光合细菌在废水处理中的应用研究进展

光合细菌在废水处理中的应用研究进展

摘要：光合细菌处理废水具有有机负荷高、占地面积小、投资费用少、动力消耗低等特点。本文简要概述了光合细菌处理废水的原理、方法以及国内外应用现状及研究进展,并分析了光合细菌应用于实际中的优点与不足以及影响光合细菌净化废水的限制因素, 对光合细菌的应用前景进行了讨论。

关键词：光合细菌废水处理

1.光合细菌简介

光合细菌（Photosynthetic bacteria，简称PSB）是具有原始光能合成体系的原核生物的总称，是地球上出现最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成体系的原核生物，是在厌氧条件下进行不放氧光合作用的细菌的总称，是一类没有形成芽孢能力的革兰氏阴性菌，光合细菌广泛分布于自然界的土壤、水田、沼泽、湖泊、江海等处，主要分布于水生环境中光线能透射到的缺氧区。是一类以光作为能源、能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的微生物。

2.光合细菌生物学特性

光合细菌广泛分布于自然界的土壤、水田、沼泽、湖泊、江海等处，主要分布于水生环境中光线能透射到的缺氧区。光合细菌的适宜水温为15—400C,最适水温为28—360C。它的细胞干物质中蛋白质含量高达到60%以上，其蛋白质氨基酸组成比较齐全，细胞中还含有多种维生素，尤其是B族维生素极为丰富，Vb2、叶酸、泛酸、生物素的含量也较高，同时还含有大量的类胡萝卜素、辅酶Q等生理活性物质。因此，光合细菌具有很高的营养价值，这正是它在水产养殖中作为培水饵料及作为饲料添加成分物质基础。

PSB的菌体无毒，营养丰富，蛋白质含量高达64．15％－66．0％，而且氨基酸组成齐全，含有机体需要的8种必需氨基酸，各种氨基酸的比例也比较合理。PSB还含有丰富的B族维生素。PSB菌体内含有较高浓度的类胡萝卜素并且种类繁多。迄今已从光合细菌中分离出80种以上的类胡萝卜素。

PSB在厌氧光照条件下，能利用低级脂肪酸、多种二羧酸、醇类、糖类、芳香族化合物等低分子有机物作为光合作用的电子受体，进行光能异养生长。在黑暗条件下能利用有机物作为呼吸基质进行好氧或异养生长。光合细菌不仅能在厌氧光照下利用光能同化CO2，而且还能在某些条件下进行固氮作用和在固氮酶作用下产氢。另外，有些菌种在黑暗厌氧条件下经丙酮酸代谢系统作用也可产氢。光合细菌还能利用许多有机物质如有机酸。醇、糖类转化某些有毒物质如 H2S 和某些芳香族化合物等。 PSB通过生物转化，可合成无毒、无副作用且富含各类营养物质的菌体蛋白，不仅改善了生态环境，还为养殖业提供了高质量的饲料原

料。

光合细菌细胞内只有一个光系统，即PSI，光合作用的原始供氢体不是水，而是H2S （或一些有机物），这样它进行光合作用的结果是产生了H2，分解有机物，同时还能固定空气的分子氮生氨。光合细菌在自身的同化代谢过程中，又完成了产氢、固氮、分解有机物三个自然界物质循环中极为重要的化学过程。这些独特的生理特性使它们在生态系统中的地位显得极为重要。

3.光合细菌净化废水的作用原理

光合细菌的共同点是体内具有光合色素, 在厌氧、光照条件下进行光合作用, 其中红螺菌科( Phoclospirillaceae)的大多数种属能够利用有机物作为供氢体。PSB 对有机物的处理可表示为:

C02+ 2H2A ( CH2O) + H2O+ 2A

有机物菌体

PSB 能够处理高浓度有机废水的原理首先在于PSB 既不象好氧的活性污泥菌胶团细菌那样受污水中溶解氧浓度的限制, 可以利用光能进行高效的能量代谢, 即使是微弱的光照也能进行, 又不象严格厌氧的甲烷细菌等对氧存在的高度敏感, 可以在有氧条件下分解有机物, 通过氧化磷酸化取得能量。另外, 许多高浓度有机废水中的BOD 物质在生物降解的第一阶段常有大量低级脂肪酸产生, 其中浓度较高的乙酸、丙酸等对大多数好氧微生物有较强的抑制作用, 而红螺菌科中的许多属种却能在高浓度的乙酸与丙酸以5: 1 比例时具有最大的增殖速率。PSB 法正是基于上述原理而建立的一个高浓度有机废水处理的人工生态系统。

4.利用光合细菌净化废水的方法

高浓度有机废水在自然进化过程中出现微生物生长演替, 其顺序为: 有机营养型的微生物繁殖; 光合细菌繁殖; 藻类。研究表明[ 9] : BOD 值大于10 000mg / L 的污水中, 最初大量繁殖的是异氧细菌, 它把高分子的碳水化合物、脂肪、蛋白质分解成低级脂肪酸等低分子物质。然后光合细菌利用低级脂肪酸等小分子有机物迅速增殖, 并将污水中的BOD 值降到1 000 mg / L 以下。经过一段时间后, 光

合细菌逐渐减少, 并被活性污泥微生物和藻类所取代, 而BOD 值降到了30 mg / L 以下。其主要处理流程: 高浓度分子有机物 低级脂肪酸 低浓度有机物

脱水净化

在处理过程中, 将高分子有机物转化为低分子物质称为可溶化处理, 要保持基质的可溶化和系统中PSB 的优势, 同时还要加大接种量, 补充菌体和适当加入锰、铁等金属离子, 这样有利于提高处理效率和出水质量。由于PSB 对紫外线不敏感且耐氯,因此处理过程中, 减少杂菌量也是不可缺少的。

5.光合细菌在废水处理中的应用前景

光合细菌以其独特的优点近年来在废水处理领域中引起了人们的普遍关注, 并获得了大量的研究。与活性污泥法相比, PSB 法主要有以下优点: ( 1) 有机负荷高, 可以直接处理由几千至几万的高浓度( BOD,mg / L) 有机废水, 无须稀释; ( 2) 不存在污泥的处置问题, 处理后污泥是很好的有机肥料, 其中的单细胞蛋白还可用做饲料; ( 3) 除氮效果好, 耐盐能力强;( 4)占地面积小( 仅为活性污泥法的0. 2～0. 25) , 投资费用省, 消耗动力低, 节省能源; ( 5) 较易管理, 在10～40 ℃内均可处理, 受季节影响小, 且不会产生活性污泥法那样的污泥膨胀现象。

PSB 法尽管相对活性污泥法有诸多优点, 但要真正实用化还有许多问题需要解决。( 1) 实际废水成分复杂, 用单一菌种处理, 一般难以达到要求, 因此在菌分级和混合菌种处理方面还有待进一步探索; ( 2) 菌体细胞自然沉降困难, 需用离心机或化学絮凝剂来收集, 从而增加了处理费用; ( 3) 对于高浓度有机废水,有效的最终出水BOD 值一般在200 mg / L 左右, 还需用活性污泥法等作进一步处理。 PSB 作为一种新的生物处理技术, 离全面应用还有相当长的一段距离, 但有效异氧菌 PSB 藻类或活性污泥