污水處理中的微生物分類

污水處理中的微生物種類很多，主要有菌類，藻類以及動物類。

細(xì)菌的適應(yīng)性強(qiáng)，增長速度快。根據(jù)對營養(yǎng)物需求的不同，可將細(xì)菌分為自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌兩大類。

自養(yǎng)菌利用各種無機(jī)物（CO₂、HCO₃^-、NO₃^-、PO₄^3-等）為營養(yǎng)將其轉(zhuǎn)化為另一種無機(jī)物，釋放出能量，合成細(xì)胞物質(zhì)，其碳源、氮源和磷源皆為無機(jī)物。

異養(yǎng)菌以有機(jī)碳作碳源，有機(jī)或無機(jī)氮為氮源，將其轉(zhuǎn)化為CO₂、H₂O、NO₃^-、CH₄、NH₃等無機(jī)物，釋放出能量，合成細(xì)胞物質(zhì)。污水處理設(shè)施中的微生物主要是異養(yǎng)菌。

真菌包括霉菌和酵母菌。真菌是好氧菌，以有機(jī)物為碳源，生長pH為2-9，***佳pH為5.6。真菌需氧量少，只有細(xì)菌的一半。真菌常出現(xiàn)于低pH值、分子氧較少的環(huán)境中。

真菌絲體對活性污泥的凝聚起到骨架作用，但過多絲狀菌的出現(xiàn)會影響污泥的沉淀性能，而引起污泥膨脹。真菌在污水處理的作用是不可忽視的。

藻類是單細(xì)胞和多細(xì)胞的植物性微生物。它含有葉綠素，利用光合作用同化二氧化碳和水放出氧氣，吸收水中的氮、磷等營養(yǎng)元素合成自身細(xì)胞。

原生動物是***低等的能進(jìn)行***增殖的單細(xì)胞動物。污水中的原生動物既是水質(zhì)凈化者又是水質(zhì)指示物。絕大多數(shù)原生動物屬于好氧異養(yǎng)型。在污水處理中，原生動物的作用沒有細(xì)菌重要，但由于大多數(shù)原生動物能吞食固態(tài)有機(jī)物和游離細(xì)菌，所以有凈化水質(zhì)的作用。原生動物對環(huán)境的變化比較敏感，在不同的水質(zhì)環(huán)境中出現(xiàn)不同的原生動物，所以是水質(zhì)指示物。例如，溶解氧充足時鐘蟲大量出現(xiàn)，溶解氧低于1㎎/L時出現(xiàn)較少，也不活躍。

后生動物是多細(xì)胞動物。在污水處理設(shè)施和穩(wěn)定塘中常見的后生動物有輪蟲、線蟲和甲殼類的動物。

后生動物皆為好氧微生物，生活在較好的水質(zhì)環(huán)境中。后生動物以細(xì)菌、原生動物、藻類和有機(jī)固體為食，它們的出現(xiàn)表明處理效果較好，是污水處理的指示性生物。

微生物的代謝

微生物的生命過程是營養(yǎng)不斷被利用，細(xì)胞物質(zhì)不斷合成又不斷消耗的過程。在這一過程中伴隨著新生命的誕生，舊生命的死亡和營養(yǎng)物（基質(zhì)）的轉(zhuǎn)化。污水的生物處理就是利用微生物對污染物（營養(yǎng)物）的代謝轉(zhuǎn)化作用實(shí)現(xiàn)的。

細(xì)菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物共生于水體中。細(xì)菌和真菌以水中的有機(jī)物、氮和磷等為營養(yǎng)進(jìn)行有氧和無氧呼吸合成自身細(xì)胞。藻類是利用二氧化碳和水中的氮、磷進(jìn)行光合作用合成自身細(xì)胞并向水體提供氧氣。藻類的細(xì)胞死亡后成為菌類繁殖的營養(yǎng)。原生動物吞食水中固態(tài)有機(jī)物、菌類和藻類。后生動物捕食水中固體有機(jī)物、菌類、藻類和原生動物。

微生物從污水中攝取營養(yǎng)物質(zhì)，通過復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)合成自身細(xì)胞和排出廢物。

這種為維持生命活動和生長繁殖而進(jìn)行的生化反應(yīng)過程叫新陳代謝，簡稱代謝。根據(jù)能量的轉(zhuǎn)移和生化反應(yīng)的類型可將代謝分為分解代謝和合成代謝。

微生物將營養(yǎng)物分解轉(zhuǎn)化為簡單的化合物并釋放出能量，這一過程叫做分解代謝或產(chǎn)能代謝；微生物將營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)并吸收分解代謝釋放的能量，這一過程叫做合成代謝。

當(dāng)營養(yǎng)缺乏時，微生物對自身細(xì)胞物質(zhì)進(jìn)行氧化分解，以獲得能量，這一過程叫做內(nèi)源代謝，也叫內(nèi)源呼吸。當(dāng)營養(yǎng)物充足的時，內(nèi)源呼吸并不明顯，但營養(yǎng)物缺乏時，內(nèi)源呼吸是能量的主要來源。

沒有新陳代謝就沒有生命。微生物通過新陳代謝不斷地增殖和死亡。微生物的分解代謝為合成代謝提供能量和物質(zhì)，合成代謝為分解代謝提供催化劑和反應(yīng)器。兩種代謝相互依賴、相互促進(jìn)、不可分割。

微生物代謝消耗的營養(yǎng)物一部分分解成簡單的物質(zhì)排入環(huán)境，另一部分合成為細(xì)胞物質(zhì)。不同的微生物代謝速度不同，營養(yǎng)物用于分解和合成的比例也不相同。

厭氧微生物分解營養(yǎng)物不徹底，釋放的能量少，代謝速度慢，將營養(yǎng)物用于分解的比例大，用于合成的比例小，細(xì)胞增殖慢。

好氧微生物分解營養(yǎng)物徹底，***終產(chǎn)物（CO₂、H₂O、NO₃^-、PO₄^3-等）穩(wěn)定，含有的能量***少，所以好氧微生物代謝中釋放的能量多，代謝速度快，將營養(yǎng)物用于分解的比例小，用于合成的比例大，細(xì)胞增殖快。

微生物的生長環(huán)境

廢水生物處理的主體是微生物，只有創(chuàng)造良好的環(huán)境條件讓微生物大量繁殖才能獲得令人滿意的處理效果。影響微生物生長的的條件主要有營養(yǎng)、溫度、pH值、溶解氧及有毒物質(zhì)等。

營養(yǎng)是微生物生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，生命活動所需的能量和物質(zhì)來自于營養(yǎng)。微生物細(xì)胞的組成（不包括H₂O和無機(jī)物），可用化學(xué)式C₅H₇O₂N或C₆₀H₈₇O₂₃N₁₂P表示。

不同微生物細(xì)胞的組成不盡相同，對碳氮磷比的要求也不完全相同。好氧微生物要求碳氮磷比為BOD5:N:P=100:5:1[或COD:N:P=(200~300):5:1]。

厭氧微生物要求碳氮磷比為BOD5:N:P=100:6:1。其中N以NH₃-N計，P以PO₄^3－-P計。微生物種類繁多，所需C、N、P的化學(xué)形式也不相同。如異養(yǎng)菌需要有機(jī)物為碳源，而自養(yǎng)菌以CO₂和HCO₃^－為碳源。

幾乎所有的有機(jī)物都是微生物的營養(yǎng)源，為達(dá)到預(yù)期的凈化效果，控制合適的C:N:P比顯得十分重要。微生物除需要C、H、O、N、P外，還需要S、Mg、Fe、Ca、K等元素，以及Mn、Zn、Co、Ni、Cu、Mo、V、I、Br、B等微量元素。

微生物的種類不同生長溫度不同，各種微生物的總體溫度范圍是0~80℃。根據(jù)適應(yīng)的溫度范圍，微生物可分為低溫性（好冷性）、中溫性和高溫性（好熱性）三類。

低溫性微生物的生長溫度為20℃以下，中溫性微生物的生長溫度為20~45℃，高溫性微生物的生長溫度為45℃以上。好氧生物處理以中溫為主，微生物的***適生長溫度為20～37。

厭氧生物處理時，中溫微生物的***適生長溫度為25~40℃，高溫微生物的***適生長溫度為50~60℃。所以厭氧微生物處理常利用33~38℃和52~57℃兩個溫度段，分別叫做中溫消化（發(fā)酵）和高溫消化（發(fā)酵）。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，厭氧反應(yīng)已能在20~25℃的常溫下進(jìn)行，這就大大降低了運(yùn)行費(fèi)用。

在適宜的溫度范圍內(nèi)，每升高10℃，生化反應(yīng)速度就提高1~2倍。所以，在較高***適溫度條件下生物處理效果較好。人為改變污水溫度將增大處理成本，所以好氧生物處理一般在自然溫度下進(jìn)行，即在常溫下進(jìn)行。

好氧生物處理效果受氣候的影響較小。厭氧生物處理受溫度影響較大，需要保持較高的溫度，但考慮到運(yùn)行成本，應(yīng)盡量采用常溫下運(yùn)行（20~25℃）。

如果原污水的溫度較高，應(yīng)采用中溫發(fā)酵（33~38℃）或高溫發(fā)酵（52~57℃）。如果有足夠的余熱或發(fā)酵過程中產(chǎn)生足夠的沼氣（高濃度有機(jī)污水和污泥消化），則可以利用余熱或沼氣的熱能實(shí)現(xiàn)中溫和高溫發(fā)酵。

酶是一種兩性電解質(zhì)，pH值的變化影響酶的電離形式，進(jìn)而影響酶的催化性能，所以pH值是影響酶活性的重要因素之一。不同的微生物具有不同的酶系統(tǒng)，就有不同的pH值適應(yīng)范圍。細(xì)菌、放線菌、藻類和原生動物的pH值適應(yīng)范圍是4~10。

酵母菌和霉菌的***適pH為3.0~6.0。大多數(shù)細(xì)菌適宜pH=6.5~8.5的中性和偏堿性環(huán)境。好氧生物處理的適宜pH為6.5~8.5，厭氧生物處理的適宜pH為6.7~7.4（***佳pH為6.7~7.2）。

在生物處理過程中保持***適pH值范圍非常重要。否則，微生物酶的活性降低或喪失，微生物生長緩慢甚至死亡，導(dǎo)致處理失敗。

進(jìn)水pH值的突然變化會對生物處理產(chǎn)生很大的影響，這種影響不可逆轉(zhuǎn)。所以保持pH值的穩(wěn)定非常重要。

好氧微生物的代謝過程以分子氧為受體，并參與部分物質(zhì)的合成。沒有分子氧，好氧微生物就不能生長繁殖，所以，進(jìn)行好氧生物處理時，要保持一定濃度的溶解氧（DO）。

供氧不足，適合低溶解氧生長的微生物（微量好氧的發(fā)硫菌）和兼性微生物大量繁殖。它們分解有機(jī)物不徹底，處理效果下降，且低溶解氧狀態(tài)下絲狀菌優(yōu)勢生長，引起污泥膨脹。

溶解氧濃度過高，不僅浪費(fèi)能量，而且會因營養(yǎng)相對缺乏而使細(xì)胞氧化和死亡。為取得良好的處理效果，好氧生物處理時應(yīng)控制溶解氧在2~3mg/L（二沉池出水0.5~1mg/L）為宜。

厭氧微生物在有氧的條件下生成H₂O₂，但沒有分解H₂O₂的酶而被H₂O₂殺死。所以，在厭氧生物處理反應(yīng)器中絕對不能有分子氧存在。其他氧化態(tài)物質(zhì)如SO₄^2－、NO₃^－、PO₄^3－和Fe³⁺等也會對厭氧生物處理產(chǎn)生不良影響，也應(yīng)控制它們的濃度。

對微生物有抑制和毒害作用的化學(xué)物質(zhì)叫有毒物質(zhì)。它能破壞細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，使酶變性而失去活性。如重金屬能與酶的-SH基團(tuán)結(jié)合，或與蛋白質(zhì)結(jié)合使之變性或沉淀。有毒物質(zhì)在低濃度時對微生物無害，超過某一數(shù)值則發(fā)生毒害。

某些有毒物質(zhì)在低濃度時可以成為微生物的營養(yǎng)。有毒物質(zhì)的毒性受pH值、溫度和有無其他有毒物質(zhì)存在等因素的影響，在不同條件下毒性相差很大，不同的微生物對同一毒物的耐受能力也不同，具體情況應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)而定。

在廢水生物處理過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制有毒物質(zhì)濃度，但有毒物質(zhì)濃度的允許范圍尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，表1的數(shù)據(jù)僅供參考。

脫氮除磷功能微生物***新研究進(jìn)展：

（一）Bioproc Biosyst Eng綜述：污水中氨氧化微生物研究進(jìn)展——代謝機(jī)理、種群結(jié)構(gòu)、影響因素和工藝應(yīng)用

Research advances of ammonia oxidation microorganisms in wastewater: metabolic characteristics, microbial community, influencing factors and process applications

***作者/通訊作者：趙偉華

作者排序：趙偉華，畢學(xué)軍，白萌，王艷艷

通訊單位：青島理工大學(xué)

論文DOI：https://doi.org/10.1007/s00449-023-02866-5

上線日期：2023年3月29日

發(fā)表期刊：Bioprocess and Biosystems Engineering

論文分區(qū)：JCR二區(qū)

圖文摘要

圖 1 基于好氧氨氧化和厭氧氨氧化過程驅(qū)動的氮循環(huán)簡圖

研究背景

主要內(nèi)容

AOB在屬水平上主要包括隸屬于Betaproteobacteria菌門的Nitrosospira, Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus 和 Nitrosovibrio等菌屬，以及隸屬于Gammaproteobacteria菌門的Nitrosococcus菌屬。

AOA在屬水平上包括Nitrosopumilus maritimus, Nitrosopumilus maritimus SCM1, Nitrososphaera gargensis, Cenarchaeum symbiosum, Nitrososphaera gargensis, Cenarchaeum symbiosum 和Nitrosocaldus yellowstonii 等菌屬。

Comammox 主要包括 Candidatus Nitrospira nitrosa 和 Candidatus Nitrospira nitrificans等。

AnAOB在屬水平上主要包括Candidatus kuenenia, Candidatus scalindua, Candidatus brocadia, Candidatus jettenia, anammoxoglobus, Brasilis anammoximicrobium 等。

    不同的氨氧化微生物具有不同的生理代謝特性，代謝活性受到不同生態(tài)因子的影響作用，在不同的工藝配置中具有不同的群落結(jié)構(gòu)，本論文總結(jié)了氨氧化微生物的生理代謝特性及影響因素，在污水處理系統(tǒng)中的氨氮去除性能及種群結(jié)構(gòu)。

 

圖 1 好氧氨氧化和厭氧氨氧化過程涉及的功能微生物及酶示意圖

表 1  氨氧化微生物的棲息地及豐度