Im Abwasserbehandlungssystem mit Belebtschlamm dienen Mikroorganismen als zentrale "Ausführer" für die Schadstoffreinigung. Abhängig von ihren Energiebeschaffungsmethoden und der Art der Kohlenstoffquellennutzung können diese Mikroorganismen grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: autotroph und heterotroph. Diese beiden Typen weisen grundlegende Unterschiede in den Stoffwechselmechanismen, den funktionellen Rollen und der Umweltanpassungsfähigkeit auf und bilden zusammen die ökologische Struktur des Belebtschlamms. Ihre Wirkungsweisen und Kernwerte unterscheiden sich jedoch erheblich. Ein tiefes Verständnis dieser Unterschiede ist entscheidend für die Optimierung von Abwasserbehandlungsprozessen und die Steigerung der Reinigungsleistung.
1. Kernunterschiede: Die grundlegende Unterscheidung zwischen Energiequellen und Kohlenstoffquellennutzung
Die Energiequelle und die Kohlenstoffquelle sind grundlegende Indikatoren, die autotrophe und heterotrophe Mikroorganismen unterscheiden. Diese beiden Schlüsselfaktoren bestimmen direkt ihre Stoffwechselrichtung und ihre Überlebensabhängigkeit sowie die zugrunde liegende Logik für ihre unterschiedlichen Rollen im Belebtschlammsystem.
(1) Autotrophe Mikroorganismen: "Selbstversorgende" Umwandler anorganischer Stoffe
Das Kernmerkmal autotropher Mikroorganismen ist ihre Fähigkeit, organische Verbindungen unabhängig von anorganischem Kohlenstoff zu synthetisieren, wobei sie anorganische Stoffe als "Energieträger" verwenden, ohne auf externe organische Stoffe angewiesen zu sein, und als "Produzenten" in Ökosystemen fungieren.
In Bezug auf die Energiebeschaffung gewinnen diese Mikroorganismen Energie durch die Oxidation anorganischer Stoffe. Beispielsweise gewinnen nitrifizierende Bakterien Energie durch die Oxidation von Ammoniakstickstoff (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻), während nitritoxidierende Bakterien Nitrit oxidieren (NO₂⁻→NO₃⁻). Schwefeloxidierende Bakterien hingegen erzeugen Energie durch die Oxidation von Sulfiden (z. B. H₂S→S→SO₄²⁻). In Bezug auf die Kohlenstoffquellennutzung sind sie ausschließlich auf Kohlendioxid (CO₂) oder Carbonate (wie HCO₃⁻) als einzige Kohlenstoffquelle angewiesen und wandeln anorganischen Kohlenstoff durch Photosynthese oder Chemosynthese in organischen Kohlenstoff um, um ihre Zellen aufzubauen und Stoffwechselaktivitäten durchzuführen. Diese "selbstversorgende" Eigenschaft ermöglicht es ihnen, ohne Abhängigkeit von organischen Schadstoffen im Abwasser zu überleben.
(2) Heterotrophe Mikroorganismen: "Extern abhängige" Abbauer organischer Stoffe
Heterotrophe Mikroorganismen sind das genaue Gegenteil von autotrophen. Sie können keine anorganischen Stoffe für Energie nutzen oder organischen Kohlenstoff autonom synthetisieren und sind stattdessen auf bereits vorhandene organische Stoffe aus der äußeren Umgebung als "Energiequelle" und "Kohlenstoffquelle" angewiesen. Dies macht sie funktionell äquivalent zu "Konsumenten" und "Zersetzern" in einem Ökosystem.
In Bezug auf die Energiebeschaffung gewinnen diese Mikroorganismen Energie durch den Abbau organischer Schadstoffe im Abwasser (wie Kohlenhydrate, Proteine, Fette usw., quantifiziert durch CSB, d. h. chemischer Sauerstoffbedarf). Beispielsweise bauen aerobe heterotrophe Bakterien Glukose in CO₂ und H₂O ab und setzen dabei Energie für ihren eigenen Stoffwechsel frei. In Bezug auf die Kohlenstoffquellennutzung absorbieren sie organischen Kohlenstoff direkt aus dem Abwasser (wie CSB-Bestandteile und kleine organische Moleküle), ohne dass eine autonome Synthese erforderlich ist. Ihre Stoffwechselaktivitäten hängen vollständig von der Konzentration und den Arten organischer Schadstoffe im Abwasser ab.
II. Funktionelle Rollen: Unterschiedliche Rollen im Belebtschlamm-Reinigungssystem
Basierend auf Unterschieden in der Energie- und Kohlenstoffquellennutzung erfüllen autotrophe und heterotrophe Mikroorganismen in Belebtschlammsystemen deutlich unterschiedliche Reinigungsfunktionen. Erstere konzentrieren sich auf die Umwandlung anorganischer Stoffe, während letztere sich auf den Abbau organischer Stoffe konzentrieren und synergistisch zusammenarbeiten, um eine effektive Abwasserreinigung zu gewährleisten.
(1) Autotrophe Mikroorganismen: Konzentration auf "Stickstoff- und Schwefelentfernung", Behandlung anorganischer Schadstoffe
Autotrophe Mikroorganismen spielen eine zentrale Rolle im Belebtschlamm, indem sie die Umwandlung und Entfernung anorganischer Stoffe erleichtern, wobei Nitrosomonas (einschließlich Nitrosomonas und Nitrobacter) am repräsentativsten sind. Diese Bakterien sind Schlüsselakteure in Abwasserstickstoffentfernungsprozessen. Unter aeroben Bedingungen oxidiert Nitrosomonas zunächst Ammoniakstickstoff (NH₄⁺) im Abwasser zu Nitrit (NO₂⁻), das dann von Nitrobacter weiter zu Nitrat (NO₃⁻) oxidiert wird. Dieser Prozess, bekannt als "Nitrifikationsreaktion", ist der Kernschritt bei der biologischen Stickstoffentfernung. Ohne autotrophe nitrifizierende Bakterien kann der Ammoniakstickstoff im Abwasser nicht in Nitrat umgewandelt werden, das anschließend durch Denitrifikation entfernt werden kann, was letztendlich zu übermäßigen Ammoniakstickstoffwerten im Abwasser führt.
Darüber hinaus können einige autotrophe schwefeloxidierende Bakterien Sulfide im Abwasser oxidieren, sie in harmlose Sulfate umwandeln und die toxische Hemmung von Sulfiden auf Mikroorganismen verhindern, wodurch der stabile Betrieb des Belebtschlammsystems gewährleistet wird. Es ist jedoch zu beachten, dass autotrophe Mikroorganismen eine extrem langsame Stoffwechselrate haben (mit einem typischen Generationszyklus von 10-30 Stunden) und empfindlich auf Umweltbedingungen (wie Temperatur, gelöster Sauerstoff und pH-Wert) reagieren. Folglich ist ihr Anteil im Belebtschlammsystem in der Regel gering (ca. 5 %-10 %).
(2) Heterotrophe Mikroorganismen: Kern "CSB-Abbau", Bildung von Schlammflocken
Heterotrophe Mikroorganismen sind die "Hauptkraft" des Belebtschlamms und machen über 90 % seiner Population aus. Ihre Hauptfunktionen konzentrieren sich auf zwei Hauptaspekte: den Abbau organischer Stoffe und die Bildung von Schlammflocken, die direkt die CSB-Entfernungseffizienz im Abwasser und das Absetzverhalten des Belebtschlamms bestimmen.
Beim Abbau organischer Stoffe bauen aerobe heterotrophe Bakterien makromolekulare organische Verbindungen (wie Stärke, Lipide und Proteine) im Abwasser durch aerobe Atmung in kleinere organische Moleküle ab. Diese kleineren Moleküle werden weiter in anorganische Produkte wie CO₂ und H₂O abgebaut, wodurch der CSB-Wert des Abwassers reduziert wird. Dies ist das Kernziel der Behandlung von häuslichem Abwasser und industriellem organischem Abwasser. Beispielsweise können heterotrophe Bakterien in städtischen Abwasserbehandlungsanlagen den Zulauf-CSB von 300-500 mg/L auf unter 50 mg/L reduzieren und so die Entladungsstandards erfüllen.
Bei der Bildung von Schlammflocken sondern bestimmte heterotrophe Mikroorganismen (wie Aktinomyzeten und Pilze) viskose Substanzen wie Polysaccharide und Proteine ab, die dispergierte mikrobielle Zellen zu strukturell stabilen Flocken (d. h. Belebtschlammflocken) aggregieren. Diese Flocken kapseln nicht nur Schadstoffe ein und erhöhen die Abbaueffizienz, sondern setzen sich auch schnell in Absetzbecken ab, wodurch eine Schlamm-Wasser-Trennung erreicht und mikrobieller Verlust mit dem Abwasser verhindert wird. Wenn die Aktivität heterotropher Bakterien unzureichend ist oder ihre Flockenbildungsfähigkeit schwach ist, kann dies zu übermäßigen suspendierten Feststoffen (SS) im Abwasser führen und in schweren Fällen zu "Schlammaufblähung" führen, wodurch das System destabilisiert wird.
3、 Umweltanpassungsfähigkeit: Unterschiedliche Anforderungen an die Prozessbedingungen
Die Stoffwechseleigenschaften autotropher und heterotropher Mikroorganismen unterscheiden sich, was zu unterschiedlichen Anforderungen an die Umweltbedingungen des Belebtschlammsystems führt, wie z. B. gelöster Sauerstoff, Temperatur und Nährstoffverhältnis. Die Optimierung dieser Bedingungen ist der Schlüssel zur Gewährleistung der Zusammenarbeit der beiden Arten von Mikroorganismen.
（1） Autotrophe Mikroorganismen: hochsensibel gegenüber Umweltbedingungen
Die Stoffwechselaktivität autotropher Mikroorganismen (insbesondere nitrifizierender Bakterien) erfordert strenge Umweltbedingungen, und selbst kleine Parameterfluktuationen können ihre Aktivität beeinträchtigen:
-Gelöster Sauerstoff (DO): Für die Nitrifikationsreaktion ist ausreichend gelöster Sauerstoff erforderlich, und der DO muss bei 2 mg/L gehalten werden. Wenn der DO unter 1 mg/L liegt, wird die Aktivität der nitrifizierenden Bakterien erheblich gehemmt, und die Effizienz der Ammoniakstickstoffoxidation nimmt stark ab;
-Temperatur: Die optimale Temperatur beträgt 20-30 ℃. Wenn die Temperatur unter 10 ℃ liegt, verringert sich die Stoffwechselrate der nitrifizierenden Bakterien um mehr als 50 %. Im Winter stoßen Abwasserbehandlungsanlagen häufig auf das Problem einer unzureichenden Ammoniakstickstoffentfernungsrate;
-pH-Wert: Der geeignete Bereich liegt bei 7,5-8,5. Wenn der pH-Wert unter 6,5 oder über 9,0 liegt, stellen nitrifizierende Bakterien aufgrund der Enzymaktivitätshemmung den Stoffwechsel ein;
-Nährstoffverhältnis: Benötigt keine große Menge an organischem Kohlenstoff, ist aber empfindlich gegenüber organischem Kohlenstoff - wenn der CSB im Abwasser zu hoch ist, konkurrieren heterotrophe Bakterien mit autotrophen Bakterien um gelösten Sauerstoff und Raum, wodurch das Wachstum nitrifizierender Bakterien gehemmt wird.
（2） Heterotrophe Mikroorganismen: hochtolerant gegenüber Umweltbedingungen
Im Vergleich zu autotrophen Mikroorganismen weisen heterotrophe Mikroorganismen eine stärkere Umweltanpassungsfähigkeit und einen breiteren Toleranzbereich für Prozessparameter auf:
-Gelöster Sauerstoff (DO): Aerobe heterotrophe Bakterien benötigen DO, um bei 1-2 mg/L gehalten zu werden, um ihren Stoffwechselbedarf zu decken, während einige fakultative heterotrophe Bakterien (wie denitrifizierende Bakterien) organische Stoffe auch durch anaerobe Atmung unter anaeroben Bedingungen abbauen können;
-Temperatur: Die optimale Temperatur beträgt 15-35 ℃, kann aber auch innerhalb des Bereichs von 5-40 ℃ ein gewisses Aktivitätsniveau aufrechterhalten, und ihre Toleranz gegenüber niedrigen Temperaturen ist viel besser als die von autotrophen Bakterien;
-pH-Wert: Der geeignete Bereich liegt bei 6,0-9,0, und einige heterotrophe Bakterien (wie Pilze) können unter sauren Bedingungen bei pH 5,0 oder alkalischen Bedingungen bei pH 10,0 noch überleben;
-Nährstoffverhältnis: Es ist ausreichend organischer Kohlenstoff erforderlich und empfindlich gegenüber dem Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis (C/N) - in der Regel wird ein C/N-Verhältnis von 5-10:1 benötigt. Wenn die Kohlenstoffquelle unzureichend ist, erfahren heterotrophe Bakterien aufgrund von "Hunger" eine Abnahme der Aktivität und der CSB-Entfernungsrate.
4、 Zusammenarbeit und Wettbewerb: Mikrobielle Beziehungen in Belebtschlammsystemen
Im Belebtschlammsystem existieren autotrophe und heterotrophe Mikroorganismen nicht unabhängig voneinander, sondern haben eine duale Beziehung von "Synergie" und "Wettbewerb", und das Gleichgewicht zwischen den beiden beeinflusst direkt die Wirksamkeit der Abwasserbehandlung.
（1） Kooperative Beziehung: komplementäre Funktionen, gemeinsame Reinigung
Die Synergie zwischen den beiden spiegelt sich hauptsächlich im "Denitrifikationsprozess" wider: Autotrophe nitrifizierende Bakterien wandeln Ammoniakstickstoff in Nitrat um (Nitrifikationsprozess), während heterotrophe denitrifizierende Bakterien unter anaeroben Bedingungen organischen Kohlenstoff im Abwasser als Elektronendonator verwenden, um Nitrat zu Stickstoff (N ₂) zu reduzieren und in die Luft freizusetzen (Denitrifikationsprozess) - ohne autotrophe Bakterien haben denitrifizierende Bakterien kein "Substrat" zur Verwendung; Wenn heterotrophe Bakterien fehlen, kann das von nitrifizierenden Bakterien produzierte Nitrat nicht entfernt werden, und letztendlich kann der Gesamtstickstoff den Standard nicht erfüllen. Darüber hinaus können heterotrophe Bakterien die organische Belastung im Abwasser reduzieren, nachdem sie CSB abgebaut haben, wodurch eine geeignete Lebensumgebung für autotrophe Bakterien geschaffen wird, die empfindlich auf organischen Kohlenstoff reagieren, und indirekt ihre Aktivität gefördert wird.
（2） Wettbewerbsbeziehung: Ressourcenwettbewerb, Beeinflussung des Systemgleichgewichts
Der Wettbewerb zwischen den beiden konzentriert sich hauptsächlich auf "gelösten Sauerstoff" und "Lebensraum": Wenn die CSB-Konzentration im Abwasser zu hoch ist, vermehren sich heterotrophe Bakterien aufgrund von "ausreichend Nahrung" schnell, verbrauchen eine große Menge an gelöstem Sauerstoff, und die Aktivität autotropher Bakterien wird aufgrund von "Hypoxie" gehemmt, was zu dem Phänomen "guter CSB-Entfernungseffekt, aber schlechter Ammoniakstickstoffentfernungseffekt" führt; Umgekehrt, wenn die CSB-Konzentration im Abwasser zu niedrig ist (z. B. bei Industrieabwasser), ist die Aktivität heterotropher Bakterien unzureichend, und stabile Schlammflocken können nicht gebildet werden. Autotrophe Bakterien gehen auch aufgrund von "Trägermangel" verloren, was die Nitrifikationseffizienz beeinträchtigt. Daher ist es in praktischen Prozessen notwendig, die Wettbewerbsbeziehung zwischen den beiden durch Anpassung von Parametern wie Zulaufwasserlast und Rücklaufverhältnis auszugleichen. Bei der Behandlung von Abwasser mit hohem CSB-Gehalt kann beispielsweise "segmentiertes Zulaufwasser" verwendet werden, um die lokale organische Belastung zu reduzieren und den Sauerstoffbedarf nitrifizierender Bakterien sicherzustellen.
5、 Zusammenfassung: Kernunterschiede und technologische Bedeutung zwischen zwei Arten von Mikroorganismen
Der Unterschied zwischen autotrophen und heterotrophen Mikroorganismen im Belebtschlamm ist im Wesentlichen der Unterschied in den "Energiequellen und Kohlenstoffquellennutzungsmethoden", der sich auf eine Reihe von Unterschieden in der funktionellen Positionierung, der Umweltanpassungsfähigkeit und den mikrobiellen Beziehungen zwischen den beiden erstreckt (siehe Tabelle 1).
Das Verständnis dieser Unterschiede hat eine wichtige Leitfunktion für die Optimierung von Abwasserbehandlungsprozessen: Beispielsweise ist es bei der Behandlung von Abwasser mit hohem Ammoniakstickstoff- und niedrigem CSB-Gehalt (z. B. Aquakulturabwasser) erforderlich, sich auf die Sicherstellung der Überlebensbedingungen autotropher Bakterien zu konzentrieren (Erhöhung des DO, Kontrolle der Temperatur) und in angemessener Weise Kohlenstoffquellen hinzuzufügen, um den Denitrifikationsbedarf heterotropher Bakterien zu decken; Bei der Behandlung von Abwasser mit hohem CSB- und niedrigem Ammoniakstickstoffgehalt (z. B. Lebensmittelabwasser) ist es erforderlich, die organische Belastung zu kontrollieren, übermäßiges Wachstum heterotropher Bakterien zu vermeiden und autotrophe Bakterien zu hemmen und sicherzustellen, dass CSB und Ammoniakstickstoff gleichzeitig die Standards erfüllen. Kurz gesagt, der stabile Betrieb eines Belebtschlammsystems ist im Wesentlichen ein "dynamisches Gleichgewicht" zwischen autotrophen und heterotrophen Mikroorganismen. Nur durch eine genaue Abstimmung der Bedürfnisse beider kann die maximale Effizienz der Abwasserbehandlung erreicht werden.
