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。

細菌的適應性強，增長速度快。根據對營養物需求的不同，可將細菌分為自養菌和異養菌兩大類。

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

異養菌以有機碳作碳源，有機或無機氮為氮源，將其轉化為CO₂、H₂O、NO₃^-、CH₄、NH₃等無機物，釋放出能量，合成細胞物質。污水處理設施中的微生物主要是異養菌。

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

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。

藻類是單細胞和多細胞的植物性微生物。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、磷等營養元素合成自身細胞。

原生動物是***低等的能進行***增殖的單細胞動物。污水中的原生動物既是水質凈化者又是水質指示物。絕大多數原生動物屬于好氧異養型。在污水處理中，原生動物的作用沒有細菌重要，但由于大多數原生動物能吞食固態有機物和游離細菌，所以有凈化水質的作用。原生動物對環境的變化比較敏感，在不同的水質環境中出現不同的原生動物，所以是水質指示物。例如，溶解氧充足時鐘蟲大量出現，溶解氧低于1㎎/L時出現較少，也不活躍。

后生動物是多細胞動物。在污水處理設施和穩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，生活在較好的水質環境中。后生動物以細菌、原生動物、藻類和有機固體為食，它們的出現表明處理效果較好，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不斷被利用，細胞物質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物（基質）的轉化。污水的生物處理就是利用微生物對污染物（營養物）的代謝轉化作用實現的。

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

微生物從污水中攝取營養物質，通過復雜的生物化學反應合成自身細胞和排出廢物。

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

微生物將營養物分解轉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能代謝；微生物將營養物轉化為細胞物質并吸收分解代謝釋放的能量，這一過程叫做合成代謝。

當營養缺乏時，微生物對自身細胞物質進行氧化分解，以獲得能量，這一過程叫做內源代謝，也叫內源呼吸。當營養物充足的時，內源呼吸并不明顯，但營養物缺乏時，內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，合成代謝為分解代謝提供催化劑和反應器。兩種代謝相互依賴、相互促進、不可分割。

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

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

好氧微生物分解營養物徹底，***終產物（CO₂、H₂O、NO₃^-、PO₄^3-等）穩定，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，將營養物用于分解的比例小，用于合成的比例大，細胞增殖快。

微生物的生長環境

廢水生物處理的主體是微生物，只有創造良好的環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、溫度、pH值、溶解氧及有毒物質等。

營養是微生物生長的物質基礎，生命活動所需的能量和物質來自于營養。微生物細胞的組成（不包括H₂O和無機物），可用化學式C₅H₇O₂N或C₆₀H₈₇O₂₃N₁₂P表示。

不同微生物細胞的組成不盡相同，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的化學形式也不相同。如異養菌需要有機物為碳源，而自養菌以CO₂和HCO₃^－為碳源。

幾乎所有的有機物都是微生物的營養源，為達到預期的凈化效果，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℃。根據適應的溫度范圍，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（發酵）和高溫消化（發酵）。

隨著科學技術的發展，厭氧反應已能在20~25℃的常溫下進行，這就大大降低了運行費用。

在適宜的溫度范圍內，每升高10℃，生化反應速度就提高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行，即在常溫下進行。

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，但考慮到運行成本，應盡量采用常溫下運行（20~25℃）。

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

酶是一種兩性電解質，pH值的變化影響酶的電離形式，進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，就有不同的pH值適應范圍。細菌、放線菌、藻類和原生動物的pH值適應范圍是4~10。

酵母菌和霉菌的***適pH為3.0~6.0。大多數細菌適宜pH=6.5~8.5的中性和偏堿性環境。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，導致處理失敗。

進水pH值的突然變化會對生物處理產生很大的影響，這種影響不可逆轉。所以保持pH值的穩定非常重要。

好氧微生物的代謝過程以分子氧為受體，并參與部分物質的合成。沒有分子氧，好氧微生物就不能生長繁殖，所以，進行好氧生物處理時，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（微量好氧的發硫菌）和兼性微生物大量繁殖。它們分解有機物不徹底，處理效果下降，且低溶解氧狀態下絲狀菌優勢生長，引起污泥膨脹。

溶解氧濃度過高，不僅浪費能量，而且會因營養相對缺乏而使細胞氧化和死亡。為取得良好的處理效果，好氧生物處理時應控制溶解氧在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器中絕對不能有分子氧存在。其他氧化態物質如SO₄^2－、NO₃^－、PO₄^3－和Fe³⁺等也會對厭氧生物處理產生不良影響，也應控制它們的濃度。

對微生物有抑制和毒害作用的化學物質叫有毒物質。它能破壞細胞的結構，使酶變性而失去活性。如重金屬能與酶的-SH基團結合，或與蛋白質結合使之變性或沉淀。有毒物質在低濃度時對微生物無害，超過某一數值則發生毒害。

某些有毒物質在低濃度時可以成為微生物的營養。有毒物質的毒性受pH值、溫度和有無其他有毒物質存在等因素的影響，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，具體情況應根據實驗而定。

在廢水生物處理過程中，應嚴格控制有毒物質濃度，但有毒物質濃度的允許范圍尚無統一的標準，表1的數據僅供參考。

脫氮除磷功能微生物***新研究進展：

（一）Bioproc Biosyst Eng綜述：污水中氨氧化微生物研究進展——代謝機理、種群結構、影響因素和工藝應用

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，畢學軍，白萌，王艷艷

通訊單位：青島理工大學

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

上線日期：2023年3月29日

發表期刊：Bioprocess and Biosystems Engineering

論文分區：JCR二區

圖文摘要

圖 1 基于好氧氨氧化和厭氧氨氧化過程驅動的氮循環簡圖

研究背景

主要內容

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因子的影響作用，在不同的工藝配置中具有不同的群落結構，本論文總結了氨氧化微生物的生理代謝特性及影響因素，在污水處理系統中的氨氮去除性能及種群結構。

 

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