现代微生物技术在城市污水处理中的应用

摘要：分析了我国水污染的现状，概括了微生物处理污水的机理，介绍了几种主要的微生物处理污水方法。活性污泥法是一种应用最广、工艺比较成熟的污水生物处理技术；生物膜法是利用生于固体介质表面的微生物来净化有机物的；厌氧处理法，是在无氧条件下由兼性厌氧菌和专性厌氧菌来降解有机污染物的处理方法；固定化微生物技术是将微生物固定在载体上使其高度密集并保持其生物功能，在适宜的条件下增殖并满足应用之需的一种新的生物技术。当今世界、环境污染问题日趋严重，而生物技术和基因工程突飞猛进地发展、研发高效率、低能耗、易普及的特种生物和特殊工艺已成为水处理技术的热点。

关键词：污水生物处理技术；活性污泥法；生物膜法；固定化微生物技术

中图分类号：C35文献标识码： A

一污水现状

1.1我国水污染的现状

随着我国城镇化速度的加快, 城市生活污水的比例高达70%以上。人们日常生活产生的污水主要含一些无毒有机物, 如糖类、淀粉、油脂、蛋白质和尿素等,其中含氮、磷等植物营养元素较高。在一定的时间和空间范围内,这些污染物质大量排入天然水体并超过水体的自净能力,导致水体富营养化。进入水体的各种有机物使需氧菌大量繁殖,消耗溶解氧;也使得藻类及其他水生植物异常繁殖,引起水体透明度降低,溶解氧减少直至为零。此时,需氧菌死亡,厌氧菌大量繁殖继而分解,产生硫化氢、硫酸等物质,使水质恶化、水体的功能退化、生态结构破坏,这将会对我们所生存的环境产生长远的、无法估计的影响。所以,加强城市污水处理,对于保障城市的可持续发展具有重要的社会意义和经济意义[2]。

1.2城市污水的来源

城市污水主要来源于城市居民生活中产生的污水、各工业企业在生产制造过程中产生的生产废水以及城市降水和部分受污染的地表水这三方面。生活污水含有较高的有机物，如淀粉、蛋白质、油脂、氮、磷等无机物以及含病原微生物和较多的悬浮物。各工业企业在制造过程中产生的废水排放量较大，污染含量高，较难进行处理，对环境危害大。城市降水和受污染的地表水在城市污水中还没有占到很大的比例，针对具体污水水质选择是否需要与其他污水混和稀释后处理。

二微生物处理污水的机理及净水方式

2.1微生物处理污水的机理

污水生物处理是除物理化学法外的另一类水处理方法，它利用微生物生命活动过程对污水中污染物进行转移和转化作用，使污水得带净化的处理方法。微生物处理污水的机理：利用微生物处理污水是以光合菌群和酵母菌群为主导，协同其它有益微生物共同作用，产生抗氧化物质，通过氧化还原发酵等途径分解氧化有机物，把有害有毒物质转化为无害无毒物质。

2.2微生物净化水质的方式

微生物用于污水处理一般主要对污水有害化合物中的有机物质起降解，转化的作用。其净水方式有:

1、降解作用:细菌、真菌和藻类都可以降解有机污染物。如好氧革兰氏阴性杆菌和球菌可以降解石油烃、有机磷农药、甲草胺、氯苯等;霉菌可以降解石油烃、敌百虫、扑草净等;藻类可以降解多种酚类化合物。例如，1989年，美国阿拉斯加州最早大规模应用微生物降解油轮搁浅后泄漏的3.8t原油，在投入特殊的氮、磷营养盐后，促进了当地石油降解菌的生长和繁殖，加速了油污的分解。

2、共代谢:微生物的共代谢是指微生物能够分解有机物基质，但是却不能利用这种基质作为能源和组成元素的现象。这类微生物有假单胞菌属、不动杆菌属、诺卡式菌属、芽孢杆菌属等。

3、去毒作用: 微生物通过转化、降解、矿化、聚合等反应，改变污染物的分子结构，从而降低或去除其毒性。如有机磷农药马拉硫磷可以在微生物的水解作用下，被分解为含有一酸或二酸的物质但是，微生物的作用是复杂的，有些微生物在净化作用的同时，也有毒化作用。这类微生物可以使无毒物质转化为有毒物质，从而产生新的污染。如三氯乙烯能够在微生物作用下转化为氯乙烯，这是强致癌物质。

三微生物处理污水的方法

目前，污水的微生物处理主要有活性泥法，生物膜法，厌氧处理法，氧化塘法、固定化微生物技术处理污水等，其中最主要的和应用最广泛的是固定化微生物技术处理污水。

3.1活性泥法

是一种应用最广、工艺比较成熟的废水生物处理技术。其处理装置是由曝气池和沉淀池两个部分组成。曝气池高度充气，污水在其中和活性泥不断混合，水中的有机质被污泥吸附，部分被氧化分解，部分随污泥进入沉淀池。沉淀污泥部分回流再生，部分为剩余污泥被排除。

3.2生物膜法

生物膜法是利用生物滤池处理污水，最初是从酒滴池开始的，并不断得到改进，出现了塔式滤池，生物转盘，浸没法滤池等多种形式，其处理原理基本相同，都是依靠着生于固体介质表面的微生物来净化有机物的，因此，又称生物过滤法。处理过程中的物质转移:空气中的氧废水生物膜此法比活性污泥法产生的剩余污泥少。

3.3厌氧处理法

厌氧处理法是在无氧条件下由兼性厌氧菌和专性厌氧菌来降解有机污染物的处理方法。通常用于不溶性有机物质，如纤维素含量高的污水，或高浓度的工业废水，也经常用于处理剩余污泥。厌氧生物处理一般分为四个阶段: 水解，发酵，产乙酸，产甲烷。这些无机物质主要是大量的生物气体即沼气。沼气的主要成分是CH4和CO2。

3.4氧化塘法

又称生物塘法或稳定塘法，是利用一个天然的或人工修整的池塘，由于污水在塘内

停留的时间较长，通过水中的微生物代谢活动可以将有机物降解。在氧化塘中，废水中的有机物主要是通过有机菌藻共生作用去除的。氧化塘中同时可以进行好氧和厌氧性分解作用和光合作用，三种作用互相影响[3]。

3.5固定化微生物技术

3.5.1固定化微生物技术的介绍

固定化微生物技术是将微生物固定在载体上使其高度密集并保持其生物功能，在适宜的条件下增殖并满足应用之需的一种新的生物技术。这种技术应用于污水处理有利于提高生物反应器内的微生物浓度，利于反应后的固液分离，缩短处理的时间。固定化微生物方法多种多样，但主要有结合固定化，交联固定化，包埋固定化和系指微生物吸附在载体表面而固定化的方法[4]。

交联固定化是利用两个或两个以上的功能基团，使微生物菌体相互连接成网状结构，即使功能基团直接与微生物细胞表面的反应基团如氨基、轻基等交联，形成共价键而达到固定微生物的目的。由于形成共价建过程中，往往会对微生物细胞活性造成极大的影响，而且适用于此类固定化交联剂大多昂贵，因此此法在应用上受一定的限制。包埋固定化方法是使微生物包埋在半透性的聚合物或膜内，或使微生物细胞扩散进人多孔性的载体内部，这种固定化方法具有操作简单，能保持多酶系统，且对微生物细胞活性影响较少，是目前制备固定化微生物最常用、研究最广的方法。固定化材料常有聚乙烯醇(PVA)，聚丙烯酞胺(ACAM)，聚乙烯乙二醇(PEG)、琼脂、光硬化树脂，海藻酸钙、角叉莱胶等。除此之外，还有依靠微生物自身的絮凝作用而形成的固定化微生物，此法固定化需时长，受环境因子影响大。如升流式厌氧污泥床(UASB)反应器中颗粒污泥的形成即属于微生物的自身固定化过程。

3.5.2固定化微生物技术的优点

与普通悬浮生物处理法相比,固定化技术的优点是:能在生物处理装置内维持高浓度的生物量,提高处理负荷、减少处理装置容积;污泥产量少;可选择性地固定优势菌种,提高难降解有机物的降解效率;抗毒物毒性强;对水质及pH的变化有较好的稳定性。这些优点使固定化技术在废水处理中受到重视,特别是在难降解和有毒废水处理中表现出更大的潜力。国内外学者对固定化技术在废水处理中的应用进行了大量的研究。根据所固定微生物的种类的不同,固定化方法也有所不同。常用的方法主要有3种:载体结合法、包埋法和交联法。其中载体结合法中的物理吸附法和包埋法是目前研究最广泛的方法上述各种微生物处理技术，由于污水中的污染物质是多种多样的，在某些方面都存在一定的不足，所以一般一种污水的处理需要联合使用几种方法。四微生物技术处理污水的研究热点和特点

4.1微生物处理污水的研究热点

极端微生物是指那些在一般生物不能生存的条件下(如高酸、高碱、高温、低温、高压、高盐等)能生存的微生物。由于其特殊的生理机制，在环境保护中具有极大的应用价值。Sandra等的研究表明，嗜热微生物可用来对高温排放废水直接处理，省去了冷却的环节和花费，并且从动力学的角度讲，提高温度有利于提高反应速率从而加快废水出来的速度，缩短水力滞留时间，减少动力消耗[5]。另有报道利用嗜碱细菌降解木质素的研究[6]。极端微生物以其特殊的生理机制及其分泌的极端酶，正在成为研究热点，随着研究的深人将进一步推动极端微生物在污水处理中的应用。

4.2微生物技术处理污水的优点

1、节约水资源，降低能耗和成本；

2、利用有益菌群原液比一般净化槽处理污水，大大缩短曝气时间，提高工效；

3、治污效果显著，如有机氮、金属离子、混浊度、COD(化学需氧量)、BOD(生化需氧量)等均下降至国标以下标准，而DO(溶解氧)上升，水质得到改善；

4、处理污水中的重金属等，消除毒害；

5、抑制病原菌，消除异味，改善空气质量；

6、可以清除粪尿恶臭，净化生态环境，最大限度地减少畜禽的臭味，明显地抑制了蚊蝇滋生。

利用微生物技术对环境治理尤其是对污水进行处理在国内已得到广泛使用，但由于所用的微生物是天然微生物，处理效果不好。通过辐射诱变和化学诱变方法筛选出对污水有极高净化能力的高效微生物，是微生物处理方法的发展方向，在我国将有很大的发展前景。

五对微生物技术的展望

固定化微生物技术在废水处理等领域显示出了较大的优异性,引起了人们普遍的关注并对其进行了广泛的研究与应用。它的优势主要是:

（1）容积小,使处理负荷大幅提高；

（2）污泥产量低[7]；

（3）有利于优势菌种的固定,提高降解效率；

（4）物质的承受能力强；

（5）稳定性好。

同时我们也应该看到,要实现固定化微生物技术的工业化,还有许多问题需要进一步研究解决:

（1）固定化载体的成本及使用寿命是决定其经济可行性的关键因素,因此,开发适合于固定化微生物细胞的高效生化反应器和廉价固定化微生物载体,如何提高载体的使用寿命都有待解决[8]；

（2）固定化微生物细胞球在废水处理过程中可能对某些悬浮物质或高分子物质处理效果欠佳,还可能出现发胀上浮或堵塞粘结等现象,所以需对废水进行适当的物理化学预处理,或与其他工艺组合使用,发挥各自的优势以达到最佳处理效果；

（3）针对固定化操作中的诸多影响因素,选取固定化细胞的最佳活性,研究在不同固定化方法和不同载体中的最佳参数,是该技术广泛应用的关键；

（4）研究对生物无破坏性、高效率的解吸剂。相信通过不断的研究和改进,固定化微生物技术必将成为一项高效而实用的废水处理技术,在废水处理中获得广泛的应用。