Nel sistema a fanghi attivi per il trattamento delle acque reflue, i microrganismi fungono da "esecutori" principali per la depurazione degli inquinanti. A seconda dei loro metodi di acquisizione dell'energia e delle forme di utilizzo delle fonti di carbonio, questi microrganismi possono essere ampiamente classificati in due categorie: autotrofi ed eterotrofi. Questi due tipi mostrano differenze fondamentali nei meccanismi metabolici, nei ruoli funzionali e nell'adattabilità ambientale, formando collettivamente la struttura ecologica dei fanghi attivi. Tuttavia, i loro percorsi d'azione e i valori fondamentali differiscono in modo significativo. Una profonda comprensione di queste differenze è cruciale per ottimizzare i processi di trattamento delle acque reflue e migliorare l'efficienza di depurazione.
1. Differenze fondamentali: la distinzione fondamentale tra fonti di energia e utilizzo delle fonti di carbonio
La fonte di energia e la fonte di carbonio sono indicatori fondamentali che distinguono i microrganismi autotrofi ed eterotrofi. Questi due fattori chiave determinano direttamente la loro direzione metabolica e la dipendenza dalla sopravvivenza, nonché la logica sottostante per i loro diversi ruoli nel sistema a fanghi attivi.
(1) Microrganismi autotrofi: trasformatori di materia inorganica "autosufficienti"
La caratteristica principale dei microrganismi autotrofi è la loro capacità di sintetizzare autonomamente composti organici dal carbonio inorganico, utilizzando sostanze inorganiche come "combustibile energetico" senza fare affidamento sulla materia organica esterna, funzionando come i "produttori" negli ecosistemi.
In termini di acquisizione di energia, questi microrganismi ottengono energia ossidando sostanze inorganiche. Ad esempio, i batteri nitrificanti ricavano energia ossidando l'azoto ammoniacale (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻), mentre i batteri nitrito-ossidanti ossidano il nitrito (NO₂⁻→NO₃⁻). I batteri ossidanti lo zolfo, d'altra parte, generano energia ossidando i solfuri (ad esempio, H₂S→S→SO₄²⁻). Per quanto riguarda l'utilizzo della fonte di carbonio, si basano esclusivamente sull'anidride carbonica (CO₂) o sui carbonati (come HCO₃⁻) come unica fonte di carbonio, convertendo il carbonio inorganico in carbonio organico attraverso la fotosintesi o la chemiosintesi per costruire le loro cellule e svolgere attività metaboliche. Questa caratteristica "autosufficiente" consente loro di sopravvivere senza dipendere dagli inquinanti organici nelle acque reflue.
(2) Microrganismi eterotrofi: degradatori di materia organica "dipendenti dall'esterno"
I microrganismi eterotrofi sono l'esatto opposto di quelli autotrofi. Non possono utilizzare sostanze inorganiche per l'energia o sintetizzare autonomamente il carbonio organico, facendo invece affidamento sulla materia organica preesistente dall'ambiente esterno sia come "fonte di energia" che come "fonte di carbonio". Questo li rende funzionalmente equivalenti a "consumatori" e "decompositori" in un ecosistema.
In termini di acquisizione di energia, questi microrganismi ottengono energia decomponendo gli inquinanti organici nelle acque reflue (come carboidrati, proteine, grassi, ecc., quantificati da COD, ovvero domanda chimica di ossigeno). Ad esempio, i batteri eterotrofi aerobici scompongono il glucosio in CO₂ e H₂O rilasciando energia per il proprio metabolismo. Per quanto riguarda l'utilizzo della fonte di carbonio, assorbono direttamente il carbonio organico dalle acque reflue (come i componenti COD e le piccole molecole organiche) senza la necessità di una sintesi autonoma. Le loro attività metaboliche dipendono interamente dalla concentrazione e dai tipi di inquinanti organici nelle acque reflue.
II. Ruoli funzionali: diversi ruoli nel sistema di depurazione a fanghi attivi
Sulla base delle differenze nell'utilizzo dell'energia e della fonte di carbonio, i microrganismi autotrofi ed eterotrofi nei sistemi a fanghi attivi svolgono funzioni di depurazione nettamente diverse. I primi si concentrano sulla trasformazione della materia inorganica, mentre i secondi si concentrano sulla degradazione della materia organica, lavorando sinergicamente per garantire un'efficace depurazione delle acque reflue.
(1) Microrganismi autotrofi: focalizzati sulla "rimozione di azoto e zolfo", trattando gli inquinanti inorganici
I microrganismi autotrofi svolgono un ruolo centrale nei fanghi attivi facilitando la trasformazione e la rimozione di sostanze inorganiche, con i nitrosomonas (inclusi Nitrosomonas e Nitrobacter) come i più rappresentativi. Questi batteri sono attori chiave nei processi di rimozione dell'azoto dalle acque reflue. In condizioni aerobiche, i Nitrosomonas ossidano per primi l'azoto ammoniacale (NH₄⁺) nelle acque reflue in nitrito (NO₂⁻), che viene poi ulteriormente ossidato in nitrato (NO₃⁻) dai Nitrobacter. Questo processo, noto come "reazione di nitrificazione", è il passaggio fondamentale nella rimozione biologica dell'azoto. Senza i batteri nitrificanti autotrofi, l'azoto ammoniacale nelle acque reflue non può essere convertito in nitrato, che può successivamente essere rimosso attraverso la denitrificazione, portando in definitiva a livelli eccessivi di azoto ammoniacale nell'effluente.
Inoltre, alcuni batteri autotrofi ossidanti lo zolfo possono ossidare i solfuri nelle acque reflue, convertendoli in solfati innocui e prevenendo l'inibizione tossica dei solfuri sui microrganismi, garantendo così il funzionamento stabile del sistema a fanghi attivi. Tuttavia, va notato che i microrganismi autotrofi hanno un tasso metabolico estremamente lento (con un ciclo di generazione tipico di 10-30 ore) e sono sensibili alle condizioni ambientali (come temperatura, ossigeno disciolto e pH). Di conseguenza, la loro proporzione nel sistema a fanghi attivi è solitamente bassa (circa 5%-10%).
(2) Microrganismi eterotrofi: "degradazione del COD" principale, costruzione di fiocchi di fango
I microrganismi eterotrofi sono la "forza principale" dei fanghi attivi, rappresentando oltre il 90% della sua popolazione. Le loro funzioni primarie sono concentrate in due aspetti principali: la degradazione della materia organica e la formazione di fiocchi di fango, che determinano direttamente l'efficienza di rimozione del COD nelle acque reflue e le prestazioni di sedimentazione dei fanghi attivi.
Nella degradazione della materia organica, i batteri eterotrofi aerobici scompongono i composti organici macromolecolari (come amido, lipidi e proteine) nelle acque reflue in molecole organiche più piccole attraverso la respirazione aerobica. Queste molecole più piccole vengono ulteriormente decomposte in prodotti inorganici come CO₂ e H₂O, riducendo così il valore COD delle acque reflue. Questo è l'obiettivo principale del trattamento delle acque reflue domestiche e delle acque reflue organiche industriali. Ad esempio, negli impianti di trattamento delle acque reflue urbane, i batteri eterotrofi possono ridurre il COD in ingresso da 300-500 mg/L a meno di 50 mg/L, soddisfacendo gli standard di scarico.
Nella formazione di fiocchi di fango, alcuni microrganismi eterotrofi (come attinomiceti e funghi) secernono sostanze viscose come polisaccaridi e proteine, che aggregano le cellule microbiche disperse in fiocchi strutturalmente stabili (cioè, fiocchi di fanghi attivi). Questi fiocchi non solo incapsulano gli inquinanti e migliorano l'efficienza di degradazione, ma si depositano anche rapidamente nei serbatoi di sedimentazione, ottenendo la separazione fango-acqua e prevenendo la perdita microbica con l'effluente. Se l'attività dei batteri eterotrofi è insufficiente o la loro capacità di formazione di fiocchi è debole, può portare a un eccesso di solidi sospesi (SS) nell'effluente e, in casi gravi, causare "rigonfiamento del fango", destabilizzando il sistema.
3、 Adattabilità ambientale: diversi requisiti per le condizioni di processo
Le caratteristiche metaboliche dei microrganismi autotrofi ed eterotrofi differiscono, con conseguenti diversi requisiti per le condizioni ambientali del sistema a fanghi attivi, come l'ossigeno disciolto, la temperatura e il rapporto nutritivo. L'ottimizzazione di queste condizioni è la chiave per garantire il lavoro collaborativo dei due tipi di microrganismi.
（1） Microrganismi autotrofi: altamente sensibili alle condizioni ambientali
L'attività metabolica dei microrganismi autotrofi (in particolare i batteri nitrificanti) richiede condizioni ambientali rigorose e anche piccole fluttuazioni dei parametri possono influire sulla loro attività:
-Ossigeno disciolto (DO): è necessario un adeguato ossigeno disciolto per la reazione di nitrificazione e il DO deve essere mantenuto a 2 mg/L. Se il DO è inferiore a 1 mg/L, l'attività dei batteri nitrificanti sarà significativamente inibita e l'efficienza dell'ossidazione dell'azoto ammoniacale diminuirà drasticamente;
-Temperatura: la temperatura ottimale è 20-30 ℃. Quando la temperatura è inferiore a 10 ℃, il tasso metabolico dei batteri nitrificanti diminuirà di oltre il 50%. In inverno, gli impianti di trattamento delle acque reflue incontrano spesso il problema di un tasso di rimozione dell'azoto ammoniacale insufficiente;
-Valore pH: l'intervallo adatto è 7,5-8,5. Se il pH è inferiore a 6,5 o superiore a 9,0, i batteri nitrificanti interromperanno il metabolismo a causa dell'inibizione dell'attività enzimatica;
-Rapporto nutritivo: non richiede una grande quantità di carbonio organico, ma è sensibile al carbonio organico - se il COD nelle acque reflue è troppo alto, i batteri eterotrofi competeranno con i batteri autotrofi per l'ossigeno disciolto e lo spazio, inibendo la crescita dei batteri nitrificanti.
（2） Microrganismi eterotrofi: altamente tolleranti alle condizioni ambientali
Rispetto ai microrganismi autotrofi, i microrganismi eterotrofi hanno una maggiore adattabilità ambientale e un intervallo di tolleranza più ampio per i parametri di processo:
-Ossigeno disciolto (DO): i batteri eterotrofi aerobici richiedono che il DO sia mantenuto a 1-2 mg/L per soddisfare le loro esigenze metaboliche, mentre alcuni batteri eterotrofi facoltativi (come i batteri denitrificanti) possono ancora degradare la materia organica attraverso la respirazione anaerobica in condizioni anaerobiche;
-Temperatura: la temperatura ottimale è 15-35 ℃, ma può ancora mantenere un certo livello di attività nell'intervallo di 5-40 ℃ e la sua tolleranza alle basse temperature è molto migliore di quella dei batteri autotrofi;
-Valore pH: l'intervallo adatto è 6,0-9,0 e alcuni batteri eterotrofi (come i funghi) possono ancora sopravvivere in condizioni acide a pH 5,0 o in condizioni alcaline a pH 10,0;
-Rapporto nutritivo: è necessario un adeguato carbonio organico ed è sensibile al rapporto carbonio-azoto (C/N) - di solito richiede un rapporto C/N di 5-10:1. Se la fonte di carbonio è insufficiente, i batteri eterotrofi subiranno una diminuzione dell'attività e del tasso di rimozione del COD a causa della "fame".
4、 Collaborazione e competizione: relazioni microbiche nei sistemi a fanghi attivi
Nel sistema a fanghi attivi, i microrganismi autotrofi ed eterotrofi non esistono indipendentemente, ma hanno una duplice relazione di "sinergia" e "competizione", e l'equilibrio tra i due influisce direttamente sull'efficacia del trattamento delle acque reflue.
（1） Relazione collaborativa: funzioni complementari, completando congiuntamente la depurazione
La sinergia tra i due si riflette principalmente nel "processo di denitrificazione": i batteri nitrificanti autotrofi convertono l'azoto ammoniacale in nitrato (processo di nitrificazione), mentre i batteri denitrificanti eterotrofi, in condizioni anaerobiche, utilizzano il carbonio organico nelle acque reflue come donatore di elettroni per ridurre il nitrato in azoto (N₂) e rilasciarlo nell'aria (processo di denitrificazione) - senza batteri autotrofi, i batteri denitrificanti non hanno alcun "substrato" da utilizzare; Se mancano i batteri eterotrofi, il nitrato prodotto dai batteri nitrificanti non può essere rimosso e, in definitiva, l'azoto totale non può soddisfare lo standard. Inoltre, i batteri eterotrofi possono ridurre il carico organico nelle acque reflue dopo aver degradato il COD, creando un ambiente di vita adatto ai batteri autotrofi sensibili al carbonio organico e promuovendo indirettamente la loro attività.
（2） Relazione competitiva: competizione per le risorse, che influisce sull'equilibrio del sistema
La competizione tra i due si concentra principalmente su "ossigeno disciolto" e "spazio vitale": quando la concentrazione di COD nelle acque reflue è troppo alta, i batteri eterotrofi si riprodurranno rapidamente a causa del "cibo sufficiente", consumeranno una grande quantità di ossigeno disciolto e l'attività dei batteri autotrofi sarà inibita a causa della "ipossia", con conseguente fenomeno di "buon effetto di rimozione del COD ma scarso effetto di rimozione dell'azoto ammoniacale"; Al contrario, se la concentrazione di COD nelle acque reflue è troppo bassa (come le acque reflue industriali), l'attività dei batteri eterotrofi è insufficiente e non è possibile formare fiocchi di fango stabili. Anche i batteri autotrofi andranno persi a causa della "carenza di vettore", influenzando l'efficienza di nitrificazione. Pertanto, nei processi pratici, è necessario bilanciare la relazione competitiva tra i due regolando parametri come il carico idrico in ingresso e il rapporto di riflusso. Ad esempio, quando si trattano acque reflue ad alto COD, è possibile utilizzare "acqua in ingresso segmentata" per ridurre il carico organico locale e garantire la domanda di ossigeno disciolto dei batteri nitrificanti.
5、 Riepilogo: differenze fondamentali e significato tecnologico tra due tipi di microrganismi
La differenza tra i microrganismi autotrofi ed eterotrofi nei fanghi attivi è essenzialmente la differenza nei "metodi di utilizzo delle fonti di energia e delle fonti di carbonio", che si estende a una serie di differenze nel posizionamento funzionale, nell'adattabilità ambientale e nelle relazioni microbiche tra i due (come mostrato nella Tabella 1).
La comprensione di queste differenze ha un importante significato guida per l'ottimizzazione dei processi di trattamento delle acque reflue: ad esempio, quando si trattano acque reflue ad alto azoto ammoniacale e basso COD (come le acque reflue dell'acquacoltura), è necessario concentrarsi sulla garanzia delle condizioni di sopravvivenza dei batteri autotrofi (aumentando il DO, controllando la temperatura) e aggiungendo opportunamente fonti di carbonio per soddisfare le esigenze di denitrificazione dei batteri eterotrofi; Quando si trattano acque reflue ad alto COD e basso azoto ammoniacale (come le acque reflue alimentari), è necessario controllare il carico organico, evitare la crescita eccessiva di batteri eterotrofi e inibire i batteri autotrofi e garantire che COD e azoto ammoniacale soddisfino gli standard contemporaneamente. In breve, il funzionamento stabile di un sistema a fanghi attivi è essenzialmente un "equilibrio dinamico" tra microrganismi autotrofi ed eterotrofi. Solo abbinando accuratamente le esigenze di entrambi è possibile ottenere la massima efficienza del trattamento delle acque reflue.
