活性污泥中丝状菌与絮体结构的关系研究环境保护
摘要：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。
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142mL/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90mL/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500mL/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1.5～2μm，丝体长200μm左右，不运动，略弯，在絮体内扭曲，细胞呈柱状，长0.5～4μm，直径0.7～1.0μm，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100～200μm，偶尔超过200μm，虽然丝体正常时稍弯，但可有很强的盘绕性，细胞长2.5～3.5μm，直径0.5～0.9μm，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
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