微生物去除氮磷污水的研究现状
内容摘要
水体的氮磷污染不仅可引起水体的富营养化，还可以直接人体和动物的健康，因此脱氮除磷是污水处理过程中的一个重要环节。本文对生物脱氮除磷原理进行简述，综述了生物脱氮除磷微生物，并对影响反硝化反应的因素以及生物除磷过程中影响反硝化除磷的因素进行详细总结，简单论述了传统生物脱氮除磷工艺和新工艺的优缺点，最后对本人进行总结与展望。
关键词 ：
反硝化细菌 反硝化除磷 聚磷菌 影响因素
Research status of microbial removal of nitrogen and phosphorus wastewater
Abstract
The pollution of nitrogen and phosphorus in the water body can not only cause eutrophication of the water body, but also direct the health of humans and animals. Therefore, nitrogen and phosphorus removal is an important part of the sewage treatment process. This article briefly describes the principles of biological nitrogen and phosphorus removal, summarizes the biological nitrogen and phosphorus removal microorganisms, and summarizes the factors that affect the denitrification reaction and the factors that affect the denitrification and phosphorus removal during the biological phosphorus removal process. The advantages and disadvantages of the biological denitrification and dephosphorization process and the new process are summarized and prospected. Key Words:
Denitrifying bacteria Denitrifying phosphorus removal Phosphorus accumulating bacteria
Influence factor
目录
1．引言 ...................................................................................... 4
2．生物脱氮过程中微生物的研究 .......................................... 4
2.1 生物脱氮原理 .................................................. 4
2.2 生物除氮过程中微生物 .......................................... 4
2.3 影响反硝化反应的因素 .......................................... 4
2.3.1 有机碳源 ................................................................................................................ 4
2.3.2pH 值 ....................................................................................................................... 5
2.3.3 温度 ........................................................................................................................ 5
2.3.4 溶解氧（DO）
...................................................................................................... 5
3．生物除磷过程中微生物的研究 .......................................... 5
3.1 生物除磷原理 .................................................. 5
3.2 聚磷菌的代谢机理 .............................................. 5
3.3 聚糖菌的代谢机理 .............................................. 6
3.4 生物除磷微生物 ................................................ 6
3.5 影响反硝化除磷的因素 .......................................... 7
3.5.1 碳源种类 ................................................................................................................ 7
3.5.2 电子受体类型 ........................................................................................................ 7
3.5.3pH ............................................................................................................................ 7
3.5.4 进水 C/N ................................................................................................................. 7
3.5.5 污泥龄 .................................................................................................................... 7
4.脱氮除磷工艺研究进展 ......................................................... 7
4.1 传统脱氮除磷工艺 .............................................. 7
4.2 脱氮除磷新工艺 ................................................ 8
5．总结与展望 .......................................................................... 8
参考文献：
................................................................................ 9
致谢 .......................................................................................... 12
微生物去除氮磷污水的研究现状 学生姓名：张润生
指导教师：胡青平
1．引言 现如今二十一世纪，我国城镇化速度日趋加快。在城镇化过程中，随着社会不断发展，经济规模的日趋扩大，大量人口、工业、能源涌向城镇，因此淡水资源的利用、污水排放和水体污染问题成为水环境的研究热点[1] 。水环境污染问题严重，种类多，而水体富营养化的状况是现在主要面临的水污染问题 [2] 。近年来，湖泊的可容纳量以承受不住工业废水的超量排放和生活污水的超量排放，造成湖泊等水体富营养化问题日趋加重[3,4,5] 。水体中的藻类大量繁殖，水体的透明度降低，水体中所能的溶解的氧含量降低，都是因为水体吸收了大量的氮、磷等营养物质，从而使水体生态体系和水功能受到破坏和阻碍，水资源短缺的问题更加严重[6,7] 。当水体被氮、磷等元素污染后，水中各种藻类以及大量浮游生物的过量生长会造成水里面被溶解的氧含量的损耗，因而使水里面各种鱼类和其他生物缺少氧气而死亡，进而造成水质量的恶化，同时破坏水生生态系统[8] 。
本文主要通过对生物脱氮除磷过程中反硝化细菌，聚磷菌的研究，以及对影响反硝化反应的因素，影响反硝化除磷的因素进行综述并对此做出总结与展望。
2．生物脱氮过程中微生物的研究 2.1 生物脱氮原理 一般来说，生物脱氮有三个步骤:首先是在氨化菌的存在下，经一系列反应有机氮会被分解、转化成氨氮。其次是在硝化细菌的存在下，经一系列反应氨氮进行氧化、分解成硝态氮。最后是在缺氧条件下，经一系列反应硝态氮被还原成气态氮，排放到大气之中 [9] 。有研究表明:在硝化过程和反硝化的过程中，有些细在以硝酸根或亚硝酸根作为电子受体时，能直接将氨态氮氧化为气态氮。这一成果可以为污水脱氮方面的研究提供新的理论知识 [10] 。
2.2 生物除氮过程中微生物 反硝化细菌的种类在污水中多种多样，约有 50 多个属，130 多个种。目前已知的有芽孢杆菌属（Bacillus），肠杆菌属（Enterbacter），短杆菌属（Brevibacterium），假单胞菌属（Pseudomonas），微球菌属（Micrococcus），螺菌属（Spirillum）等。在污水处理中体系中微生物的群落构成和成分极其复杂，Hoshino 等用分子方法研究反硝化系统中微生物群落的构成和成分 [11] 。但活性污泥内存在很多不能培养的微生物，传统污泥中微生物的培养方式不能实际反映活性污泥中反硝化细菌的状况 [12] 。
2.3 影响反硝化反应的因素 2.3.1 有机碳源 从实践的污水生物脱氮工艺来看，系统中本身存在的碳源和外来加入的碳源两大类是主要的有机物来源。解决生物碳源的需求是充分利用系统碳源的重要环
节 [13] 。外加碳源多采用甲醇， 乙醇等化工产品，一般认为，碳源充足的条件是污水中的 BOD 5 T-N 值>3-5，此时不用增补外加碳源。当以甲醇作为碳源时，反硝化速率较高，甲醇被分解后产生 H 2 O 和 CO 2 ，但以甲醇作为碳源时处理费用相对来说比较高。污水处理系统中不同种类的碳源，可造成反硝化活性及反硝化细菌的类群都存在差异 [14] 。
2.3.2pH 值 反硝化反应最合适的 pH 范围为 6.5~7.5，当 pH 值不在合适范围内，过高或过低的 pH 都会影响反硝化过程反硝化酶的活性和细菌的生长速率。当反硝化过程中 pH 值小于 6.0 或大于 8.0 时，反硝化过程会遭到强烈的抑制。反硝化过程对NO 3 - 或N0 2 - 浓度的降低有利于pH值保持在反硝化过程所需的范围内同时还可以填补在硝化过程中损耗的一部分碱度 [15] 。
2.3.3 温度 温度保持在 25℃～35℃之间是反硝化细菌最适的生长温度，当温度下降到15℃以下时会造成反硝化速率降低，是因为当温度下降到 15℃以下时，反硝化细菌的繁殖速率和生长代谢速率降低。实际中反硝化一般控制在 15℃～ 30℃ [16] 。
2.3.4 溶解氧（DO）
反硝化细菌会在分子态氧和硝酸盐两者同时存在下进行有氧呼吸。微生物从有氧呼吸转化成无氧呼吸的关键是看是否有合成无氧呼吸的酶，但是当分子态氧存在时，这类无氧呼吸酶的合成及活性会受到抑制。因此保持严格的缺氧环境才能保证反硝化过程的顺利进行。一般认为，当系统中的溶解氧保持在 0.5mg/L 以下时，反硝化能正常进行。此外，盐度、污水中存在的有毒有害物质等都会影响反硝化反应的顺利进行。例如，反硝化的活性会随着污水中盐度的升高而逐渐降低 [17] 。
3．生物除磷过程中微生物的研究 pH、电子受体和 C/N 等是影响生物除磷系统中微生物种群的环境因素，主要分为 PAOs 和非 PAOs 两大类，他们之间互相竞争碳源。非 PAOs 称为聚糖菌(glycogen accumulating organisms，GAOs)。改良 PAOs 的生长环境，掌握其特征以及对生物除磷体系中微生物的种群的研究，是高效除磷想要实现的必要条件。
3.1 生物除磷原理 在厌氧条件下，聚磷菌水解聚磷和糖原，产生 ATP，同时吸取挥发性脂肪酸，这一过程称为生物除磷。ATP 为生物的生长发育提供能量，磷参与了 ATP 的合成是 ATP 的重要组成部分，因此聚磷菌称为优势菌种。微生物通过大量摄取污水中的磷酸盐，然后排放残余污泥来取得较好的除磷效果并且达到除磷的目的[18] 。
3.2 聚磷菌的代谢机理 厌氧条件下无机磷的释放。聚磷菌分解体内的聚磷酸盐和 ATP，产生 ADP和能量，并释放 Pi。外界环境中的有机物被聚磷菌摄取，利用 ATP 和 NADH 2通过一系列反应合成聚β羟基丁酸（PHB）贮存于细胞体内。好氧条件下无机磷过量摄取。聚磷菌在有氧条件下，不断氧化分解体内的聚β羟基丁酸，并释放能量，一部分能量是聚磷菌通过分解其体内的聚磷酸盐得到的，另一部分能量是聚磷菌摄取外界环境中的 Pi 并合成为聚磷酸盐和 ATP 得到的，储存在细胞体内 [19] 。其代谢机理如图一所示。
3.3 聚糖菌的代谢机理 聚磷菌和聚糖菌的代谢机理不同之处在于吸收基质时使用能量的来源不同。厌氧条件下聚糖菌吸收有机基质在细胞体内合成聚羟基脂肪酸脂（PHA）的能量是通过分解糖元提供的，但其过程并不释磷。好氧条件下聚糖菌分解细胞内贮存的 PHA，产生能量，这部分能量被用于糖元的合成、微生物的生长代谢和生命活动的维持，但其过程并不聚集磷，其细胞内的糖元即能提供能源又能维持体内的氧化还原代谢平衡 [20] 。
图 1 聚磷菌的代谢过程 3.4 生物除磷微生物 3.4.1 早在 1975 年 Fush 和 Chen [21] 初次从高效除磷的活性污泥中分离出γ-Proteobacteria 亚纲的不动杆菌(Acinetobacter spp.)。由于该菌在生物除磷体系中容易分离且普遍存在，因此之后的一段时间对生物除磷微生物的研究主要会集在该种属并不停探索发现其他菌种，人们在研究 PAOs 的代谢机理时常以A.johnsonii210A 为代表。但随着分子生物学技术的迅速发展，荧光原位杂交 (Fluorescence In Situ Hybridization，FISH) 等在生物除磷系统中微生物的研究方面的广泛使用，人们发现生物除磷系统中的微生物群落与非除磷系统的微生物群落一样具备很高的多样性，Acinetobacter spp.可能在生物除磷系统中不占优势
[22] 。
3.4.2 气单胞菌（Aeromonas spp.）也是在除磷体系中发挥重要作用的菌种。Megnack [23] 等的研究表明：Aeromonas spp.属的细菌能超量汲取污水中磷形成的聚磷酸盐内含物，其机制是在厌氧条件下，以醇和某些糖为底物，经代谢生成短链挥发性脂肪酸。
3.4.3 俊片菌（Lampropediaa spp.），Stante [24] 等从 EBPR 系统中分离出一株名叫俊片菌的优势菌种。经用荧光原位杂交技术(FISH)分析，Lampropediaa spp.能在厌氧条件下同化乙酸盐释放磷同时生成 PHA。但也有学者研究指明：Lampropediaa spp.储存多聚物的速度很慢，而且只能储存一小部分多聚物 [25] 。
近几年随着分子生物学技术在生物除磷的广泛应用，人们对聚磷微生物有了更多方面的了解和认识。大量研究表明 [26， 27 ， 28] ：Rhodocyclus 在除磷体系中属于
优势 PAOs 属 Betaproteobacteria 亚纲。但也有研究发现，某些 PAOs 虽然数量少，但是也能发挥重要的作用，如 Gammaproteobacteria，Alphaproteobacteria，和Actinobacteria [29] 等。
3.5 影响反硝化除磷的因素 大部分学者已对反硝化除磷因素做了研究，其主要集中在研究碳源种类、C/N、电子受体类型、污泥龄（SRT）、pH 值上 3.5.1 碳源种类 聚磷菌可吸收的碳源只有挥发性脂肪酸，能用于反硝化除磷的碳源必须要水解酸化成挥发性脂肪酸 [30] M .Vargas
[31] 等研究表明具有反硝化能力的聚磷菌为丙酸...
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