污水处理中的微生物介绍
污水处理中的微生物介绍
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污水处理中的微生物分类
污水处理中的微生物种类很多，主要有菌类，藻类以及动物类。
细菌的适应性强，增长速度快。根据对营养物需求的不同，可将细菌分为自养菌和异养菌两大类。
自养菌利用各种无机物（CO 2 、HCO 3 - 、NO 3 - 、PO 4 3 - 等）为营养将其转化为另一种无机物，释放出能量，合成细胞物质，其碳源、氮源和磷源皆为无机物。
异养菌以有机碳作碳源，有机或无机氮为氮源，将其转化为CO 2 、H 2 O、NO 3 - 、CH 4 、NH 3 等无机物，释放出能量，合成细胞物质。污水处理设施中的微生物主要是异养菌。
真菌包括霉菌和酵母菌。真菌是好氧菌，以有机物为碳源，生长pH为2-9，最佳pH为5.6。真菌需氧量少，只有细菌的一半。真菌常出现于低pH值、分子氧较少的环境中。
真菌丝体对活性污泥的凝聚起到骨架作用，但过多丝状菌的出现会影响污泥的沉淀性能，而引起污泥膨胀。真菌在污水处理的作用是不可忽视的。
藻类是单细胞和多细胞的植物性微生物。它含有叶绿素，利用光合作用同化二氧化碳和水放出氧气，吸收水中的氮、磷等营养元素合成自身细胞。
原生动物是最低等的能进行分裂增殖的单细胞动物。污水中的原生动物既是水质净化者又是水质指示物。绝大多数原生动物属于好氧异养型。在污水处理中，原生动物的作用没有细菌重要，但由于大多数原生动物能吞食固态有机物和游离细菌，所以有净化水质的作用。原生动物对环境的变化比较敏感，在不同的水质环境中出现不同的原生动物，所以是水质指示物。例如，溶解氧充足时钟虫大量出现，溶解氧低于1㎎/L时出现较少，也不活跃。
后生动物是多细胞动物。在污水处理设施和稳定塘中常见的后生动物有轮虫、线虫和甲壳类的动物。
后生动物皆为好氧微生物，生活在较好的水质环境中。后生动物以细菌、原生动物、藻类和有机固体为食，它们的出现表明处理效果较好，是污水处理的指示性生物。
微生物的代谢
微生物的生命过程是营养不断被利用，细胞物质不断合成又不断消耗的过程。在这一过程中伴随着新生命的诞生，旧生命的死亡和营养物（基质）的转化。污水的生物处理就是利用微生物对污染物（营养物）的代谢转化作用实现的。
细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物共生于水体中。细菌和真菌以水中的有机物、氮和磷等为营养进行有氧和无氧呼吸合成自身细胞。藻类是利用二氧化碳和水中的氮、磷进行光合作用合成自身细胞并向水体提供氧气。藻类的细胞死亡后成为菌类繁殖的营养。原生动物吞食水中固态有机物、菌类和藻类。后生动物捕食水中固体有机物、菌类、藻类和原生动物。
微生物从污水中摄取营养物质，通过复杂的生物化学反应合成自身细胞和排出废物。
这种为维持生命活动和生长繁殖而进行的生化反应过程叫新陈代谢，简称代谢。根据能量的转移和生化反应的类型可将代谢分为分解代谢和合成代谢。
微生物将营养物分解转化为简单的化合物并释放出能量，这一过程叫做分解代谢或产能代谢；微生物将营养物转化为细胞物质并吸收分解代谢释放的能量，这一过程叫做合成代谢。
当营养缺乏时，微生物对自身细胞物质进行氧化分解，以获得能量，这一过程叫做内源代谢，也叫内源呼吸。当营养物充足的时，内源呼吸并不明显，但营养物缺乏时，内源呼吸是能量的主要来源。
没有新陈代谢就没有生命。微生物通过新陈代谢不断地增殖和死亡。微生物的分解代谢为合成代谢提供能量和物质，合成代谢为分解代谢提供催化剂和反应器。两种代谢相互依赖、相互促进、不可分割。
微生物代谢消耗的营养物一部分分解成简单的物质排入环境，另一部分合成为细胞物质。不同的微生物代谢速度不同，营养物用于分解和合成的比例也不相同。
厌氧微生物分解营养物不彻底，释放的能量少，代谢速度慢，将营养物用于分解的比例大，用于合成的比例小，细胞增殖慢。
好氧微生物分解营养物彻底，最终产物（CO 2 、H 2 O、NO 3 - 、PO 4 3- 等）稳定，含有的能量最少，所以好氧微生物代谢中释放的能量多，代谢速度快，将营养物用于分解的比例小，用于合成的比例大，细胞增殖快。
微生物的生长环境
废水生物处理的主体是微生物，只有创造良好的环境条件让微生物大量繁殖才能获得令人满意的处理效果。影响微生物生长的的条件主要有营养、温度、pH值、溶解氧及有毒物质等。
营养是微生物生长的物质基础，生命活动所需的能量和物质来自于营养。微生物细胞的组成（不包括H 2 O和无机物），可用化学式C 5 H 7 O 2 N或C 60 H 87 O 23 N 12 P表示。
不同微生物细胞的组成不尽相同，对碳氮磷比的要求也不完全相同。好氧微生物要求碳氮磷比为BOD5:N:P=100:5:1[或COD:N:P=(200~300):5:1]。
厌氧微生物要求碳氮磷比为BOD5:N:P=100:6:1。其中N以NH 3 -N计，P以PO 4 3－ -P计。微生物种类繁多，所需C、N、P的化学形式也不相同。如异养菌需要有机物为碳源，而自养菌以CO 2 和HCO 3 － 为碳源。
几乎所有的有机物都是微生物的营养源，为达到预期的净化效果，控制合适的C:N:P比显得十分重要。微生物除需要C、H、O、N、P外，还需要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。
微生物的种类不同生长温度不同，各种微生物的总体温度范围是0~80℃。根据适应的温度范围，微生物可分为低温性（好冷性）、中温性和高温性（好热性）三类。
低温性微生物的生长温度为20℃以下，中温性微生物的生长温度为20~45℃，高温性微生物的生长温度为45℃以上。好氧生物处理以中温为主，微生物的最适生长温度为20～37。
厌氧生物处理时，中温微生物的最适生长温度为25~40℃，高温微生物的最适生长温度为50~60℃。所以厌氧微生物处理常利用33~38℃和52~57℃两个温度段，分别叫做中温消化（发酵）和高温消化（发酵）。
随着科学技术的发展，厌氧反应已能在20~25℃的常温下进行，这就大大降低了运行费用。
在适宜的温度范围内，每升高10℃，生化反应速度就提高1~2倍。所以，在较高最适温度条件下生物处理效果较好。人为改变污水温度将增大处理成本，所以好氧生物处理一般在自然温度下进行，即在常温下进行。
好氧生物处理效果受气候的影响较小。厌氧生物处理受温度影响较大，需要保持较高的温度，但考虑到运行成本，应尽量采用常温下运行（20~25℃）。
如果原污水的温度较高，应采用中温发酵（33~38℃）或高温发酵（52~57℃）。如果有足够的余热或发酵过程中产生足够的沼气（高浓度有机污水和污泥消化），则可以利用余热或沼气的热能实现中温和高温发酵。
酶是一种两性电解质，pH值的变化影响酶的电离形式，进而影响酶的催化性能，所以pH值是影响酶活性的重要因素之一。不同的微生物具有不同的酶系统，就有不同的pH值适应范围。细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH值适应范围是4~10。
酵母菌和霉菌的最适pH为3.0~6.0。大多数细菌适宜pH=6.5~8.5的中性和偏碱性环境。好氧生物处理的适宜pH为6.5~8.5，厌氧生物处理的适宜pH为6.7~7.4（最佳pH为6.7~7.2）。
在生物处理过程中保持最适pH值范围非常重要。否则，微生物酶的活性降低或丧失，微生物生长缓慢甚至死亡，导致处理失败。
进水pH值的突然变化会对生物处理产生很大的影响，这种影响不可逆转。所以保持pH值的稳定非常重要。
好氧微生物的代谢过程以分子氧为受体，并参与部分物质的合成。没有分子氧，好氧微生物就不能生长繁殖，所以，进行好氧生物处理时，要保持一定浓度的溶解氧（DO）。
供氧不足，适合低溶解氧生长的微生物（微量好氧的发硫菌）和兼性微生物大量繁殖。它们分解有机物不彻底，处理效果下降，且低溶解氧状态下丝状菌优势生长，引起污泥膨胀。
溶解氧浓度过高，不仅浪费能量，而且会因营养相对缺乏而使细胞氧化和死亡。为取得良好的处理效果，好氧生物处理时应控制溶解氧在2~3mg/L（二沉池出水0.5~1mg/L）为宜。
厌氧微生物在有氧的条件下生成H 2 O 2 ，但没有分解H 2 O 2 的酶而被H 2 O 2 杀死。所以，在厌氧生物处理反应器中绝对不能有分子氧存在。其他氧化态物质如SO 4 2－ 、NO 3 － 、PO 4 3－ 和Fe 3+ 等也会对厌氧生物处理产生不良影响，也应控制它们的浓度。
对微生物有抑制和毒害作用的化学物质叫有毒物质。它能破坏细胞的结构，使酶变性而失去活性。如重金属能与酶的-SH基团结合，或与蛋白质结合使之变性或沉淀。有毒物质在低浓度时对微生物无害，超过某一数值则发生毒害。
某些有毒物质在低浓度时可以成为微生物的营养。有毒物质的毒性受pH值、温度和有无其他有毒物质存在等因素的影响，在不同条件下毒性相差很大，不同的微生物对同一毒物的耐受能力也不同，具体情况应根据实验而定。
在废水生物处理过程中，应严格控制有毒物质浓度，但有毒物质浓度的允许范围尚无统一的标准，表1的数据仅供参考。
脱氮除磷功能微生物最新研究进展：
（一）Bioproc Biosyst Eng综述：污水中氨氧化微生物研究进展——代谢机理、种群结构、影响因素和工艺应用
Research advances of ammonia oxidation microorganisms in wastewater: metabolic characteristics, microbial community, influencing factors and process applications
第一作者/ 通讯作者 ：赵伟华
作者排序：赵伟华，毕学军，白萌，王艳艳
通讯单位：青岛理工大学
论文DOI：https://doi.org/10.1007/s00449-023-02866-5
上线日期：2023年3月29日
发表期刊：Bioprocess and Biosystems Engineering
论文分区：JCR二区
图文摘要
研究背景
主要内容
未来发展
（二）聚磷菌最新研究进展：Ca. Accumulibacter，Dechloromonas和Tetrasphaera等主要聚磷菌的除磷代谢机理、工艺应用和影响因素
Research advances of the phosphorus-accumulating organisms of Candidatus Accumulibacter , Dechloromonas and Tetrasphaera : Metabolic mechanisms, applications and influencing factors
第一作者：赵伟华
通讯作者：彭永臻
作者排名：赵伟华，毕学军，彭永臻，白萌
作者单位：青岛理工大学，北京工业大学
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.135675
出版日期：2022年11月
论文分区： JCR一区
图文摘要
研究背景
目前， 污水生物除磷通常采用生物除磷、 化学除磷或两者相结合方式。化学法除磷消耗大量药剂， 形成的化学污泥难以处理。生物除磷具有经济性， 同时可利用生物除磷过程中的富磷上清液或者含磷污泥进行磷资源的分离和回收。因此从磷资源回收角度， 生物除磷更具有优势。
生物除磷的模型主要有厌氧/好氧吸磷、缺氧反硝化除磷等，近几年发酵除磷现象的发现和研究成为了热点。国际上非常重视侧流强化生物发酵除磷（S2EBPR）工艺，美国国家层面将其作为下一代营养盐去除技术。
（本图为转载）
文章摘要
聚磷菌及其除磷代谢原理被广泛用于污水处理领域。近几年，新型聚磷菌及其除磷代谢机制被不断发现和应用，比如能够进行发酵除磷的 Tetrasphaera 菌 和反硝化除磷的 Dechloromonas 菌 等，促进了侧流发酵强化除磷和反硝化除磷工艺的相关研究和应用。本文主要综述了目前被广泛认可的典型 Ca . Accumulibacter ，以及最新的 Dechloromonas 和 Tetrasphaera 等主要聚磷菌的除磷代谢机理、工艺应用和影响因素，并对污水生物除磷技术的未来发展进行了展望。
主要内容
主要聚磷菌的除磷代谢机制：
（a）好氧吸磷：以 Ca . Accumulibacter为代表功能菌，利用VFA作为碳源，以氧气作为电子受体进行好氧吸磷。
（b）反硝化除磷：以Dechloromonas为代表功能菌，利用VFA作为碳源，以硝酸盐作为电子受体进行缺氧吸磷。
（c、d）发酵除磷：发酵除磷是指Tetrasphaera 菌 可以通过降解大分子有机物（如葡萄糖、 氨基酸等） 进行发酵除磷， 从而降低对进水 VFA 的依赖， 具有更加稳定高效的除磷性能。更适用于我国低碳源生活污水的 情况。
主要聚磷菌在不同生境中的丰度：（包括 Candidatus Accumulibacter , Dechloromonas , Tetrasphaera , Acinetobacter, Pseudomonas, Comamonadaceae ）等。
近几年，EPS的除磷机制也被报道。
未来发展
总结了近几年成为热点的发酵协同好氧除磷代谢机制（即被广泛提及的侧流强化生物除磷工艺等，比如S2EBPR）。
本论文中首次提出了发酵协同反硝化除磷代谢机制（作者目前正在研究的课题，获得国家自然科学基金资助，欢迎交流）：
更多内容请阅读文章全文。
论文引用参考格式：
Zhao, W., Bi, X., Peng, Y., Bai, M. 2022. Research advances of the phosphorus-accumulating organisms of Candidatus Accumulibacter, Dechloromonas and Tetrasphaera: Metabolic mechanisms, applications and influencing factors. Chemosphere, 307,135675.
（DOI：https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.135675）
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