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（CO₂、HCO₃^-、NO₃^-、PO₄^3-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CO₂、H₂O、NO₃^-、CH₄、NH₃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，***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***低等的能进行***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，***终产物（CO₂、H₂O、NO₃^-、PO₄^3-等）稳定，含有的能量***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H₂O和无机物），可用化学式C₅H₇O₂N或C₆₀H₈₇O₂₃N₁₂P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NH₃-N计，P以PO₄^3－-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CO₂和HCO₃^－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***适生长温度为20～37。

厌氧生物处理时，中温微生物的***适生长温度为25~40℃，高温微生物的***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***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***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（***佳pH为6.7~7.2）。

在生物处理过程中保持***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H₂O₂，但没有分解H₂O₂的酶而被H₂O₂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SO₄^2－、NO₃^－、PO₄^3－和Fe³⁺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***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

***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

图 1 基于好氧氨氧化和厌氧氨氧化过程驱动的氮循环简图

研究背景

主要内容

AOB在属水平上主要包括隶属于Betaproteobacteria菌门的Nitrosospira, Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus 和 Nitrosovibrio等菌属，以及隶属于Gammaproteobacteria菌门的Nitrosococcus菌属。

AOA在属水平上包括Nitrosopumilus maritimus, Nitrosopumilus maritimus SCM1, Nitrososphaera gargensis, Cenarchaeum symbiosum, Nitrososphaera gargensis, Cenarchaeum symbiosum 和Nitrosocaldus yellowstonii 等菌属。

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

AnAOB在属水平上主要包括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谢特性，代谢活性受到不同生态因子的影响作用，在不同的工艺配置中具有不同的群落结构，本论文总结了氨氧化微生物的生理代谢特性及影响因素，在污水处理系统中的氨氮去除性能及种群结构。

 

图 1 好氧氨氧化和厌氧氨氧化过程涉及的功能微生物及酶示意图

表 1  氨氧化微生物的栖息地及丰度