No sistema de lodo ativado para tratamento de águas residuais, os microrganismos servem como os principais "executores" para a purificação de poluentes. Dependendo dos seus métodos de aquisição de energia e das formas de utilização da fonte de carbono, estes microrganismos podem ser amplamente classificados em duas categorias: autotróficos e heterotróficos. Estes dois tipos exibem diferenças fundamentais nos mecanismos metabólicos, papéis funcionais e adaptabilidade ambiental, formando coletivamente a estrutura ecológica do lodo ativado. No entanto, os seus caminhos de ação e valores centrais diferem significativamente. Uma compreensão profunda destas diferenças é crucial para otimizar os processos de tratamento de águas residuais e aumentar a eficiência da purificação.
1. Diferenças Centrais: A Distinção Fundamental entre Fontes de Energia e Utilização da Fonte de Carbono
A fonte de energia e a fonte de carbono são indicadores fundamentais que distinguem os microrganismos autotróficos e heterotróficos. Estes dois fatores-chave determinam diretamente a sua direção metabólica e dependência de sobrevivência, bem como a lógica subjacente aos seus papéis distintos no sistema de lodo ativado.
(1) Microrganismos autotróficos: transformadores de matéria inorgânica "autossuficientes"
A característica central dos microrganismos autotróficos é a sua capacidade de sintetizar independentemente compostos orgânicos a partir de carbono inorgânico, usando substâncias inorgânicas como "combustível energético" sem depender de matéria orgânica externa, funcionando como os "produtores" nos ecossistemas.
Em termos de aquisição de energia, estes microrganismos obtêm energia oxidando substâncias inorgânicas. Por exemplo, as bactérias nitrificantes obtêm energia oxidando o nitrogênio amoniacal (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻), enquanto as bactérias nitrito-oxidantes oxidam o nitrito (NO₂⁻→NO₃⁻). As bactérias sulfeto-oxidantes, por outro lado, geram energia oxidando sulfetos (por exemplo, H₂S→S→SO₄²⁻). Em relação à utilização da fonte de carbono, dependem exclusivamente do dióxido de carbono (CO₂) ou carbonatos (como HCO₃⁻) como sua única fonte de carbono, convertendo carbono inorgânico em carbono orgânico através da fotossíntese ou quimiossíntese para construir suas células e realizar atividades metabólicas. Esta característica "autossuficiente" permite que sobrevivam sem depender de poluentes orgânicos nas águas residuais.
(2) Microrganismos heterotróficos: degradadores de matéria orgânica "externamente dependentes"
Os microrganismos heterotróficos são o oposto exato dos autotróficos. Eles não podem utilizar substâncias inorgânicas para obter energia ou sintetizar autonomamente carbono orgânico, dependendo, em vez disso, da matéria orgânica pré-existente do ambiente externo como "fonte de energia" e "fonte de carbono". Isso os torna funcionalmente equivalentes a "consumidores" e "decompositores" em um ecossistema.
Em termos de aquisição de energia, esses microrganismos obtêm energia decompondo poluentes orgânicos nas águas residuais (como carboidratos, proteínas, gorduras, etc., quantificados por DQO, ou seja, demanda química de oxigênio). Por exemplo, as bactérias heterotróficas aeróbicas decompõem a glicose em CO₂ e H₂O, liberando energia para seu próprio metabolismo. Em relação à utilização da fonte de carbono, eles absorvem diretamente o carbono orgânico das águas residuais (como componentes de DQO e pequenas moléculas orgânicas) sem a necessidade de síntese autônoma. Suas atividades metabólicas dependem inteiramente da concentração e dos tipos de poluentes orgânicos nas águas residuais.
II. Papéis Funcionais: Diferentes Papéis no Sistema de Purificação de Lodo Ativado
Com base nas diferenças na utilização da fonte de energia e da fonte de carbono, os microrganismos autotróficos e heterotróficos nos sistemas de lodo ativado desempenham funções de purificação distintamente diferentes. Os primeiros se concentram na transformação da matéria inorgânica, enquanto os últimos se concentram na degradação da matéria orgânica, trabalhando sinergicamente para garantir a purificação eficaz das águas residuais.
(1) Microrganismos autotróficos: Focados na "remoção de nitrogênio e enxofre", tratando poluentes inorgânicos
Os microrganismos autotróficos desempenham um papel central no lodo ativado, facilitando a transformação e remoção de substâncias inorgânicas, sendo as nitrosomonas (incluindo Nitrosomonas e Nitrobacter) as mais representativas. Essas bactérias são atores-chave nos processos de remoção de nitrogênio das águas residuais. Em condições aeróbicas, as Nitrosomonas primeiro oxidam o nitrogênio amoniacal (NH₄⁺) nas águas residuais em nitrito (NO₂⁻), que é então oxidado em nitrato (NO₃⁻) pelas Nitrobacter. Este processo, conhecido como "reação de nitrificação", é a etapa central na remoção biológica de nitrogênio. Sem bactérias nitrificantes autotróficas, o nitrogênio amoniacal nas águas residuais não pode ser convertido em nitrato, que pode subsequentemente ser removido por desnitrificação, levando, em última análise, a níveis excessivos de nitrogênio amoniacal no efluente.
Além disso, algumas bactérias sulfeto-oxidantes autotróficas podem oxidar sulfetos nas águas residuais, convertendo-os em sulfatos inofensivos e impedindo a inibição tóxica dos sulfetos nos microrganismos, garantindo assim a operação estável do sistema de lodo ativado. No entanto, deve-se notar que os microrganismos autotróficos têm uma taxa metabólica extremamente lenta (com um ciclo de geração típico de 10 a 30 horas) e são sensíveis às condições ambientais (como temperatura, oxigênio dissolvido e pH). Consequentemente, sua proporção no sistema de lodo ativado é geralmente baixa (aproximadamente 5%-10%).
(2) Microrganismos heterotróficos: "Degradação de DQO" central, construindo flocos de lodo
Os microrganismos heterotróficos são a "força principal" do lodo ativado, representando mais de 90% de sua população. Suas principais funções estão concentradas em dois aspectos principais: degradação da matéria orgânica e formação de flocos de lodo, que determinam diretamente a eficiência de remoção de DQO nas águas residuais e o desempenho de sedimentação do lodo ativado.
Na degradação da matéria orgânica, as bactérias heterotróficas aeróbicas decompõem compostos orgânicos macromoleculares (como amido, lipídios e proteínas) nas águas residuais em moléculas orgânicas menores por meio da respiração aeróbica. Essas moléculas menores são ainda decompostas em produtos inorgânicos como CO₂ e H₂O, reduzindo assim o valor de DQO das águas residuais. Este é o objetivo central do tratamento de esgoto doméstico e águas residuais orgânicas industriais. Por exemplo, em estações de tratamento de águas residuais urbanas, as bactérias heterotróficas podem reduzir a DQO de entrada de 300-500 mg/L para menos de 50 mg/L, atendendo aos padrões de descarga.
Na formação de flocos de lodo, certos microrganismos heterotróficos (como actinomicetos e fungos) secretam substâncias viscosas como polissacarídeos e proteínas, que agregam células microbianas dispersas em flocos estruturalmente estáveis (ou seja, flocos de lodo ativado). Esses flocos não apenas encapsulam poluentes e aumentam a eficiência da degradação, mas também se depositam rapidamente em tanques de sedimentação, alcançando a separação lodo-água e evitando a perda microbiana com o efluente. Se a atividade das bactérias heterotróficas for insuficiente ou sua capacidade de formação de flocos for fraca, pode levar a sólidos suspensos (SS) excessivos no efluente e, em casos graves, causar "inchaço do lodo", desestabilizando o sistema.
3、 Adaptabilidade ambiental: Diferentes requisitos para as condições do processo
As características metabólicas dos microrganismos autotróficos e heterotróficos diferem, resultando em diferentes requisitos para as condições ambientais do sistema de lodo ativado, como oxigênio dissolvido, temperatura e relação de nutrientes. A otimização dessas condições é a chave para garantir o trabalho colaborativo dos dois tipos de microrganismos.
（1） Microrganismos autotróficos: altamente sensíveis às condições ambientais
A atividade metabólica dos microrganismos autotróficos (especialmente as bactérias nitrificantes) requer condições ambientais rigorosas, e mesmo pequenas flutuações de parâmetros podem afetar sua atividade:
-Oxigênio dissolvido (OD): Oxigênio dissolvido adequado é necessário para a reação de nitrificação, e o OD precisa ser mantido em 2mg/L. Se o OD estiver abaixo de 1mg/L, a atividade das bactérias nitrificantes será significativamente inibida, e a eficiência da oxidação do nitrogênio amoniacal diminuirá drasticamente;
-Temperatura: A temperatura ideal é de 20-30 ℃. Quando a temperatura está abaixo de 10 ℃, a taxa metabólica das bactérias nitrificantes diminuirá em mais de 50%. No inverno, as estações de tratamento de esgoto costumam encontrar o problema da taxa de remoção de nitrogênio amoniacal insuficiente;
-Valor de pH: A faixa adequada é 7,5-8,5. Se o pH estiver abaixo de 6,5 ou acima de 9,0, as bactérias nitrificantes interromperão o metabolismo devido à inibição da atividade enzimática;
-Relação de nutrientes: não requer uma grande quantidade de carbono orgânico, mas é sensível ao carbono orgânico - se a DQO no esgoto for muito alta, as bactérias heterotróficas competirão com as bactérias autotróficas por oxigênio dissolvido e espaço, inibindo o crescimento das bactérias nitrificantes.
（2） Microrganismos heterotróficos: altamente tolerantes às condições ambientais
Em comparação com os microrganismos autotróficos, os microrganismos heterotróficos têm maior adaptabilidade ambiental e uma faixa de tolerância mais ampla para os parâmetros do processo:
-Oxigênio dissolvido (OD): As bactérias heterotróficas aeróbicas exigem que o OD seja mantido em 1-2mg/L para atender às suas necessidades metabólicas, enquanto algumas bactérias heterotróficas facultativas (como as bactérias desnitrificantes) ainda podem degradar a matéria orgânica por meio da respiração anaeróbica em condições anaeróbicas;
-Temperatura: A temperatura ideal é de 15-35 ℃, mas ainda pode manter um certo nível de atividade na faixa de 5-40 ℃, e sua tolerância a baixas temperaturas é muito melhor do que a das bactérias autotróficas;
-Valor de pH: A faixa adequada é 6,0-9,0, e algumas bactérias heterotróficas (como fungos) ainda podem sobreviver em condições ácidas a pH 5,0 ou condições alcalinas a pH 10,0;
-Relação de nutrientes: É necessário carbono orgânico adequado e sensível à relação carbono/nitrogênio (C/N) - geralmente exigindo uma relação C/N de 5-10:1. Se a fonte de carbono for insuficiente, as bactérias heterotróficas experimentarão uma diminuição na atividade e na taxa de remoção de DQO devido à "fome".
4、 Colaboração e Competição: Relações Microbianas em Sistemas de Lodo Ativado
No sistema de lodo ativado, os microrganismos autotróficos e heterotróficos não existem independentemente, mas têm uma relação dupla de "sinergia" e "competição", e o equilíbrio entre os dois afeta diretamente a eficácia do tratamento de esgoto.
（1） Relação colaborativa: funções complementares, completando a purificação em conjunto
A sinergia entre os dois se reflete principalmente no "processo de desnitrificação": as bactérias nitrificantes autotróficas convertem o nitrogênio amoniacal em nitrato (processo de nitrificação), enquanto as bactérias desnitrificantes heterotróficas, em condições anaeróbicas, usam o carbono orgânico nas águas residuais como doador de elétrons para reduzir o nitrato a nitrogênio (N ₂) e liberá-lo no ar (processo de desnitrificação) - sem bactérias autotróficas, as bactérias desnitrificantes não têm "substrato" para usar; Se as bactérias heterotróficas estiverem faltando, o nitrato produzido pelas bactérias nitrificantes não pode ser removido e, em última análise, o nitrogênio total não pode atender ao padrão. Além disso, as bactérias heterotróficas podem reduzir a carga orgânica nas águas residuais após a degradação da DQO, criando um ambiente de vida adequado para as bactérias autotróficas sensíveis ao carbono orgânico e promovendo indiretamente sua atividade.
（2） Relação competitiva: competição por recursos, afetando o equilíbrio do sistema
A competição entre os dois se concentra principalmente em "oxigênio dissolvido" e "espaço vital": quando a concentração de DQO no esgoto é muito alta, as bactérias heterotróficas se reproduzirão rapidamente devido à "comida suficiente", consumirão uma grande quantidade de oxigênio dissolvido, e a atividade das bactérias autotróficas será inibida devido à "hipóxia", resultando no fenômeno de "bom efeito de remoção de DQO, mas efeito de remoção de nitrogênio amoniacal ruim"; Pelo contrário, se a concentração de DQO nas águas residuais for muito baixa (como águas residuais industriais), a atividade das bactérias heterotróficas é insuficiente e flocos de lodo estáveis não podem ser formados. As bactérias autotróficas também serão perdidas devido à "deficiência de transportador", afetando a eficiência da nitrificação. Portanto, em processos práticos, é necessário equilibrar a relação competitiva entre os dois ajustando parâmetros como carga de água de entrada e taxa de refluxo. Por exemplo, ao tratar águas residuais com alta DQO, a "água de entrada segmentada" pode ser usada para reduzir a carga orgânica local e garantir a demanda de oxigênio dissolvido das bactérias nitrificantes.
5、 Resumo: Diferenças Centrais e Significado Tecnológico entre Dois Tipos de Microrganismos
A diferença entre microrganismos autotróficos e heterotróficos no lodo ativado é essencialmente a diferença em "fontes de energia e métodos de utilização da fonte de carbono", que se estende a uma série de diferenças no posicionamento funcional, adaptabilidade ambiental e relações microbianas entre os dois (conforme mostrado na Tabela 1).
A compreensão dessas diferenças tem um significado orientador importante para otimizar os processos de tratamento de esgoto: por exemplo, ao tratar esgoto com alto nitrogênio amoniacal e baixa DQO (como águas residuais de aquicultura), é necessário concentrar-se em garantir as condições de sobrevivência das bactérias autotróficas (aumentando o OD, controlando a temperatura) e adicionando adequadamente fontes de carbono para atender às necessidades de desnitrificação das bactérias heterotróficas; Ao tratar águas residuais com alta DQO e baixo nitrogênio amoniacal (como águas residuais de alimentos), é necessário controlar a carga orgânica, evitar o crescimento excessivo de bactérias heterotróficas e inibir as bactérias autotróficas, e garantir que a DQO e o nitrogênio amoniacal atendam aos padrões simultaneamente. Em suma, a operação estável de um sistema de lodo ativado é essencialmente um "equilíbrio dinâmico" entre microrganismos autotróficos e heterotróficos. Somente combinando com precisão as necessidades de ambos é que a máxima eficiência do tratamento de esgoto pode ser alcançada.
