污水净化中的微生物降解
微生物的体积小而表面积大,繁殖速度惊人,能不断地与周围环境快速进行物质交换.污水通过能满足微生物 生长、繁殖条件下的设备,微生物便从污水中获取营养成分,同时降解和利用有害物质,从而使污水得到净化 .
1．微生物的好氧和厌氧净化
微生物的代谢方式具有多样性,能从污水中摄取淀粉、糖、脂肪、蛋白质等高分子化合物及其他低分子化合物 .
1．1 好氧净化 氧存在条件下,许多好氧微生物通过分解代谢、合成代谢和物质矿物化,在把污水中的有机物 氧化分解成CO2、H2O等的过程中,获得C源、N源、P源、S和能量.污水的微生物好氧净比处理,就是模拟 这种生物净化原理,把微生物置于一定的构筑物内通气培养,达到高效率净化污水的目的.
活性污泥法或生物过滤法处理污水,已是国内外净化污水和工业废水的重要方法.当污水与悬浮的活性污泥接 触时或通过以细菌为主形成的生物膜时,微生物便对污水中的有机物质进行吸附、吞噬、氧化、分解和转化, 从而完成净化污水的过程.
1．2 厌氧净化 微生物在严格厌氧条件下,对有机物质发酵或消化过程中,大部分有机物被分解生成H2、CO2 、H2S和CH4等气体.污水的微生物厌氧净化处理,就是根据污水经厌氧发酵后既得到净化,又获得了生物能 源CH4的原理.微生物细胞能量转移的电子受体,由在好氧条件下的分子氧改变为厌氧条件下的有机物.在厌 氧发酵中,难分解的大分子物质先在微生物的胞外酶（如纤维素酶、果胶酶、脂酶、蛋白酶）作用下,分解为 可溶性物质,再通过非产甲烷氏氧细菌和产氢细菌降解成低分子的有机酸类和醇类,并放出H2和CO2；有机 酸类和醇类在产甲烷细菌作用下,形成H2、CO2和CH4.甲烷细菌还可利用H2还原CO2形成CH4.
厌氧发酵法净化污水在密闭容器内进行,常被广泛应用于用好氧方法难以净化的有机污染物含量高或含不溶性 有机物较多的污水和废水.国内已有在处理造纸、抗菌素发酵的废水中采用此法.
2．微生物在净化某些工业废水中的降解作用
工业废水和废料中所含的物质成分、温度、pH值等差异较大.有些有毒物质可被微生物降解,有些却不易被 降解.
自然界中能降解烃类的微生物有几百种,多数为细菌、酵母菌和真菌,降解是由他们所产生的酶和酶系完成的 .一般来说,直链化合物比支链化合物、饱和化合物比非饱和化合物、脂肪烃比芳香烃容易被较多种类的微生 物降解和同化.直链烃的降解是末端甲基先被氧化形成醇、醛后再生成脂肪酸,由脂肪酸形成醋酸,最后氧化 成CO2和H2O.微生物对单环芳烃及其衍生物的降解与直链烃有些类似.能降解苯和酚的微生物种类很多,有 细菌中的许多属、放线菌等.
氰（腈）是剧毒物质.人们发现对氰有不同程度降解能力的微生物约50种,有茄病镰刀霉、假单孢菌属、诺 卡氏菌属等属.它们能产生一种氰水解酶,把氰中的碳、氮转变为CO2、NH3；镰刀霉还可利用氰作为合成细 胞所需要的碳源和氮源,使污水得到净化和解毒.早有人报道,用珊瑚色诺卡菌降解腈纶废水中的丙烯腈速度 快效果好,1g菌体在25min内可降解250mg丙烯腈.
某些污染物对人体有致癌性,如多环芳烃就是一类致癌性物质.许多细菌能降解多种多环芳烃,如产碱杆菌、 棒状杆菌、诺卡氏菌、假单胞菌属的某些种就能降解蒽和菲.活性污泥中的许多细菌对多环芳烃有较缓慢的降 解作用.硝基化合物对人类也有致癌作用,我国应用肠杆菌、克氏杆菌和假单胞菌等属的细菌,降解制造三硝 基甲苯炸药过程中的污水,效果很好.
塑料、合成纤维等许多制品的废物,生活污水中的洗涤剂、表面活性剂等,都难以利用普通活性污泥中的微生 物进行降解和去除.有人培育出一种体内具有两种酶的假单胞菌O－3号细菌,该菌可利用聚乙烯醇作碳源并 对其进行降解.活性污泥中投入此菌时,能大大提高净化含聚乙烯醇污水的效率.
人们早已能合成有机化合物,但自然界中的微生物体内却未有分解这些人工合成的化合物的酶系.经探索已选 育出一些经过驯化、诱导后具有降解人工合成物质的酶系的特殊功能微生物.例如,2,4－D、DDT等一些农 药,就可以被微生物降解而消除污染.
3．遗传工程菌在净化工业废水中的降解作用
为了提高污水生物净化的效率,人们应用分子遗传学技术不仅对现有的微生物进行改造,而且在研究创造具有 新的特殊功能的微生物.由于分子遗传学的发展,人们发现假单胞杆菌属中许多种的细胞里,具有调控多种性 状的质粒,这些质粒基因控制着烃化合物分解的酶系合成.应用质粒工程技术把分别降解芳烃、多环芳烃、萜 烃的质粒接合到降解酯烃的细菌体内,创造出一种具有多质粒的所谓“超级菌”新菌种.这种菌在消除石油污染 中,不仅能把60％的烃降解,而且只在几小时内就可达到自然菌种要用一年多时间的净化效果.人们采用把 一种细菌的调控还原酶的质粒转移到另一种菌体中的技术,使得到新质粒的细菌对汞的还原能力大大增强.用 这种细菌既解除含汞废水中的汞毒,又可回收到汞.总之,遗传工程菌的研究和应用,必将对生物净化污水起 到变革性作用.
4．污水中微生物种类变化与净化的关系
污水中生活的微生物,由极为适应于污水的多种微生物类群组成.它们在污水中的生物膜上或活性泥中形成一 个小的生态系统和食物链的缩影.食物链中的每一步都有一部分有机物被转变为CO2,使污水逐渐得到净化.
活性污泥中主要有细菌,还有酵母菌、霉菌、单细胞藻类等.此外,还有大量原生动物和少数后生动物.当然 ,污水性质和污染程度的不同,微生物种类和数量会有很大差别.
原生动物中有的种类及数量对水质因素的变化（如氧溶量、pH值等）较敏感,原生动物可以作为指示生物鉴 定污水的污染程度.如草履虫、小口钟虫、板壳虫等大量出现于受重污染和有机物很多的水中,在中度污染和 有机物较多的水中,原生动物种类及数量最多,清彻有机物很少的水则种类也少.
污水中原生动物的种类和数量与生物处理的效果有着密切关系,故又可作为污水处理的指示生物,进行处理效 果的预报.一般说来, 游动鞭毛虫类或自由生活的纤毛虫类占较大优势时,往往说明净化效果较差或废水处于 培育活性污泥初期.当发现有固定纤毛虫类时,活性污泥已经形成.轮虫对水有自净作用.如活性污泥中有大 量轮虫和多种纤毛虫出现,说明净化度较高,污水处理效果好.水蚯蚓对水也有自净作用,其种类与数量随污 染的减轻而减少.在净化效果较好的污水中,还会出现线虫及颤蚯蚓等后生动物.
