В системе активного ила для очистки сточных вод микроорганизмы служат основными «исполнителями» очистки загрязняющих веществ. В зависимости от способов получения энергии и форм использования источника углерода эти микроорганизмы можно условно разделить на две категории: автотрофные и гетеротрофные. Эти два типа демонстрируют фундаментальные различия в метаболических механизмах, функциональных ролях и адаптации к окружающей среде, совместно формируя экологическую структуру активного ила. Однако их пути действия и основные ценности значительно различаются. Глубокое понимание этих различий имеет решающее значение для оптимизации процессов очистки сточных вод и повышения эффективности очистки.
1. Основные различия: фундаментальное различие между источниками энергии и использованием источника углерода
Источник энергии и источник углерода являются фундаментальными показателями, различающими автотрофные и гетеротрофные микроорганизмы. Эти два ключевых фактора напрямую определяют направление их метаболизма и зависимость от выживания, а также лежащую в основе логику их различных ролей в системе активного ила.
(1) Автотрофные микроорганизмы: «самодостаточные» преобразователи неорганических веществ
Основной характеристикой автотрофных микроорганизмов является их способность самостоятельно синтезировать органические соединения из неорганического углерода, используя неорганические вещества в качестве «энергетического топлива», не полагаясь на внешние органические вещества, функционируя как «производители» в экосистемах.
С точки зрения получения энергии эти микроорганизмы получают энергию путем окисления неорганических веществ. Например, нитрифицирующие бактерии получают энергию путем окисления аммонийного азота (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻), в то время как нитрит-окисляющие бактерии окисляют нитрит (NO₂⁻→NO₃⁻). Сероокисляющие бактерии, с другой стороны, генерируют энергию путем окисления сульфидов (например, H₂S→S→SO₄²⁻). Что касается использования источника углерода, они полагаются исключительно на диоксид углерода (CO₂) или карбонаты (например, HCO₃⁻) в качестве единственного источника углерода, преобразуя неорганический углерод в органический углерод посредством фотосинтеза или хемосинтеза для построения своих клеток и осуществления метаболических процессов. Эта «самодостаточная» характеристика позволяет им выживать, не завися от органических загрязнителей в сточных водах.
(2) Гетеротрофные микроорганизмы: «зависимые от внешних факторов» разрушители органических веществ
Гетеротрофные микроорганизмы являются полной противоположностью автотрофным. Они не могут использовать неорганические вещества для получения энергии или самостоятельно синтезировать органический углерод, полагаясь вместо этого на уже существующее органическое вещество из внешней среды как «источник энергии», так и «источник углерода». Это делает их функционально эквивалентными «потребителям» и «разлагателям» в экосистеме.
С точки зрения получения энергии эти микроорганизмы получают энергию путем разложения органических загрязнителей в сточных водах (таких как углеводы, белки, жиры и т. д., количественно определяемых по ХПК, то есть химическому потреблению кислорода). Например, аэробные гетеротрофные бактерии расщепляют глюкозу на CO₂ и H₂O, высвобождая энергию для собственного метаболизма. Что касается использования источника углерода, они напрямую поглощают органический углерод из сточных вод (например, компоненты ХПК и небольшие органические молекулы) без необходимости самостоятельного синтеза. Их метаболическая активность полностью зависит от концентрации и типов органических загрязнителей в сточных водах.
II. Функциональные роли: различные роли в системе очистки активного ила
Основываясь на различиях в использовании энергии и источника углерода, автотрофные и гетеротрофные микроорганизмы в системах активного ила выполняют отчетливо разные функции очистки. Первые сосредоточены на преобразовании неорганических веществ, в то время как вторые сосредоточены на разложении органических веществ, работая синергетически для обеспечения эффективной очистки сточных вод.
(1) Автотрофные микроорганизмы: ориентированы на «удаление азота и серы», обработку неорганических загрязнителей
Автотрофные микроорганизмы играют центральную роль в активном иле, способствуя преобразованию и удалению неорганических веществ, причем наиболее представительными являются нитрозомонады (включая Nitrosomonas и Nitrobacter). Эти бактерии являются ключевыми игроками в процессах удаления азота из сточных вод. В аэробных условиях Nitrosomonas сначала окисляет аммонийный азот (NH₄⁺) в сточных водах до нитрита (NO₂⁻), который затем далее окисляется до нитрата (NO₃⁻) бактериями Nitrobacter. Этот процесс, известный как «реакция нитрификации», является ключевым этапом биологического удаления азота. Без автотрофных нитрифицирующих бактерий аммонийный азот в сточных водах не может быть преобразован в нитрат, который впоследствии может быть удален путем денитрификации, что в конечном итоге приводит к чрезмерному уровню аммонийного азота в сточных водах.
Кроме того, несколько автотрофных сероокисляющих бактерий могут окислять сульфиды в сточных водах, преобразуя их в безвредные сульфаты и предотвращая токсичное ингибирование сульфидов на микроорганизмы, тем самым обеспечивая стабильную работу системы активного ила. Однако следует отметить, что автотрофные микроорганизмы имеют чрезвычайно медленную скорость метаболизма (с типичным циклом генерации 10-30 часов) и чувствительны к условиям окружающей среды (таким как температура, растворенный кислород и pH). Следовательно, их доля в системе активного ила обычно низка (приблизительно 5%-10%).
(2) Гетеротрофные микроорганизмы: основное «разложение ХПК», построение хлопьев ила
Гетеротрофные микроорганизмы являются «основной силой» активного ила, составляя более 90% его популяции. Их основные функции сосредоточены в двух основных аспектах: разложение органических веществ и образование хлопьев ила, которые напрямую определяют эффективность удаления ХПК в сточных водах и характеристики осаждения активного ила.
При разложении органических веществ аэробные гетеротрофные бактерии расщепляют макромолекулярные органические соединения (такие как крахмал, липиды и белки) в сточных водах на более мелкие органические молекулы посредством аэробного дыхания. Эти более мелкие молекулы далее разлагаются на неорганические продукты, такие как CO₂ и H₂O, тем самым снижая значение ХПК сточных вод. Это основная цель очистки бытовых сточных вод и промышленных органических сточных вод. Например, на городских очистных сооружениях гетеротрофные бактерии могут снизить ХПК на входе с 300-500 мг/л до менее 50 мг/л, что соответствует стандартам сброса.
При образовании хлопьев ила определенные гетеротрофные микроорганизмы (такие как актиномицеты и грибы) выделяют вязкие вещества, такие как полисахариды и белки, которые агрегируют рассеянные микробные клетки в структурно стабильные хлопья (т. е. хлопья активного ила). Эти хлопья не только инкапсулируют загрязнители и повышают эффективность разложения, но и быстро оседают в отстойниках, достигая разделения ила и воды и предотвращая потерю микробов с оттоком. Если активность гетеротрофных бактерий недостаточна или их способность к образованию хлопьев слаба, это может привести к чрезмерному содержанию взвешенных твердых веществ (ВТВ) в сточных водах, а в тяжелых случаях вызвать «вспучивание ила», дестабилизирующее систему.
3、 Адаптация к окружающей среде: различные требования к условиям процесса
Метаболические характеристики автотрофных и гетеротрофных микроорганизмов различаются, что приводит к различным требованиям к условиям окружающей среды системы активного ила, таким как растворенный кислород, температура и соотношение питательных веществ. Оптимизация этих условий является ключом к обеспечению совместной работы двух типов микроорганизмов.
（1） Автотрофные микроорганизмы: очень чувствительны к условиям окружающей среды
Метаболическая активность автотрофных микроорганизмов (особенно нитрифицирующих бактерий) требует строгих условий окружающей среды, и даже небольшие колебания параметров могут повлиять на их активность:
-Растворенный кислород (DO): для реакции нитрификации требуется адекватное количество растворенного кислорода, и DO необходимо поддерживать на уровне 2 мг/л. Если DO ниже 1 мг/л, активность нитрифицирующих бактерий будет значительно подавлена, а эффективность окисления аммонийного азота резко снизится;
-Температура: оптимальная температура составляет 20-30 ℃. Когда температура ниже 10 ℃, скорость метаболизма нитрифицирующих бактерий снизится более чем на 50%. Зимой очистные сооружения часто сталкиваются с проблемой недостаточной скорости удаления аммонийного азота;
-Значение pH: подходящий диапазон составляет 7,5-8,5. Если pH ниже 6,5 или выше 9,0, нитрифицирующие бактерии прекратят метаболизм из-за ингибирования активности ферментов;
-Соотношение питательных веществ: не требует большого количества органического углерода, но чувствителен к органическому углероду - если ХПК в сточных водах слишком высока, гетеротрофные бактерии будут конкурировать с автотрофными бактериями за растворенный кислород и пространство, ингибируя рост нитрифицирующих бактерий.
（2） Гетеротрофные микроорганизмы: очень устойчивы к условиям окружающей среды
По сравнению с автотрофными микроорганизмами, гетеротрофные микроорганизмы обладают более сильной адаптацией к окружающей среде и более широким диапазоном толерантности к параметрам процесса:
-Растворенный кислород (DO): аэробные гетеротрофные бактерии требуют, чтобы DO поддерживался на уровне 1-2 мг/л для удовлетворения своих метаболических потребностей, в то время как некоторые факультативные гетеротрофные бактерии (такие как денитрифицирующие бактерии) все еще могут разлагать органические вещества посредством анаэробного дыхания в анаэробных условиях;
-Температура: оптимальная температура составляет 15-35 ℃, но она все еще может поддерживать определенный уровень активности в диапазоне 5-40 ℃, и ее устойчивость к низким температурам намного лучше, чем у автотрофных бактерий;
-Значение pH: подходящий диапазон составляет 6,0-9,0, и некоторые гетеротрофные бактерии (такие как грибы) все еще могут выживать в кислых условиях при pH 5,0 или щелочных условиях при pH 10,0;
-Соотношение питательных веществ: требуется адекватное количество органического углерода и чувствительность к соотношению углерода к азоту (C/N) - обычно требуется соотношение C/N 5-10:1. Если источника углерода недостаточно, гетеротрофные бактерии испытают снижение активности и скорости удаления ХПК из-за «голодания».
4、 Сотрудничество и конкуренция: микробные взаимоотношения в системах активного ила
В системе активного ила автотрофные и гетеротрофные микроорганизмы не существуют независимо, а имеют двойную связь «синергии» и «конкуренции», и баланс между ними напрямую влияет на эффективность очистки сточных вод.
（1） Совместные отношения: взаимодополняющие функции, совместное завершение очистки
Синергия между ними в основном отражается в «процессе денитрификации»: автотрофные нитрифицирующие бактерии преобразуют аммонийный азот в нитрат (процесс нитрификации), в то время как гетеротрофные денитрифицирующие бактерии в анаэробных условиях используют органический углерод в сточных водах в качестве донора электронов для восстановления нитрата до азота (N ₂) и высвобождения его в воздух (процесс денитрификации) - без автотрофных бактерий денитрифицирующие бактерии не имеют «субстрата» для использования; Если гетеротрофных бактерий не хватает, нитрат, производимый нитрифицирующими бактериями, не может быть удален, и в конечном итоге общее содержание азота не может соответствовать стандарту. Кроме того, гетеротрофные бактерии могут снизить органическую нагрузку в сточных водах после разложения ХПК, создавая подходящую среду обитания для автотрофных бактерий, чувствительных к органическому углероду, и косвенно способствуя их активности.
（2） Конкурентные отношения: конкуренция за ресурсы, влияющая на баланс системы
Конкуренция между ними в основном сосредоточена на «растворенном кислороде» и «жилом пространстве»: когда концентрация ХПК в сточных водах слишком высока, гетеротрофные бактерии будут быстро размножаться из-за «достаточного количества пищи», потреблять большое количество растворенного кислорода, а активность автотрофных бактерий будет подавлена из-за «гипоксии», что приведет к явлению «хорошего эффекта удаления ХПК, но плохого эффекта удаления аммонийного азота»; Напротив, если концентрация ХПК в сточных водах слишком низка (например, промышленные сточные воды), активность гетеротрофных бактерий недостаточна, и стабильные хлопья ила не могут быть сформированы. Автотрофные бактерии также будут потеряны из-за «дефицита носителя», что повлияет на эффективность нитрификации. Поэтому в практических процессах необходимо сбалансировать конкурентные отношения между ними путем корректировки таких параметров, как нагрузка на входную воду и коэффициент рециркуляции. Например, при обработке сточных вод с высоким ХПК можно использовать «сегментированную входную воду», чтобы уменьшить локальную органическую нагрузку и обеспечить потребность нитрифицирующих бактерий в растворенном кислороде.
5、 Резюме: основные различия и технологическое значение между двумя типами микроорганизмов
Разница между автотрофными и гетеротрофными микроорганизмами в активном иле по сути является разницей в «источниках энергии и методах использования источника углерода», которая распространяется на ряд различий в функциональном позиционировании, адаптации к окружающей среде и микробных взаимоотношениях между ними (как показано в таблице 1).
Понимание этих различий имеет важное руководящее значение для оптимизации процессов очистки сточных вод: например, при обработке сточных вод с высоким содержанием аммонийного азота и низким ХПК (например, сточные воды аквакультуры) необходимо сосредоточиться на обеспечении условий выживания автотрофных бактерий (увеличение DO, контроль температуры) и соответствующем добавлении источников углерода для удовлетворения потребностей гетеротрофных бактерий в денитрификации; При обработке сточных вод с высоким ХПК и низким содержанием аммонийного азота (например, пищевые сточные воды) необходимо контролировать органическую нагрузку, избегать чрезмерного роста гетеротрофных бактерий и ингибировать автотрофные бактерии, а также обеспечивать соответствие стандартам ХПК и аммонийного азота одновременно. Короче говоря, стабильная работа системы активного ила по сути является «динамическим балансом» между автотрофными и гетеротрофными микроорганизмами. Только путем точного соответствия потребностям обоих можно достичь максимальной эффективности очистки сточных вод.
