，對其展開探究就顯得非常重要。要更好地闡明有機物分解去除機理，需不斷加強對微生物群落結(jié)構(gòu)特征的研究。核酸測序技術(shù)研究微生物生態(tài)和進化始于1986年，PCR-DGGE技術(shù)引入微生物生態(tài)學研究始于1993年，有研究人員在2007年首次在土壤微生物多樣性研究中應(yīng)用了新一代高通量測序焦磷酸技術(shù)，并在隨后使用高通量測序，深入研究了廢水處理系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)。Ma等通過使用高通量測序，分析了生物群落，發(fā)現(xiàn)污泥系統(tǒng)在每一個分類級別表現(xiàn)出相似的群落組成，廢水處理廠所含優(yōu)勢屬，有：Azoarcus（固氮彎曲菌屬）、Comamonas（毛單胞菌屬）、Thiobacillus（硫桿菌屬）、以及Thauera（索氏菌屬）。

1.2 結(jié)構(gòu)及多樣性

污泥中微生物多樣性分析測序，獲得有效序列28561條，在文庫的覆蓋率為0.90，表明樣本中沒有被測出序列的概率很低，能夠真實反映樣本情況。對所有序列進分類，可以分為4436個分類操作單元(OTU)，再對所得序列進行α指數(shù)多樣性進行研究，發(fā)現(xiàn)序列數(shù)量接近或是達到飽和，說明污泥中有著多種數(shù)目的微生物物種，其多樣性和豐度較高。

2 污水特征

2.1 污水溫度

不同海拔地區(qū)的污水處理廠，污水的溫度存在著很大的差異，但在活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)中，約有50%的優(yōu)勢屬和80%的優(yōu)勢門同為同類活性污泥樣品所有，可以看出活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)存在生態(tài)一致性特點。此外，污水溫度降低，也會導(dǎo)致活性污泥微生物群落的豐度和多樣性下降。TP去除率、NH4+-N、COD也會隨之降低，只有更好適應(yīng)污水溫度的微生物群落，才能成為優(yōu)勢種群。

2.2 污水pH

由于不同微生物群落最適生長pH各不相同，無論pH過低還是過高，都會對微生物的生長代謝產(chǎn)生抑制作用。根據(jù)調(diào)查來看，活性污泥微生物種群會隨著污水pH的變化而變化，而弱堿性和中性條件對PAOs的生長更有利。通過調(diào)節(jié)污水處理系統(tǒng)中的堿性，可以有效提高污染物去除效率。

2.3 污水組分

污水污染物組分、濃度直接影響著活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)，產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷菌在高濃度有機物的無水腫，成為優(yōu)勢菌群。如，酪丁酸梭菌(Clostridiumty robutyricum)、甲烷鬃菌屬(Methanosaeta)等，充分表明那些高濃度有機物廢水，更有益于產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷等厭氧菌的富集和增殖。其原因主要為在面對不同類型的污染物時，微生物種群的抵抗力、代謝活性和親和力各不相同，因此它們選擇富集了特定優(yōu)勢種屬。如，擁有較強代謝氨能力的AOB主要富集在高氨濃度的污水中氨氧化古菌有著較高的氨親和性，能夠富集在氨濃度低的環(huán)境里。

3 工藝及運行參數(shù)和活性污泥微生物群落

3.1 污水處理工藝

不同的污水處理工藝，形成不同的活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)，當進水條件相同時，SBR中富集了亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)，具體富集率為：76%±4.2%，硝化效率為：89%。完全攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)中富集了亞硝化螺菌屬(Nitro sospiraspp)，富集率為42%±1.9%，硝化效率為：30%。導(dǎo)致2種工藝硝化效率存在差異的原因，主要是由于AOB功能菌群富集率不同。根據(jù)研究可以發(fā)現(xiàn)：活性污泥微生物的豐度和群落結(jié)構(gòu)的形成，受到不同污水處理工藝的影響。從而形成不同的微生態(tài)功能系統(tǒng)。值得一提的是，同活性污泥樣品相比，MBBR（移動床生物膜反應(yīng)器）填料上的生物膜，其優(yōu)勢綱有著明顯的不同，優(yōu)勢綱為p-變形菌綱的豐度為45.2%,a-變形菌綱的豐度為30.7%，而硝化螺旋菌綱的相對豐度高達5.9%～6.2%，遠遠大于活性污泥樣品中0.9%的平均相對豐度，由此可見，在加入MBBR填料后，能夠提高硝化菌的相對豐度，并在一定程度上增強脫氮能力。而在A2/O工藝中，變形菌門的豐度是擬桿菌門的1.3～2倍。

3.2 溶解氧濃度

污染物除去效率和活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)，受到溶解氧濃度的直接影響。對微生物群落而言，低溶氧環(huán)境會產(chǎn)生一定的選擇富集作用。氧傳遞和氧濃度變化是溶氧對微生物的兩種選擇壓力，在厭氧和好氧的交替SBR中，硝化桿菌屬(Nitrobacter)和亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)屬于優(yōu)勢細菌，且兩者在硝化菌群中所占比例達到近80%。在A/O和A2/O系統(tǒng)中，這幾種AOB種群同屬優(yōu)勢細菌群落，可見在面對厭氧環(huán)境、厭氧和有氧交替時，AOB菌群有著更高的耐受性。追其根源，是由于硝化細菌的生長、衰退、氧化速率不同，交替改變條件，對硝化細菌的生長起到促進作用。另外，污泥微生物群落直接受到氧傳遞的影響，導(dǎo)致微量氧氣分子只可以在污泥顆粒中擴散，而在污泥顆粒外層，硝化細菌往往會受到較大的剪切力，所以硝化細菌只能夠在污泥顆粒的內(nèi)層呈現(xiàn)出較好的活性?？偠灾?，改變?nèi)郝湄S度和結(jié)構(gòu)的內(nèi)因，源自不同微生物對氧表現(xiàn)出的不同親和力。

4 優(yōu)化方法

4.1 固定化技術(shù)

現(xiàn)階段，固定化細胞載體主要有兩種類型，一是天然高分子凝膠載體，如海藻酸鈣、瓊脂等；二是人工合成高分子凝膠載體，包括聚乙烯醇、聚丙烯酰胺。可達細胞密度高，且能夠重復(fù)使用，對高濃度有毒物質(zhì)耐受性較高，但固定化技術(shù)成本較高，有待優(yōu)化。

4.2 膜生物反應(yīng)器

作為新型處理技術(shù)，膜生物反應(yīng)器有著超越其他生物處理技術(shù)的優(yōu)勢，如占地面積小、負荷高、處理效率高，愈加受到重視。在MBR系統(tǒng)中接種鞘氨醇單胞菌QYY后，在面對有毒污染物沖擊負荷時，生物強化促進MBR啟動，確保其穩(wěn)定運行。

4.3 生物強化制劑

通過從環(huán)境中篩選有特殊降解效果、活性較高的細菌，能夠制作固態(tài)或是液體生物強化制劑，在處理污水方面有著重要功效?？傮w來看，生物強化制劑主要有兩方面優(yōu)勢。第一，操作便捷，安全節(jié)能；第二，可以提高短菌群馴化時間，確保處理效果提高。現(xiàn)階段，一些生物強化制劑已投入商業(yè)生產(chǎn)，并獲得了良好的成效。

4.4 連續(xù)投放

高效降解菌生物強化并非一勞永逸，而是要定期增加功能菌。據(jù)此可知，廢水處理過程中，需要菌種培養(yǎng)專用反應(yīng)器，確保已適應(yīng)新環(huán)境的微生物能夠間接性、或是連續(xù)投入到工作反應(yīng)器中。經(jīng)過實際操作結(jié)果來看，這種持續(xù)或反復(fù)投放接種菌的方法，在含有有毒物質(zhì)的反映器中，能夠有效突破生長抑制。

5 結(jié)語

污水特征、運行參數(shù)、以及工藝類型直接影響著活性污泥微生物群落的動態(tài)變化，不管是微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性，還是豐度的變化，都是其適應(yīng)環(huán)境、增殖的具體表現(xiàn)和結(jié)果，在特定污水運行參數(shù)和特征情況下，選擇富集特定的微生物群落結(jié)構(gòu)，從而形成特定活性污泥微生態(tài)系統(tǒng)。研究證明，在污水處理效率差異中，微生物的群落變化起到?jīng)Q定性作用，想要提高污水處理效率，就要優(yōu)化運行參數(shù)、改良工藝、不斷強化生物技術(shù)，提高污水處理水平。