污水處理活性污泥微生物群落研究進展

文_蔡安蓉 重慶市渝西水務有限公司

當前，污水處理主要應用的工藝技術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、應用穩定性直接受到活性生物群落結構的影響。近年來，人們通過生物信息手段，對各種工藝參數、環境因子下的活性污泥生物的多樣性、動態變化、以及群落結構進行了深入的研究，將污水處理效率和活性污泥微生物系統之間的聯系全面、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系；在膜生物反應器中，變形菌門是優勢群落，在OD工藝中，擬桿菌門是優勢群落。總之，受到不同污水水質、溫暖、以及工藝條件的影響，形成的污泥微生態系統也各不相同，研究污泥微生態系統中群落結構的豐富度和多樣性，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，就會導致河道、湖面水體的富營養化。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構特征的研究。核酸測序技術研究微生物生態和進化始于1986年，PCR-DGGE技術引入微生物生態學研究始于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用了新一代高通量測序焦磷酸技術，并在隨后使用高通量測序，深入研究了廢水處理系統中的微生物群落結構。Ma等通過使用高通量測序，分析了生物群落，發現污泥系統在每一個分類級別表現出相似的群落組成，廢水處理廠所含優勢屬，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 結構及多樣性

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指數多樣性進行研究，發現序列數量接近或是達到飽和，說明污泥中有著多種數目的微生物物種，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構中，約有50%的優勢屬和80%的優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構存在生態一致性特點。此外，污水溫度降低，也會導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，只有更好適應污水溫度的微生物群落，才能成為優勢種群。

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生抑制作用。根據調查來看，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。通過調節污水處理系統中的堿性，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構，產氫產甲烷菌在高濃度有機物的無水腫，成為優勢菌群。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，更有益于產氫產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境里。

3 工藝及運行參數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構，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。根據研究可以發現：活性污泥微生物的豐度和群落結構的形成，受到不同污水處理工藝的影響。從而形成不同的微生態功能系統。值得一提的是，同活性污泥樣品相比，MBBR（移動床生物膜反應器）填料上的生物膜，其優勢綱有著明顯的不同，優勢綱為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構，受到溶解氧濃度的直接影響。對微生物群落而言，低溶氧環境會產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系統中，這幾種AOB種群同屬優勢細菌群落，可見在面對厭氧環境、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層呈現出較好的活性。總而言之，改變群落豐度和結構的內因，源自不同微生物對氧表現出的不同親和力。

4 優化方法

4.1 固定化技術

現階段，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，且能夠重復使用，對高濃度有毒物質耐受性較高，但固定化技術成本較高，有待優化。

4.2 膜生物反應器

作為新型處理技術，膜生物反應器有著超越其他生物處理技術的優勢，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，確保其穩定運行。

4.3 生物強化制劑

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

4.4 連續投放

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。據此可知，廢水處理過程中，需要菌種培養專用反應器，確保已適應新環境的微生物能夠間接性、或是連續投入到工作反應器中。經過實際操作結果來看，這種持續或反復投放接種菌的方法，在含有有毒物質的反映器中，能夠有效突破生長抑制。

5 結語

污水特征、運行參數、以及工藝類型直接影響著活性污泥微生物群落的動態變化，不管是微生物群落結構多樣性，還是豐度的變化，都是其適應環境、增殖的具體表現和結果，在特定污水運行參數和特征情況下，選擇富集特定的微生物群落結構，從而形成特定活性污泥微生態系統。研究證明，在污水處理效率差異中，微生物的群落變化起到決定性作用，想要提高污水處理效率，就要優化運行參數、改良工藝、不斷強化生物技術，提高污水處理水平。