W systemie osadu czynnego oczyszczania ścieków mikroorganizmy służą jako kluczowi „wykonawcy” oczyszczania zanieczyszczeń. W zależności od metod pozyskiwania energii i form wykorzystania źródeł węgla, mikroorganizmy te można zasadniczo podzielić na dwie kategorie: autotroficzne i heterotroficzne. Te dwa typy wykazują zasadnicze różnice w mechanizmach metabolicznych, rolach funkcjonalnych i adaptacji do środowiska, wspólnie tworząc strukturę ekologiczną osadu czynnego. Jednak ich ścieżki działania i podstawowe wartości znacznie się różnią. Dogłębne zrozumienie tych różnic ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji procesów oczyszczania ścieków i zwiększenia wydajności oczyszczania.
1. Podstawowe różnice: Fundamentalne rozróżnienie między źródłami energii a wykorzystaniem źródeł węgla
Źródło energii i źródło węgla to podstawowe wskaźniki rozróżniające mikroorganizmy autotroficzne i heterotroficzne. Te dwa kluczowe czynniki bezpośrednio determinują ich kierunek metaboliczny i zależność od przetrwania, a także leżącą u podstaw logikę ich odmiennych ról w systemie osadu czynnego.
(1) Mikroorganizmy autotroficzne: „samowystarczalne” transformatory materii nieorganicznej
Podstawową cechą mikroorganizmów autotroficznych jest ich zdolność do samodzielnej syntezy związków organicznych z węgla nieorganicznego, wykorzystując substancje nieorganiczne jako „paliwo energetyczne” bez polegania na zewnętrznej materii organicznej, działając jako „producenci” w ekosystemach.
W zakresie pozyskiwania energii mikroorganizmy te pozyskują energię poprzez utlenianie substancji nieorganicznych. Na przykład bakterie nitryfikacyjne czerpią energię z utleniania azotu amonowego (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻), podczas gdy bakterie utleniające azotyny utleniają azotyny (NO₂⁻→NO₃⁻). Z drugiej strony bakterie utleniające siarkę wytwarzają energię poprzez utlenianie siarczków (np. H₂S→S→SO₄²⁻). Jeśli chodzi o wykorzystanie źródeł węgla, polegają one wyłącznie na dwutlenku węgla (CO₂) lub węglanach (takich jak HCO₃⁻) jako jedynym źródle węgla, przekształcając węgiel nieorganiczny w węgiel organiczny poprzez fotosyntezę lub chemosyntezę w celu budowy swoich komórek i przeprowadzania aktywności metabolicznej. Ta „samowystarczalna” cecha pozwala im przetrwać bez polegania na zanieczyszczeniach organicznych w ściekach.
(2) Mikroorganizmy heterotroficzne: „Zależne od zewnętrznych źródeł” degradatory materii organicznej
Mikroorganizmy heterotroficzne są przeciwieństwem mikroorganizmów autotroficznych. Nie mogą wykorzystywać substancji nieorganicznych do pozyskiwania energii ani samodzielnie syntetyzować węgla organicznego, polegając zamiast tego na istniejącej materii organicznej ze środowiska zewnętrznego jako „źródle energii” i „źródle węgla”. To sprawia, że są one funkcjonalnie równoważne „konsumentom” i „dekompozytorom” w ekosystemie.
W zakresie pozyskiwania energii mikroorganizmy te pozyskują energię poprzez rozkład zanieczyszczeń organicznych w ściekach (takich jak węglowodany, białka, tłuszcze itp., ilościowo mierzone przez ChZT, tj. chemiczne zapotrzebowanie na tlen). Na przykład tlenowe bakterie heterotroficzne rozkładają glukozę na CO₂ i H₂O, uwalniając jednocześnie energię dla własnego metabolizmu. Jeśli chodzi o wykorzystanie źródeł węgla, bezpośrednio absorbują węgiel organiczny ze ścieków (takich jak składniki ChZT i małe cząsteczki organiczne) bez konieczności samodzielnej syntezy. Ich aktywność metaboliczna całkowicie zależy od stężenia i rodzajów zanieczyszczeń organicznych w ściekach.
II. Role funkcjonalne: Różne role w systemie oczyszczania osadu czynnego
W oparciu o różnice w wykorzystaniu energii i źródeł węgla, mikroorganizmy autotroficzne i heterotroficzne w systemach osadu czynnego pełnią wyraźnie różne funkcje oczyszczania. Te pierwsze koncentrują się na transformacji materii nieorganicznej, podczas gdy te drugie koncentrują się na degradacji materii organicznej, działając synergicznie, aby zapewnić skuteczne oczyszczanie ścieków.
(1) Mikroorganizmy autotroficzne: Skupione na „usuwaniu azotu i siarki”, oczyszczaniu zanieczyszczeń nieorganicznych
Mikroorganizmy autotroficzne odgrywają centralną rolę w osadzie czynnym, ułatwiając transformację i usuwanie substancji nieorganicznych, przy czym najbardziej reprezentatywne są nitrosomonas (w tym Nitrosomonas i Nitrobacter). Bakterie te są kluczowymi graczami w procesach usuwania azotu ze ścieków. W warunkach tlenowych Nitrosomonas najpierw utlenia azot amonowy (NH₄⁺) w ściekach do azotynu (NO₂⁻), który następnie jest dalej utleniany do azotanu (NO₃⁻) przez Nitrobacter. Proces ten, znany jako „reakcja nitryfikacji”, jest kluczowym krokiem w biologicznym usuwaniu azotu. Bez autotroficznych bakterii nitryfikacyjnych azot amonowy w ściekach nie może zostać przekształcony w azotan, który następnie może zostać usunięty poprzez denitryfikację, co ostatecznie prowadzi do nadmiernego poziomu azotu amonowego w ściekach oczyszczonych.
Ponadto kilka autotroficznych bakterii utleniających siarkę może utleniać siarczki w ściekach, przekształcając je w nieszkodliwe siarczany i zapobiegając toksycznemu hamowaniu siarczków na mikroorganizmy, zapewniając w ten sposób stabilne działanie systemu osadu czynnego. Należy jednak zauważyć, że mikroorganizmy autotroficzne mają niezwykle wolne tempo metabolizmu (z typowym cyklem generacji wynoszącym 10-30 godzin) i są wrażliwe na warunki środowiskowe (takie jak temperatura, rozpuszczony tlen i pH). W konsekwencji ich odsetek w systemie osadu czynnego jest zwykle niski (około 5%-10%).
(2) Mikroorganizmy heterotroficzne: Podstawowa „degradacja ChZT”, budowa kłaczków osadu
Mikroorganizmy heterotroficzne są „główną siłą” osadu czynnego, stanowiąc ponad 90% jego populacji. Ich podstawowe funkcje koncentrują się na dwóch głównych aspektach: degradacji materii organicznej i tworzeniu kłaczków osadu, które bezpośrednio determinują wydajność usuwania ChZT w ściekach i wydajność osadzania osadu czynnego.
W procesie degradacji materii organicznej tlenowe bakterie heterotroficzne rozkładają wielkocząsteczkowe związki organiczne (takie jak skrobia, lipidy i białka) w ściekach na mniejsze cząsteczki organiczne poprzez oddychanie tlenowe. Te mniejsze cząsteczki są dalej rozkładane na produkty nieorganiczne, takie jak CO₂ i H₂O, zmniejszając w ten sposób wartość ChZT ścieków. Jest to główny cel oczyszczania ścieków komunalnych i przemysłowych ścieków organicznych. Na przykład w miejskich oczyszczalniach ścieków bakterie heterotroficzne mogą obniżyć dopływ ChZT z 300-500 mg/L do poniżej 50 mg/L, spełniając normy dotyczące zrzutu.
W procesie tworzenia kłaczków osadu, niektóre mikroorganizmy heterotroficzne (takie jak promieniowce i grzyby) wydzielają lepkie substancje, takie jak polisacharydy i białka, które agregują rozproszone komórki drobnoustrojów w strukturalnie stabilne kłaczki (tj. kłaczki osadu czynnego). Kłaczki te nie tylko otaczają zanieczyszczenia i zwiększają wydajność degradacji, ale także szybko osadzają się w osadnikach, osiągając separację osadu i wody i zapobiegając utracie drobnoustrojów wraz ze ściekami oczyszczonymi. Jeśli aktywność bakterii heterotroficznych jest niewystarczająca lub ich zdolność do tworzenia kłaczków jest słaba, może to prowadzić do nadmiernej ilości zawieszonych ciał stałych (SS) w ściekach oczyszczonych, a w ciężkich przypadkach powodować „pęcznienie osadu”, destabilizując system.
3、 Adaptacja do środowiska: Różne wymagania dotyczące warunków procesowych
Charakterystyka metaboliczna mikroorganizmów autotroficznych i heterotroficznych różni się, co skutkuje różnymi wymaganiami dotyczącymi warunków środowiskowych systemu osadu czynnego, takich jak rozpuszczony tlen, temperatura i stosunek składników odżywczych. Optymalizacja tych warunków jest kluczem do zapewnienia współpracy obu typów mikroorganizmów.
（1） Mikroorganizmy autotroficzne: wysoce wrażliwe na warunki środowiskowe
Aktywność metaboliczna mikroorganizmów autotroficznych (zwłaszcza bakterii nitryfikacyjnych) wymaga ścisłych warunków środowiskowych, a nawet niewielkie wahania parametrów mogą wpływać na ich aktywność:
-Rozpuszczony tlen (DO): Do reakcji nitryfikacji wymagana jest odpowiednia ilość rozpuszczonego tlenu, a DO musi być utrzymywane na poziomie 2 mg/L. Jeśli DO jest poniżej 1 mg/L, aktywność bakterii nitryfikacyjnych zostanie znacznie zahamowana, a wydajność utleniania azotu amonowego gwałtownie spadnie;
-Temperatura: Optymalna temperatura wynosi 20-30 ℃. Gdy temperatura jest poniżej 10 ℃, tempo metabolizmu bakterii nitryfikacyjnych spadnie o ponad 50%. Zimą oczyszczalnie ścieków często borykają się z problemem niewystarczającej szybkości usuwania azotu amonowego;
-Wartość pH: Odpowiedni zakres wynosi 7,5-8,5. Jeśli pH jest poniżej 6,5 lub powyżej 9,0, bakterie nitryfikacyjne zatrzymają metabolizm z powodu zahamowania aktywności enzymatycznej;
-Stosunek składników odżywczych: nie wymaga dużej ilości węgla organicznego, ale jest wrażliwy na węgiel organiczny - jeśli ChZT w ściekach jest zbyt wysokie, bakterie heterotroficzne będą konkurować z bakteriami autotroficznymi o rozpuszczony tlen i przestrzeń, hamując wzrost bakterii nitryfikacyjnych.
（2） Mikroorganizmy heterotroficzne: wysoce tolerancyjne na warunki środowiskowe
W porównaniu z mikroorganizmami autotroficznymi, mikroorganizmy heterotroficzne mają silniejszą adaptację do środowiska i szerszy zakres tolerancji dla parametrów procesowych:
-Rozpuszczony tlen (DO): Tlenowe bakterie heterotroficzne wymagają utrzymania DO na poziomie 1-2 mg/L, aby zaspokoić swoje potrzeby metaboliczne, podczas gdy niektóre fakultatywne bakterie heterotroficzne (takie jak bakterie denitryfikacyjne) mogą nadal degradować materię organiczną poprzez oddychanie beztlenowe w warunkach beztlenowych;
-Temperatura: Optymalna temperatura wynosi 15-35 ℃, ale może nadal utrzymywać pewien poziom aktywności w zakresie 5-40 ℃, a jej tolerancja na niskie temperatury jest znacznie lepsza niż w przypadku bakterii autotroficznych;
-Wartość pH: Odpowiedni zakres wynosi 6,0-9,0, a niektóre bakterie heterotroficzne (takie jak grzyby) mogą nadal przetrwać w warunkach kwaśnych przy pH 5,0 lub zasadowych przy pH 10,0;
-Stosunek składników odżywczych: Wymagana jest odpowiednia ilość węgla organicznego i wrażliwość na stosunek węgla do azotu (C/N) - zwykle wymagający stosunku C/N 5-10:1. Jeśli źródło węgla jest niewystarczające, bakterie heterotroficzne doświadczą spadku aktywności i szybkości usuwania ChZT z powodu „głodu”.
4、 Współpraca i konkurencja: Relacje między mikroorganizmami w systemach osadu czynnego
W systemie osadu czynnego mikroorganizmy autotroficzne i heterotroficzne nie istnieją niezależnie, ale mają podwójną relację „synergii” i „konkurencji”, a równowaga między nimi bezpośrednio wpływa na skuteczność oczyszczania ścieków.
（1） Relacja współpracy: uzupełniające się funkcje, wspólne oczyszczanie
Synergia między nimi znajduje odzwierciedlenie głównie w „procesie denitryfikacji”: autotroficzne bakterie nitryfikacyjne przekształcają azot amonowy w azotan (proces nitryfikacji), podczas gdy heterotroficzne bakterie denitryfikacyjne, w warunkach beztlenowych, wykorzystują węgiel organiczny w ściekach jako donor elektronów do redukcji azotanu do azotu (N₂) i uwalniają go do powietrza (proces denitryfikacji) - bez bakterii autotroficznych bakterie denitryfikacyjne nie mają „substratu” do wykorzystania; Jeśli brakuje bakterii heterotroficznych, azotan wytworzony przez bakterie nitryfikacyjne nie może zostać usunięty, a ostatecznie całkowity azot nie może spełniać normy. Ponadto bakterie heterotroficzne mogą zmniejszyć obciążenie organiczne w ściekach po degradacji ChZT, tworząc odpowiednie środowisko życia dla bakterii autotroficznych wrażliwych na węgiel organiczny i pośrednio promując ich aktywność.
（2） Relacja konkurencyjna: konkurencja o zasoby, wpływ na równowagę systemu
Konkurencja między nimi koncentruje się głównie na „rozpuszczonym tlenie” i „przestrzeni życiowej”: gdy stężenie ChZT w ściekach jest zbyt wysokie, bakterie heterotroficzne będą się szybko rozmnażać z powodu „wystarczającej ilości pożywienia”, zużywać dużą ilość rozpuszczonego tlenu, a aktywność bakterii autotroficznych zostanie zahamowana z powodu „hipoksji”, co skutkuje zjawiskiem „dobry efekt usuwania ChZT, ale słaby efekt usuwania azotu amonowego”; Wręcz przeciwnie, jeśli stężenie ChZT w ściekach jest zbyt niskie (takie jak ścieki przemysłowe), aktywność bakterii heterotroficznych jest niewystarczająca i nie można utworzyć stabilnych kłaczków osadu. Bakterie autotroficzne również zostaną utracone z powodu „niedoboru nośnika”, wpływając na wydajność nitryfikacji. Dlatego w procesach praktycznych konieczne jest zrównoważenie relacji konkurencyjnej między nimi poprzez dostosowanie parametrów, takich jak obciążenie wody dopływającej i współczynnik refluksu. Na przykład, podczas oczyszczania ścieków o wysokim ChZT, można zastosować „segmentowe doprowadzanie wody”, aby zmniejszyć lokalne obciążenie organiczne i zapewnić zapotrzebowanie bakterii nitryfikacyjnych na rozpuszczony tlen.
5、 Podsumowanie: Podstawowe różnice i znaczenie technologiczne między dwoma typami mikroorganizmów
Różnica między mikroorganizmami autotroficznymi i heterotroficznymi w osadzie czynnym polega zasadniczo na różnicy w „źródłach energii i metodach wykorzystania źródeł węgla”, która rozciąga się na szereg różnic w pozycjonowaniu funkcjonalnym, adaptacji do środowiska i relacjach między mikroorganizmami (jak pokazano w Tabeli 1).
Zrozumienie tych różnic ma istotne znaczenie dla optymalizacji procesów oczyszczania ścieków: na przykład, podczas oczyszczania ścieków o wysokiej zawartości azotu amonowego i niskiej zawartości ChZT (takich jak ścieki z akwakultury), konieczne jest skupienie się na zapewnieniu warunków przetrwania bakterii autotroficznych (zwiększenie DO, kontrola temperatury) i odpowiednie dodawanie źródeł węgla w celu zaspokojenia potrzeb bakterii heterotroficznych w zakresie denitryfikacji; Podczas oczyszczania ścieków o wysokiej zawartości ChZT i niskiej zawartości azotu amonowego (takich jak ścieki spożywcze), konieczne jest kontrolowanie obciążenia organicznego, unikanie nadmiernego wzrostu bakterii heterotroficznych i hamowanie bakterii autotroficznych oraz zapewnienie, że ChZT i azot amonowy spełniają normy jednocześnie. Krótko mówiąc, stabilne działanie systemu osadu czynnego jest zasadniczo „dynamiczną równowagą” między mikroorganizmami autotroficznymi i heterotroficznymi. Tylko poprzez dokładne dopasowanie potrzeb obu można osiągnąć maksymalną wydajność oczyszczania ścieków.
