污水处理中的微生物代谢原理

一、 学习指南

1.部分术语

术语	定义
异养生物	需要有机碳作为碳源和能源的生物
自养生物	利用二氧化碳作为唯一碳源并通过氧化无机化合物获得能量的生物
化学营养生物	从环境中氧化电子供体分子获取能量的生物
光能营养生物	利用光作为能源的生物
有氧呼吸	一种代谢过程，利用氧气作为最终电子受体将有机物分解为二氧化碳和水
厌氧呼吸	一种代谢过程，利用除氧气以外的电子受体（如硝酸盐、硫酸盐或二氧化碳）将有机物分解
发酵	一种厌氧代谢过程，将有机物转化为其他有机化合物，并产生少量的能量
硝化作用	将氨氧化为亚硝酸盐，再将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的过程
反硝化作用	将硝酸盐还原为氮气的过程
硫酸盐还原	将硫酸盐还原为硫化氢的过程
产甲烷作用	将有机物或二氧化碳还原为甲烷的过程
生物膜	附着在表面的微生物群落
活性污泥	由细菌、原生动物和其他微生物组成的悬浮生长体系，用于处理污水底物被微生物用作碳源和能源的物质
理论化学需氧量	将物质完全氧化为二氧化碳和水所需的氧气量
电子当量	表示化学反应中转移的电子数量细胞产率每消耗一单位底物产生的生物量
吉布斯自由能 (ΔG)	表示反应自发性的热力学函数
半饱和函数	描述底物浓度对反应速率影响的函数
抑制函数	描述抑制剂浓度对反应速率影响的函数
生长速率	微生物种群数量随时间增加的速率

1.2 快问快答

序号	问题	回答
1	简述生物污水处理的原理以及其目标	生物污水处理利用细菌等微生物降解或吸附污水中的污染物，将其转化为生物絮体或生物膜。其目标是去除污水中的有机物、营养物质和病原体，以减少其对环境和人类健康的影响。
2	原核生物和真核生物在细胞结构上的主要区别是什么？	原核生物没有被膜包围的细胞核，其遗传物质（DNA）以类核的形式存在于细胞质中。真核生物则具有被核膜包围的细胞核，其遗传物质（DNA）位于细胞核内。此外，真核生物还具有其他膜结合细胞器，如线粒体和叶绿体，而原核生物则没有。
3	细菌中哪些聚合物化合物与污水处理相关，它们的作用是什么？	与污水处理相关的细菌聚合物化合物包括聚-β-羟基烷酸酯 (PHA)、糖原和多磷酸盐。PHA 和糖原作为能量和碳储备，而多磷酸盐作为磷储备。
4	简述细菌的基本功能及其与污水处理的关系。	细菌的基本功能包括复制其遗传物质、进行化学转化以合成细胞成分以及进行细胞分裂以繁殖。这些功能对于污水处理至关重要，因为它们使细菌能够降解污染物、产生能量并生长。
5	解释荧光原位杂交  (FISH)和聚合酶链反应  (PCR) 在微生物学中的应用。	荧光原位杂交 (FISH) 是一种利用荧光标记的寡核苷酸探针来检测生物样品中特定微生物的技术。聚合酶链反应 (PCR) 是一种用于扩增特定 DNA 序列的技术，可用于检测和识别生物样品中的特定微生物。
6	细菌如何从氧化还原反应中获取能量？	细菌通过氧化还原反应（也称为氧化还原反应）获取能量，其中电子从电子供体转移到电子受体。这种电子转移会产生质子动力，可用于产生 ATP，这是细胞的能量货币。
7	微生物生长所需的营养需求有哪些？	微生物生长需要碳源、能源、氮源、磷源以及其他营养物质，如微量元素和维生素。
8	影响微生物生长的主要环境因素有哪些？	影响微生物生长的主要环境因素包括氧气浓度、温度、pH 值、渗透压和毒性物质的存在。
9	解释化学需氧量  (COD) 和电子当量的概念。	化学需氧量 (COD) 是指将物质完全氧化为二氧化碳和水所需的氧气量。它通常用于衡量污水中有机物污染的程度。电子当量 表示化学反应中转移的电子数量。
10	什么是细胞产率，如何从生物热力学角度估算？	细胞产率是指每消耗一单位底物产生的生物量。它可以从生物热力学角度估算，方法是考虑反应中可用的能量以及合成细胞成分所需的能量。细胞产率概念在COD平衡计算中非常重要，也是反硝化碳氮比不会是2.86的根本原因。

2. 污水处理中的微生物代谢原理

污水处理利用自然界中细菌的作用来净化污水。微生物代谢是这一过程的核心，它涉及到一系列复杂的生化反应，这些反应使微生物能够降解有机物，去除营养物质，并最终净化污水。

以下是生物处理中微生物代谢原理的详细解析：

（1）. 微生物的分类和结构

污水和污水处理厂中发现的生物体主要包括微生物（病毒、细菌、原生动物）和一些高等生物（藻类、植物、动物）。参与污水处理的细菌主要是原核生物。原核生物和真核生物的一个重要区别是遗传物质 (DNA) 在原核生物中以核苷的形式存在，而在真核生物中则存在于由膜包围的真核中。

细菌的细胞质膜将细胞内环境与细胞外环境隔开，这限制了溶解成分的通过，并允许产生 pH 梯度（外部 H+ 更多）和电荷梯度（外部正电荷更多），这被用作产生能量和运输代谢物的主要机制。细菌细胞内还含有其他重要的组成部分，如蛋白质、核酸、多糖和脂类。与污水处理相关的细菌聚合物包括聚-β-羟基链烷酸酯 (PHA)、糖原和多磷酸盐。这些化合物充当能量储备以及有机碳 (PHA、糖原) 和磷 (多磷酸盐) 的储备。

（2）. 细菌的功能

· 细菌必须能够复制其遗传物质并进行化学转化，才能进行生长。化学转化由酶催化，酶是蛋白质。

· 任何蛋白质的合成都需要其基因表达。第一步是将 DNA 转录成 RNA，然后将其翻译成蛋白质，然后对其进行加工以使其发挥功能。

· 通过复制其组成部分，细菌细胞可以分裂成两个子细胞。

（3）. 细菌的生物热力学

 

· 细菌代谢所需的能量来自化学氧化还原反应。

· 两个主要的能量产生途径是**糖酵解和三羧酸循环 (TCA)**，其中葡萄糖（一种糖）被降解成丙酮酸，然后降解成乙酰辅酶 A (AcCoA)，后者进入 TCA 循环。

· 化学能被转移到富含能量的化合物三磷酸腺苷 (ATP) 中，电子被转移到辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+) 的氧化形式，后者被还原为 NADH。

· 在电子受体（如氧气 (O2) 或氧化氮 (NOx：硝酸盐，NO3- 或亚硝酸盐，NO2-)）存在的情况下，NADH 可以通过电子传递链 (E.T.C.) 将电子转移到电子受体。

· 在这个电子传递过程中，质子被跨细胞膜运输到细胞外。因此，pH 和电荷梯度会产生质子动力 ，质子动力用于跨细胞膜运输各种化合物，并通过 ATP 酶产生 ATP。

· 在没有外部电子受体的情况下，细胞无法再生糖酵解产生的 NADH。在这些条件下，TCA 循环将无法将底物氧化到丙酮酸和乙酰辅酶 A 之外。

· 然而，通过发酵，丙酮酸可以被糖酵解中产生的 NADH 还原成乙酸盐和丙酸盐等产物。

（4）. 微生物生长所需的营养

 

· 除了能量外，微生物还需要碳源和无机化合物来合成细胞成分。

· 细菌的干物质通常包含约 93% 的有机物和7% 的无机物。

· 除了氮和磷等宏量营养素外，其他元素也是必不可少的。

（5）. 碳源、能源和微生物多样性

· 代谢是活细胞中发生的所有化学过程的总和。它分为两类：分解代谢和合成代谢。

· 分解代谢反应是细胞的能量供应。分解代谢反应是一种氧化还原反应，其中电子从电子供体到电子受体的传递会产生质子动力，从而提供 ATP。

· 合成代谢反应利用这种能量从碳源和其他营养物质合成细胞成分。

· 生物合成碳源只有两种类型：有机碳源和无机碳源。能量来源有三种：有机、无机和来自光，但电子供体和受体的各种组合导致了广泛的微生物多样性。

· 化学营养生物从其环境中电子供体分子的氧化中获取能量。

· 这些分子可以是有机的（化学有机营养生物或化学有机异养生物）或无机的（化学无机营养生物或化学无机自养生物）。

（6）. 环境条件（氧气、温度、毒性）

 

· 环境条件必须有利于微生物生长。影响生长的主要因素是氧气和温度，但 pH 值（通常为 6 至 8）和渗透压（取决于盐的浓度）也必须合适。

· 需氧菌利用氧气，并且可能需要氧气（专性需氧菌），在没有氧气的情况下也能发挥作用（兼性需氧菌），或者需要低水平的氧气（微需氧菌）。厌氧菌不利用氧气，但可以耐受氧气（耐氧菌）或不耐受氧气（专性厌氧菌）。

· 温度对微生物的生长速率有显着影响。

（7）. 化学计量学和热力学

 

· 微生物的生长可以通过在批次测试中测量的四个阶段来表征，在这些阶段中，底物和生物质浓度会发生变化。

· 这四个阶段是： (1) 滞后期，在此期间，生物量几乎没有增加，底物消耗也很少，因为细胞正在适应新环境。(2) 随后的指数生长期，在此期间，生物量以其最大速率生长，消耗大量容易获得的底物。(3) 接下来是稳定期，在此期间，几乎没有可用的外部底物，生物量浓度保持相对恒定。(4) 最后，衰减期与生物量的衰减有关，这是由于消耗内部碳和能量储备以满足其维持需求，以及由于捕食和裂解。

· 分解代谢产生的能量取决于可供微生物利用的化学物质的氧化和还原。在给定的反应中，电子供体 (ED) 被氧化，而电子受体 (EA) 被还原。

· 吉布斯自由能的变化 (ΔG0) 是反应的一个有用的热力学性质，它表征了给定反应可获得的最大能量（功）。

· 如果净反应导致负的 ΔGo’，这意味着可以释放能量并且反应可以自发发生，这是一个放能反应。相反，如果净反应导致正的 ΔGo’，则反应需要能量输入才会发生并且不会自发发生，这是一个吸能反应。

· 电子供体底物的一部分用于细胞合成（fs0：真实合成分数），其余部分用于能量产生（fe0：真实能量分数）。

· 生成的活性细菌细胞通过利用初始电子供体生长，然后由于维持、捕食和细胞裂解而发生衰变。在衰变过程中，一部分活性细菌细胞成为电子供体，以产生更多能量和更多反应终产物。活性残留细胞和反应终产物之间的电子当量全局分配保持等于 1。

· 生物热力学可以作为进行仔细的实验室规模实验以确定反应的真实（或最大）产量的替代方法。

（8）. 动力学

· 细菌对底物的利用速率取决于许多因素，这些因素是给定微生物群的特征。最重要的参数是最大底物利用速率、半饱和常数和抑制常数。

3. 生物污水处理中的常见微生物及其代谢特征

 

生物污水处理依赖于各种微生物来降解和去除污染物。以下是生物污水处理中常见的微生物群体及其代谢特征：

（1） 异养菌

· 异养菌利用有机物作为碳源和能源。

· 好氧异养菌是污水处理中最主要的微生物群体，它们在有氧条件下氧化有机物，将其转化为二氧化碳、水和能量。

· 常见的种类包括假单胞菌属、芽孢杆菌属、大肠杆菌属等。

· 厌氧异养菌在无氧条件下分解有机物，产生甲烷、二氧化碳和挥发性脂肪酸等。

· 常见的种类包括梭菌属、拟杆菌属、甲烷杆菌属等。

· 兼性厌氧菌可以在有氧或无氧条件下生存，例如反硝化细菌，在有氧条件下进行好氧呼吸，在缺氧条件下利用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体进行反硝化作用，将硝酸盐还原为氮气。

· 常见的种类包括假单胞菌属、大肠杆菌属等。

（2）自养菌

· 自养菌利用无机物作为碳源，通过氧化无机物获得能量。

· 硝化细菌是自养菌的一个重要例子，它们将氨氮氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。常见的种类包括亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属、硝化杆菌属、硝化螺菌属等。

· 硫氧化细菌将硫化物氧化为硫酸盐。

· 常见的种类包括硫杆菌属、硫微螺菌属等。

（3）真核微生物

· 原生动物以细菌和其他微生物为食，对污水处理系统的稳定运行和出水水质有重要影响。常见的种类包括鞭毛虫、纤毛虫、变形虫等。

· 藻类利用光能进行光合作用，产生氧气，并吸收污水中的营养物质。常见的种类包括绿藻、蓝藻等。

· 真菌可以降解一些难降解的有机物，例如纤维素和木质素。常见的种类包括曲霉属、青霉属等。

（4）微生物代谢特征

· 生长速率: 不同微生物群体的生长速率差异很大。一般来说，异养菌比自养菌生长速度快。 温度、pH、营养物质等环境因素也会影响微生物的生长速率。

· 底物利用: 不同微生物群体可以利用不同的底物作为碳源和能源。 例如，好氧异养菌可以利用各种有机物，而硝化细菌只能利用氨氮。

· 电子受体: 不同微生物群体可以使用不同的电子受体进行呼吸作用。 好氧微生物使用氧气作为电子受体，而厌氧微生物可以使用硝酸盐、硫酸盐等作为电子受体。

· 代谢产物: 不同微生物群体的代谢产物也不同。 例如，好氧异养菌的代谢产物主要是二氧化碳和水，而厌氧异养菌的代谢产物则包括甲烷、二氧化碳和挥发性脂肪酸等。

4. 污水处理过程中监测和控制微生物群落组成的重要性

在污水处理过程中，监测和控制微生物群落组成至关重要，因为微生物是污水处理的核心驱动力。 不同的微生物群体在污水处理中扮演着不同的角色，如去除有机物、硝化、反硝化和产甲烷等。 它们的生长和代谢活性直接影响着污水处理的效果和效率。

以下是监测和控制微生物群落组成的重要性：

优化处理效果： 通过监测微生物群落组成，可以了解哪些微生物群体占优势，以及它们的功能如何。 这有助于判断处理系统的运行状况，以及是否需要调整工艺参数以优化处理效果。 例如，如果在一个厌氧消化系统中，产甲烷菌的数量不足，则会导致甲烷产量降低，处理效率下降。 通过监测微生物群落组成，可以及时发现问题并采取措施，如添加产甲烷菌的营养物质或调整反应器温度等。

· 

提高处理效率： 不同的微生物群体具有不同的代谢速率和对污染物的降解能力。 通过控制微生物群落组成，可以选择和培养高效的微生物群体，从而提高处理效率。 例如，在好氧处理系统中，可以通过控制溶解氧浓度和污泥龄等参数，选择和培养生长速度快、降解有机物效率高的微生物群体，从而缩短处理时间，降低运行成本。

保障系统稳定性： 微生物群落组成会受到多种因素的影响，如进水水质、温度、pH值等。 监测和控制微生物群落组成有助于维持系统的稳定性，避免出现处理效果波动或系统崩溃等问题。 例如，如果进水水质发生突变，可能会导致某些微生物群体死亡或过度生长，从而影响处理效果。 通过监测微生物群落组成，可以及时发现异常情况并采取措施，如调整进水量或添加微生物制剂等，以维持系统的稳定运行。

预防和控制病原微生物： 污水中可能含有致病微生物，对人类健康和环境构成威胁。 通过监测微生物群落组成，可以了解病原微生物的种类和数量，并采取相应的措施进行控制，如消毒或隔离等。

开发新型处理技术： 随着分子生物学技术的发展，人们对微生物群落组成的认识不断深入。 通过监测和分析微生物群落组成，可以发现和筛选具有特殊功能的微生物，并将其应用于新型污水处理技术的开发。 例如，近年来发现的厌氧氨氧化细菌可以将氨氮直接转化为氮气，具有高效脱氮的潜力。

监测微生物群落组成的方法主要包括传统的显微镜观察法和现代的分子生物学技术。 传统的显微镜观察法可以观察微生物的形态和数量，但难以区分不同种类的微生物。 现代的分子生物学技术，如荧光原位杂交 (FISH) 和聚合酶链式反应 (PCR) 等，可以更准确地识别和定量不同种类的微生物。

控制微生物群落组成的方法主要包括控制环境因素和添加微生物制剂。 通过控制环境因素，如溶解氧浓度、温度、pH值和营养物质等，可以为目标微生物创造有利的生长条件，从而促进其生长和繁殖。 添加微生物制剂可以引入具有特定功能的微生物，例如，在厌氧消化系统中添加产甲烷菌制剂可以提高甲烷产量。

总之，监测和控制微生物群落组成对于污水处理至关重要。 通过科学的监测和控制手段，可以优化处理效果、提高处理效率、保障系统稳定性、预防和控制病原微生物，并为新型污水处理技术的开发提供基础。

注：文章内容、图片来自《污水生物处理-原理、设计与模拟》第二章“微生物及其代谢理论”。