活性污泥中絲狀菌與絮體結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究
絲狀微生物是一大類菌體相連而形成絲狀的微生物的統(tǒng)稱，其中包括絲狀細(xì)菌、絲狀真菌、絲狀藻類等。荷蘭學(xué)者Eikelboom將絲狀微生物分為29個類型、7個群，并制成了活性污泥絲狀微生物檢索表。
絲狀微生物的功能與結(jié)構(gòu)形態(tài)密切相關(guān)，長絲狀形態(tài)有利于其在固相上附著生長，保持一定的細(xì)胞密度，防止單個細(xì)胞狀態(tài)時被微型動物吞食；細(xì)絲狀形態(tài)的比表面積大，有利于攝取低濃度底物，在底物濃度相對較低的條件下比膠團(tuán)菌增殖速度快，在底物濃度較高時則比膠團(tuán)菌增殖速度慢。許多絲狀微生物表面具有膠質(zhì)的鞘，能分泌粘液，粘液層能夠保證一定的胞外酶濃度，并減少水流對細(xì)胞的沖刷，其中還含有特定的抗體，以防止其他生物附著。
絲狀微生物種類繁多，對生長環(huán)境要求低。其本身生理生長特性很特別：增殖速率快、吸附能力強(qiáng)、耐供氧不足能力以及在低基質(zhì)濃度條件下的生活能力都很強(qiáng)，因此在廢水生物處理生態(tài)系統(tǒng)中存活的種類多，數(shù)量大。如何使絲狀微生物相互聚集，使之在廢水處理中達(dá)到較好的泥水分離效果，如何確定絲狀微生物同其他微生物的相互作用，以及不同絲狀微生物的最適需氧量等，都是需要進(jìn)一步研究的問題。
1 試驗設(shè)計及過程
試驗分別在本院給水排水實驗室、重慶市唐家橋污水處理廠、重慶市渝北區(qū)城南污水處理廠進(jìn)行；钚晕勰嗖蓸幼员緦嶒炇一钚晕勰喾ㄐ≡嚪磻(yīng)器、唐家橋污水處理廠和城南污水處理廠的曝氣池、初沉池和二沉池。通過鏡檢觀察記錄活性污泥絮體大小、形態(tài)和結(jié)構(gòu)，對不同反應(yīng)器的絲狀微生物進(jìn)行鑒定，從而尋找絲狀微生物與絮體形態(tài)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。試驗歷時5個月。
絲狀微生物鑒定采用Eikelboom法，鏡檢觀察以下八項特征：①是否存在衣鞘；②滑行運(yùn)動；③真、假分枝；④絲狀體長度、形狀、性質(zhì)；⑤細(xì)胞直徑、長度、性質(zhì)；⑥革蘭氏染色反應(yīng)；⑦納氏染色反應(yīng)；⑧有無胞含體(聚-β-羥基丁酸PHB、硫粒、多聚磷酸鹽等)。染色采用石炭酸復(fù)紅染色法、革蘭氏染色法、納氏染色法和積硫試驗法。通過目微尺測定污泥絮體直徑，記錄各種大小、形狀和結(jié)構(gòu)的絮體數(shù)量，歸納污泥絮體的主要類型及特征。通過大量觀察，尋找絲狀微生物種類、濃度與污泥絮體大小、形狀、結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
2 試驗結(jié)果
2.1 絮體結(jié)構(gòu)形態(tài)類型
通過大量的觀察發(fā)現(xiàn)，活性污泥在正常運(yùn)行和膨脹時呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)和種類。正常運(yùn)行時活性污泥結(jié)構(gòu)形態(tài)可分為四類，Ⅰ型：致密、細(xì)小，看不到絲狀菌為骨架的污泥；Ⅱ型：有明顯絲狀骨架、呈長條形的污泥；Ⅲ型：厚實、具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的巨型污泥；Ⅳ型：有孔洞結(jié)構(gòu)的巨型污泥。污泥膨脹時其結(jié)構(gòu)形態(tài)可分為兩類，Ⅴ型：結(jié)構(gòu)絲狀菌大量生長、伸長，絮體結(jié)構(gòu)松散；Ⅵ型：非結(jié)構(gòu)絲狀菌大量生長，不形成絮體。
試驗過程中發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型污泥在兩污水廠正常運(yùn)行的曝氣池中所占比例較低，城南污水廠為10%左右，唐家橋污水廠更低，而在二沉池上清液中比例較高，因此它是從良好結(jié)構(gòu)的污泥上脫落下來的，在二沉池隨出水流失。正常運(yùn)行時長條形污泥、網(wǎng)狀污泥和孔洞污泥(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型)占很高比例，兩污水廠中均占90%以上。根據(jù)絮體伸出的部分絲狀菌，可以判斷這些具有良好結(jié)構(gòu)的污泥是以絲狀菌為骨架，膠團(tuán)菌附著于其上而形成的。它們是去除有機(jī)物的主要部分。
在混合液中可見到其他絲狀微生物游離于菌膠團(tuán)之外，見不到附著生長物，三種樣本見到的菌種有：球衣菌、發(fā)硫菌、0803型、0581型、硬發(fā)菌、鏈球菌等，但數(shù)量都十分少。
試驗過程中，城南污水廠由于發(fā)生停電事故時仍保持進(jìn)水流量，發(fā)生了結(jié)構(gòu)絲狀菌大量增殖的現(xiàn)象，污泥結(jié)構(gòu)呈松散狀(Ⅴ型)，SVI達(dá)到142 mL/g干污泥；待供電正常，按正常方式運(yùn)行一段時間后，污泥結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常，SVI回落至90 mL/g 干污泥。而活性污泥小試過程中多次出現(xiàn)污泥膨脹，泥水分離困難(Ⅵ型)，SVI高達(dá)500 mL/g 干污泥以上，調(diào)節(jié)運(yùn)行方式仍不能控制，鏡檢發(fā)現(xiàn)球衣菌、發(fā)硫菌大量增殖，最終通過投加漂白粉殺生劑再經(jīng)逐步培養(yǎng)才恢復(fù)正常。
2.2 微生物鑒定結(jié)果
根據(jù)Eikelboom法對作為污泥良好結(jié)構(gòu)骨架的絲狀菌進(jìn)行鑒定，發(fā)現(xiàn)各處取樣污泥的結(jié)構(gòu)絲狀菌特征一致：絲狀體直徑1.5～2 μm，絲體長200 μm左右，不運(yùn)動，略彎，在絮體內(nèi)扭曲，細(xì)胞呈柱狀，長0.5～4 μm，直徑0.7～1.0 μm，有鞘，橫隔明顯，常見分枝，有大量附著生長物，無硫粒，革蘭氏染色陰性，納氏染色可見蘭灰色顆粒，呈陽性。
查絲狀微生物鑒定表，找不到特征完全相符的種，比較接近的是Eikelboom1701型。Eikelboom1701的特征是：鏈狀圓柱形細(xì)胞，被鞘緊裹，絲體長100～200 μm，偶爾超過200 μm，雖然絲體正常時稍彎，但可有很強(qiáng)的盤繞性，細(xì)胞長2.5～3.5 μm，直徑0.5～0.9 μm，有鞘，有時可見PHB黑色小顆粒，橫隔和縮縊明顯，偶有假分枝，常有大量附著生長物，無硫粒，革蘭氏染色陰性，納氏染色陽性。
3 分析與討論
3.1 絮體形成過程
許多絮體可以同時具有Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型污泥的多種特征，在絮體中心部分為孔洞結(jié)構(gòu)，向四周伸展的長條形污泥相互搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最外側(cè)則可見新伸出的骨架絲狀菌。從這種污泥的形態(tài)可以推斷其形成過程為：結(jié)構(gòu)絲狀菌交織生長，膠團(tuán)菌附著其上形成新生污泥，新生污泥逐漸成熟形成條狀、網(wǎng)狀污泥，在氧和營養(yǎng)物充足等條件下，網(wǎng)狀污泥的膠團(tuán)菌增粗，網(wǎng)孔逐漸變小形成孔洞狀，最后孔洞被填實，而結(jié)構(gòu)絲狀菌的伸出為膠團(tuán)菌提供了新的附著面，包裹形成新的條狀污泥，條狀污泥相互交織又形成新的網(wǎng)狀污泥，重復(fù)上述過程，形成更大的污泥絮體。
一些污泥能見到成節(jié)的形態(tài)，大的孔洞結(jié)構(gòu)污泥之間由細(xì)的條狀污泥連接，有的由絲狀微生物連接，這種污泥的形成可能是絮體成長到一定成熟度后，由于內(nèi)部供氧不足，促進(jìn)了包埋于其中的結(jié)構(gòu)絲狀菌的生長，將絮體撐開導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散形成節(jié)狀。
還有極少量的污泥，可以見到極粗大的絲狀骨架，上面附著膠團(tuán)菌，經(jīng)多次對比鑒定，這些絲狀骨架為死亡累枝蟲的桿，由于結(jié)構(gòu)松散，這類污泥易于在二沉池發(fā)生漂浮，因此保持原生動物穩(wěn)定的生長條件可以有效地減少二沉池的污泥上浮。
3.2 絲狀微生物與微生態(tài)群落的關(guān)系
試驗表明，膠團(tuán)菌與結(jié)構(gòu)絲狀菌之間相互依存，絲狀微生物形成了絮體骨架，為絮體形成較大顆粒同時保持一定的松散度提供了必要條件。而膠團(tuán)菌的附著使絮體具有一定的沉降性而不易被出水帶走，并且由于膠團(tuán)菌的包附使得結(jié)構(gòu)絲狀菌獲得更加穩(wěn)定、良好的生態(tài)條件，所以這兩大類微生物在活性污泥中形成了特殊的共生體。
根據(jù)生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)，環(huán)境因子對微生物個體的影響首先是影響某些敏感生物，然后通過微生物之間的相互作用逐步傳遞，最終當(dāng)影響超過一定限度時引起結(jié)構(gòu)上的波動。正是因為生態(tài)系統(tǒng)中生物種類多，并按一定結(jié)構(gòu)組成了微生態(tài)群落，環(huán)境壓力在逐級傳遞過程中受到消減，所以生態(tài)系統(tǒng)具備了一定抗沖擊負(fù)荷的能力。與純培養(yǎng)相比，生態(tài)系統(tǒng)能通過優(yōu)勢種群的變化維持良好的結(jié)構(gòu)，而純培養(yǎng)只需輕微刺激就會引起強(qiáng)烈反應(yīng)，直接破壞其脆弱的結(jié)構(gòu)。這也是保證活性污泥微生態(tài)群落穩(wěn)定性的根本原因。
根據(jù)本試驗結(jié)果，可以將活性污泥微生態(tài)群落描述如下：活性污泥微生態(tài)群落由不同大小的群落組成，具有良好沉降性和傳質(zhì)性能的菌膠團(tuán)以結(jié)構(gòu)絲狀菌為骨架，膠團(tuán)菌附著其上而形成，具有不斷生長的特性，增長過程和老化過程中脫落的碎片及其他游離細(xì)菌將由附著或游離生長的原生動物和后生動物捕食清除。而少量以無機(jī)顆粒為核心形成的致密顆粒也可能存在于系統(tǒng)之中，并具有良好的沉降性能。有些死亡的原生動物尸體被膠團(tuán)菌包裹，形成巨型污泥，其內(nèi)部易產(chǎn)生反硝化作用形成氣泡在二沉池漂浮流失。
在正常運(yùn)行條件下，具有結(jié)構(gòu)絲狀菌的絮體占優(yōu)，非結(jié)構(gòu)絲狀菌的數(shù)量很少，其表面不易為膠團(tuán)菌附著，彼此存在拮抗關(guān)系，這種系統(tǒng)是相對穩(wěn)定不會輕易改變的。所以在兩個污水廠長期運(yùn)行過程中未發(fā)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)絲狀菌膨脹。而活性污泥小試時各種條件不易控制，屢屢造成非結(jié)構(gòu)絲狀菌膨脹，采用改變負(fù)荷等辦法均不能解決，根據(jù)非結(jié)構(gòu)絲狀菌與菌膠團(tuán)的關(guān)系，解決的根本辦法在于徹底將其清除，故只能采用投加殺生劑的辦法使膨脹得到控制，盡管膠團(tuán)菌也會受到影響，但它們相互聚集成團(tuán)，只有表面少量細(xì)菌受到傷害。由于停電事故，城南污水廠曾出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，經(jīng)鏡檢為結(jié)構(gòu)絲狀菌膨脹，大量結(jié)構(gòu)絲狀菌從絮體中伸出，根據(jù)結(jié)構(gòu)絲狀菌與膠團(tuán)菌的共生關(guān)系，只需創(chuàng)造有利于膠團(tuán)菌增長的條件就能使污泥沉降性能改善，實踐中采用適當(dāng)排泥增加曝氣量的辦法，污泥指數(shù)很快恢復(fù)正常。
有關(guān)活性污泥中絲狀菌作用的資料很少，多將絲狀菌描述為在菌膠團(tuán)內(nèi)部生長或伸出、游離生長三種情況。試驗中根據(jù)大量觀察發(fā)現(xiàn)，活性污泥總能保持一定的宏結(jié)構(gòu)，未見到密實的大顆粒狀污泥，微小的菌膠團(tuán)數(shù)量也少。從理論上講，如果膠團(tuán)菌附著在一種靜止的載體上，將不斷增長變厚，直到內(nèi)部形成厭氧狀態(tài)發(fā)生反硝化作用產(chǎn)生氣泡而剝離載體，這樣就極易形成大量碎屑的菌膠團(tuán)，膠團(tuán)菌自身不可能形成條狀、網(wǎng)形結(jié)構(gòu)，只有一種可能性：結(jié)構(gòu)絲狀菌與膠團(tuán)菌構(gòu)成此消彼長的關(guān)系，即結(jié)構(gòu)絲狀菌位于膠團(tuán)菌內(nèi)部特別是菌膠團(tuán)較厚時有利于其生長，從而伸長使得包裹在外層的膠團(tuán)菌不致于過厚形成厭氧狀態(tài)，其有利條件可能是內(nèi)部的低氧狀態(tài)，而一旦結(jié)構(gòu)絲狀菌暴露在混合液中時，正常環(huán)境條件不利于其生長，待膠團(tuán)菌包附之后才重新再次生長，如遇供氧不足等條件時，結(jié)構(gòu)絲狀菌大量伸出，則發(fā)生結(jié)構(gòu)絲狀菌引起的污泥膨脹。
4 結(jié)論
、佟』钚晕勰嗾５男螒B(tài)結(jié)構(gòu)可分為四種類型，Ⅰ型：致密、細(xì)小，無絲狀菌骨架；Ⅱ型：有明顯絲狀骨架的長條形；Ⅲ型：厚實且具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；Ⅳ型：孔洞結(jié)構(gòu)。污泥膨脹時其結(jié)構(gòu)形態(tài)可分為兩類，Ⅴ型：結(jié)構(gòu)絲狀菌大量生長、伸長，絮體結(jié)構(gòu)松散；Ⅵ型：非結(jié)構(gòu)絲狀菌大量生長，不形成絮體。
、凇【哂辛己媒Y(jié)構(gòu)的活性污泥絮體以結(jié)構(gòu)絲狀菌為骨架，膠團(tuán)菌附著于其上，結(jié)構(gòu)絲狀菌喜低氧狀態(tài)，在膠團(tuán)菌的附著下，不斷生長伸長，形成條狀和網(wǎng)狀污泥；沒有絲狀菌為骨架的絮體顆粒很小，附著于累枝蟲等原生動物尸體上的絮體易產(chǎn)生反硝化作用，它們都易隨二沉池出水流失。
、邸』钚晕勰嗯蛎浄譃榻Y(jié)構(gòu)絲狀菌膨脹和非結(jié)構(gòu)絲狀菌膨脹，前者只需創(chuàng)造有利于膠團(tuán)菌增長的條件即可解決，后者膠團(tuán)菌難于附著在非結(jié)構(gòu)絲狀菌上生長，只有采取投加殺蟲劑的辦法毒殺。
、堋〗Y(jié)構(gòu)絲狀菌與膠團(tuán)菌在活性污泥中形成共生關(guān)系，而非結(jié)構(gòu)絲狀菌與膠團(tuán)菌之間存在著拮抗關(guān)系，活性污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定性得益于大環(huán)境中微生態(tài)群落的相對穩(wěn)定。
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