第六章废水生物处理中的微生物及水体污染的指示生物

第六章 废水生物处理中的微生物及水体

污染的指示生物

第一节 废水中的污染物在微生物作用下的降解与转化

废水中的有机物质受微生物作用的影响而分解。在有氧情况下进行的分解，叫做好氧分解，是好氧微生物(主要是好氧细菌)活动的结果。在无氧情况下进行的分解，叫厌氧分解，是厌氧微生物(主要是厌氧细菌)活动的结果。

工业废水的成分随工业性质的不同而有很大差异，其中可能存在的有机物有碳水化合物、蛋白质、油脂、有机酸、醇类、醛类、酮类、酚类、胺类等化合物。生活污水中的有机物则主要是碳水化合物、蛋白质和脂肪。这些有机物主要是由碳、氢、氧、氮、硫、磷等几种元素构成的。它们好氧分解的最终产物是稳定而无臭的物质包括二氧化碳、水、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等，其分解反应可以概括地表示如下：

式(6—3)、(6—4)和式(6—5)中的亚硝酸、硝酸、硫酸和磷酸可与水中的碱性物质作用，形成相应的盐类。

有机物厌氧分解的最终产物主要是甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢等。由于散发了硫化氢等物质，所以废水会产生臭气，由于硫化氢与铁作用(废水中往往含有一些铁质)形成硫化铁，所以通过厌氧分解的水呈现黑色。缺氧情况下的氧化还原反应可用下列各式表示：

上面概括地介绍了有机物的好氧分解和厌氧分解及其分解产物，下面我们来较详细地分别讨论不合氮和含氮有机物在微生物作用下的分解。

第二节 不合氮有机物质的分解

废水中可能含有的不合氮有机物质有酚类、醛类、酮类、醇类及某些有机酸等化合物以及碳水化合物和油脂等。无论在有氧或无氧的情况下，它们在自然界中的分解都不是一两步

就可完成的，而是包括一系列的反应，有着各种酶的参加。 一、纤维素、半纤维素、木质素的转化

1．纤维素的转化 纤维素隶属于碳水化合物。碳水化合物是由碳、氢和氧3钟元素所组成，它是动植物能量的主要来源。碳水化合物的工业废水主要来自食品、造纸、纺织、医药等工业企业。在生活污水中，碳水化合物是不合氮有机物质的主要成分，其量约占污水中有机物总量的40％一50％。

碳水化合物可分为3类，其通式为Cx(H2O)y。单糖是最简单的一类碳水化合物，葡萄糖(C6H12O6)就是单糖的1种。双糖是水解后能生成2个分子单糖的碳水化合物，属于这一类的糖有蔗糖、乳糖和麦芽糖等，它们的分子式都是C12H22O11。多糖是水解后能生成很多个分子单糖的碳水化合物，淀粉、纤维素等都是属于这一类的糖。它们的分子式可用(C6H10O5)n来表示，其中n代表一个很大的数字，例如淀粉的n约为22一28。纤维索的n约为100—200。

在树木、农作物中都含有大量纤维素。印染工业由于洗布和上浆，造纸工业由于用木材等做原料，因此在它们排出的废水中含有较多的纤维素。

自然界中，分子结构复杂的有机物质如纤维素必须经微生物(主要是细菌)胞外酶的作用水解成可溶性的较简单物质如葡萄糖后，才能被菌体吸收。由于水解作用是在微生物体外进行的，产物可被微生物自己吸收，也可以被其它微生物利用。这些物质进入菌体细胞后，除一部分被组成菌体的成分外，其余部分则在呼吸作用中进行着不同的转化过程(发酵和氧化)，形成不同的产物。

下列两式表示纤维素在微生物作用下的水解过程：

葡萄糖是溶解性的较简单的有机构质，能被微生物吸收。它进入菌体庸，借胞内酶的作用，除一部分用于组成细胞物质外，另一部分则根据环境中是否有氧气存在而进行不同过程的转化，所形成的中间产物最后可完全被分解或部分地被分解。—种能使葡萄糖生成某一中间产物的微生物不—定能使此中间产物继续分解。所以就这方面来看不同种类的微生物混合群对于废水中有机物的稳定化(无机化)也会比某一纯种的微生物的效率高。

在有充分氧气的情况下，葡萄糖的氧化可以进行到底，产生二氧化碳和水。

如果缺乏氧气，葡萄糖就在不同种类的厌氧微生物的作用下产生多种有机酸和醇类物质。例如：

醇类和有机酸(如上面的乳酸、丁酸)在缺氧环境中又可被产甲烷细菌分解而产生甲烷。这一过程称为甲烷发酵。例如：

在缺氧情况下，有许多微生物还可将—些简单的有机酸分解，生成二氧化碳和氢气等。 在有氧情况下，丁醇、醋酸等化合物又可被一些好氧微生物作用氧化成二氧化碳和水。 例如：

在自然界中，大部分微生物(主要是细菌和酵母菌)能够分解葡萄糖，而只有一些特殊的微生物才能分解纤维素，其中以霉菌和细菌研究较多。主要有纤维粘菌、生孢纤维粘菌、纤维杆菌、纤维弧菌、链霉菌、曲霉、毛壳霉、芽枝霉、镰刀霉、青霉和木霉等。

2．半纤维素的转化 半纤维素存在于植物的细胞壁中，它在植物组织中含量很高，在—年生植物中常占植物残体重量的25％一80％，半纤维素由聚戊糖(阿拉伯糖和木搪)、聚己糖(半乳糖、甘露糖)及聚糖醛酸构成。除土壤中含半纤维素外，在某些工业废水中，如人造纤维工业废水、造纸工业废水，也含半纤维素。

半纤维素易被土壤中微生物分解，能分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。许多芽孢杆菌、假单胞菌和放线菌能分解半纤维素。霉菌中的根霉、青霉、镰刀霉和曲霉等也能分解半纤维素。参与水解半纤维素的酶有3类：内切酶、外切酶和糖苷酶。半纤维素分解的简化过程如下；

3．木质素及其转化 木质素在植物性有机废物中的含量仅次于纤维素和半纤维素。成年树木的木质素含量为20％一40％。发现木质素已经有100年左右，但是对它的结构、合成与降解机理还远远没有弄清，其原因是木质素在物理上和化学上与纤维素、半纤维素和果胶类的细胞壁成分结合紧密，难以萃取出一种化学上稳定的木质素组分。木质素酸解生成芳香族单体的混合物，如原儿茶酸[Ⅶ]、对羟基酸[Ⅷ]、香草酸[Ⅸ]和香草醛[Ⅹ]。较彻底的处理方法是用乙醇和盐酸加热回流、生成物质为“赫伯尔脱(Hibbort)氏单体”。

研究发现，真菌、放线菌、细菌与木质素的全部降解过程有关。有些学者在研究木质素降解的生物化学过程中，发现担子纲菌，特别是“白腐病”真菌在木质素衰变中有明显作用。还有层孔菌属（Fomes），密环蕈属、多孔蕈属（Polyporus）和侧耳属（Pleurotus）等在降解木质素中起作用。

因为污水处理厂的废水中碳水化合物和蛋白质的含量较高，在这种环境中，木质素的衰变必然是由于细菌、放线菌和微小真菌的作用。很多水解生成的芳香族产物，是细菌和真菌的合适的基质。木质素降解初期的可能途径如下：首先是芳醚键的断裂，从而解聚和增溶苯丙烷大分子。最初生成的产物是愈疮木丙三醇-β-松柏醚等，再脱甲基而生成适宜于细胞内降解的水溶性单体和二聚物，最终那些环状结构(尿黑酸、龙胆酸、原儿茶酸)才可以分裂。多种胞外酶都参与木质素的初期分解，参与最多的是酚氧比酶(漆酶)。

木质素的结构、合成和降解至今还没有完全弄清楚。 二、淀粉的转化

淀粉质的原料（如米、高梁等）常用来做酒，而在淀粉工业上广泛应用，如在纺织工

业中用于上浆、印染工业中用于调制印花降料等，因此在纺织、印染等工业废水中含有淀粉。淀粉在微生物作用下先形成葡萄糖，参加的微生物主要有曲霉、根霉等霉菌。

淀粉?糊精?麦芽糖?葡萄糖

葡萄糖的分解，如前所述，则可由另外一些微生物如细菌和酵母菌来完成。 三、脂肪的转化

脂肪也是由碳、氢、氧几种元素所构成，它的来源主要是动植物体。通常把来自动物体的称作脂肪，来自植物体的称作油。洗毛、肉类加工等工业废水和生活污水中都含有油脂。

脂肪是比较稳定的有机物质，但也能被某些微生物分解，其中最活跃的有荧光杆菌、绿脓杆菌、和灵杆菌等；此外，有些放线菌和分枝杆菌以及真菌中的青霉、曲霉和乳霉等也有分解脂肪的能力，它们从中取得营养物质和能源。

不论在有氧或缺氧环境中，脂肪分解的第一阶段都是在脂肪酶的作用下水解为甘油和脂肪酸。

甘油和脂肪酸在有氧环境中最后可被分解氧化成CO2和H2O或合成微生物的细胞物质。 在缺氧情况下，发酵细菌和产甲烷细菌可以分解较复杂的脂肪酸成为较简单的酸，所形成的醋酸则通过直接代谢作用被转化成为CO2和甲烷。

四、芳香族化合物的转化

芳香族化合物也可被微生物分解。芳香族化合物都是六碳环(苯)的衍生物，其中酚类化合物是比较重要的一种。酚类化合物存在于炼焦、石油、煤气等多种工业的生产废水中。酚对于微生物有一定的毒害作用，但在适当的条件下仍能被微生物分解破坏。目前已经发现，在污水、粪便和土壤中存在着能分解酚类物质的细菌。它们在有氧情况下可氧化酚成二氧化碳和水，其化学反应大致如下：

酚对人体、牲畜、水生生物都有毒害作用。所以含酚废水必须经过处理后才可排放出去。

由于微生物能分解酚，因此含酚废水也可利用微生物来处理。目前生物法已被广泛应用于含酚工业废水的处理。