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编者按：往期介绍了有关微生物内源过程定义、机制等内容（参照往期《污水处理系统中微生物内源过程》），并对与系统中生物量多寡直接相关的细胞衰减进行着重介绍，特别是与污水除磷有关的聚磷菌与聚糖原菌的衰减特征（参照往期《活性污泥中聚磷菌/聚糖原菌内源衰减特征探究》）。其中，高等微生物捕食对细菌衰减速率具有显著影响。然而，有关活性污泥系统中高等微生物捕食过程的代谢机制尚不明确、且仍无行之有效的方法用于测定高等微生物捕食代谢作用。对此，本研究尝试采用机械破碎方式来灭活活性污泥中高等微生物但不影响细菌活性，并通过测定破碎前后泥样耗氧速率来间接计算高等微生物活性。实验结果表明，活性污泥中高等微生物均可被分散机有效破碎灭活、且再培养138 h后不再恢复。机械破碎对酵母菌菌形态、数量和代谢活性（OUR）没有影响，即，尺寸小于酵母菌的细菌也不会受到影响。此外，丝状菌对高等微生物活性测定的影响可被忽略。并且基于五种典型的活性污泥工艺（实验室规模UCT工艺及全尺寸MBR、氧化沟、倒置A2/O、A/O工艺）中高等微生物活性的测定表明，高等微生物活性与SRT成正相关关系，并与进水组分有关。本文发表于《Water research》（2010年5月）。

整理 | 马彦

责编 | 郝晓地

文章亮点

机械破碎法可准确、且完全破碎、灭活活性污泥中的高等微生物而不会对细菌个数、形态和活性造成影响。

离心法可使经过机械破碎的活性污泥絮体恢复絮凝体结构，避免因破碎使絮体处于分离状态，进而使O2扩散阻力变小而导致的OUR增高现象发生。

高等微生物活性与工艺系统污泥龄（SRT）成正相关关系，且与进水组分有关。

前言

如今，活性污泥法已广泛应用于污水处理。正确认识微生物微观机理有助于系统运行的稳定与改善。其中，除细菌、病毒等微生物外，高等微生物（原生动物和后生动物）也存在于活性污泥体系中。其可通过捕食细菌来降低污泥产量，但若其过度生长则可能导致对硝化细菌过度捕食，引发硝化过程恶化。

然而，有关活性污泥系统中高等微生物捕食过程的代谢机制尚不明确，且仍无行之有效的方法用于测定高等微生物的捕食代谢作用。总体而言，大多研究采取抑制其活性的思路，通过对比被抑制系统与非抑制系统耗氧速率（或内源呼吸速率）计算出高等微生物的活性。但这对于具有较长SRT的活性污泥系统而言，被抑制的高等微生物在系统再培养时间达到目标SRT之前便已能够恢复活性，以至于这种方法在研究高等微生物活性方面存在相当大的误差。

对此，本研究尝试采用机械破碎法来灭活活性污泥中的高等微生物，并通过对比试验定量高等微生物的活性。其中，从各个角度评估了机械破碎法对细菌、丝状菌和活性污泥絮凝体、高等微生物的影响，旨在探讨这一方法的可行性。

1 材料和方法

1.1 实验材料

实验用活性污泥分别取自实验室规模活性污泥系统和四个实际污水处理厂，如表1所示。并且选用活性酿酒酵母菌以间接验证机械破碎法对细菌的影响。此外，为了评估机械破碎对丝状菌的影响，以5种具有代表性的丝状菌（包括多细胞丝状菌与单细胞丝状菌）进行实验。

表1 活性污泥特征参数

1.2 主要实验过程

1.2.1 分散机破碎高等微生物

使用机械分散机（如图1所示）从活性污泥中去除高等微生物，通过机械破碎来测试活性污泥中被去除的高等微生物的比例。其中，整个破碎过程（30 min）在恒温水浴内进行，以避免分散机的高速旋转过程（24 000 rpm）产生的热量对活性污泥造成升温影响。

图1 机械分散机（IKA®T18basic ULTRA-TURRAX®）

1.2.2 破碎后活性污泥絮体恢复

破碎过程对活性污泥絮体的破坏会导致O2扩散阻力改变。因此，为了获得更准确的OUR值，有必要在破碎后恢复絮体。并通过SVI、粒径等参数对活性污泥絮体进行表征。其中，将破碎后的污泥样品以10 000 rpm的速度离心3 min，并静置50 min使絮体重构。

1.2.3 测定高等微生物活性

根据对OUR测量可定量计算不同活性污泥系统中高等微生物的活性。公式如下所示。其中，DO1与DO2分别为反应前、末期体系内的溶解氧含量，（t2-t1）为反应时长；Activity为高等微生物活性，OURori为初始样品中的OUR，OURshe/cen为破碎或离心样品中的OUR。

1.3 破碎对酵母菌的影响

利用机械破碎对酵母菌进行破碎、灭活处理。利用血细胞计数器（25×16）在显微镜下观察和计数破碎前后的酵母菌形态与数量，并通过测定破碎前后酵母菌的最大耗氧速率（SOUR）以确定机械破碎对酵母菌，乃至体积更小细菌的影响。相关公式如下。其中，cell80为80个网格中的酵母菌个数，times为稀释倍数；X为混合液体挥发性悬浮固体（MLVSS)。

1.4 破碎对丝状菌的影响

以5种具有代表性的丝状菌（包括多细胞丝状菌与单细胞丝状菌）进行机械破碎的影响实验。其中，通过测定OUR及显微镜观察进行分析和评估。

2 结果和讨论

2.1 活性污泥中高等微生物破碎灭活率

经过30 min的机械破碎，活性污泥系统中的高等微生物已无法被观测到且污泥絮体也被完全破坏，如图2所示。其中，对破碎时间与灭活率的关系进行了定量分析，如图3所示。结果显示，完全灭活高等微生物需要20 min。此外，将破碎后的泥样再培养72 h后仍无法观测到高等微生物，说明机械破碎方法能够完全灭活活性污泥中的高等微生物。

图2 机械破碎前（a）后（b）的活性污泥样品

图3 高等微生物机械破碎灭活率变化趋势

2.2 破碎对细菌/酵母菌的影响

长时间破碎可能会对细菌细胞产生负面影响。并且细菌细胞越大，受到破碎剪切的影响越大。对此，通过酵母菌（尺寸为100~300 μm，介于细菌与高等微生物之间）破碎实验间接评估机械破碎对细菌细胞的影响。结果显示，机械破碎对酵母菌的形态及数量（破碎前后菌数分别为 (44.0±0.5)×106个/mL和 (44.0±0.6)×106个/mL）均不造成影响，且破碎前后酵母菌的SOUR（分别为7.7±0.1 mgO2/gVSS/h和7.7±0.2 mgO2/gVSS/h）也无明显差异。因此，可认为机械破碎不会对比酵母菌形态更小的细菌的个数、形态和活性造成影响。

2.3 破碎对丝状菌的影响

由于丝状菌的长度大于原生动物和后生动物，有必要对其破碎前后的活性及对高等微生物活性测定的影响进行评估。由于同种类丝状菌的变化状态基本一致，因此，此处仅列出两种丝状菌（多细胞丝状菌A.potronii和单细胞丝状菌Mucor hiemalis f.hiemalis）破碎前后的形态变化（图4）。结果表明，经过破碎的丝状菌结构均被完全破坏。然而，由于单细胞丝状菌菌体是被直接破坏，而多细胞丝状菌结构被破坏后，实际上其碎片仍为单个细胞本身。因此，与多细胞丝状菌相比，单细胞丝状菌OURs显著降低（>50%），如图5所示。

此外，在实践中，正常活性污泥中丝状菌占比一般<1%。且其大部分为多细胞结构。因此，认为丝状菌对通过机械破碎后测定OUR差值方式定量高等微生物活性的方式不造成影响。

图4 机械破碎前后的A.potronii（a）（b）

及Mucor hiemalis f.hiemalis（c）（d）

图5 机械破碎前后不同种类丝状菌的OUR

2.4 机械破碎后絮凝体的重构

各泥样破碎前后及絮体重构后的平均絮体尺寸如图6所示。可见，破碎前后絮体尺寸存在巨大差异。由于活性污泥絮体尺寸的改变会使得O2扩散阻力发生变化，这会导致OUR测定受到影响。因此，必须先将破碎后污泥絮体进行重构以避免误差产生。本研究采用离心方式重构絮体，可使絮体尺寸恢复到与原始样品几乎相同状态（图6、7）。并且泥样的SVI也可以恢复如初，如图8所示。

此外，实际上，只要系统中DO含量足够高（测量OUR期间保持5~6 mg/L），O2扩散到絮凝体中就不会成为问题。因此，絮体重构后所测定的OUR即可认为是有效结果。

图6 机械破碎前后及絮体重构后各泥样絮体的平均尺寸

图7 机械破碎前（a）后（b）及絮体重构后（c）的泥样（氧化沟系统）

2.5 OUR和高等微生物活性测定

2.5.1 破碎后和絮体重构后泥样活性比较

5种不同工艺系统的泥样OUR测定结果如表2所示。显然，高等微生物破碎灭活后，泥样活性降低。絮体重构后，由于O2扩散阻力增加，泥样活性进一步降低。这一差异使得高等微生物活性比基于破碎后泥样OUR确定的活性更大（平均2%甚至更多），如图8所示。显然，这种测定方式更能够反映活性污泥系统中高等微生物的真实活性。

表2 5种不同工艺系统中活性污泥的OUR

2.5.2 测定高等微生物活性

根据计算可知，5个工艺系统中高等微生物活性分别为25.0%、15.6%、14.8%、11.1%和9.4%，如表2所示。即，较长的SRT可能会导致高等微生物在活性污泥系统中的活性更强。这是由于高等微生物处于活性污泥生态系统中食物链的顶端，需要更长时间进行生长繁殖。此外，UCT工艺系统中的高等微生物高活性可能与污水进水组分有关。其仅采用生活废水作为进水，而其他系统则同时供应生活污水和工业废水。这将导致产生不同数量和类型的原生动物和后生动物，进而出现高等微生物活性的巨大差异。

3 结论

通过分散机机械破碎作用可以完全灭活活性污泥系统中的高等微生物；

机械破碎对酵母菌形态、数量和比活性没有影响。因此，尺寸小于酵母菌的细菌预计也不会受到机械破碎的影响；

破碎前后多细胞丝状菌OUR几乎没有差异（<2%）；单细胞丝状菌OUR显著下降（>50%）。然而，由于正常活性污泥中丝状菌含量较低（<1%），且大多数具有多细胞结构，因此，可以忽略丝状菌对高等微生物活性测定的影响；

由于絮体尺寸减小带来的O2扩散阻力降低，破碎后污泥不能直接用于确定高等微生物活性，这会导致活性计算值较低。而应以通过离心对絮体重构后的测定及计算值为准；

实验室规模UCT工艺系统和4个全尺寸MBR、氧化沟、倒置A2/O和A/O工艺系统中，高等微生物活性分别为25.0%、15.6%、14.8%、11.1%和9.4%。

原文信息：Hao, X., Wang, Q., Cao, Y. and van Loosdrecht, M.C.M. (2010) Measuring the activities of higher organisms in activated sludge by means of mechanical shearing pretreatment and oxygen uptake rate. Water Research 44(13), 3993-4001.

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