活性污泥中絲狀菌與絮體結構的關系研究
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，其中包括絲狀細菌、絲狀真菌、絲狀藻類等。荷蘭學者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構形態(tài)密切相關，長絲狀形態(tài)有利于其在固相上附著生長，保持一定的細胞密度，防止單個細胞狀態(tài)時被微型動物吞食；細絲狀形態(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菌增殖速度快，在底物濃度較高時則比膠團菌增殖速度慢。許多絲狀微生物表面具有膠質的鞘，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、耐供氧不足能力以及在低基質濃度條件下的生活能力都很強，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，都是需要進一步研究的問題。
1 試驗設計及過程
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)城南污水處理廠進行；钚晕勰嗖蓸幼员緦嶒炇一钚晕勰喾ㄐ≡嚪磻、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)和結構，對不同反應器的絲狀微生物進行鑒定，從而尋找絲狀微生物與絮體形態(tài)結構之間的關系。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滑行運動；③真、假分枝；④絲狀體長度、形狀、性質；⑤細胞直徑、長度、性質；⑥革蘭氏染色反應；⑦納氏染色反應；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、形狀和結構的絮體數(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、結構的關系。
2 試驗結果
2.1 絮體結構形態(tài)類型
通過大量的觀察發(fā)現(xiàn)，活性污泥在正常運行和膨脹時呈現(xiàn)不同的結構形態(tài)和種類。正常運行時活性污泥結構形態(tài)可分為四類，Ⅰ型：致密、細小，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)狀結構的巨型污泥；Ⅳ型：有孔洞結構的巨型污泥。污泥膨脹時其結構形態(tài)可分為兩類，Ⅴ型：結構絲狀菌大量生長、伸長，絮體結構松散；Ⅵ型：非結構絲狀菌大量生長，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，因此它是從良好結構的污泥上脫落下來的，在二沉池隨出水流失。正常運行時長條形污泥、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構的污泥是以絲狀菌為骨架，膠團菌附著于其上而形成的。它們是去除有機物的主要部分。
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水流量，發(fā)生了結構絲狀菌大量增殖的現(xiàn)象，污泥結構呈松散狀(Ⅴ型)，SVI達到142 mL/g干污泥；待供電正常，按正常方式運行一段時間后，污泥結構恢復正常，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500 mL/g 干污泥以上，調節(jié)運行方式仍不能控制，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)才恢復正常。
2.2 微生物鑒定結果
根據(jù)Eikelboom法對作為污泥良好結構骨架的絲狀菌進行鑒定，發(fā)現(xiàn)各處取樣污泥的結構絲狀菌特征一致：絲狀體直徑1.5～2 μm，絲體長200 μm左右，不運動，略彎，在絮體內扭曲，細胞呈柱狀，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，但可有很強的盤繞性，細胞長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構，向四周伸展的長條形污泥相互搭接形成網(wǎng)狀結構，最外側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：結構絲狀菌交織生長，膠團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)狀污泥的膠團菌增粗，網(wǎng)孔逐漸變小形成孔洞狀，最后孔洞被填實，而結構絲狀菌的伸出為膠團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)，大的孔洞結構污泥之間由細的條狀污泥連接，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，由于內部供氧不足，促進了包埋于其中的結構絲狀菌的生長，將絮體撐開導致結構松散形成節(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，由于結構松散，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)群落的關系
試驗表明，膠團菌與結構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，并且由于膠團菌的包附使得結構絲狀菌獲得更加穩(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)學的觀點，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，最終當影響超過一定限度時引起結構上的波動。正是因為生態(tài)系統(tǒng)中生物種類多，并按一定結構組成了微生態(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構，而純培養(yǎng)只需輕微刺激就會引起強烈反應，直接破壞其脆弱的結構。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性能的菌膠團以結構絲狀菌為骨架，膠團菌附著其上而形成，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菌包裹，形成巨型污泥，其內部易產(chǎn)生反硝化作用形成氣泡在二沉池漂浮流失。
在正常運行條件下，具有結構絲狀菌的絮體占優(yōu)，非結構絲狀菌的數(shù)量很少，其表面不易為膠團菌附著，彼此存在拮抗關系，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行過程中未發(fā)現(xiàn)非結構絲狀菌膨脹。而活性污泥小試時各種條件不易控制，屢屢造成非結構絲狀菌膨脹，采用改變負荷等辦法均不能解決，根據(jù)非結構絲狀菌與菌膠團的關系，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，盡管膠團菌也會受到影響，但它們相互聚集成團，只有表面少量細菌受到傷害。由于停電事故，城南污水廠曾出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，經(jīng)鏡檢為結構絲狀菌膨脹，大量結構絲狀菌從絮體中伸出，根據(jù)結構絲狀菌與膠團菌的共生關系，只需創(chuàng)造有利于膠團菌增長的條件就能使污泥沉降性能改善，實踐中采用適當排泥增加曝氣量的辦法，污泥指數(shù)很快恢復正常。
有關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內部生長或伸出、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構，未見到密實的大顆粒狀污泥，微小的菌膠團數(shù)量也少。從理論上講，如果膠團菌附著在一種靜止的載體上，將不斷增長變厚，直到內部形成厭氧狀態(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，膠團菌自身不可能形成條狀、網(wǎng)形結構，只有一種可能性：結構絲狀菌與膠團菌構成此消彼長的關系，即結構絲狀菌位于膠團菌內部特別是菌膠團較厚時有利于其生長，從而伸長使得包裹在外層的膠團菌不致于過厚形成厭氧狀態(tài)，其有利條件可能是內部的低氧狀態(tài)，而一旦結構絲狀菌暴露在混合液中時，正常環(huán)境條件不利于其生長，待膠團菌包附之后才重新再次生長，如遇供氧不足等條件時，結構絲狀菌大量伸出，則發(fā)生結構絲狀菌引起的污泥膨脹。
4 結論
、佟』钚晕勰嗾５男螒B(tài)結構可分為四種類型，Ⅰ型：致密、細小，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)狀結構；Ⅳ型：孔洞結構。污泥膨脹時其結構形態(tài)可分為兩類，Ⅴ型：結構絲狀菌大量生長、伸長，絮體結構松散；Ⅵ型：非結構絲狀菌大量生長，不形成絮體。
② 具有良好結構的活性污泥絮體以結構絲狀菌為骨架，膠團菌附著于其上，結構絲狀菌喜低氧狀態(tài)，在膠團菌的附著下，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構絲狀菌膨脹和非結構絲狀菌膨脹，前者只需創(chuàng)造有利于膠團菌增長的條件即可解決，后者膠團菌難于附著在非結構絲狀菌上生長，只有采取投加殺蟲劑的辦法毒殺。
、堋〗Y構絲狀菌與膠團菌在活性污泥中形成共生關系，而非結構絲狀菌與膠團菌之間存在著拮抗關系，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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