百邁客合作案例：干擾活性污泥氧氣轉(zhuǎn)運(yùn)的“問(wèn)題少年”絲狀菌（Thiothrix）

重要結(jié)果與討論

當(dāng)曝氣不變時(shí)，F(xiàn)BS的氧轉(zhuǎn)運(yùn)效率（OTE）急劇降低（80 mL/g-MLSS），污泥體積指數(shù)（SVI）較高（＞120?mL/g-MLSS）；FFS的OTE值保持正常，SVI值低于80?mL/g-MLSS，表明FBS污泥處理性能較差，OTE的降低可能與菌絲的膨脹有關(guān)（圖1）。

圖2.?（a）FBS及其排出水, FFS及其排出水,?自來(lái)水氧轉(zhuǎn)運(yùn)試驗(yàn)中的溶解氧濃度（mg/L）；不同曝氣條件下，F(xiàn)BS和FFS的（b）K_La值；（c）α-因子值；（d）FBS和FFS的溶解性微生物產(chǎn)物（SMPs）：蛋白和多糖濃度（mg/L）

2. ?溶解氧對(duì)氧轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

FBS與FFS的氧轉(zhuǎn)運(yùn)差異可能與微生物或其他生物產(chǎn)生的溶解氧有關(guān)，然而，F(xiàn)BS和FFS所在排出水的K_La₍₂₀₎值與自來(lái)水的K_La₍₂₀₎值相近，表明溶解氧對(duì)兩種排出水的氧轉(zhuǎn)運(yùn)影響不明顯。一般情況下，蛋白和糖類是性能良好的污水處理系統(tǒng)排出水中主要的SMPs，它們?cè)贔BS和FFS所在排出水中的含量均低于5?mg/L（圖2d），該濃度水平一般難以對(duì)氧轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)生負(fù)面影響。盡管本文未檢測(cè)生物表面活性劑，然而從自來(lái)水和兩種排出水的K_La₍₂₀₎值來(lái)看，F(xiàn)BS和FFS的微生物合成的生物表面活性劑不足以抑制氧轉(zhuǎn)運(yùn)。因此，F(xiàn)BS和FFS的氧轉(zhuǎn)運(yùn)差異由生物量導(dǎo)致。

?3.??生物量對(duì)氧轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

對(duì)于FBS和FFS，MLSS＞3000?mg/L時(shí)的K_La₍₂₀₎值和α-因子顯著小于MLSS＜2000?mg/L時(shí)的，當(dāng)MLSS濃度相同時(shí)，F(xiàn)BS的K_La₍₂₀₎值總是顯著小于FFS（圖3a），表明除了生物量濃度以外，其他的生物特征（如：微生物種類、絮狀物形態(tài)、表觀粘度和生物表面特性）也會(huì)影響氧轉(zhuǎn)運(yùn)。研究表明，由于混和強(qiáng)度、曝氣強(qiáng)度以及漫射器的型號(hào)等試驗(yàn)條件差異都會(huì)影響K_La值，因此α-因子與MLSS的相關(guān)性在已發(fā)表的案例中變化幅度也較大。因此，MLSS濃度和活性污泥特征（如：絲狀微生物）能在很大程度上影響氧轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖3. FBS和FFS的MLSS與（a）K_La₍₂₀₎和（b）α-因子的相關(guān)性

4. ?表觀粘度、MLSS與氧轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)系

從圖2和圖3來(lái)看，F(xiàn)BS聚集了大量絲狀微生物，導(dǎo)致FBS的氧轉(zhuǎn)運(yùn)能力顯著低于FFS。研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器中OTE的降低往往伴隨著絲狀微生物豐度的升高，由此來(lái)看，F(xiàn)BS中絲狀微生物的膨脹影響了氧轉(zhuǎn)運(yùn)。

FBS中的絲狀微生物有較長(zhǎng)的細(xì)絲（圖1），這些細(xì)絲可以通過(guò)影響活性污泥的表觀粘度間接影響氧轉(zhuǎn)運(yùn)。從圖4a來(lái)看，當(dāng)MLSS濃度相同時(shí)，F(xiàn)BS的表觀粘度顯著高于FFS；當(dāng)MLSS濃度高于3000 mg/L時(shí)，F(xiàn)BS的表觀粘度呈指數(shù)增長(zhǎng)。兩個(gè)反應(yīng)器的排出水的表觀粘度與自來(lái)水相近，表明污水中的溶解氧不影響表觀粘度，推測(cè)可能是FBS中的絲狀微生物增強(qiáng)了污水的表觀粘度。一方面，表觀粘度的增加會(huì)減少氣泡或攪拌器上升引起的湍流，液膜更新的降低又會(huì)對(duì)氣-液交界面的氧擴(kuò)散產(chǎn)生負(fù)面影響；另一方面，隨著表觀粘度的增大，氣泡阻力系數(shù)增大，氣泡上升速度減小，氧的傳遞又被促進(jìn)。然而，這種正向促進(jìn)作用并不會(huì)抵消表觀粘度的增加對(duì)氧轉(zhuǎn)運(yùn)的負(fù)面影響，結(jié)果將表現(xiàn)為K_La的減少且伴隨著表觀粘度的增加。因此，絲狀微生物可能是通過(guò)增強(qiáng)活性污泥的表觀粘度來(lái)抑制氧轉(zhuǎn)運(yùn)的。

不同于K_La₍₂₀₎值（或α-因子）與MLSS的表現(xiàn)關(guān)系（圖3），兩個(gè)污泥樣本（FBS和FFS）的表觀粘度與K_La₍₂₀₎值具有一致性（圖4b），當(dāng)表觀粘度小于5 mPa·s時(shí)，K_La₍₂₀₎值和α-因子會(huì)隨著表觀粘度的增加而迅速降低（圖4b;?4c），這種呈指數(shù)的變化與很多研究報(bào)道的結(jié)果類似。因此，表觀粘度（非MLSS）是影響活性污泥氧轉(zhuǎn)運(yùn)的主要因素，而絲狀微生物的大量存在又額外增加了表觀粘度。

圖4. FBS和FFS的表觀粘度與（a）MLSS、（b）K_La₍₂₀₎和（c）α-因子的相關(guān)性。

5. ?EPS的分布以及絮狀物與氣泡的接觸

FFS在MLSS濃度為5500-6500 mg/L時(shí)的表面粘度（2.09-2.20 mPa·s）與FBS在MLSS濃度為800-1800 mg/L時(shí)的表面粘度（1.7-2.53 mPa·s）較為接近（圖4a），然而，當(dāng)兩者的表面粘度相等時(shí)，F(xiàn)BS的K_La₍₂₀₎顯著低于FFS（圖4b，紅色虛線橢圓），表明除了表觀粘度以外，絲狀微生物還可能通過(guò)其他的途徑阻礙氧轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖5.?（a）?FBS和FFS的胞外聚合物（EPS）濃度比較；共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）拍攝的FBS（b）蛋白，（c）α-多糖，（d）β-多糖，（e）所有EPS；CLSM拍攝的FFS（f）蛋白，（g）α-多糖，（h）β-多糖，（i）所有EPS

蛋白和多糖既是EPS的主要成分，又是污泥絮狀物的重要組成部分，它們通常位于細(xì)胞壁外圍，極大地影響了細(xì)菌的表面特征和絮凝能力。從圖5來(lái)看，F(xiàn)BS的氧轉(zhuǎn)運(yùn)能力較差，F(xiàn)BS的兩種胞外聚合物（蛋白和多糖）濃度均低于FFS。從圖6來(lái)看，F(xiàn)BS的大量絲狀菌菌絲直接粘附于氣泡-水交界面，柔軟又纖細(xì)的菌絲難以刺破氣泡（圖6a），因此在曝氣的時(shí)候，粘附與氣-液交界面的“細(xì)、長(zhǎng)”菌絲降低了液膜更新、增加了液膜厚底，直接阻止了氧轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致液膜轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（K_L）降低；FFS的絮狀物棱角分明、形態(tài)穩(wěn)定，與氣泡的接觸面積小于FBS的絲狀菌（圖6b）。因此，氧轉(zhuǎn)運(yùn)的阻礙不僅受到表觀粘度增加的影響，還受到絲狀菌菌絲與氣泡直接接觸的影響。另外，細(xì)菌表面特性對(duì)氧轉(zhuǎn)運(yùn)的影響仍需要進(jìn)一步研究。

圖6. 靜止?fàn)顟B(tài)下的（a）FBS和（b）FFS的污泥絮狀物與氣泡的接觸

6. ?微生物群落結(jié)構(gòu)

FBS和FFS的菌群結(jié)構(gòu)如圖7所示。FBS和FFS含有大量的共有菌，其中絲硫菌屬（thiothrix）、球衣菌屬（Sphaerotilus）、古字狀菌屬（Runella）、meganema（甲基桿菌科分類下的屬）、纖毛菌屬（Leptothrix）、金黃桿菌屬（chryseobacterium）、毛球菌屬（Trichococcus）、黃桿菌屬（Trichococcus）、isosphaera（浮霉菌科分類下的屬）和浮霉菌科（planctomycetaceae）是FBS和FFS豐度排名前十的菌；?FBS和FFS的優(yōu)勢(shì)菌存在差異，未分離培養(yǎng)（uncultured）的噬纖維菌（cytophagaceae）和鞘脂桿菌（sphingobacteriales）分別在FBS和FFS中豐度最高；FFS和FBS的所有菌在各自反應(yīng)器的排出水中均被檢測(cè)到。從圖8來(lái)看，絲硫菌屬（thiothrix）在FFB中的相對(duì)豐度超過(guò)8.5%，而在FFS中數(shù)量極少，絲硫菌屬（thiothrix）的長(zhǎng)菌絲（0.5-1.5 μm）會(huì)連接污泥絮狀物，導(dǎo)致污泥降解能力降低，污水的表面粘度增加；盡管球衣菌屬（Sphaerotilus）和古字狀菌屬（Runella）在FFS和FBS中的豐度均較高，但它們的菌絲較短，對(duì)污泥沉降、表觀粘度和氧轉(zhuǎn)運(yùn)的負(fù)面影響較??；其他絲狀細(xì)菌的豐度較低，影響程度較小。因此推測(cè)，絲硫菌屬（thiothrix）就是影響FBS氧轉(zhuǎn)運(yùn)的最大“元兇”。從種水平來(lái)看，絲硫菌屬（thiothrix）分類下的eikelboomii是FBS的優(yōu)勢(shì)菌，至此，“真兇”也基本確定。

圖8. FBS和FFS的絲狀菌的相對(duì)豐度、產(chǎn)生物表面活性劑菌的相對(duì)豐度

eikelboomii是污水處理系統(tǒng)污泥中的“?？汀?，它可以在高硫環(huán)境中異養(yǎng)生長(zhǎng)。研究表明，與eikelboomii具有相似形態(tài)特征的其他同屬菌種，以及具有長(zhǎng)菌絲的微絲菌(?Microthrix parvicella)，它們對(duì)活性污泥的表觀粘度和氧轉(zhuǎn)運(yùn)也有負(fù)面影響。

目前，已經(jīng)報(bào)道有超過(guò)30種微生物能夠合成生物表面活性劑，其中3種出現(xiàn)在本研究的FBS和FFS樣品中，它們分別是氣單胞菌屬（aeromonas）、腸桿菌屬（enterobacter）和不動(dòng)桿菌屬（enterobacter）（圖8）。然而，F(xiàn)BS中的腸桿菌屬（enterobacter）和不動(dòng)桿菌屬（acinetobacter）相對(duì)豐度（0.24%和0.08%）明顯低于FFS（0.81%和0.63%），表明FBS中細(xì)菌合成的生物表面活性劑不是降低氧轉(zhuǎn)運(yùn)的“主謀”。

總結(jié)

Thiothrix eikelboomii，一種常見(jiàn)的污泥膨脹絲狀菌，能夠干擾污水處理系統(tǒng)中的氧傳遞。在生物量相同的情況下，絲狀菌提高了污泥的表觀粘度（apparent viscosity），導(dǎo)致絲狀膨脹污泥（FBS）?比絮狀污泥（FFS）的容積傳氧系數(shù)（K_La）降低了43%。即使在表面粘度相同的情況下，F(xiàn)BS的K_La值仍低于FFS。附著于氣泡表面的大量微小、自由游動(dòng)的菌絲能引起液膜更新降低和液膜厚度增加，絲狀菌胞外的類似表面活性劑的“兩親分子”聚合物（EPS）（蛋白、多聚糖）阻礙了氧轉(zhuǎn)運(yùn)，因此，菌絲特殊的表面性狀及其它們與氣泡的相互作用影響了氧轉(zhuǎn)運(yùn)。本研究發(fā)現(xiàn)，具有較長(zhǎng)菌絲的絲狀菌Thiothrix eikelboomii能夠降低K_La值，而菌絲較短的絲狀菌并不影響氧轉(zhuǎn)運(yùn)。污泥膨脹的控制不僅利于污泥處理，而且利于氧轉(zhuǎn)運(yùn)。

關(guān)鍵詞：

1. ?膨脹污泥比絮狀污泥的K_La值低；

2. ?絲狀微生物能夠提高污泥的表觀粘度；

3. ?菌絲能夠阻礙液態(tài)膜上的氧轉(zhuǎn)運(yùn)；

4. ?絲硫菌（Thiothrix eikelboomii）是膨脹污泥主要的絲狀微生物；

5. ?菌絲膨脹控制好，節(jié)約能源沒(méi)煩惱！

小編寄語(yǔ)：

如果您的科研項(xiàng)目有問(wèn)題，歡迎點(diǎn)擊下方按鈕咨詢我們，我們將免費(fèi)為您設(shè)計(jì)文章方案。