In het actief slib systeem van afvalwaterzuivering dienen micro-organismen als de belangrijkste "uitvoerders" voor de zuivering van verontreinigende stoffen. Afhankelijk van hun energieverwervingsmethoden en vormen van koolstofbrongebruik, kunnen deze micro-organismen grofweg in twee categorieën worden ingedeeld: autotroof en heterotroof. Deze twee typen vertonen fundamentele verschillen in metabolische mechanismen, functionele rollen en aanpassingsvermogen aan de omgeving, die gezamenlijk de ecologische structuur van actief slib vormen. Hun actiepaden en kernwaarden verschillen echter aanzienlijk. Een diepgaand begrip van deze verschillen is cruciaal voor het optimaliseren van afvalwaterzuiveringsprocessen en het verbeteren van de zuiveringsefficiëntie.
1. Kernverschillen: Het fundamentele onderscheid tussen energiebronnen en koolstofbrongebruik
De energiebron en de koolstofbron zijn fundamentele indicatoren die autotrofe en heterotrofe micro-organismen onderscheiden. Deze twee sleutelfactoren bepalen direct hun metabolische richting en overlevingsafhankelijkheid, evenals de onderliggende logica voor hun verschillende rollen in het actief slibsysteem.
(1) Autotrofe micro-organismen: "zelfvoorzienende" transformatoren van anorganische stoffen
De kernkarakteristiek van autotrofe micro-organismen is hun vermogen om onafhankelijk organische verbindingen te synthetiseren uit anorganische koolstof, waarbij anorganische stoffen als "energiebrandstof" worden gebruikt zonder afhankelijk te zijn van externe organische stoffen, en die fungeren als de "producenten" in ecosystemen.
Wat betreft energieverwerving verkrijgen deze micro-organismen energie door anorganische stoffen te oxideren. Nitrificerende bacteriën verkrijgen bijvoorbeeld energie door ammoniakstikstof (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻) te oxideren, terwijl nitrietoxiderende bacteriën nitriet oxideren (NO₂⁻→NO₃⁻). Zwaveloxiderende bacteriën daarentegen genereren energie door sulfiden te oxideren (bijv. H₂S→S→SO₄²⁻). Wat betreft koolstofbrongebruik zijn ze uitsluitend afhankelijk van kooldioxide (CO₂) of carbonaten (zoals HCO₃⁻) als hun enige koolstofbron, waarbij anorganische koolstof via fotosynthese of chemosynthese wordt omgezet in organische koolstof om hun cellen te construeren en metabolische activiteiten uit te voeren. Deze "zelfvoorzienende" eigenschap stelt hen in staat te overleven zonder afhankelijk te zijn van organische verontreinigende stoffen in afvalwater.
(2) Heterotrofe micro-organismen: "extern afhankelijke" afbrekers van organische stoffen
Heterotrofe micro-organismen zijn het exacte tegenovergestelde van autotrofe micro-organismen. Ze kunnen geen anorganische stoffen gebruiken voor energie of autonoom organische koolstof synthetiseren, maar zijn in plaats daarvan afhankelijk van reeds bestaande organische stoffen uit de externe omgeving als zowel "energiebron" als "koolstofbron". Dit maakt ze functioneel equivalent aan "consumenten" en "afbrekers" in een ecosysteem.
Wat betreft energieverwerving verkrijgen deze micro-organismen energie door organische verontreinigende stoffen in afvalwater af te breken (zoals koolhydraten, eiwitten, vetten, enz., gekwantificeerd door CZV, d.w.z. chemisch zuurstofverbruik). Aerobe heterotrofe bacteriën breken bijvoorbeeld glucose af in CO₂ en H₂O, terwijl ze energie vrijmaken voor hun eigen metabolisme. Wat betreft koolstofbrongebruik absorberen ze direct organische koolstof uit afvalwater (zoals CZV-componenten en kleine organische moleculen) zonder de noodzaak van autonome synthese. Hun metabolische activiteiten zijn volledig afhankelijk van de concentratie en soorten organische verontreinigende stoffen in het afvalwater.
II. Functionele rollen: Verschillende rollen in het actief slib zuiveringssysteem
Op basis van verschillen in energie- en koolstofbrongebruik vervullen autotrofe en heterotrofe micro-organismen in actief slib systemen duidelijk verschillende zuiveringsfuncties. De eerste richt zich op de transformatie van anorganische stoffen, terwijl de laatste zich richt op de afbraak van organische stoffen, waarbij ze synergetisch werken om een effectieve afvalwaterzuivering te garanderen.
(1) Autotrofe micro-organismen: Gericht op "stikstof- en zwavelverwijdering", behandeling van anorganische verontreinigende stoffen
Autotrofe micro-organismen spelen een centrale rol in actief slib door de transformatie en verwijdering van anorganische stoffen te faciliteren, waarbij nitrosomonas (waaronder Nitrosomonas en Nitrobacter) de meest representatieve zijn. Deze bacteriën zijn belangrijke spelers in afvalwaterstikstofverwijderingsprocessen. Onder aerobe omstandigheden oxideert Nitrosomonas eerst ammoniakstikstof (NH₄⁺) in afvalwater tot nitriet (NO₂⁻), dat vervolgens verder wordt geoxideerd tot nitraat (NO₃⁻) door Nitrobacter. Dit proces, bekend als de "nitrificatiereactie", is de kernstap in biologische stikstofverwijdering. Zonder autotrofe nitrificerende bacteriën kan de ammoniakstikstof in afvalwater niet worden omgezet in nitraat, dat vervolgens kan worden verwijderd door denitrificatie, wat uiteindelijk leidt tot overmatige ammoniakstikstofniveaus in het effluent.
Daarnaast kunnen een paar autotrofe zwaveloxiderende bacteriën sulfiden in afvalwater oxideren, waardoor ze worden omgezet in onschadelijke sulfaten en de toxische remming van sulfiden op micro-organismen wordt voorkomen, waardoor de stabiele werking van het actief slibsysteem wordt gewaarborgd. Er moet echter worden opgemerkt dat autotrofe micro-organismen een extreem langzame stofwisselingssnelheid hebben (met een typische generatiecyclus van 10-30 uur) en gevoelig zijn voor omgevingsomstandigheden (zoals temperatuur, opgeloste zuurstof en pH). Bijgevolg is hun aandeel in het actief slibsysteem meestal laag (ongeveer 5%-10%).
(2) Heterotrofe micro-organismen: Kern "CZV-afbraak", constructie van slibvlokken
Heterotrofe micro-organismen zijn de "hoofdmacht" van actief slib en vertegenwoordigen meer dan 90% van de populatie. Hun primaire functies zijn geconcentreerd in twee belangrijke aspecten: afbraak van organische stoffen en vorming van slibvlokken, die direct de CZV-verwijderingsefficiëntie in afvalwater en de bezinkingsprestaties van actief slib bepalen.
Bij de afbraak van organische stoffen breken aerobe heterotrofe bacteriën macromoleculaire organische verbindingen (zoals zetmeel, lipiden en eiwitten) in afvalwater af in kleinere organische moleculen door middel van aerobe respiratie. Deze kleinere moleculen worden verder afgebroken tot anorganische producten zoals CO₂ en H₂O, waardoor de CZV-waarde van het afvalwater wordt verlaagd. Dit is het belangrijkste doel van de behandeling van huishoudelijk afvalwater en industrieel organisch afvalwater. In stedelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties kunnen heterotrofe bacteriën bijvoorbeeld de influent-CZV verlagen van 300-500 mg/L tot onder 50 mg/L, wat voldoet aan de lozingsnormen.
Bij de vorming van slibvlokken scheiden bepaalde heterotrofe micro-organismen (zoals actinomyceten en schimmels) viskeuze stoffen af zoals polysachariden en eiwitten, die verspreide microbiële cellen aggregeren tot structureel stabiele vlokken (d.w.z. actief slibvlokken). Deze vlokken kapselen niet alleen verontreinigende stoffen in en verbeteren de afbraakefficiëntie, maar bezinken ook snel in bezinktanks, waardoor slib-waterafscheiding wordt bereikt en microbiële verliezen met het effluent worden voorkomen. Als de activiteit van heterotrofe bacteriën onvoldoende is of hun vlokvormende vermogen zwak is, kan dit leiden tot overmatige zwevende stoffen (SS) in het effluent en in ernstige gevallen "slibzwelling" veroorzaken, waardoor het systeem wordt gedestabiliseerd.
3、 Aanpassingsvermogen aan de omgeving: Verschillende vereisten voor procesomstandigheden
De metabolische kenmerken van autotrofe en heterotrofe micro-organismen verschillen, wat resulteert in verschillende vereisten voor de omgevingsomstandigheden van het actief slibsysteem, zoals opgeloste zuurstof, temperatuur en nutriëntenverhouding. Het optimaliseren van deze omstandigheden is de sleutel tot het waarborgen van de samenwerking van de twee soorten micro-organismen.
（1） Autotrofe micro-organismen: zeer gevoelig voor omgevingsomstandigheden
De metabolische activiteit van autotrofe micro-organismen (vooral nitrificerende bacteriën) vereist strikte omgevingsomstandigheden, en zelfs kleine parameterschommelingen kunnen hun activiteit beïnvloeden:
-Opgeloste zuurstof (DO): Voldoende opgeloste zuurstof is vereist voor de nitrificatiereactie, en DO moet op 2 mg/L worden gehouden. Als DO onder 1 mg/L komt, wordt de activiteit van nitrificerende bacteriën aanzienlijk geremd en daalt de efficiëntie van ammoniakstikstofoxidatie scherp;
-Temperatuur: De optimale temperatuur is 20-30 ℃. Wanneer de temperatuur onder 10 ℃ komt, daalt de stofwisselingssnelheid van nitrificerende bacteriën met meer dan 50%. In de winter ondervinden afvalwaterzuiveringsinstallaties vaak het probleem van een onvoldoende ammoniakstikstofverwijderingssnelheid;
-pH-waarde: Het geschikte bereik is 7,5-8,5. Als de pH onder 6,5 of boven 9,0 komt, stoppen nitrificerende bacteriën met de stofwisseling als gevolg van remming van de enzymactiviteit;
-Nutriëntenverhouding: vereist geen grote hoeveelheid organische koolstof, maar is gevoelig voor organische koolstof - als de CZV in het afvalwater te hoog is, zullen heterotrofe bacteriën concurreren met autotrofe bacteriën om opgeloste zuurstof en ruimte, waardoor de groei van nitrificerende bacteriën wordt geremd.
（2） Heterotrofe micro-organismen: zeer tolerant voor omgevingsomstandigheden
In vergelijking met autotrofe micro-organismen hebben heterotrofe micro-organismen een sterker aanpassingsvermogen aan de omgeving en een breder tolerantiebereik voor procesparameters:
-Opgeloste zuurstof (DO): Aerobe heterotrofe bacteriën vereisen dat DO op 1-2 mg/L wordt gehouden om aan hun metabolische behoeften te voldoen, terwijl sommige facultatieve heterotrofe bacteriën (zoals denitrificerende bacteriën) nog steeds organische stoffen kunnen afbreken door anaerobe respiratie onder anaerobe omstandigheden;
-Temperatuur: De optimale temperatuur is 15-35 ℃, maar het kan nog steeds een bepaald activiteitsniveau behouden binnen het bereik van 5-40 ℃, en de tolerantie voor lage temperaturen is veel beter dan die van autotrofe bacteriën;
-pH-waarde: Het geschikte bereik is 6,0-9,0, en sommige heterotrofe bacteriën (zoals schimmels) kunnen nog steeds overleven onder zure omstandigheden bij pH 5,0 of alkalische omstandigheden bij pH 10,0;
-Nutriëntenverhouding: Voldoende organische koolstof is vereist en gevoelig voor de koolstof-stikstofverhouding (C/N) - meestal is een C/N-verhouding van 5-10:1 vereist. Als de koolstofbron onvoldoende is, zullen heterotrofe bacteriën een afname van de activiteit en CZV-verwijderingssnelheid ervaren als gevolg van "verhongering".
4、 Samenwerking en concurrentie: Microbiële relaties in actief slib systemen
In het actief slibsysteem bestaan autotrofe en heterotrofe micro-organismen niet onafhankelijk, maar hebben ze een dubbele relatie van "synergie" en "concurrentie", en de balans tussen de twee beïnvloedt direct de effectiviteit van de afvalwaterzuivering.
（1） Collaboratieve relatie: complementaire functies, gezamenlijk de zuivering voltooien
De synergie tussen de twee komt voornamelijk tot uiting in het "denitrificatieproces": autotrofe nitrificerende bacteriën zetten ammoniakstikstof om in nitraat (nitrificatieproces), terwijl heterotrofe denitrificerende bacteriën, onder anaerobe omstandigheden, organische koolstof in afvalwater gebruiken als elektrondonor om nitraat te reduceren tot stikstof (N ₂) en deze in de lucht vrij te geven (denitrificatieproces) - zonder autotrofe bacteriën hebben denitrificerende bacteriën geen "substraat" om te gebruiken; Als heterotrofe bacteriën ontbreken, kan het nitraat dat door nitrificerende bacteriën wordt geproduceerd niet worden verwijderd, en uiteindelijk kan de totale stikstof niet aan de norm voldoen. Bovendien kunnen heterotrofe bacteriën de organische belasting in afvalwater verminderen na het afbreken van CZV, waardoor een geschikte leefomgeving wordt gecreëerd voor autotrofe bacteriën die gevoelig zijn voor organische koolstof en indirect hun activiteit bevorderen.
（2） Competitieve relatie: concurrentie om hulpbronnen, beïnvloeding van de systeembalans
De concurrentie tussen de twee richt zich voornamelijk op "opgeloste zuurstof" en "leefruimte": wanneer de CZV-concentratie in afvalwater te hoog is, zullen heterotrofe bacteriën zich snel voortplanten als gevolg van "voldoende voedsel", een grote hoeveelheid opgeloste zuurstof verbruiken en de activiteit van autotrofe bacteriën wordt geremd als gevolg van "hypoxie", wat resulteert in het fenomeen van "goed CZV-verwijderingseffect maar slecht ammoniakstikstofverwijderingseffect"; Omgekeerd, als de CZV-concentratie in afvalwater te laag is (zoals industrieel afvalwater), is de activiteit van heterotrofe bacteriën onvoldoende en kunnen stabiele slibvlokken niet worden gevormd. Autotrofe bacteriën gaan ook verloren als gevolg van "dragerdeficiëntie", wat de nitrificatie-efficiëntie beïnvloedt. Daarom is het in praktische processen noodzakelijk om de competitieve relatie tussen de twee in evenwicht te brengen door parameters zoals de inlaatwaterbelasting en de terugstroomverhouding aan te passen. Bijvoorbeeld, bij de behandeling van afvalwater met een hoge CZV, kan "gesegmenteerd inlaatwater" worden gebruikt om de lokale organische belasting te verminderen en de zuurstofbehoefte van nitrificerende bacteriën te waarborgen.
5、 Samenvatting: Kernverschillen en technologische betekenis tussen twee soorten micro-organismen
Het verschil tussen autotrofe en heterotrofe micro-organismen in actief slib is in wezen het verschil in "energiebronnen en koolstofbrongebruiksmethoden", dat zich uitstrekt tot een reeks verschillen in functionele positionering, aanpassingsvermogen aan de omgeving en microbiële relaties tussen de twee (zoals weergegeven in tabel 1).
Het begrijpen van deze verschillen heeft een belangrijke leidende betekenis voor het optimaliseren van afvalwaterzuiveringsprocessen: bijvoorbeeld, bij de behandeling van afvalwater met een hoog ammoniakstikstofgehalte en een lage CZV (zoals afvalwater uit de aquacultuur), is het noodzakelijk om de overlevingsomstandigheden van autotrofe bacteriën te waarborgen (DO verhogen, temperatuur regelen) en op passende wijze koolstofbronnen toe te voegen om aan de denitrificatiebehoeften van heterotrofe bacteriën te voldoen; Bij de behandeling van afvalwater met een hoge CZV en een lage ammoniakstikstof (zoals afvalwater uit de voedingsmiddelenindustrie), is het noodzakelijk om de organische belasting te beheersen, overmatige groei van heterotrofe bacteriën te voorkomen en autotrofe bacteriën te remmen, en ervoor te zorgen dat CZV en ammoniakstikstof tegelijkertijd aan de normen voldoen. Kortom, de stabiele werking van een actief slibsysteem is in wezen een "dynamisch evenwicht" tussen autotrofe en heterotrofe micro-organismen. Alleen door de behoeften van beide nauwkeurig op elkaar af te stemmen, kan de maximale efficiëntie van de afvalwaterzuivering worden bereikt.
