MBR膜系统中微生物种类

3.2.3MBR膜系统中微生物种类

在MBR 系统中，膜截留了活性污泥中的微生物絮体和大分子有机物，为系统中污泥累积到最大浓度提供了适宜条件[16]。膜的无选择性分离作用为各种微生物，如生长较慢的菌种、不易沉降的菌种(如丝状菌) 等在生物反应器中的停留和大量生长创造了条件，从而丰富了生物反应器中的微生物相，使反应器内的污泥浓度在短时间内有较大提高，单位体积内的微生物量得以增加，提高了污泥对难降解物质的处理速率，缩短了驯化周期。

任何生物处理系统中的微生物群落都是由大量不同种属的细菌构成的。在 MBR和CAS体系中，优势菌均为B-亚纲变形菌属，目前发现的所有氨氧化细菌均属于该属。尽管在MBR 中这些细菌仍然是优势菌，但有报道表明 MBR 中还存在其他浓度更高的菌种，这说明延长污泥停留时间(SRT)可以将体系中的优势菌从B-变形菌属转变为其他菌群。亚硝化单胞菌和亚硝化螺旋菌是在活性污泥中发现的自养氨氧化菌，而硝化菌和硝化螺旋菌则是亚硝酸盐氧化菌，硝化过程就是在这些细菌间完成的。Sofia 等 (2004) 发现亚硝化螺旋菌和硝化螺旋菌是主要的硝化细菌，而 Witzig 等(2002) 则认为在膜过滤后的污泥中没有亚硝化单胞菌、硝化菌或硝化螺旋菌的存在，这表明氨氧化细菌具有系统特殊性，而且硝化螺旋菌的作用是氧化亚硝酸盐。一般来说，硝化自养菌生长缓慢，因此 MBR 系统中较长的污泥停留时间对硝化过程非常有利。一些生物降解过程是由胞外酶和胞内酶来承担的，MBR 和CAS微生物的酶分析表明，MBR 中总的和溶解相的酶活性更高。

刘锐对 MBR和CAS工艺进行比较发现 CAS 污泥絮体主要以球菌和短杆菌为主，丝状菌很少。球菌和杆菌结合紧密成长绳状菌胶团，菌胶团表面轮廓清晰，微生物产物很少MBR 系统污泥中丝状菌和真菌占有相当大的比重，以这些丝状体为桥梁形成相互连接的球状菌胶团，各菌胶团表面比较模糊，一些黏稠状物质附着于微生物表面。电镜下观察的污泥絮体见图 3-14。王世明利用摇瓶试验研究了污泥降解苯甲酸的效果，MBR 污泥驯化周期短，降解能力强，这从侧面反映了 MBR 污泥中的菌种可能更丰富些。

MBR 中微生物相随污泥负荷率的变化而不同。在进水有机负荷较低时，污泥外观与城市污水处理厂的类似。球菌、杆菌分泌出的微生物产物形成细丝，将个体微小的细菌紧密连接成一个整体，球菌和杆菌为菌胶团的主体。念珠藻直径5~10pm，缠绕在架凝体周围加固絮体结构。丝状体种类较多，在菌胶团中占用相当大的比重。在进水有机负荷提高后菌胶团结构发生了变化，球菌和杆菌依然是构成菌胶团的主题，念珠藻消失，丝状菌的数量明显减少且种类变得相对单一。

MBR 为系统中污泥累积到最大浓度提供了适宜条件，且系统中可利用的能源都用于维持细胞生长。系统中的污泥浓度较高而可利用的基质有限，这使得系统中的细菌处于饥饿状态，不利于细胞生长。与 CAS 系统相比，MBR系统的耗氧速率较低，这表明MBR受碳源限制而不是受氧限制。即使 MBR 系统中的细菌细胞不生长，新细菌也会随进水不断进入系统，但由于没有捕食性微生物存在必须依靠细菌衰亡使系统中的微生物浓度维持恒定。

朱彤等[17](2008)采用A/0工艺的浸没板式MBR 系统处理生活污水，试验共运行100d。从MBR中活性污泥的菌群多样性以及动胶菌占全菌的比例等微生物学特性角度，结合污泥菌胶团颗粒直径变化和膜组件操作压力的变化规律，研究分析 MBR 中微生物学特性与膜污染的相关性机制。根据不同 MLSS 质量浓度条件下菌群中各菌种 16SrDNA 基因片段的 PCR-DGGE图谱，可以发现在实验运行的整个阶段，系统中的微生物菌群的多样性发生了显著变化。其中MLSS在5.10X103~1.55X104mg/L 阶段的菌群多样性较好，而MLSS为1.10X104mg/L 时达最佳，污泥颗粒直径较大，小于 2m 的粒子体积分布最小，动胶菌占全菌的比例达到了整个实验期间的最高值 (约36.5%)。由于动胶菌是胞外聚合物等胶体物质的释放主体，可以认为较高比例且活性良好的动胶菌为活性污泥提供了大量的胶体物质，表现为污泥颗粒的吸附性能良好，颗粒直径较大。同时，系统中大量小于 2pm 的细微颗粒也被菌胶团大量吸附，由膜孔堵塞引起的膜污染概率降低，此时系统运行良好，出水稳定，膜组件操作压力处于稳定低压，而 MLSS 低于或高于这一范围时，菌群多样性较差在MLSS为2.05X104mg/L时，动胶菌占全菌的比例降低到了最低值15.5%，污泥粒径在所有检测样品中最小，小于 2pm 的颗粒体积分数也达到最高，为最低时的2倍左。虽然菌群多样性仍比较丰富，但 DGGE 图谱中条带的亮度显示此时的生物活性明显下降。

微型动物是MBR反应器中活性污泥的组成部分[18,19]。有证据表明，高级微生物、原生动物、丝状菌、线虫和纤毛虫等在 MBR 中的浓度低于传统活性污泥系统 (CAS)。但也有报道指出与相同泥龄的 CAS 系统相比，MBR 中有较高浓度的原生动物，特别是鞭毛虫和自由纤毛虫。捕食性微生物对硝化有负面影响，而原生动物的过度生长会造成硝化体系的完全崩溃。更高级的微生物如诺卡菌，可以在生产性规模的 MBR 中生长并造成严重的泡沫问题。

ZhangB 等指出，在1年多的运行中，只是在一次观察中发现了3 种原生动物和2种后生动物，在另一次观察中发现了1种后生动物，在其他观察中都没有发现捕食动物。MullerE.B.等对处理实际生活污水的 MBR和CAS系统中的生物相进行了考察和对比，结果发现MBR 中仅发现大量菌胶团，而无原生动物、后生动物存在，这可能是由于膜单元中高的剪切力作用造成的。Xing C的研究证明了这一可能性:在较强剪切力的作用下，在 MBR 中只有菌胶团，不存在轮虫和钟形虫;而在剪切力的作用较弱时，可以观察到菌胶团、轮虫和钟虫同时存在，并且轮虫和钟虫还具有捕食活性。国外一些研究者的实验说明在 MBR 中微型动物的种类少，且优势微型动物一般较为突出地表现为一种或少数几种。在 CAS 系统中微型动物是多样的，常包括多种原生动物和后生动物，如钟虫、草履虫、线虫和藻类，有时还可以发现肉足类的动物，并且表现的特别活跃，同时发现没有哪种微型动物在数量上占明显的优势。HowY.Ng 等比较了 MBR 和CAS 内生物相的组成和结构特征。在所有操作条件下，两种反应器内均未发现后生动物如轮虫和线虫，且两系统的生物相组成和结构存在很大差异。

资料显示，在传统活性污泥中微型动物常常是多样化的，它们可以通过生理代谢过程对废水起到直接的净化作用:某些原生动物可以直接利用废水中的有机物，如一些鞭毛虫能直接通过细胞膜吸收水中的溶解性有机营养;一些大型原生动物和后生动物可以直接吞噬污水中的有机颗粒和构成活性污泥的细菌;纤毛虫可以分泌多糖类碳水化合物和黏腕，利于活性污泥絮凝体的形成[14]。传统活性污泥系统中的原生动物有纤毛虫 160 种，鞭毛虫约 36种肉足虫约 29 种。MBR中微型动物的种类少，且优势微型动物一般较为突出地表现为一种或少数几种。图3-15 显示了 MBR 中经常出现的部分代表性微型动物种群:游动型纤毛虫有草履虫、棘尾虫，见图 3-15(a)，(b);固着型纤毛虫有钟虫、吸管虫、累枝钟虫，见图 (c)，(d),(e);红斑飘体虫，见图(f);肉足类有表壳虫，见图 (h); 后生动物轮虫，见图 (g)。随着丝状菌的数量逐渐增多，污泥絮体颗粒状态变化从紧密型一疏松型一紧密型。当污泥出现丝状细菌膨胀后，微型动物种类减少，主要优势种群为轮虫、累枝钟虫、表壳虫。综合跟跨观察结果分析认为，MBR 在运行初期至污泥膨胀期，微型动物的生态演替呈现一定的规律即游动型纤毛虫一红斑瓢体虫一轮虫和累枝钟虫一表壳虫，交替成为优势种群。

微型动物在活性污泥中发挥吞食作用以控制系统内活性污泥总量的增长，而活性污泥的状态特性，如丝状菌膨胀等又会反过来影响微型动物的生活过程及数量的变化。随着 MBR系统内活性污泥运行状态的改变，微型动物群落系统变化呈现稳定、破坏、再稳定、再破坏过程，最终由于污泥膨胀的发生和持续而形成相对稳定的新型群落系统的变化规律。所以在MBR 系统中，微型动物与活性污泥整体之间是一种相互影响、相互作用的动态变化过程。

虽然大部分 MBR系统中很少或没有原后生动物出现，但也有研究发现 MBR 系统中微型动物的种群动态呈现一定的规律性变化，并与系统内活性污泥浓度和状态具有较强的相关性。

在好氧 MBR反应器中投加填料能为微生物提供更加有利的生存环境，填料表面和悬浮微生物中附着了大量好氧微生物，协作完成对污染物的降解。张军等[21] (2002 年) 通过对复合膜生物反应器中生物的研究，从反应器中带生物膜的填料中分离出假单胞菌属(Pseudomonas)、葡萄球菌属 (Staphylococcus)、微球菌属(Micrococcus)、动胶菌届(Zoogleea Ltzigsohn)、气单胞菌属 (Aeromonas)和黄杆菌属 (Havobacterium)，其中的优势菌属为假单胞菌属、葡萄球菌属和黄杆菌属。从悬浮生长的微生物中也分离出 6 种菌属:假单胞菌属、葡萄球菌属巨大芽杆菌属 (Bacillus Megaterium)、黄杆菌属和邻单胞菌属(Plesiomonas)，其中假单胞菌属和黄杆菌属为优势菌种。除上述通过培养基分离鉴定出的菌胶团细菌外，系统中还存在大量的丝状菌和放线菌。微型动物包括悬浮生长的前口虫、裸口虫、漠口虫、肾形虫、裂口虫、袋口虫、草履虫、长颈虫和漫游虫等游泳型原生动物及轮虫，还有附着生长的带柄钟虫、固着足吸管虫、累枝虫、线虫、轮虫、瓢体虫等。

由于反应器内生态环境的不同，微生物的种类、数量和代谢活性等也不相同，从而在微生物间形成相互联系、相互制约的动态平衡关系，这种动态平衡的形成和维持将直接影响系统的运行效果。投加载体的生物反应器中同时存在附着相和悬浮相，悬浮微生物的大多数菌属在生物膜中也同样存在，这种共性为微生物在两相之间的转化提供了物质基础。无论是附着相还是悬浮相，都要通过吸附作用将污水中的污染物及 DO吸附到微生物表面后才能进行生物降解。生物膜外的 DO在向内层转移的过程中不断被膜内的微生物消耗，使内层处于缺氧或厌氧状态。缺氧微环境的存在使兼性菌可以直接利用硝态氮进行呼吸代谢，实现同步反硝化，厌氧微环境的存在使生物膜中聚磷菌的厌氧放磷和好氧吸磷过程同时存在。

在好氧生物反应器的生物膜或悬浮污泥絮体外层中好氧硝化菌和氨化菌占优势，能迅速吸附和降解含氮化合物;内层则栖居着大量的缺氧反硝化菌和氨氧化细菌，它们利用外层优势菌产生的NO，、NH 等进行反硝化反应。另外，膜生物反应器内的有机负荷和其他微生物的竞争能力均较低，氨化菌、硝化菌、反硝化菌、厌氧氨化菌更容易成为优势菌，从而可取得稳定、高效的脱氮效果。研究表明，硝化菌会优先附着生长在载体上。填料的介入为微生物提供了更有利的生存环境，所构成的新生态系统在纵横两个方向上互相关联。在纵向上微生物构成一个由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物等多个营养级组成的复杂生态系统，其中每个营养级的生物量都受到环境和其他营养级的制约，最终达到动态平衡;在横向上沿着水流到载体的方向构成了一个悬浮好氧型、附着好氧型、附着兼氧型和附着厌氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类型的微生物系统，从而大大提高了反应器的处理能力和稳定性。从系统论的观点看，系统的结构越复杂，其稳定性越强，适应环境变化的能力也越强。同时由于系统本身的结构特点，在特定的微环境中形成特定的优势菌属使复合系统具有脱氮除磷的功效。对于悬浮生长的生物相，根据悬浮污泥絮体大小、反应器的负荷及DO水平的不同，也存在与附着生长生物相类似的结构。由于氧扩散的限制，在微生物絮体内会产生 DO梯度。在悬浮污泥絮体的外表面 DO浓度较高，以好氧菌和硝化菌为主;在污泥絮体内部则由于氧传递受阻和外部氧的大量消耗而产生缺氧区，反硝化菌占优势。反应器内的缺氧微环境是形成同步反硝化的主要原因。

尤朝阳等[22] (2006)在MBR 反应器中加入泡沫填料后，试验发现填料表面和悬浮微生物中附着了大量好氧微生物，如好氧的荧光假单胞菌、亚硝酸细菌、硝酸细菌，其能够氧化分解水中的氮源物质，起到氨化作用和硝化作用;而在泡沫填料的内部，兼性呼吸的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌也可起到氨化作用，促进了硝化反应的进行，同时填料内部还存在大量的厌氧反硝化细菌(如反硝化杆菌、荧光假单胞菌等)，可把硝酸盐还原成亚硝酸盐和氮气，大大促进了对氨氮的分解。

取填料表面的生物膜用水清洗后在显微镜下观察。结果表明，有部分生物膜是由菌胶团组成的，菌胶团细菌能分泌黏液，经融合后首先黏附于填料表面;另外还有大量的丝状细菌(如球衣细菌、贝氏硫细菌等) 及小球藻等藻类;固着型微生物如钟虫等以填料或菌胶团为载体而附着生长;草履虫、轮虫等游泳型微生物在生物膜表面进行捕食，线虫和大型水蚤等后生动物及微型动物穿行于多孔的填料中或表面的微生物群落中，由此就在填料表面形成了复杂的生物群落。泡沫填料的加入丰富了反应器中的生物种类，提高了反应器的处理能力和稳定性。在填料的表面及内部形成了好氧层、过渡层和厌氧层，填料中特有的后生动物和厌氧细菌强化了对难降解有机物的分解。加入填料后固着生物的生长、增殖使悬浮生物的食料减少，抑制了其生长并导致 MLSS 值降低，缓解了膜组件的污染。