污水处理活性污泥微生物群落研究进展

文_蔡安蓉 重庆市渝西水务有限公司

当前，污水处理主要应用的工艺技术有序批式活性污泥法(SBR)、厌氧-好氧工艺(A/O）、好氧工艺(A2/O)等，这些工艺的实际工作效率、应用稳定性直接受到活性生物群落结构的影响。近年来，人们通过生物信息手段，对各种工艺参数、环境因子下的活性污泥生物的多样性、动态变化、以及群落结构进行了深入的研究，将污水处理效率和活性污泥微生物系统之间的联系全面、真实地揭露了出来。如，微生物的丰度和多样性同污水温度呈正比，而和海拔高度呈反比；污泥停留时间和AOB的丰度有着紧密的关系；在膜生物反应器中，变形菌门是优势群落，在OD工艺中，拟杆菌门是优势群落。总之，受到不同污水水质、温暖、以及工艺条件的影响，形成的污泥微生态系统也各不相同，研究污泥微生态系统中群落结构的丰富度和多样性，在提高工艺处理效率、深化对污染物去除的微生物机制的理解方面，意义重大。

1 概要

1.1 研究方法

近些年来，我国对污水处理厂提高更加严格的要求：污水处理厂出水必须满足1级A标准：总氮(TN)15mg/L；SS10mg/L；COD50mg/L；BOD10mg/L。若污水没有达到排放标准便直接排放，就会导致河道、湖面水体的富营养化。因此，对其展开探究就显得非常重要。要更好地阐明有机物分解去除机理，需不断加强对微生物群落结构特征的研究。核酸测序技术研究微生物生态和进化始于1986年，PCR-DGGE技术引入微生物生态学研究始于1993年，有研究人员在2007年首次在土壤微生物多样性研究中应用了新一代高通量测序焦磷酸技术，并在随后使用高通量测序，深入研究了废水处理系统中的微生物群落结构。Ma等通过使用高通量测序，分析了生物群落，发现污泥系统在每一个分类级别表现出相似的群落组成，废水处理厂所含优势属，有：Azoarcus（固氮弯曲菌属）、Comamonas（毛单胞菌属）、Thiobacillus（硫杆菌属）、以及Thauera（索氏菌属）。

1.2 结构及多样性

污泥中微生物多样性分析测序，获得有效序列28561条，在文库的覆盖率为0.90，表明样本中没有被测出序列的概率很低，能够真实反映样本情况。对所有序列进分类，可以分为4436个分类操作单元(OTU)，再对所得序列进行α指数多样性进行研究，发现序列数量接近或是达到饱和，说明污泥中有着多种数目的微生物物种，其多样性和丰度较高。

2 污水特征

2.1 污水温度

不同海拔地区的污水处理厂，污水的温度存在着很大的差异，但在活性污泥微生物群落结构中，约有50%的优势属和80%的优势门同为同类活性污泥样品所有，可以看出活性污泥微生物群落结构存在生态一致性特点。此外，污水温度降低，也会导致活性污泥微生物群落的丰度和多样性下降。TP去除率、NH4+-N、COD也会随之降低，只有更好适应污水温度的微生物群落，才能成为优势种群。

2.2 污水pH

由于不同微生物群落最适生长pH各不相同，无论pH过低还是过高，都会对微生物的生长代谢产生抑制作用。根据调查来看，活性污泥微生物种群会随着污水pH的变化而变化，而弱碱性和中性条件对PAOs的生长更有利。通过调节污水处理系统中的碱性，可以有效提高污染物去除效率。

2.3 污水组分

污水污染物组分、浓度直接影响着活性污泥微生物群落结构，产氢产甲烷菌在高浓度有机物的无水肿，成为优势菌群。如，酪丁酸梭菌(Clostridiumty robutyricum)、甲烷鬃菌属(Methanosaeta)等，充分表明那些高浓度有机物废水，更有益于产氢产甲烷等厌氧菌的富集和增殖。其原因主要为在面对不同类型的污染物时，微生物种群的抵抗力、代谢活性和亲和力各不相同，因此它们选择富集了特定优势种属。如，拥有较强代谢氨能力的AOB主要富集在高氨浓度的污水中氨氧化古菌有着较高的氨亲和性，能够富集在氨浓度低的环境里。

3 工艺及运行参数和活性污泥微生物群落

3.1 污水处理工艺

不同的污水处理工艺，形成不同的活性污泥微生物群落结构，当进水条件相同时，SBR中富集了亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)，具体富集率为：76%±4.2%，硝化效率为：89%。完全搅拌釜式反应器(CSTR)中富集了亚硝化螺菌属(Nitro sospiraspp)，富集率为42%±1.9%，硝化效率为：30%。导致2种工艺硝化效率存在差异的原因，主要是由于AOB功能菌群富集率不同。根据研究可以发现：活性污泥微生物的丰度和群落结构的形成，受到不同污水处理工艺的影响。从而形成不同的微生态功能系统。值得一提的是，同活性污泥样品相比，MBBR（移动床生物膜反应器）填料上的生物膜，其优势纲有着明显的不同，优势纲为p-变形菌纲的丰度为45.2%,a-变形菌纲的丰度为30.7%，而硝化螺旋菌纲的相对丰度高达5.9%～6.2%，远远大于活性污泥样品中0.9%的平均相对丰度，由此可见，在加入MBBR填料后，能够提高硝化菌的相对丰度，并在一定程度上增强脱氮能力。而在A2/O工艺中，变形菌门的丰度是拟杆菌门的1.3～2倍。

3.2 溶解氧浓度

污染物除去效率和活性污泥微生物群落结构，受到溶解氧浓度的直接影响。对微生物群落而言，低溶氧环境会产生一定的选择富集作用。氧传递和氧浓度变化是溶氧对微生物的两种选择压力，在厌氧和好氧的交替SBR中，硝化杆菌属(Nitrobacter)和亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)属于优势细菌，且两者在硝化菌群中所占比例达到近80%。在A/O和A2/O系统中，这几种AOB种群同属优势细菌群落，可见在面对厌氧环境、厌氧和有氧交替时，AOB菌群有着更高的耐受性。追其根源，是由于硝化细菌的生长、衰退、氧化速率不同，交替改变条件，对硝化细菌的生长起到促进作用。另外，污泥微生物群落直接受到氧传递的影响，导致微量氧气分子只可以在污泥颗粒中扩散，而在污泥颗粒外层，硝化细菌往往会受到较大的剪切力，所以硝化细菌只能够在污泥颗粒的内层呈现出较好的活性。总而言之，改变群落丰度和结构的内因，源自不同微生物对氧表现出的不同亲和力。

4 优化方法

4.1 固定化技术

现阶段，固定化细胞载体主要有两种类型，一是天然高分子凝胶载体，如海藻酸钙、琼脂等；二是人工合成高分子凝胶载体，包括聚乙烯醇、聚丙烯酰胺。可达细胞密度高，且能够重复使用，对高浓度有毒物质耐受性较高，但固定化技术成本较高，有待优化。

4.2 膜生物反应器

作为新型处理技术，膜生物反应器有着超越其他生物处理技术的优势，如占地面积小、负荷高、处理效率高，愈加受到重视。在MBR系统中接种鞘氨醇单胞菌QYY后，在面对有毒污染物冲击负荷时，生物强化促进MBR启动，确保其稳定运行。

4.3 生物强化制剂

通过从环境中筛选有特殊降解效果、活性较高的细菌，能够制作固态或是液体生物强化制剂，在处理污水方面有着重要功效。总体来看，生物强化制剂主要有两方面优势。第一，操作便捷，安全节能；第二，可以提高短菌群驯化时间，确保处理效果提高。现阶段，一些生物强化制剂已投入商业生产，并获得了良好的成效。

4.4 连续投放

高效降解菌生物强化并非一劳永逸，而是要定期增加功能菌。据此可知，废水处理过程中，需要菌种培养专用反应器，确保已适应新环境的微生物能够间接性、或是连续投入到工作反应器中。经过实际操作结果来看，这种持续或反复投放接种菌的方法，在含有有毒物质的反映器中，能够有效突破生长抑制。

5 结语

污水特征、运行参数、以及工艺类型直接影响着活性污泥微生物群落的动态变化，不管是微生物群落结构多样性，还是丰度的变化，都是其适应环境、增殖的具体表现和结果，在特定污水运行参数和特征情况下，选择富集特定的微生物群落结构，从而形成特定活性污泥微生态系统。研究证明，在污水处理效率差异中，微生物的群落变化起到决定性作用，想要提高污水处理效率，就要优化运行参数、改良工艺、不断强化生物技术，提高污水处理水平。