摘要：活性污泥是降解污水有机物的主体，而其微生物群落结构与功能决定了活性污泥的生物活性，研究活性污泥微生物群落演化过程对提升污水处理厂生产效率具有重要价值，因此本文对这方面内容进行了探讨。
关键词：活性污泥；微生物；进化；污水处理
活性污泥和生物膜是污水处理的两大代表性技术，前者更是占到了城市污水处理厂污水处理技术的80%以上[1]。活性污泥是由多种微生物种群构成的微生物群落，降解有机污染物的关键在于微生物群落的结构与功能，因而研究活性污泥中的微生物群落一直是环境科学与工程领域的重点[2]。活性污泥微生物相在污水处理过程中是一个动态变化过程，其规律的掌握对于污水处理厂工艺控制具有重要的意义，因此本文对污水厂活性污泥微生物在不同污水处理过程中的进化进行了研究。
1 活性污泥中的微生物群落及分析方法
1.1 活性污泥的组成与形态
活性污泥主要由细菌、微型动物组成的茶褐色絮凝体，在曝气阶段能悬浮在水中，曝气停止后活性污泥絮凝体会发生沉淀并与水分离。细菌是活性污泥微生物中的主要部分，约占微生物总量的90%～95%。细菌主要由菌胶团细菌和丝状菌组成，动胶杆菌属与丛毛单胞菌属对形成菌胶团发挥着重要作用，丝状菌的适度生长对维持菌胶团稳定是有帮助的，但过分生长会阻碍絮粒压缩，并导致絮粒破碎和使污泥膨胀，由于无法在二沉池中顺利沉淀，污水处理效率显著下降，因而污泥膨胀一直是活性污泥污水处理厂的技术难题之一[3]。另一个技术难题是剩余污泥处理，也与活性污泥微生物关系密切。
1.2 活性污泥中微生物群落的分析方法
传统分析方法是分离培养法，操作时称取定量样品，再接种于特定选择性培养基中，通过对菌落计数和观察微生物形态及生化特性鉴定种属分类。该方法操作简单，能分离出特定功能的微生物。然而该方法也存在明显不足，无法细分细菌种属，因为大部分细菌间存在共生现象，单独分离是极其困难的事，实际上此种方法只能检测出细菌总数中0.1%～1%的细菌，作为科研手段有很大的局限性，无法真实反映活性污泥微生物种群结构。随着分子生物学技术的发展，对微生物群落结构分析有很大改观，目前常用的分析手段有16SrRNA-PCR技术、DGGE/TGGE技术、微生物醌指纹技术、ERIC-PCR技术、核酸探针分子杂交技术、荧光原位杂交技术等。例如DGGE/TGGE技术利用双链DNA片段溶解行为的差异，可以分离出PCR产物中长度相同、序列不同的DNA标记片段，所以广泛用于活性污泥微生物多样性与种群结构的分析[4]。
2 污水处理进程中活性污泥微生物群落的进化特征
2.1 光学显微镜下活性污泥微生物种群变化
培养初期，污水中主要是游离细菌，没有污泥絮体。随后出现鞭毛虫。继续培养就出现结构松散的污泥，主要种群仍为细菌。根据试验结果，MLSS（混合液悬浮固体）为186mg/L，SV30（30min污泥沉降比）为1.3%；进水COD（化学需氧量）为357mg/L时，出水COD为214mg/L，去除率为40%。
培养中期，随着细菌数量大量增加，会出现以掠食细菌为生的纤毛虫类（如半眉虫、裂口虫），污泥结构也愈加紧密，呈不规则开放形态，大小约100μm。随着污泥浓度升高，固着型纤毛虫逐步替代游泳型纤毛虫。该阶段优势种群为纤毛虫及少量动胶菌属。MLSS达到1075mg/L，SV30为5%；进水COD为400mg/L，出水COD为160mg/L，去除率上升为60%。
培养后期，产生大量原生动物、微型后生动物，标志物钟虫类原生动物出现说明活性污泥已进入成熟期。污泥絮体大小约250μm，呈不规则封闭紧密形态。优势种群为钟虫及枝状菌胶团。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆枝状菌胶团长1～3μm，宽0.5～1.0μm，革兰氏染色阴性，无芽孢，属异养需氧菌。MLSS达到1950mg/L，SV30为15%；进水COD为360mg/L时，出水COD为95mg/L，去除率达到74%；进水色度为60%，出水色度为18%，色度去除率为70%。
冲击负荷下，例如有机负荷从0.17kgCOD/kgMLSS•d升高到0.20kgCOD/kgMLSS•d，DO（溶解氧）降低，会产生大量线虫，COD去除率也从80%降为47%。随后调低有机负荷至0.07kgCOD/kgMLSS•d，活性污泥絮体恢复正常，COD去除率上升到67%。在整个过程中菌胶团无明显变化，说明菌胶团耐负荷冲击能力较强。这是因为菌胶团有较厚的公共荚膜作为保护，可避免后生动物吞噬及受到有害物质侵害。
2.2 扫描电镜下活性污泥微生物种群变化
通过扫描电镜观察，在活性污泥形成初期，大量球状菌及部分杆状菌掺杂在互相缠绕的丝状菌骨架中，形成污泥絮体的内核。丝状菌向外延伸的“丝”再缠绕、包埋其他菌体及小颗粒污泥，絮状污泥就演变为颗粒污泥，颗粒污泥再继续长大。当污泥颗粒长至0.20～0.45mm时，可观察到污泥颗粒内部为有空隙的网状结构，杆状菌已不可见。当污泥颗粒长至0.6mm时，表面聚集球菌，内部也填充了球菌。可见，在活性污泥形成早期，丝状菌负责“搭架”，后期靠球菌填充和聚集。
2.3分子生物学的活性污泥微生物种群变化
根据分子生物学研究结果，引种活性污泥时细菌数量为3.0×1014个/g，真菌数量为3.3×1010个/g。培养初期（10d），污水中细菌数量增加到1.1×1015个/g，真菌数量减少为1.7×1010个/g。培养中期（25d），污水中细菌数量进一步增加到7.1×1015个/g，真菌数量继续减少至6.2×109个/g。培养后期（41d），细菌数量又减少至1.7×1015个/g，真菌数量减少至2.0×109个/g。以真菌与细菌比进行观察，引种时为1.1×10-4，培养初期为1.5×10-5，培养中期为8.7×10-6，培养后期为1.2×10-6。相对真菌而言，在整个过程中细菌始终为优势种群，并且随着活性污泥的不断成熟，细菌的优势地位更强，只是在培养后期略微减弱。
基因测序结果表明，绝对优势菌群为变形菌门，其中α-变形菌、β-变形菌、γ-变形菌占90%以上，ε-变形菌和δ-变形菌在10%以下；第二大菌群为厚壁菌门，其中以梭菌属、芽孢杆菌属为主；余下菌群为放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门等。在不同时期菌群比例、地位有所变化，例如γ-变形菌中的聚磷菌缺氧时有反硝化功能，但其优势地位不稳定，主要发挥过渡作用。
3 结语
在污水处理过程中，活性污泥中的微生物群落处于动态变化之中，如何使微生物群落结构向有利于污水有机物高效处理发展而不发生诸如污泥膨胀等问题，是活性污泥微生物进化研究的关键所在，目前虽已取得很多成果，但认识尚不完全，有待不断研究去发现。
参考文献：
[1]李鹏，毕学军，王军，等. 常规和倒置A2/O工艺活性污泥微生物群落结构的比较[J]. 中国环境科学，2017，37（3）：1137-1145.
[2]刘松，闪旭. 活性污泥中主要微生物菌群研究进展[J]. 中国环保产业，2014（4）：50-53.
[3]安卫星，高娜，夏明，等. 动胶菌属系统分类、生理特征及其在活性污泥中的作用[J]. 应用与环境生物学报，2016，22（6）：1167-1174.
[4]徐瑾，于萍萍，张红锋. 现代分子生物学技术在活性污泥微生物菌群研究中的应用[J]. 能源环境保护，2016，30（1）：7-11，25.
论文作者:王宇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/16
标签：污泥论文; 活性论文; 微生物论文; 细菌论文; 菌胶团论文; 群落论文; 污水处理论文; 《基层建设》2019年第17期论文;