活性污泥中丝状菌与絮体结构的关系研究

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简介： 通过试验和观察，研究了活性污泥中丝状菌与絮体结构的关系。常见的活性污泥絮体可分为六大类型，在不同的处理工艺和运行条件下，各类型污泥比例不同，丝状菌在污泥絮体的形成过程中所起的作用也不相同。而在活性污泥膨胀时，生物相结构中的丝状菌可分为结构性的和非结构性的两大类，它们起着不同的作用，运行中必须通过不同的方法和措施加以防治。
关键字：丝状菌,生物相结构,生物絮体

Research on the Relationships between Filamentous Organisms and
Flocculate Structure in Activated Sludge

LONG Teng-rui
（Faculty of Urban Construction,Chongqing Jianzhu Univ.,
Chongqing 400045, China）
HE Qiang
（Faculty of Urban Construction,Chongqing Jianzhu Univ.,
Chongqing 400045, China）
LIN Gang
（Faculty of Urban Construction,Chongqing Jianzhu Univ.,
Chongqing 400045, China）

Abstract：The relationships between filamentous organisms and flocculate stucture in the activated sludge were studied in this paper. It was found that the structure of activated sludge could be divided into six types. The proportion of each type and the action of filamentous organisms on the formation of sludge structure would be different under different treatment processes and operating condition. Sludge bulking could be divided into structure filamentous organisms bulking and non-structure filamentous organisms bulking,different measure should be taken in order to control the bulking.
Keywords：filamentous organisms;　biofacies structure;　bio-flocculate▲

　　丝状微生物是一大类菌体相连而形成丝状的微生物的统称，其中包括丝状细菌、丝状真菌、丝状藻类等［1］。荷兰学者Eikelboom将丝状微生物分为29个类型、7个群，并制成了活性污泥丝状微生物检索表。
　　丝状微生物的功能与结构形态密切相关，长丝状形态有利于其在固相上附着生长，保持一定的细胞密度，防止单个细胞状态时被微型动物吞食；细丝状形态的比表面积大，有利于摄取低浓度底物，在底物浓度相对较低的条件下比胶团菌增殖速度快，在底物浓度较高时则比胶团菌增殖速度慢。许多丝状微生物表面具有胶质的鞘，能分泌粘液，粘液层能够保证一定的胞外酶浓度，并减少水流对细胞的冲刷，其中还含有特定的抗体，以防止其他生物附着。
　　丝状微生物种类繁多，对生长环境要求低。其本身生理生长特性很特别：增殖速率快、吸附能力强、耐供氧不足能力以及在低基质浓度条件下的生活能力都很强，因此在废水生物处理生态系统中存活的种类多，数量大。如何使丝状微生物相互聚集，使之在废水处理中达到较好的泥水分离效果，如何确定丝状微生物同其他微生物的相互作用，以及不同丝状微生物的最适需氧量等，都是需要进一步研究的问题。

1　试验设计及过程

　　 试验分别在本院给水排水实验室、重庆市唐家桥污水处理厂、重庆市渝北区城南污水处理厂进行。活性污泥采样自本实验室活性污泥法小试反应器、唐家桥污水处理厂和城南污水处理厂的曝气池、初沉池和二沉池。通过镜检观察记录活性污泥絮体大小、形态和结构，对不同反应器的丝状微生物进行鉴定，从而寻找丝状微生物与絮体形态结构之间的关系。试验历时5个月。
　　丝状微生物鉴定采用Eikelboom法，镜检观察以下八项特征：①是否存在衣鞘；②滑行运动；③真、假分枝；④丝状体长度、形状、性质；⑤细胞直径、长度、性质；⑥革兰氏染色反应；⑦纳氏染色反应；⑧有无胞含体(聚-β-羟基丁酸PHB、硫粒、多聚磷酸盐等)。染色采用石炭酸复红染色法、革兰氏染色法、纳氏染色法和积硫试验法。通过目微尺测定污泥絮体直径，记录各种大小、形状和结构的絮体数量，归纳污泥絮体的主要类型及特征。通过大量观察，寻找丝状微生物种类、浓度与污泥絮体大小、形状、结构的关系。

2　试验结果

2.1　絮体结构形态类型
　　通过大量的观察发现，活性污泥在正常运行和膨胀时呈现不同的结构形态和种类。正常运行时活性污泥结构形态可分为四类，Ⅰ型：致密、细小，看不到丝状菌为骨架的污泥；Ⅱ型：有明显丝状骨架、呈长条形的污泥；Ⅲ型：厚实、具有网状结构的巨型污泥；Ⅳ型：有孔洞结构的巨型污泥。污泥膨胀时其结构形态可分为两类，Ⅴ型：结构丝状菌大量生长、伸长，絮体结构松散；Ⅵ型：非结构丝状菌大量生长，不形成絮体。
　　试验过程中发现，Ⅰ型污泥在两污水厂正常运行的曝气池中所占比例较低，城南污水厂为10%左右，唐家桥污水厂更低，而在二沉池上清液中比例较高，因此它是从良好结构的污泥上脱落下来的，在二沉池随出水流失。正常运行时长条形污泥、网状污泥和孔洞污泥(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型)占很高比例，两污水厂中均占90%以上。根据絮体伸出的部分丝状菌，可以判断这些具有良好结构的污泥是以丝状菌为骨架，胶团菌附着于其上而形成的。它们是去除有机物的主要部分。
　　在混合液中可见到其他丝状微生物游离于菌胶团之外，见不到附着生长物，三种样本见到的菌种有：球衣菌、发硫菌、0803型、0581型、硬发菌、链球菌等，但数量都十分少。
　　试验过程中，城南污水厂由于发生停电事故时仍保持进水流量，发生了结构丝状菌大量增殖的现象，污泥结构呈松散状(Ⅴ型)，SVI达到142 mL/g干污泥；待供电正常，按正常方式运行一段时间后，污泥结构恢复正常，SVI回落至90 mL/g　干污泥。而活性污泥小试过程中多次出现污泥膨胀，泥水分离困难(Ⅵ型)，SVI高达500 mL/g　干污泥以上，调节运行方式仍不能控制，镜检发现球衣菌、发硫菌大量增殖，最终通过投加漂白粉杀生剂再经逐步培养才恢复正常。
2.2　微生物鉴定结果
　　根据Eikelboom法对作为污泥良好结构骨架的丝状菌进行鉴定，发现各处取样污泥的结构丝状菌特征一致：丝状体直径1.5～2 μm，丝体长200 μm左右，不运动，略弯，在絮体内扭曲，细胞呈柱状，长0.5～4 μm，直径0.7～1.0 μm，有鞘，横隔明显，常见分枝，有大量附着生长物，无硫粒，革兰氏染色阴性，纳氏染色可见兰灰色颗粒，呈阳性。
　　查丝状微生物鉴定表，找不到特征完全相符的种，比较接近的是Eikelboom1701型。Eikelboom1701的特征是：链状圆柱形细胞，被鞘紧裹，丝体长100～200 μm，偶尔超过200 μm，虽然丝体正常时稍弯，但可有很强的盘绕性，细胞长2.5～3.5 μm，直径0.5～0.9 μm，有鞘，有时可见PHB黑色小颗粒，横隔和缩缢明显，偶有假分枝，常有大量附着生长物，无硫粒，革兰氏染色阴性，纳氏染色阳性。

3　分析与讨论

3.1　絮体形成过程
　　许多絮体可以同时具有Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型污泥的多种特征，在絮体中心部分为孔洞结构，向四周伸展的长条形污泥相互搭接形成网状结构，最外侧则可见新伸出的骨架丝状菌。从这种污泥的形态可以推断其形成过程为：结构丝状菌交织生长，胶团菌附着其上形成新生污泥，新生污泥逐渐成熟形成条状、网状污泥，在氧和营养物充足等条件下，网状污泥的胶团菌增粗，网孔逐渐变小形成孔洞状，最后孔洞被填实，而结构丝状菌的伸出为胶团菌提供了新的附着面，包裹形成新的条状污泥，条状污泥相互交织又形成新的网状污泥，重复上述过程，形成更大的污泥絮体。
　　一些污泥能见到成节的形态，大的孔洞结构污泥之间由细的条状污泥连接，有的由丝状微生物连接，这种污泥的形成可能是絮体成长到一定成熟度后，由于内部供氧不足，促进了包埋于其中的结构丝状菌的生长，将絮体撑开导致结构松散形成节状。
　　还有极少量的污泥，可以见到极粗大的丝状骨架，上面附着胶团菌，经多次对比鉴定，这些丝状骨架为死亡累枝虫的杆，由于结构松散，这类污泥易于在二沉池发生漂浮，因此保持原生动物稳定的生长条件可以有效地减少二沉池的污泥上浮。
3.2　丝状微生物与微生态群落的关系
　　试验表明，胶团菌与结构丝状菌之间相互依存，丝状微生物形成了絮体骨架，为絮体形成较大颗粒同时保持一定的松散度提供了必要条件。而胶团菌的附着使絮体具有一定的沉降性而不易被出水带走，并且由于胶团菌的包附使得结构丝状菌获得更加稳定、良好的生态条件，所以这两大类微生物在活性污泥中形成了特殊的共生体。
　　根据生态学的观点，环境因子对微生物个体的影响首先是影响某些敏感生物，然后通过微生物之间的相互作用逐步传递，最终当影响超过一定限度时引起结构上的波动。正是因为生态系统中生物种类多，并按一定结构组成了微生态群落，环境压力在逐级传递过程中受到消减，所以生态系统具备了一定抗冲击负荷的能力。与纯培养相比，生态系统能通过优势种群的变化维持良好的结构，而纯培养只需轻微刺激就会引起强烈反应，直接破坏其脆弱的结构。这也是保证活性污泥微生态群落稳定性的根本原因。
　　根据本试验结果，可以将活性污泥微生态群落描述如下：活性污泥微生态群落由不同大小的群落组成，具有良好沉降性和传质性能的菌胶团以结构丝状菌为骨架，胶团菌附着其上而形成，具有不断生长的特性，增长过程和老化过程中脱落的碎片及其他游离细菌将由附着或游离生长的原生动物和后生动物捕食清除。而少量以无机颗粒为核心形成的致密颗粒也可能存在于系统之中，并具有良好的沉降性能。有些死亡的原生动物尸体被胶团菌包裹，形成巨型污泥，其内部易产生反硝化作用形成气泡在二沉池漂浮流失。
　　在正常运行条件下，具有结构丝状菌的絮体占优，非结构丝状菌的数量很少，其表面不易为胶团菌附着，彼此存在拮抗关系，这种系统是相对稳定不会轻易改变的。所以在两个污水厂长期运行过程中未发现非结构丝状菌膨胀。而活性污泥小试时各种条件不易控制，屡屡造成非结构丝状菌膨胀，采用改变负荷等办法均不能解决，根据非结构丝状菌与菌胶团的关系，解决的根本办法在于彻底将其清除，故只能采用投加杀生剂的办法使膨胀得到控制，尽管胶团菌也会受到影响，但它们相互聚集成团，只有表面少量细菌受到伤害。由于停电事故，城南污水厂曾出现污泥膨胀现象，经镜检为结构丝状菌膨胀，大量结构丝状菌从絮体中伸出，根据结构丝状菌与胶团菌的共生关系，只需创造有利于胶团菌增长的条件就能使污泥沉降性能改善，实践中采用适当排泥增加曝气量的办法，污泥指数很快恢复正常。
　　有关活性污泥中丝状菌作用的资料很少，多将丝状菌描述为在菌胶团内部生长或伸出、游离生长三种情况。试验中根据大量观察发现，活性污泥总能保持一定的宏结构，未见到密实的大颗粒状污泥，微小的菌胶团数量也少。从理论上讲，如果胶团菌附着在一种静止的载体上，将不断增长变厚，直到内部形成厌氧状态发生反硝化作用产生气泡而剥离载体，这样就极易形成大量碎屑的菌胶团，胶团菌自身不可能形成条状、网形结构，只有一种可能性：结构丝状菌与胶团菌构成此消彼长的关系，即结构丝状菌位于胶团菌内部特别是菌胶团较厚时有利于其生长，从而伸长使得包裹在外层的胶团菌不致于过厚形成厌氧状态，其有利条件可能是内部的低氧状态，而一旦结构丝状菌暴露在混合液中时，正常环境条件不利于其生长，待胶团菌包附之后才重新再次生长，如遇供氧不足等条件时，结构丝状菌大量伸出，则发生结构丝状菌引起的污泥膨胀。

4　结论

　　①　活性污泥正常的形态结构可分为四种类型，Ⅰ型：致密、细小，无丝状菌骨架；Ⅱ型：有明显丝状骨架的长条形；Ⅲ型：厚实且具有网状结构；Ⅳ型：孔洞结构。污泥膨胀时其结构形态可分为两类，Ⅴ型：结构丝状菌大量生长、伸长，絮体结构松散；Ⅵ型：非结构丝状菌大量生长，不形成絮体。
　　②　具有良好结构的活性污泥絮体以结构丝状菌为骨架，胶团菌附着于其上，结构丝状菌喜低氧状态，在胶团菌的附着下，不断生长伸长，形成条状和网状污泥；没有丝状菌为骨架的絮体颗粒很小，附着于累枝虫等原生动物尸体上的絮体易产生反硝化作用，它们都易随二沉池出水流失。
　　③　活性污泥膨胀分为结构丝状菌膨胀和非结构丝状菌膨胀，前者只需创造有利于胶团菌增长的条件即可解决，后者胶团菌难于附着在非结构丝状菌上生长，只有采取投加杀虫剂的办法毒杀。
　　④　结构丝状菌与胶团菌在活性污泥中形成共生关系，而非结构丝状菌与胶团菌之间存在着拮抗关系，活性污泥系统的稳定性得益于大环境中微生态群落的相对稳定。■

基金项目：“九五”国家科技攻关课题(96-909-01-02)
作者简介：龙腾锐(1939-　)，男，湖南新邰人，重庆建筑大学教授，硕士，主要研究方向为水
　　　　　污染控制规划和废水处理。
电话：(023)65120235
传真：(023)65120810
作者单位：龙腾锐（重庆建筑大学　城市建设学院，重庆　400045）
　　　　　何强（重庆建筑大学　城市建设学院，重庆　400045）
　　　　　林刚（重庆建筑大学　城市建设学院，重庆　400045）

参考文献：

［1］丘文芳.环境微生物学技术手册［M］.学苑出版社，1990.