碎屑食物链在活性污泥减量化处理上的作用和机制

碎屑食物链在活性污泥减量化处理上的作用和机制

屈神宝 1 ，罗佳玲 2

（ 1. 南昌航空大学，湖北 荆州 2. 南昌航空大学 江西 赣州 342300 ）

摘 要：活性污泥是污水处理厂生物处理工艺的功能主体，活性污泥中微生物群的种类、数量及活性是提高污水处理能力与效果的重要基础。在适宜的条件下，活性污泥系统中可以生长出大量的原生动物和后生动物等微型动物，这些微型动物在活性污泥中起着捕食者的作用，它们可以通过捕食，将污泥转化为能量、H₂O和 CO₂ 等，从而使污泥量减少。而利用微生物的相互作用进行污泥减量化的研究对污水处理厂的污泥控制问题有着重要的现实意义。因此，对污泥减量化处理的内在机理以及碎屑食物链作用大小的研究，必将有着重要的理论意义。

关键词：碎屑食物链 活性污泥 减量化处理

1 前言

随着我国城市化进程的加快、城市人口的激增，城市中生活污水越来越多。目前，我国工业废水排出以后，基本进入城市污水管道，在城市污水处理厂进行处理。据《2018年城市建设统计年鉴》，2014年污水处理厂数量1807座，2016年污水处理厂突破2000座，2018年污水处理厂数量进一步增加达到2321座。这些污水处理厂的建设，极大地提高了城市污水的处理水平，但处理量的增加仍远远滞后于污水排放量的增长，两者之间的差距还有进一步拉大的趋势。随之而来污水中的污泥也越来越多，预计在2020年，我国污泥产量每年将会达6000万ｔ^{【1】【2】}。

而且我国污水中的有机物含量偏低，即便是在我国的发达地区，污水中有机物的含量也远低于西方发达国家。目前我国污泥泥质较差、有机质含量低、含沙量高。^[3]而面对污泥，我们一般从“四化”出发：即减量化、稳定化、无害化和资源化。

我国主要流域的22个污水厂2014年四个季度调研数据（样本数：88）

在众多的污水处理技术中，活性污泥法发现已有百年的历史，它被认为是一种行之有效且广泛应用的传统污水生物处理法^[4] 活性污泥法是将空气连续鼓入含有大量溶解性有机物质的废水中，经过一定的时间后，在水中形成由细菌、微型动物为主的微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成茶褐色的生物絮凝体的、利用微生物降解去除废水中有机物的方法。所形成的生物絮凝体即活性污泥，在活性污泥上栖息、生活着大量的微生物，这种微生物以溶解性有机物为食，获得能量，并不断增长繁殖，从而使废水得到净化^[5]。

污水生物处理的基本原理是:由细菌、真菌、藻类、原生动物和一些微型后生动物等组成的生态系统，它利用各类微生物的新陈代谢作用实现各类污染物的去除，其中细菌是污水处理的主要承担者^[6]。

污泥的减量化与减容化有着本质的区别。减容化是通过降低污泥的含水率来缩小污泥的体积,而污泥中的生物体量几乎得不到减少。污泥减量化是通过物理、化学、生物等手段,主要依靠降低微生物产率以及利用微生物自身内源呼吸进行氧化分解,使污水处理设施向外排放的生物固体量减少,从根本上、实质上减少污泥产生量。若将污水处理看成生产过程,将清洁生产、循环经济和节能减排的现代理念运用到污水处理,从源头进行剩余污泥的减量的“绿色生产”工艺,将大大促进污水处理的可持续发展。而污泥减量化技术的原理之一便是增加系统中细菌捕食者的数量,是模拟自然生态系统中的食物链原理进行的污泥减量化技术^[7]。

因此，了解活性污泥中微生物群落结构组成及多样性，明晰其中的食物链的作用与机制，选择性地对微生物群功能进行调节，使其中的微生物更好地发挥净化作用，对于提升污水处理系统整体效果、降低处理成本具有重要意义。

2碳和能量的转移--食物链

所有生物的生长和细胞的代谢都需要依靠碳和能量。进水基质中的碳和能源物质可以被混合液中的生物所利用,基质迅速被有机营养的细菌和硝化细菌所吸收或吸附。

有机营养的细菌可以去除cBOD (含碳的BOD)或有机物,包括酸,醇,氨基酸,糖类,脂肪,蛋白质。通过降解和氧化cBOD,有机营养细菌获得碳和能量。硝化细菌从碱(主要是碳酸氢根)中获取碳,通过降解或氧化铵根离子nBOD (含氮的BOD)获取能量。在氧化这些物质和去除碱度后,有机营养细菌和硝化细菌仍具有活性,其数量继续增加,这中细菌数量的增长被称为污泥增长。

混合液中的细菌也是cBOD,且被称为有生命的cBOD，这是因为它们可以作为其他生物,如原生动物和后生动物的碳和能源物质。反过来,原生动物和后生动物也可以作为其他一些以它们为食的生物的cB0D。通过这种方式,无生命的cBOD中的碳和能量就转化成有生命的cBOD的形式,并通过食物链发生传递^[8]。

在稳定运行条件的活性污泥系统中,混合液中的生物系可以描述为:①絮状颗粒中占优势的形状和大小;②相对丰富的丝状低生物类型;③本体溶液的特征;④占优势的原生动物类群;⑥后生动物的出现。这一生物系的变化可连续地被显微镜观察到。但是,运营模式变动和工业排放的变化都能导致混合液生物系和食物链的变化,后者的变化通常能在前者变化之后的24-36h内被观察到。

3活性污泥中微生物的种类及作用

3.1细菌

活性污泥中的微生物主要由细菌组成,细菌主要有菌胶团细菌和丝状菌,数量可占污泥中微生物总量的90%～95%左右,细菌在有机废水的处理中起着最重要的作用,如在A-B活性污泥法中,A段在很高的负荷下运行,停留时间、污泥龄期都相对较短,在这种情况下,较高级的真核微生物无法生存,只有某些短世代的原核细菌才能适应、生存并得以生长繁殖^[9]。

菌胶团是活性污泥的核心物质，在其上生活着放线菌、真菌、原生动物和微型后生动物等多种微生物^[10]。活性污泥凝絮体的形成经历了4个阶段：即细菌增殖阶段、絮状体形成阶段、絮状体聚合阶段、凝絮体形成阶段．驯化初期，细菌数量迅速增多(游离或附着于泥粒上)，污泥由稀薄松散逐渐变浓厚聚集，外观由粉末状逐渐变为疏松絮状，颜色由黑逐渐变浅．接着大量增殖的细菌逐渐附着于泥粒上并形成菌胶团，游离细菌减少，污泥逐渐凝集形成小的絮状体颗粒，外观上泥的颜色由浅灰变为土黄色，疏松絮状．最后小的絮状体进一步凝集形成较大，结构致密的凝絮体，污泥颜色变成黄色．凝絮体的出现标志着活性污泥驯化成熟．镜检观察，絮状体凝絮性好，结构逐渐由疏松变致密。

凝絮体中微生物以微群落形式分布，杆状菌和丝状菌较多，球菌较少，丝状菌在凝絮体形成过程中起到包埋、缠绕杆菌和球菌的作用。凝絮体形成过程中，在活性污泥驯化初期，

反应器中可见大量的以球菌为主的游离细菌，而后杆菌大量增殖．随着驯化的进行，游离细菌逐渐减少，大部分附着于泥粒上，开始形成菌胶团，这时出现以细菌为食的豆形虫、肾形虫、游泳钟虫等纤毛虫类原生动物．随着菌胶团的增加，游泳纤毛虫因食料受到限制，逐步让位给等枝虫等固着型纤毛虫．随着活性污泥的成熟，水处理效果越来越好，便出现了轮虫^[11]。

3.1.1起絮凝作用的细菌

絮凝菌，主要包括动胶菌属，芽孢杆菌属、黄杆菌属、诺卡氏菌属和假单胞菌属等，种类多达数十种^[12]。丝状菌也是一种重要的絮凝菌，是构成菌胶团不可或缺的一部分，目前发现的丝状细菌约58种，其中变形杆菌 21 种、放线菌 14 种、拟杆菌 8 种、 厚壁菌 5 种、浮霉菌 5 种、绿弯菌 3 种、热微菌2 种，且丝状菌对有机物的摄取能力较强^[13]。

表1 活性污泥中絮凝菌的重要种类

3.2原生动物

原生动物为真核生物，是单细胞的微型动物，由原生质和一个或多个细胞核组成。原生动物和多细胞动物相同，具有新陈代谢、运动、繁殖、对外界刺激的感应性和对环境的适应性等生理功能。原生动物一般具有一个或两个以上的细胞核，其形状多种多样，它们在其细胞内产生形态的分化，形成了能够执行各项生命活动和生理功能的胞器。在运动胞器方面有鞭毛、伪足和纤毛；在营养胞器方面有胞口、胞咽和食物泡；用以排出废料和调节渗透压的胞器有伸缩泡等。原生动物在污水处理中常见的有三类：肉足类、鞭毛类、纤毛类。

原生动物的营养方式分为以下几类：①动物性营养：以吞食细菌、真菌、藻类或有机颗粒主，绝大多数原生动物为动物性营养；②植物性营养：在有阳光的条件下，一些含色素的原生动物可利用二氧化碳和水进行光合作用合成碳水化合物；③腐生性营养：以死的机体或无生命的可溶性有机物质为主；④寄生性营养：以其它生物的机体(即寄主)作为生存的场所，并获得营养和能量。

原生动物通过体表吸收溶解性的有机物,吞噬废水中细小的有机物颗粒,经过新陈代谢作用,然后使之氧化分解为稳定的无机物。

3.2.1原生动物与细菌的关系

在废水生物处理系统中将污染物质降解的主要是细菌。原生动物与细菌的关系主要为：掠食关系或共生关系：细菌栖息于原生动物细胞内，获得营养及保护，原生动物利用细菌的合成物质。具体表现为：捕食。原生动物通过捕食细菌,维持活性污泥系统中生态平衡及改善出水水质。使细菌的生、长能力维持在对数生长期，防止种群的衰老，提高细菌的活力，而且原生动物活动产生溶解性有机物质（DOM）可被细菌再利用，促进了细菌的生长。

运行良好的活性污泥中纤毛虫是优势种,占总生物量的5% ,是活性污泥中最常见的捕食者，依生活习性可分为3类:游泳型、甸旬型和固着型，一般自由游泳型的纤毛虫的生长速度较快, 在活性污泥中纤毛虫每 6-12h繁殖一代。其繁殖速度要比轮虫快10倍左右。但附着型纤毛虫的捕食细菌能力较强，附着型纤毛虫则每小时可以消耗几千个细菌,相当于自身体重的11.2%^[27]。

另一方面，原生动物中存在的某些类型（如纤毛类）具有吞食游离细菌的巨大能力，而游离的细菌个体小、密度小、较难沉淀，易被出水带出而影响水质。微型动物吞噬游离可大大改善水质。絮凝作用。细菌生长到一定程度就凝集成絮状物。这种絮状物为原生动物提供了共生的环境，反过来絮状物上的原生动物能加速絮凝过程。固着型纤毛虫及吸管虫还可分泌粘液,使之附着在絮凝体上生长;对悬浮颗粒及细菌均有吸附作用,从而有利于菌胶团及絮体的形成。原生动物和细菌一起,共同摄食病原微生物。

3.3微型后生动物

寡毛类后生动物在生物捕食污泥减量化的研究日趋增多。生物捕食即微型动物以细菌等有机质为食，增强污泥内部能量消耗，从而达到减少细茵数量，降低污泥产率的目的。应用于污泥减量化作用的寡毛类包括小型的红斑颗体虫以及中型的仙女虫颤蚓和大型的蚯蚓等。此外还有带丝蚓等应用于实验室研究^[14]。

其中红斑顠体虫体长不超过3mm，多数在1—2mm，杂食性，主要以水中的有机碎屑和细菌为食^[15]。细菌、细菌胞外物和吸附其表面的有机碎屑是组成菌胶团的主要成分，由于红斑顠体虫以细菌、有机碎屑为食，所以一般认为红斑顠体虫蚕食菌胶团，破坏菌胶团结构，使菌胶团结构松散，产生大量细菌小絮体，降低活性污泥的沉降性能，使二沉池出水SS含量升高。而且破碎游离的菌胶团不能为钟虫、轮虫、累枝虫等大型原生动物和微型后生动物提供生长繁殖的场所，破坏了污水生物处理系统的生态。一般认为，红斑顠体虫的繁殖对活性污泥系统的净化功能是不利的。

但是近些年来剩余污泥处理问题引起社会的广大关注，利用微型后生物对污泥的吞噬作用特点，将红斑顠体虫、仙女虫等微型后生动物作为污泥减量化的利用群体成为研究的热点^[16]。

仙女虫虫体较细，一般具鳃，具有比红斑螵体虫、颤蚓等更具抗污能力 ，是水体富营养化的优势种群。活性污泥法自生污泥减量因素研究表明，仙女虫比红斑螵体虫更具污泥减量能力，但当仙女虫占优势时，处理系统磷去除率略微升高，影响出水水质^[14]。

3.3.1细菌，原生动物，后生动物之间的生物关系

污水生化处理系统中各类污染物的降解主要是通过菌胶团(细菌及胞外多聚形成的聚集体)的新陈代谢实现的，原生动物和微型后生动物能吞噬游离的细菌和较小的菌胶团以及有机颗粒，稳定存在的活性良好的菌胶团能较好地抵御原生动物和微型后生动物的吞噬作用，小的菌胶团以及有机颗粒，可以很好地改善出水浊度^[17]。同时还有利于活性污泥或生物膜的更新。

但是，轮虫对活性良好的菌胶团具有较强的吞噬作用，线虫的扭动对菌胶团也有较大的破坏作用，轮虫和线虫大量存在时对菌胶团的增殖过程不利。

较多研究显示，原生动物和微型后生动物具有净化污染物的能力，特别是对颗粒状污染物的净化，从而提高污水的可生化性。作者在前期工程实践中发现，钟虫通过纤毛波动，轮虫依靠头顶上转动轮的波动把水体中的颗粒状污染物吸入食物泡中，变形虫通过变形的方式吞噬颗粒污染物。相关研究对比发现:两个平行的生物处理系统是否接种原生动物对出水水质具有十分重要的影响，接种了原生动物的生物处理系统出水浊度、有机物浓度和SS浓度显著优于未接种原生动物的生物处理系统。说明原生动物和微型后生动物有降低污染物浓度的效能。田文华^[18]等研究发现，钟虫尾柄上吸附有大量的短杆菌，从侧面说明了钟虫有强化水质净化效果的能力。

另外，原生动物在增殖过程中释放氮磷营养物，有利于细菌群落的形成^[19]。

微型后生动物还能通过吞噬颗粒状有机物改善原水中有机物的可生化性(具有一定的滤食作用)。捕食活性细菌可以大大提高微型动物的生长速率,主要是因为活性细菌细胞完整,营养价值高,提高了微型动物的捕食效率处于衰亡期的细菌由于内源作用,细胞膜破裂,胞内物质泄露,造成营养值降低,捕食相同数量的细胞,微型生物获得的可用物质减低。但是这并不表明微型生物不能捕食非活性细菌细胞,因为在活性污泥污水处理系统中,大部分的活性污泥细菌都是非活性细胞,在这种条件下,对活性污泥的捕食仍然可以使微型生物获得较高的生长速度和种群密度。

活性污泥(或生物膜)是一种由细菌、真菌、原生动物、微型后生动物和胞外物(多糖或多肽类物质)聚集而成的生物絮体，絮凝性活性污泥的凝聚作用和快速沉降作用，对活性污泥良好的沉淀性能具有十分重要的影响，它直接影响到出水SS浓度、浊度、有机物浓度。原生动物和微型后生动物可以促进絮凝作用，它们向细胞外分泌可溶性多糖类物质，这些多糖物质对悬浮颗粒和细菌均有吸附能力，有利于形成菌胶团^[20]。

原生动物和微型后生动物存在时，单个细菌聚集成菌胶团以抵御原生动物和微型后生动物的吞噬，细菌的主动防御有利于絮体的形成与污泥沉淀^[21]。

3.4藻类及真菌等

真菌种类繁多，污水处理中的真菌主要是霉菌，它能分解碳水化合物、蛋白质、脂肪及其他含氮化合物；藻类能通过光合作用放出氧气，同时从废水中吸收各种营养物质，藻类生长繁殖的同时废水得到净化。藻类光合作用释放的氧气为其他微生物的生长提供了条件，微生物代谢释放的二氧化碳又促进藻类的光合作用^[22]。

4食物链机制

污水生物处理设施是一个人工生态系统,进入处理设施的污水中的有机物为整个系统提供能量来源。活性污泥微生物分解废水中的有机物获取能量,提供维持能、生长和繁殖。整个污水生态系统包含许许多多的微型生物,其中活性污泥细菌是污水中有机物的初级消费者,还包括以活性污泥细菌为食的原生动物和后生动物。由于原生动物和后生动物对活性污泥中分散菌体和悬浮颗粒的捕食作用,可以有效的提高出水水质。同时由于低效的生物转化,能量在低营养级(细菌)向高营养级(原生动物和后生动物)的传递过程中发生损失^[23]。因此,活性污泥微型生物的捕食作用会造成污泥减量。理想状况下，当能量损失总量最大，则生物产生量最小,也就是说,当食物链越长,能量损失越大,那么用来合成生物体的能量越少。如果在食物金字塔中，每一级生物对物质的利用率是60%,则通过三次捕食活动,物质只为最初的1/5左右。在传统的活性污泥法处理污水过程中,存在较为复杂的食物链关系,细菌在利用有机物以后,将通过食物金字塔不同等级的微型动物进行捕食消化,从而降低剩余污泥的产量。所以,利用生物捕食作用减少生物量方法是根据生态原理,在食物链中极大地促进捕食细菌的生物体生长,利用在食物链传递过程中的能量损失达到活性污泥减量的目的。利用微型动物对污泥进行减量能够保持污水处理生态系统的平衡,能使能量流动和物质循环保持稳定,在污水生物处理中建立相对稳定的生态平衡系统,有利于物质和能量的正常转化^[24]。在原有的污水处理系统中引入微型动物,并强化其对细菌的捕食作用,延长食物链,由于微型动物的捕食,增加了系统总体上的呼吸过程,由此可以降低剩余污泥的产量。利用微型动物对污泥进行减量，可从以下三个方面着手^[25]。

一是利用微型动物在食物链中的捕食作用。从生态学角度,当系统中食物链越长,能量损失越多,可用于合成生物体的能量就越少,最终形成的总的生物量也就越少。因此,延长食物链或强化食物链中的微型动物的捕食作用均能达到减少剩余污泥产生量的目的。生物膜法与传统活性污泥法相比,一个重要特点是在生物膜中体型较大营养级较高的微型动物容易繁殖,甚至出现苍蝇一类的昆虫,使得食物链变长变复杂。生物膜处理系统内产生的污泥量一般要比活性污泥法低1/4。

二是直接利用微型动物对污泥的摄食和消化,在减少污泥的容量的同时增加污泥的可溶性。原生动物中的附着型的种类如缘毛类纤毛虫,以及后生动物中的附着型的轮虫，均有较强的摄食悬浮性固体的能力。而苍蝇一类的昆虫的幼虫和一些软体动物，更能够直接吞食较大的絮状活性污泥或生物膜。

三是利用微型动物来增强细菌的活性，或增加有活性的细菌的数量,从而增强细菌的自身氧化和代谢能力。微型动物和细菌之间的关系,除了捕食者和被捕食者的关系外,还有互利的关系。在污水生物处理系统中,微型动物和细菌可以共存。细菌对微型动物捕食可以形成菌胶团进行抵御,同时,细菌的分泌物能刺激原生动物的生长,反过来原生动物活动产生溶解性有机物质可被细菌再利用,促进细菌的生长。

5 总结

在活性污泥中，各种生物的种间关系主要有捕食、竞争和互利共生。促进了物质循环及能量流动。

通过污水生化系统中生态系统之间的相互关联和互动，利用碎屑食物链进行活性污泥减量化处理是一种经济，有效的方法。原生动物和微型后生动物通过絮凝强化和吞噬作用实现污染物的辅助去除，改善了出水水质。而且，在能量的传递过程中，通过微生物的捕食，会有9/10的能量被消耗，仅有1/10的能量会进入下一营养级。因此，延长食物链，系统中的生物量会越来越少。随着食物链的延长链，生化处理系统的能量增多，有利于减少剩余污泥的产量。

随着新的生物技术和检测手段的发展，已有人利用16RNA等分子生物学手段来检测活性污泥中的细菌群落动态，可以将原、后生动物群落动态与之相结合，建立更加精确地数学模型来监测污水处理厂的运转效能，原生动物和微型后生动物的研究和利用将不断得到深入。

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