汙水處理中的微（wēi）生物分類

汙水處理（lǐ）中的微生物種類很多，主要有菌類（lèi），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（xū）求的不同，可將細菌分為自養菌和異（yì）養菌兩（liǎng）大類。

自養菌利用各種無機（jī）物（CO₂、HCO₃^-、NO₃^-、PO₄^3-等）為營養將（jiāng）其轉化為另（lìng）一（yī）種無機物，釋放出能量，合成細胞（bāo）物質，其碳源、氮源和磷源（yuán）皆為無機物。

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

真（zhēn）菌包括黴菌和酵母菌。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，隻有細菌的一半（bàn）。真（zhēn）菌常出現於低pH值、分子氧（yǎng）較少的環境中。

真菌絲體對活性汙（wū）泥的凝聚起到（dào）骨架作用，但過多絲狀菌的出現會影響汙泥的沉澱性能，而引起汙泥（ní）膨脹。真菌在汙水處理的（de）作用是不可忽視的。

藻類是單細（xì）胞和多（duō）細胞的植物（wù）性微生物。它含有葉綠素，利用光（guāng）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（chéng）自身細胞。

原生動物是***低（dī）等的能進行***增殖的單細胞動物。汙水中的原生動（dòng）物既是水質淨化者又是水（shuǐ）質（zhì）指示物。絕大多數原生動物屬於（yú）好氧異養（yǎng）型。在汙水處理中，原生動物的作用沒有細菌重要，但由於大多數原生動物能吞食固態有機物和遊離細菌，所以（yǐ）有淨化（huà）水質的作用。原生動物對環境的變化比較敏感，在不（bú）同（tóng）的水質環境（jìng）中出現不同的原生動物，所以是水質指示物。例如（rú），溶（róng）解氧充足時鍾蟲大量出現（xiàn），溶解氧低於1㎎/L時出現較少，也（yě）不活躍。

後生動物是多細胞動物。在汙水處理設施和穩定塘中常見的後（hòu）生（shēng）動物有輪蟲、線蟲和（hé）甲殼類的動物（wù）。

後生動物皆為好（hǎo）氧（yǎng）微生物，生活在較好的水質環（huán）境中。後生動物以（yǐ）細菌（jun1）、原（yuán）生動物、藻類和有機（jī）固體為食，它們的出現表明處理效果較好，是汙水處理的指示（shì）性生物。

微生物的代謝

微生物的生（shēng）命過程是營養不斷被（bèi）利用，細胞物質不斷合成又（yòu）不斷（duàn）消耗的過程。在這一過程中伴隨著新生命（mìng）的誕生，舊生命的死亡和營（yíng）養物（基質）的轉化。汙水的生物處理（lǐ）就是利用（yòng）微生物對汙染物（營養物）的代（dài）謝轉化作用實現的。

細菌、真菌、藻類、原生動物、後生動物共生於水體（tǐ）中。細菌和真菌（jun1）以水中的有機物（wù）、氮和磷等為營養進行有氧和無（wú）氧呼（hū）吸合成自（zì）身細胞。藻類是利用二氧化碳和水中的氮（dàn）、磷進行（háng）光合作用合成自身細胞並向水體提供氧氣。藻（zǎo）類的細胞死亡後成為菌類（lèi）繁殖的營養。原生（shēng）動物吞食水中固態（tài）有機物、菌類和藻類。後生動物捕食水中（zhōng）固體有機物、菌（jun1）類、藻類和原生動物。

微生（shēng）物從汙水中攝取（qǔ）營養物質，通過複雜的生（shēng）物（wù）化學反應合成自身細胞和排出廢（fèi）物（wù）。

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

微生物將營（yíng）養物分解轉化為簡單的化合物並釋放出能（néng）量，這一過程叫做分解（jiě）代謝或產能（néng）代謝；微生物將營養物轉化為細胞物質並吸收分解（jiě）代（dài）謝釋放的能量，這一過程叫做合（hé）成（chéng）代謝。

當營養缺乏時，微（wēi）生物對自身細胞（bāo）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，內源呼吸並不明顯，但營養物缺（quē）乏時，內源（yuán）呼吸是能量的主要來源。

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

微生（shēng）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（zhì）。不同的微生物代（dài）謝速度不同，營養物用於分解和（hé）合成的比例也不相同。

厭氧微（wēi）生物分（fèn）解營養物不徹底，釋放的能（néng）量少，代謝速度慢，將（jiāng）營養物用於分解的（de）比例大，用於合（hé）成的比例小，細胞增殖慢。

好氧微生物分解營養物徹底，***終（zhōng）產物（CO₂、H₂O、NO₃^-、PO₄^3-等）穩定，含有（yǒu）的能量***少，所以好（hǎo）氧微生物（wù）代謝中釋放（fàng）的能量多，代謝速度快（kuài），將營養物用於分（fèn）解的比例小，用於合成的比例大，細胞增殖快。

微生（shēng）物（wù）的生長環境

廢水（shuǐ）生物處理的（de）主體（tǐ）是微生物，隻有創造良好的環境（jìng）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（wù）質等。

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

不同微生物（wù）細胞的組成不盡相同，對碳氮磷比的要求也（yě）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（bú）相同。如異養菌需要有機物為碳（tàn）源，而自養菌以CO₂和（hé）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（yù）期的淨化效果，控製合適的C:N:P比顯得（dé）十分重要（yào）。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（děng）微量元素。

微（wēi）生物（wù）的種類不同生長溫度不同，各種微生物（wù）的總體溫度範圍是0~80℃。根據適應的溫度範圍，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（wēi）生物的生（shēng）長溫度為20~45℃，高溫性微生物的生長（zhǎng）溫度為45℃以上。好氧（yǎng）生物處理以中溫為主，微生物的***適生長溫度為20～37。

厭氧（yǎng）生物處理時，中溫微生物（wù）的（de）***適生長溫度（dù）為25~40℃，高溫微生物的***適生長溫度（dù）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（duàn），分別（bié）叫做（zuò）中溫消（xiāo）化（發酵）和高（gāo）溫消化（發酵）。

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

在適宜的溫（wēn）度範圍內，每升高10℃，生化反應速度就提（tí）高1~2倍。所以，在（zài）較（jiào）高***適溫度條（tiáo）件下生物處理（lǐ）效果較好。人為改變汙（wū）水溫度將增大處（chù）理成本，所以好氧生物處理一般在自（zì）然溫度下進行，即在（zài）常溫下進行。

好氧生物處理效果受氣候的影響較小（xiǎo）。厭氧（yǎng）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（běn），應盡量（liàng）采用常溫（wēn）下運（yùn）行（20~25℃）。

如果原汙（wū）水的溫度較高，應采用中溫發酵（33~38℃）或高溫發酵（52~57℃）。如果（guǒ）有足夠的餘熱或（huò）發酵過程中產生足夠的沼氣（高（gāo）濃度有機汙水和汙（wū）泥（ní）消化），則可以利用餘熱或沼氣（qì）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（shì），進而影響酶的催（cuī）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係（xì）統，就有不同（tóng）的pH值適應範圍。細菌、放線菌（jun1）、藻類和原生動物的pH值適（shì）應（yīng）範（fàn）圍是4~10。

酵母菌和黴菌的（de）***適（shì）pH為3.0~6.0。大多數細菌（jun1）適宜pH=6.5~8.5的中（zhōng）性和偏堿性環（huán）境（jìng）。好氧生物處理的適宜pH為6.5~8.5，厭氧（yǎng）生物處理的適宜pH為6.7~7.4（***佳pH為6.7~7.2）。

在生物處（chù）理過程中保持***適pH值範圍非常（cháng）重要。否則，微生物酶的活性降低（dī）或喪失，微生物生長（zhǎng）緩慢甚至死亡，導致處（chù）理失敗。

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

好（hǎo）氧微生物的代謝過（guò）程以分子氧為受體，並參（cān）與（yǔ）部分物質的（de）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（de）發硫菌）和兼性微（wēi）生（shēng）物大（dà）量繁（fán）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（zhuàng）菌（jun1）優勢生長，引起汙泥膨脹。

溶（róng）解氧（yǎng）濃度（dù）過高，不僅浪費能量，而且會因營養相對缺（quē）乏而使細胞氧化和死亡。為取得良好的（de）處理效果，好氧生物處理時應控製溶解氧在2~3mg/L（二沉池出水0.5~1mg/L）為宜。

厭氧微生（shēng）物在有氧的條（tiáo）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（bú）能有分（fèn）子氧存（cún）在。其他氧化態物質如SO₄^2－、NO₃^－、PO₄^3－和Fe³⁺等也（yě）會對厭氧生物處理產生不良影響，也應控製它們的濃度。

對微生（shēng）物有抑製和（hé）毒害作用的（de）化學物質叫有毒物質。它能破壞細胞的結構，使（shǐ）酶變性而失去活性。如重金屬能與酶的-SH基團結合，或與蛋（dàn）白質結合使之變性或沉澱。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（shēng）毒害。

某些有毒物質在（zài）低濃度時可以成（chéng）為微生物的營養。有毒物質的毒性受（shòu）pH值、溫（wēn）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（de）微生物對同一毒物（wù）的耐（nài）受能力也不同（tóng），具體情況應根據實驗而定。

在廢水生物處理過程中，應嚴格控製有毒物質（zhì）濃度，但有毒物（wù）質濃度的允許範圍尚無統一的標準，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 Biosesyst Eng綜述：汙水中氨氧化微生物研究進展——代（dài）謝機理、種群結構、影響（xiǎng）因（yīn）素和工（gōng）藝應用

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

***作（zuò）者/通訊作（zuò）者（zhě）：趙偉華

作者排序：趙偉華，畢學軍，白萌，王豔豔

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 Biosesystems Engineering

論文分區：JCR二區

圖文摘要（yào）

圖 1 基於好氧氨氧化和厭氧氨氧化過程驅動的（de）氮循環簡圖

研究背景

主要內容

AOB在屬水平上主要（yào）包括隸屬（shǔ）於Betaproteobacteria菌門的Nitrosospira, Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus 和 Nitrosovibrio等菌屬，以及隸屬於Gammaproteobacteria菌門的Nitrosococcus菌屬。

AOA在屬水平上包括Nitrosopumilus maritimus, Nitrosopumilus maritimus SCM1, Nitrososphaera gargensis, Cenarchaeum symbiosesum, Nitrososphaera gargensis, Cenarchaeum symbiosesum 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（shēng）物具有不同的（de）生理代（dài）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（yǒu）不同的群落結構（gòu），本論文總結了氨氧化微生物的生理代謝特性及影響因素，在汙水處理係統中的氨氮去除性能及種群結（jié）構。

 

圖 1 好氧氨氧化和厭氧（yǎng）氨氧化過程涉及的功能微（wēi）生物及酶示（shì）意圖

表 1  氨氧化微生物（wù）的棲息地及豐度