碎屑食物鏈在活性污泥減量化處理上的

作用和機制摘要：活性污泥是污水處理廠生物處理工藝的功能主體，活性污泥中微生物群的種類、數量及活性是提高污水處理能力與效果的重要基礎。在適宜的條件下，活性污泥系統中可以生長出大量的原生動物和后生動物等微型動物，這些微型動物在活性污泥中起著捕食者的作用，它們可以通過捕食，將污泥轉化為能量、HO和CO2等，從而使污泥量減少。而利用微生物的相互作用進行污泥減量化的研究對污水處理廠的污泥控制問題有著重要的現實意義。因此，對污泥減量化處理的內在機理以及碎屑食物鏈作用大小的研究，必將有著重要的理論意義。關鍵詞：碎屑食物鏈活性污泥減量化處理1前言隨著我國城市化進程的加快、城市人口的激增，城市中生活污水越來越多。目前，我國工業廢水排出以后，基本進入城市污水管道，在城市污水處理廠進行處理。據《2018年城市建設統計年鑒》，2014年污水處理廠數量1807座，2016年污水處理廠突破2000座，2018年污水處理廠數量進一步增加達到2321座。這些污水處理廠的建設，極大地提高了城市污水的處理水平，但處理量的增加仍遠遠滯后于污水排放量的增長，兩者之間的差距還有進一步拉大的趨勢。隨之而來污水中的污泥也越來越多，預計在2020年，我國污泥產量每年將會達6000萬t【1】【2】。而且我國污水中的有機物含量偏低，即便是在我國的發達地區，污水中有機物的含量也遠低于西方發達國家。目前我國污泥泥質較差、有機質含量低、含沙

量高。⑶而面對污泥，我們一般從“四化”出發：即減量化、穩定化、無害化和資源化。我國主要流域的22個污水廠2014年四個季度調研數據（樣本數：88）S/TS（%）ISS/TS（%）ISS/IS（%）小值最230.2最75678.9值3.8平4均5.5值34.362.1準差標1.214.5在眾多的污水處理技術中，活性污泥法發現已有百年的歷史，它被認為是種行之有效且廣泛應用的傳統污水生物處理法4活性污泥法是將空氣連續鼓入含有大量溶解性有機物質的廢水中，經過一定的時間后，在水中形成由細菌、微型動物為主的微生物與懸浮物質、膠體物質混雜在一起形成茶褐色的生物絮凝體的、利用微生物降解去除廢水中有機物的方法。所形成的生物絮凝體即活性污泥，在活性污泥上棲息、生活著大量的微生物，這種微生物以溶解性有機物為食，獲得能量，并不斷增長繁殖，從而使廢水得到凈化丘。污水生物處理的基本原理是：由細菌、真菌、藻類、原生動物和一些微型后生動物等組成的生態系統，它利用各類微生物的新陳代謝作用實現各類污染物的去除，其中細菌是污水處理的主要承擔者［6］。污泥的減量化與減容化有著本質的區別。減容化是通過降低污泥的含水率來縮小污泥的體積，而污泥中的生物體量幾乎得不到減少。污泥減量化是通過物理、化學、生物等手段，主要依靠降低微生物產率以及利用微生物自身內源呼吸進行氧化分解，使污水處理設施向外排放的生物固體量減少，從根本上、實質上減少污泥產生量。若將污水處理看成生產過程，將清潔生產、循環經濟和節能減排的現代理念運用到污水處理，從源頭進行剩余污泥的減量的“綠色生產”工藝，將大大促進污水處理的可持續發展。而污泥減量化技術的原理之一便是增加系統中細菌捕食者的數量，是模擬自然生態系統中的食物鏈原理進行的污泥減量化技術［7］。因此，了解活性污泥中微生物群落結構組成及多樣性，明晰其中的食物鏈的作用與機制，選擇性地對微生物群功能進行調節，使其中的微生物更好地發揮凈化作用，對于提升污水處理系統整體效果、降低處理成本具有重要意義。2碳和能量的轉移一食物鏈所有生物的生長和細胞的代謝都需要依靠碳和能量。進水基質中的碳和能源物質可以被混合液中的生物所利用，基質迅速被有機營養的細菌和硝化細菌所吸收或吸附。有機營養的細菌可以去除cBOD（含碳的BOD）或有機物,包括酸，醇，氨基酸,糖類，脂肪，蛋白質。通過降解和氧化cBOD，有機營養細菌獲得碳和能量。硝化細菌從堿（主要是碳酸氫根）中獲取碳，通過降解或氧化銨根離子nBOD（含氮的BOD）獲取能量。在氧化這些物質和去除堿度后，有機營養細菌和硝化細菌仍具有活性,其數量繼續增加，這中細菌數量的增長被稱為污泥增長。混合液中的細菌也是cBOD，且被稱為有生命的cBOD，這是因為它們可以作為其他生物，如原生動物和后生動物的碳和能源物質。反過來，原生動物和后生動物也可以作為其他一些以它們為食的生物的cB0D。通過這種方式，無生命的cBOD中的碳和能量就轉化成有生命的cBOD的形式，并通過食物鏈發生傳遞⑻。在穩定運行條件的活性污泥系統中，混合液中的生物系可以描述為:①絮狀顆粒中占優勢的形狀和大小;②相對豐富的絲狀低生物類型;③本體溶液的特征;④占優勢的原生動物類群;⑥后生動物的出現。這一生物系的變化可連續地被顯微鏡觀察到。但是，運營模式變動和工業排放的變化都能導致混合液生物系和食物鏈的變化，后者的變化通常能在前者變化之后的24-36h內被觀察到。3活性污泥中微生物的種類及作用3.1細菌活性污泥中的微生物主要由細菌組成，細菌主要有菌膠團細菌和絲狀菌，數量可占污泥中微生物總量的90%?95%左右，細菌在有機廢水的處理中起著最重要的作用，如在A-B活性污泥法中,A段在很高的負荷下運行，停留時間、污泥齡期都相對較短，在這種情況下，較高級的真核微生物無法生存，只有某些短世代的原核細菌才能適應、生存并得以生長繁殖9。菌膠團是活性污泥的核心物質，在其上生活著放線菌、真菌、原生動物和微型后生動物等多種微生物*。活性污泥凝絮體的形成經歷了4個階段：即細菌增殖階段、絮狀體形成階段、絮狀體聚合階段、凝絮體形成階段.馴化初期，細菌數量迅速增多（游離或附著于泥粒上），污泥由稀薄松散逐漸變濃厚聚集，外觀由粉末狀逐漸變為疏松絮狀，顏色由黑逐漸變淺.接著大量增殖的細菌逐漸附著于泥粒上并形成菌膠團，游離細菌減少，污泥逐漸凝集形成小的絮狀體顆粒，外觀上泥的顏色由淺灰變為土黃色，疏松絮狀.最后小的絮狀體進一步凝集形成較大，結構致密的凝絮體，污泥顏色變成黃色.凝絮體的出現標志著活性污泥馴化成熟.鏡檢觀察，絮狀體凝絮性好，結構逐漸由疏松變致密。凝絮體中微生物以微群落形式分布，桿狀菌和絲狀菌較多，球菌較少，絲狀菌在凝絮體形成過程中起到包埋、纏繞桿菌和球菌的作用。凝絮體形成過程中，在活性污泥馴化初期，反應器中可見大量的以球菌為主的游離細菌，而后桿菌大量增殖.隨著馴化的進行，游離細菌逐漸減少，大部分附著于泥粒上，開始形成菌膠團，這時出現以細菌為食的豆形蟲、腎形蟲、游泳鐘蟲等纖毛蟲類原生動物.隨著菌膠團的增加，游泳纖毛蟲因食料受到限制，逐步讓位給等枝蟲等固著型纖毛蟲.隨著活性污泥的成熟，水處理效果越來越好，便出現了輪蟲［11］。3.1.1起絮凝作用的細菌絮凝菌，主要包括動膠菌屬，芽孢桿菌屬、黃桿菌屬、諾卡氏菌屬和假單胞菌屬等，種類多達數十種mi。絲狀菌也是一種重要的絮凝菌，是構成菌膠團不可或缺的一部分，目前發現的絲狀細菌約58種，其中變形桿菌21種、放線菌14種、擬桿菌8種、厚壁菌5種、浮霉菌5種、綠彎菌3種、熱微菌2種，且絲狀菌對有機物的攝取能力較強［13］。表1活性污泥中絮凝菌的重要種類動膠菌屬擬桿菌芽孢桿菌屬厚壁菌黃桿菌屬諾卡氏菌假單胞菌屬綠彎曲變形桿菌熱微菌放線菌浮霉菌3.2原生動物原生動物為真核生物，是單細胞的微型動物，由原生質和一個或多個細胞核組成。原生動物和多細胞動物相同，具有新陳代謝、運動、繁殖、對外界刺激的感應性和對環境的適應性等生理功能。原生動物一般具有一個或兩個以上的細胞核，其形狀多種多樣，它們在其細胞內產生形態的分化，形成了能夠執行各項生命活動和生理功能的胞器。在運動胞器方面有鞭毛、偽足和纖毛；在營養胞器方面有胞口、胞咽和食物泡；用以排出廢料和調節滲透壓的胞器有伸縮泡等。原生動物在污水處理中常見的有三類：肉足類、鞭毛類、纖毛類。原生動物的營養方式分為以下幾類：①動物性營養：以吞食細菌、真菌、藻類或有機顆粒主，絕大多數原生動物為動物性營養；②植物性營養：在有陽光的條件下，一些含色素的原生動物可利用二氧化碳和水進行光合作用合成碳水化合物；③腐生性營養：以死的機體或無生命的可溶性有機物質為主；④寄生性營養:以其它生物的機體（即寄主）作為生存的場所，并獲得營養和能量。原生動物通過體表吸收溶解性的有機物，吞噬廢水中細小的有機物顆粒，經過新陳代謝作用，然后使之氧化分解為穩定的無機物。3.2.1原生動物與細菌的關系在廢水生物處理系統中將污染物質降解的主要是細菌。原生動物與細菌的關系主要為：掠食關系或共生關系：細菌棲息于原生動物細胞內，獲得營養及保護，原生動物利用細菌的合成物質。具體表現為：捕食。原生動物通過捕食細菌，維持活性污泥系統中生態平衡及改善出水水質。使細菌的生、長能力維持在對數生長期，防止種群的衰老，提高細菌的活力，而且原生動物活動產生溶解性有機物質（DOM）可被細菌再利用，促進了細菌的生長。運行良好的活性污泥中纖毛蟲是優勢種，占總生物量的5%，是活性污泥中最常見的捕食者，依生活習性可分為3類:游泳型、甸旬型和固著型，一般自由游泳型的纖毛蟲的生長速度較快，在活性污泥中纖毛蟲每6-12h繁殖一代。其繁殖速度要比輪蟲快10倍左右。但附著型纖毛蟲的捕食細菌能力較強，附著型纖毛蟲則每小時可以消耗幾千個細菌，相當于自身體重的11.2%[2門。另一方面，原生動物中存在的某些類型（如纖毛類）具有吞食游離細菌的巨大能力，而游離的細菌個體小、密度小、較難沉淀，易被出水帶出而影響水質。微型動物吞噬游離可大大改善水質。絮凝作用。細菌生長到一定程度就凝集成絮狀物。這種絮狀物為原生動物提供了共生的環境，反過來絮狀物上的原生動物能加速絮凝過程。固著型纖毛蟲及吸管蟲還可分泌粘液，使之附著在絮凝體上生長;對懸浮顆粒及細菌均有吸附作用，從而有利于菌膠團及絮體的形成。原生動物和細菌一起，共同攝食病原微生物。3.3微型后生動物寡毛類后生動物在生物捕食污泥減量化的研究日趨增多。生物捕食即微型動物以細菌等有機質為食，增強污泥內部能量消耗，從而達到減少細茵數量，降低污泥產率的目的。應用于污泥減量化作用的寡毛類包括小型的紅斑顆體蟲以及中型的仙女蟲顫蚓和大型的蚯蚓等。此外還有帶絲蚓等應用于實驗室研究ML其中紅斑^體蟲體長不超過3mm，多數在1—2mm，雜食性，主要以水中的有機碎屑和細菌為食ML細菌、細菌胞外物和吸附其表面的有機碎屑是組成菌膠團的主要成分，由于紅斑^體蟲以細菌、有機碎屑為食，所以一般認為紅斑^體蟲蠶食菌膠團，破壞菌膠團結構，使菌膠團結構松散，產生大量細菌小絮體，降低活性污泥的沉降性能，使二沉池出水SS含量升高。而且破碎游離的菌膠團不能為鐘蟲、輪蟲、累枝蟲等大型原生動物和微型后生動物提供生長繁殖的場所，破壞了污水生物處理系統的生態。一般認為，紅斑^體蟲的繁殖對活性污泥系統的凈化功能是不利的。但是近些年來剩余污泥處理問題引起社會的廣大關注，利用微型后生物對污泥的吞噬作用特點，將紅斑^體蟲、仙女蟲等微型后生動物作為污泥減量化的利用群體成為研究的熱點［16］。仙女蟲蟲體較細，一般具鰓，具有比紅斑螵體蟲、顫蚓等更具抗污能力，是水體富營養化的優勢種群。活性污泥法自生污泥減量因素研究表明，仙女蟲比紅斑螵體蟲更具污泥減量能力，但當仙女蟲占優勢時，處理系統磷去除率略微升高，影響出水水質ML3.3.1細菌，原生動物，后生動物之間的生物關系污水生化處理系統中各類污染物的降解主要是通過菌膠團（細菌及胞外多聚形成的聚集體）的新陳代謝實現的，原生動物和微型后生動物能吞噬游離的細菌和較小的菌膠團以及有機顆粒，穩定存在的活性良好的菌膠團能較好地抵御原生動物和微型后生動物的吞噬作用，小的菌膠團以及有機顆粒，可以很好地改善出水濁度［17］。同時還有利于活性污泥或生物膜的更新。但是，輪蟲對活性良好的菌膠團具有較強的吞噬作用，線蟲的扭動對菌膠團也有較大的破壞作用，輪蟲和線蟲大量存在時對菌膠團的增殖過程不利。較多研究顯示，原生動物和微型后生動物具有凈化污染物的能力，特別是對顆粒狀污染物的凈化，從而提高污水的可生化性。作者在前期工程實踐中發現，鐘蟲通過纖毛波動，輪蟲依靠頭頂上轉動輪的波動把水體中的顆粒狀污染物吸入食物泡中，變形蟲通過變形的方式吞噬顆粒污染物。相關研究對比發現：兩個平行的生物處理系統是否接種原生動物對出水水質具有十分重要的影響，接種了原生動物的生物處理系統出水濁度、有機物濃度和SS濃度顯著優于未接種原生動物的生物處理系統。說明原生動物和微型后生動物有降低污染物濃度的效能。田文華［18］等研究發現，鐘蟲尾柄上吸附有大量的短桿菌，從側面說明了鐘蟲有強化水質凈化效果的能力。另外，原生動物在增殖過程中釋放氮磷營養物，有利于細菌群落的形成［19］。微型后生動物還能通過吞噬顆粒狀有機物改善原水中有機物的可生化性（具有一定的濾食作用）。捕食活性細菌可以大大提高微型動物的生長速率，主要是因為活性細菌細胞完整，營養價值高，提高了微型動物的捕食效率處于衰亡期的細菌由于內源作用，細胞膜破裂，胞內物質泄露，造成營養值降低，捕食相同數量的細胞,微型生物獲得的可用物質減低。但是這并不表明微型生物不能捕食非活性細菌細胞，因為在活性污泥污水處理系統中，大部分的活性污泥細菌都是非活性細胞，在這種條件下，對活性污泥的捕食仍然可以使微型生物獲得較高的生長速度和種群密度。活性污泥（或生物膜）是一種由細菌、真菌、原生動物、微型后生動物和胞外物（多糖或多肽類物質）聚集而成的生物絮體，絮凝性活性污泥的凝聚作用和快速沉降作用，對活性污泥良好的沉淀性能具有十分重要的影響，它直接影響到出水SS濃度、濁度、有機物濃度。原生動物和微型后生動物可以促進絮凝作用，它們向細胞外分泌可溶性多糖類物質，這些多糖物質對懸浮顆粒和細菌均有吸附能力，有利于形成菌膠團［20］。原生動物和微型后生動物存在時，單個細菌聚集成菌膠團以抵御原生動物和微型后生動物的吞噬，細菌的主動防御有利于絮體的形成與污泥沉淀［21］。3.4藻類及真菌等真菌種類繁多，污水處理中的真菌主要是霉菌，它能分解碳水化合物、蛋白質、脂肪及其他含氮化合物；藻類能通過光合作用放出氧氣，同時從廢水中吸收各種營養物質，藻類生長繁殖的同時廢水得到凈化。藻類光合作用釋放的氧氣為其他微生物的生長提供了條件，微生物代謝釋放的二氧化碳又促進藻類的光合作用［22］。4食物鏈機制污水生物處理設施是一個人工生態系統，進入處理設施的污水中的有機物為整個系統提供能量來源。活性污泥微生物分解廢水中的有機物獲取能量，提供維持能、生長和繁殖。整個污水生態系統包含許許多多的微型生物，其中活性污泥細菌是污水中有機物的初級消費者，還包括以活性污泥細菌為食的原生動物和后生動物。由于原生動物和后生動物對活性污泥中分散菌體和懸浮顆粒的捕食作用，可以有效的提高出水水質。同時由于低效的生物轉化，能量在低營養級（細菌）向高營養級（原生動物和后生動物）的傳遞過程中發生損失［23］。因此,活性污泥微型生物的捕食作用會造成污泥減量。理想狀況下，當能量損失總量最大，則生物產生量最小，也就是說，當食物鏈越長，能量損失越大，那么用來合成生物體的能量越少。如果在食物金字塔中，每一級生物對物質的利用率是60%,則通過三次捕食活動，物質只為最初的1/5左右。在傳統的活性污泥法處理污水過程中，存在較為復雜的食物鏈關系，細菌在利用有機物以后，將通過食物金字塔不同等級的微型動物進行捕食消化，從而降低剩余污泥的產量。所以，利用生物捕食作用減少生物量方法是根據生態原理，在食物鏈中極大地促進捕食細菌的生物體生長，利用在食物鏈傳遞過程中的能量損失達到活性污泥減量的目的。利用微型動物對污泥進行減量能夠保持污水處理生態系統的平衡，能使能量流動和物質循環保持穩定，在污水生物處理中建立相對穩定的生態平衡系統，有利于物質和能量的正常轉化E］。在原有的污水處理系統中引入微型動物，并強化其對細菌的捕食作用，延長食物鏈，由于微型動物的捕食，增加了系統總體上的呼吸過程，由此可以降低剩余污泥的產量。利用微型動物對污泥進行減量，可從以下三個方面著手［25］。一是利用微型動物在食物鏈中的捕食作用。從生態學角度，當系統中食物鏈越長，能量損失越多，可用于合成生物體的能量就越少，最終形成的總的生物量也就越少。因此，延長食物鏈或強化食物鏈中的微型動物的捕食作用均能達到減少剩余污泥產生量的目的。生物膜法與傳統活性污泥法相比，一個重要特點是在生物膜中體型較大營養級較高的微型動物容易繁殖,甚至出現蒼蠅一類的昆蟲，使得食物鏈變長變復雜。生物膜處理系統內產生的污泥量一般要比活性污泥法低1/4。二是直接利用微型動物對污泥的攝食和消化，在減少污泥的容量的同時增加污泥的可溶性。原生動物中的附著型的種類如緣毛類纖毛蟲，以及后生動物中的附著型的輪蟲，均有較強的攝食懸浮性固體的能力。而蒼蠅一類的昆蟲的幼蟲和一些軟體動物，更能夠直接吞食較大的絮狀活性污泥或生物膜。三是利用微型動物來增強細菌的活性，或增加有活性的細菌的數量，從而增強細菌的自身氧化和代謝能力。微型動物和細菌之間的關系，除了捕食者和被捕食者的關系外，還有互利的關系。在污水生物處理系統中，微型動物和細菌可以共存。細菌對微型動物捕食可以形成菌膠團進行抵御，同時，細菌的分泌物能刺激原生動物的生長，反過來原生動物活動產生溶解性有機物質可被細菌再利用，促進細菌的生長。5總結在活性污泥中，各種生物的種間關系主要有捕食、競爭和互利共生。促進了物質循環及能量流動。通過污水生化系統中生態系統之間的相互關聯和互動，利用碎屑食物鏈進行活性污泥減量化處理是一種經濟，有效的方法。原生動物和微型后生動物通過絮凝強化和吞噬作用實現污染物的輔助去除，改善了出水水質。而且，在能量的傳遞過程中，通過微生物的捕食，會有9/10的能量被消耗，僅有1/10的能量會進入下一營養級。因此，延長食物鏈，系統中的生物量會越來越少。隨著食物鏈的延長鏈，生化處理系統的能量增多，有利于減少剩余污泥的產量。隨著新的生物技術和檢測手段的發展，已有人利用16RNA等分子生物學手段來檢測活性污泥中的細菌群落動態，可以將原、后生動物群落動態與之相結合，建立更加精確地數學模型來監測污水處理廠的運轉效能，原生動物和微型后生動物的研究和利用將不斷得到深入。參考文獻：戴曉虎，我國城鎮污泥處理處置現狀及思考[J].給水排水，2012,48(2)1—5.2019國內污水處理現狀及污水處理行業未來前景分析.北極星水處理網訊.戴曉虎：污泥安全處理處置與資源化現狀、瓶頸與解決途徑. 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