我国利用微生物处理城市污水的新进展

城市污水主要依靠微生物法进行处理，近年来我国对城市污水处理中微生物的研究取得了新进展。本文介绍了有关反硝化除磷微生物、复合菌制剂、光合微生物、耐冷菌、微生物絮凝剂等的研究进展，并介绍了几种污水处理中引用的分子生物学手段，对城市污水处理现存的问题和今后的发展进行了探讨。
在我国，随着社会经济的发展和城市化进程加快，城镇人口急剧增加，而城市生活污水的污染防治严重滞后，环境基础设施的规划与建设跟不上城市化发展速度，致使城市生活污水成为水污染的一个重要来源。
城市生活污水中主要污染物是有机物，有淀粉、脂肪、蛋白质、纤维素、糖类、尿素等。这些污染物质大量排入天然水体时超过水体的自净能力，导致水体富营养化，藻类等异常繁殖，赤潮和水华频发，生态结构受到破坏，人民生活和经济发展受到严重影响。
我国处理城市污水的主要方法为活性污泥法和生物膜法，处理过程中依靠微生物的生长代谢和吸附作用等完成对污染物的降解，具有出水水质良好，效率高，运行费用低和环保等优点。目前关于城市污水处理中微生物的研究主要集中在以下几个方面：
1 微生物脱氮除磷
氮磷排放量是污水处理厂出水的重要指标，研究高效节能的脱氮除磷工艺技术是我国污水处理的发展方向。但城市污水的碳氮比较低，原污水经由厌氧段进入缺氧段时，磷释放与硝态氮反硝化争夺有机碳源，导致磷释放和反硝化不彻底。同时，在传统脱氮除磷工艺中，硝化菌的世代繁殖时间长，而磷的去除则依靠污泥的排放，脱氮和除磷不能兼顾，影响出水水质。反硝化除磷菌为污水处理提供了新途径，这些菌株在厌氧/缺氧交替运行条件下，利用硝酸根为电子受体，同步完成脱氮与磷的吸收，降低了能耗和COD消耗值，适于处理低碳氮比的城市污水。反硝化除磷在处理工艺上采用两套污泥系统，一套是完成硝化的生物膜系统，另一套则是悬浮生长的反硝化除磷污泥系统。罗宁等研究了稳定运行的(A2/O+N-2SBR)工艺中，用于去除COD和反硝化除磷脱氮的A2/O-SBR反应器内活性污泥混合液中的主要细菌组成，试验结果表明：混合液中的主要细菌依次为假单胞菌属、莫拉氏菌属、肠杆菌科细菌，气单胞菌属占细菌总数的66.6%，主要起反硝化聚磷脱氮作用，不动杆菌属占细菌总数的12%，起好氧除磷作用。马放等通过吸磷试验、硝酸盐还原产气试验从稳定运行的厌氧/缺氧SBR反应器中分离得到了4株高效反硝化聚磷菌，其中3株属于假单胞菌属，1株属于肠杆菌属，菌株的最适生长温度为35℃，最适除磷温度为25℃，最适生长pH和最适除磷pH约为中性偏碱。鲍林林等以实验室运行的连续流双污泥同步除磷脱氮系统中沉淀池污泥为研究对象，考察了温度及污泥质量浓度对反硝化除磷的影响。结果表明，反硝化除磷菌能在10℃～30℃强度范围内保持稳定的反硝化除磷效果，污泥质量浓度的变化对其也没有大的影响。从污水处理厂剩余污泥中驯化富集反硝化除磷菌，或从河流、湖泊等的污泥中分离到高效反硝化除磷菌，可为污水处理提供多种高效的微生物来源。
2 复合菌群效应
污水中存在酚等难降解的碳水化合物和H2S等有毒物质，这些物质的会降低污水处理工艺中微生物的活性，影响处理效果。在处理时投加具有特殊降解功能的微生物，能增强对这类污染物的降解。日本琉球大学教授比嘉照夫研制开发了EM菌(有效微生物菌群(EffectiveMicroorganisms)，EM菌以光合细菌为主导，由放线菌群、乳酸菌群、酵母菌群等10属100多种微生物组成。通过发酵工艺将上述微生物按一定比例混合培养，微生物通过共生、增殖形成一个成分复杂、结构稳定、功能广泛的群落。熊小京等对EM菌种进行复壮和扩大培养，以1/2000～1/1000的体积比投加到污水生物处理系统中，与普通活性污泥对比发现，在同等操作条件下，污水的总氮去除率可提高约10%，氨氮的去除率则可提高约30%，同时污泥的沉降速度明显加快。刘妮等采集污水水样，分别配制光合细菌、氨化菌、硝化菌、反硝化菌、磷细菌的培养基，接种水样进行富集培养，然后将各菌复合组成复合菌群，然后进行城市污水处理的静态试验，该复合菌群对污水有较强的适应能力，能迅速降低COD，但约8天后因菌体的衰老和死亡COD有所上升，因此，周期性地投加复合菌群以维持适当浓度，才能保持最佳的处理效率。康建雄等从污染源分离获得具有高蛋白酶活性和高淀粉酶活性的菌株25株，形成高效复合菌群，并单因子对比研究了10℃～40℃，pH 5～9和曝气时间0～5h的各条件下，高效复合菌群对高校生活污水中COD的去除效果。结果显示，高效复合菌的投放量、曝气时间、温度和pH都能显著影响降解效果，当复合菌群投量为0.5%，曝气时间为6 h，温度为(30±2)℃，pH为7.0～8.0时，高效复合菌污泥对COD的去除率比普通活性污泥可提高13%。以上这些有针对性的富集多种高效微生物再组合形成生态链型复合菌群的研究，有望大大提高污水处理的效率，并对污染物有较强的针对性，具有非常好的应用前景。
3 光合微生物
光合细菌能够以光作为能源，在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源进行光合作用，具有固氮、固碳、降解亚硝酸盐、脱氢、硫化物氧化等生理生化功能，在分类地位上属于真细菌纲红螺菌目。目前，这些光合细菌的在味精废水、豆制品废水、中药废水、印染废水和生活污水的处理方面有所研究。藻类也是一大类光合微生物，它能直接吸收污水中的氮磷，富集重金属离子，同时，藻类与好氧菌形成共生系统，提高水中溶氧，促进对水中有机物的氧化分解，。邢丽贞等在反应器内装满填料并接种多种蓝藻、绿藻形成生物膜，经光照培养和营养驯化后处理生活污水，静态试验和连续18天动态试验结果显示，出水的氨氮和正磷酸盐浓度基本稳定，污水氮磷去除率较高，溶解氧上升，可考虑将该膜应用于城市污水二级处理后的深度脱氮除磷处理。潘辉等以PVA为主要包埋材料，将活性污泥和蛋白核小球藻共固定化，形成菌藻共生系统，用气升式反应器在光照条件下连续处理不同营养浓度的模拟生活污水，当氨氮浓度为30.6mg/L、磷浓度为5.1mg/L时，去除率分别达到约63%和70%。全光照和12h12h光照、和零光照对比处理，结果显示约36h内，各光照条件下污水处理效果未受大的影响。藻类在实际的污水处理中控制不当有可能随出水进入自然界，故应尽量采用易于和水分离的藻类，以避免对水体的二次污染。
4 低温菌
当水温低于10℃时，活性污泥的沉降性能和吸附能力变差这主要是因为低温下微生物生长繁殖速度下降，酶活下降。而我国北方地区冬季寒冷漫长，低温菌的开发能显著推动寒冷地区的污水处理。蔡苏兰等采用平板稀释分离法，在4℃低温条件下由鲤鱼鱼肠分离得到耐低温菌株，考察4℃～20℃下对模拟生活污水COD降解的效果，结果筛选得到一株高效气单孢菌经60天驯化后将菌株接种于模拟生活污水溶液中，4℃、100min条件下震荡通气培养24h，对模拟生活污水的降解率可达60%以上，同时该菌株生长较快，显示出用于寒冷地区污水处理的可行性。王春丽等则通过模拟自然降温过程，由30℃至25℃至18℃至11℃至8℃，每48h降温并接种一次，测定生物量和培养基中磷的变化，筛选出两株在各温度条件下除磷效果稳定、生物量基本稳定的假单胞菌。同时设定不同pH、曝气时间和微量元素浓度，经试验确定pH是影响菌株除磷的主要因素。这些研究可以为寒冷地区废水除磷处理系统的净化能力和运行的稳定性提供技术支持。
5 微生物絮凝剂
城市污水处理中，以沉淀为主的一级处理对有机物的去除率较低。向污水中投加生物絮凝剂后污染物去除率较高，无二次污染，且能改善活性污泥的脱水性能。微生物絮凝剂分为三种：微生物菌体、细胞壁提取物、细胞代谢产物，有效成分为多聚糖类、蛋白质和少量的无机金属离子。多种细菌、放线菌、霉菌和酵母等都能作为或合成微生物絮凝剂。另外，以污水处理厂的脱水污泥为原料也能制得微生物絮凝剂，将采回的脱水污泥制成100g/L的悬液，在冰水浴中超声波粉碎15min获得粗絮凝液，再加2倍体积丙酮混匀后离心沉淀，经乙醇洗涤后冷冻干燥后，制备获得高产率微生物絮凝剂，且絮凝剂活性较高。该法如能简化工艺降低成本，则有非常好的应用价值，同时实现剩余污泥的资源化利用。曹建平等将污水处理厂采回的活性污泥分为两份，其中一份添加高效生物絮凝剂产生菌AspergillusM- 25，两份污泥同等条件下分别培养成熟后，测定M-25菌株占投菌污泥的21%，属优势菌株。两份污泥进行城市污水处理对比试验，结果显示，投菌污泥对COD的去除效率比普通污泥高约9%，并且当进水COD浓度范围为200～400mg/L时，投菌污泥的出水水质稳定，表现出较大的耐冲击能力，同时溶解性CO和悬浮物的去除效率分别比普通活性污泥高7.2%和12.6%，显示出很高的应用价值。
6 新的检测手段
在污水净化领域，已研发了多种污水处理系统，对曝气、pH、温度等工艺条件也有了越来越精确的掌握，但是，传统的鉴定方法精度不够，细菌种群类型、代谢状况、种群的演变等的研究远远不足，因此，污水处理领域迫切需要更加精准快速的手段来定性、定量地分析污水处理系统中的特定细菌，剖析群落结构。分子生物学技术的应用为这种精密检测提供了可行的手段。刘新春等采用聚合酶链式反应与自变性梯度凝胶电泳相结合(PCR-DGGE)的方法，采得4℃～6℃运行半年后的活性污泥和常温活性污泥分别对两套生物反应器接种，常温下处理污水，20天内采样3次获得6份污泥样品，提取出的DNA经PCR扩增后，进行DGGE凝胶电泳，EB染色后选择较亮的10条条带切割，提取出其中DNA进行PCR扩增验证纯度，若显示DNA样品仍为混合物，则将样品进行第二轮扩增和DGGE电泳以及检测，直至效果满意为止，电泳图像用软件分析样品间的相似性，结果显示，第20天获得的两份样品相似度最高，约60%，说明在同等工艺条件下，接种了低温菌和常温菌的污泥形成了相似的微生物群落结构。另外，取自同一反应器的3份样品，经族群归属分析，均未能归入一族，说明在污水处理过程中，菌群结构发生了复杂的变化。这些结果表明该技术能对水处理过程中对微生物群落结构的变化做出快捷、全面的评价。rRNA-targeted寡核苷酸探针能从不同工艺条件下结构复杂、微生物数目繁多的活性污泥中，精确筛选辨别出脱氮除磷的优势菌rRNA-targeted寡核苷酸探针技术是以微生物体内的rRNA为靶序列，通过人工合成带荧光或放射性标记的DNA寡核苷酸探针，用探针与活性污泥体中微生物体内的rRNA进行原位杂交，通过检测得到的杂交信号来分析微生物群落结构和功能，同时监测活性污泥的非正常运行。若能将微生物群落结构、功能等参数加入工艺操作参数中，则能实时监测污水处理的运转情况。总之，这些分子生物学方法为污水处理提供了更为精确和深入研究微生物的新手段，有着广阔的应用前景。
目前，关于污水处理的工艺和操作条件优化的研究很多，关于微生物的种群结构、菌株的功能等方面的研究也十分活跃。但我国的现有污水处理设施的工艺和技术落后，小城镇污水处理比例低，农村污水处理设施几乎为零，大中城市的排水管网建设不配套，管理机制也不健全，污水处理系统的底子十分薄弱；在科研方面，许多研究成果尚不成熟，多数处于小试和中式阶段，另外新方法应用于旧设备时的工艺改造、运作成本等方面也存在很多问题，距离推广应用还有一定差距。我国城镇发展迅速，城市污水处理的压力巨大，因此需转变传统的水处理模式，对现有的水处理系统进行改造，并在新城镇和新型农村建设的同时建立新型的排水系统实现雨水污水分流和中水回用，缓解污水处理的压力并实现资源的合理利用。在不久的将来，微生物群落结构、益生微生物菌群、微生物代谢机理、种间作用等方面的进一步研究以及微生物法与物理化学方法的结合等有望推动城市污水处理朝着出水品质更高、占地少、耗能低、便于管理、适应性强、资源合理利用的方向发展。当今世界，环保领域成为科技竞争的新阵地，污水处理作为其重要组成部分也有重要的战略意义，我们有理由相信，我国的城市污水处理将有着广阔的发展前景。