活性污泥主要微生物酶在廢水處理中的研究概況

曹宇佳，林海龍，王 銳

(1.哈爾濱師范大學(xué);2.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司中國(guó)水利電力對(duì)外公司)

0 引言

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人們生活水平的提高，廢水產(chǎn)生量逐日增加，廢水處理成為可持續(xù)發(fā)展的迫切需要.由于活性污泥處理廢水符合可持續(xù)發(fā)展的思想，所以活性污泥處理法在廢水處理方面得到廣泛應(yīng)用.活性污泥是處理廢水中有機(jī)污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化的主體，在廢水生物處理系統(tǒng)中，有機(jī)物的去除率取決于混合微生物的活性，而微生物酶能夠較好的表征微生物的活性.從酶學(xué)角度對(duì)活性污泥生物處理系統(tǒng)進(jìn)行研究已引起各國(guó)學(xué)者的重視［1-2］，并在酶的提取和酶的穩(wěn)定性等方面做了大量研究［3-4］.因此，研究微生物酶的活性變化對(duì)于污水處理具有重要的指導(dǎo)性意義，也為污水處理工藝提供了理論性依據(jù).該文對(duì)活性污泥中三種重要的生物酶對(duì)廢水處理的作用進(jìn)行了綜述，旨在為活性污泥處理廢水的研究提供理論參考.

1 活性污泥

活性污泥是生物法處理污水中微生物群落及其依附的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物的總稱，它主要由四部分組成:具有代謝功能的微生物群體、微生物內(nèi)源呼吸和自身氧化的殘留物、被污泥絮體吸附的難降解有機(jī)物及無(wú)機(jī)物.活性污泥中主要包括原生動(dòng)物、藻類和細(xì)菌等，其中最主要的兩類是原生動(dòng)物和細(xì)菌.廢水生物處理是利用活性污泥中微生物降解廢水中的污染物質(zhì)，作為自身的營(yíng)養(yǎng)和能源，同時(shí)使廢水得到凈化的方法.

2 三種主要的微生物酶在活性污泥處理廢水中的作用

活性污泥中微生物分泌的各種酶的活性可以指示活性污泥微生物處理廢水的強(qiáng)弱.李茵等［5］通過(guò)水解模式底物進(jìn)行分光光度測(cè)定的方法，對(duì)城市污水生物處理系統(tǒng)中微生物酶的活性進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)76.9% ～94.8%的酶活性分布在活性污泥中.脫氫酶(dehydrogenase)、硝酸還原酶(nitrate reductase)和漆酶(laccase)是活性污泥處理廢水中三種重要的微生物酶.

2.1 脫氫酶在活性污泥處理廢水中的作用

廢水微生物處理的實(shí)質(zhì)是微生物所產(chǎn)生的多種酶催化一系列生物氧化還原的反應(yīng).其中，脫氫酶是普遍存在于活體微生物中的一種催化底物去掉氫的酶，它在有機(jī)質(zhì)的分解過(guò)程中具有關(guān)鍵作用.脫氫酶的活性反映了活性徽生物量及其對(duì)有機(jī)物的代謝能力，能直接表示生物細(xì)胞對(duì)其基質(zhì)降解能力的強(qiáng)弱［6］.國(guó)內(nèi)外大量研究結(jié)果表明，脫氫酶活性(DHA)與微生物活動(dòng)密切相關(guān)［7-10］.目前很多研究表明將脫氫酶活性的測(cè)定作為污水處理中活性污泥活性的評(píng)價(jià)指標(biāo)是可行的而且能夠被廣泛應(yīng)用的.張益儲(chǔ)等［11］認(rèn)為檢測(cè)微生物脫氫酶活力，方法快速、簡(jiǎn)便，適用于評(píng)價(jià)生物污泥活性和廢水生物凈化效果，具有一定推廣和應(yīng)用價(jià)值.洪梅等［12］通過(guò)研究認(rèn)為通過(guò)測(cè)定脫氫酶活性可及時(shí)反映出BOD負(fù)荷、pH、DO、毒物等對(duì)污泥活性的影響.許曉路等［13］認(rèn)為，脫氫酶活性、耗氧率、ATP含量三個(gè)參數(shù)最能反映活性污泥的活性，可作為活性污泥污水處理監(jiān)控參數(shù)，而且從所需儀器來(lái)看，脫氫酶活性法最為簡(jiǎn)便快速.因此，脫氫酶活性的測(cè)定是能夠代替測(cè)定菌群總數(shù)、SVI、MLSS、MLVSS 等以前的方法認(rèn)定活性污泥的活性，且具有一定可行性、能夠被廣泛的應(yīng)用.而且脫氫酶活性評(píng)定活性污泥活性將成為一種直接的、有效的反映活性污泥活性的方法.這也為以后的研究提供了一定的理論依據(jù).

有些應(yīng)用活性污泥處理的工業(yè)廢水中含有大量的重金屬元素，微量重金屬是微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其各種酶的組成部分，但微生物對(duì)各種微量重金屬的需求量極少，重金屬濃度過(guò)高反而會(huì)引起毒害作用.在含金屬的廢水處理過(guò)程中，活性污泥的脫氫酶對(duì)水中許多有毒物質(zhì)都極敏感，所以其活性也是評(píng)價(jià)工農(nóng)業(yè)廢水毒性成分及工農(nóng)業(yè)廢水的生物可降解性的重要依據(jù).Obbard［14］將脫氫酶活性作為主要微生物參數(shù)之一，研究了活性污泥改造的污水中潛在的重金屬及有毒元素的生態(tài)毒性評(píng)價(jià)問(wèn)題，結(jié)果表明重金屬不僅對(duì)活性污泥微生物群落有毒害作用，而且對(duì)微生物脫氫酶活性的影響也非常明顯.Ellis［15］等在重金屬對(duì)土壤長(zhǎng)期污染的影響研究中表明脫氫酶也是重要參數(shù)之一.李娟英等研究用活性污泥脫氫酶毒性方法測(cè)定了Hg、Cd、Zn、Pb 4種重金屬對(duì)活性污泥微生物的毒性，并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行了比較，測(cè)得的活性污泥脫氫酶活性的抑制程度由大到小順序依次為Cd＞Hg＞Zn＞Pb［16］.由此可以看出，當(dāng)過(guò)量重金屬存在時(shí)，對(duì)脫氫酶活性有抑制作用，活性污泥的處理效率降低，甚至能夠?qū)е禄钚晕勰嗷钚詿o(wú)法恢復(fù).

2.2 硝酸還原酶在活性污泥處理廢水中的作用

工農(nóng)業(yè)廢水中含有大量的含氮化合物，活性污泥處理廢水的生物處理池中有大量的好氧反硝化菌對(duì)廢水進(jìn)行生物脫氮，有極強(qiáng)的去除污染物的能力［17］，所以利用微生物的反硝化過(guò)程是一種經(jīng)濟(jì)有效的硝酸鹽去除方法.硝酸還原酶存在于好氧反硝化菌中，對(duì)好氧反硝化菌生物脫氮有極重要的作用.Bell和Ferguson已經(jīng)證實(shí)在有氧的情況下這種酶具有活性［18］.因此，不同的好氧反硝化細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)可以改變微生物脫氮的工藝.Meiberg等早在1980年首次在活性污泥中發(fā)現(xiàn)了Hyphomicrobium sp.X在好氧條件下進(jìn)行反硝化作用，現(xiàn)已從污水中分離出一種好氧反硝化菌Thisphaera pantotropha，并且發(fā)現(xiàn)它有一個(gè)基本的硝酸鹽還原酶［19］.而后Rorberson等研究表明，在周圍環(huán)境有溶解氧的情況下，即使沒(méi)有中間產(chǎn)物亞硝酸鹽Thi sphaera pantotropha也能夠把氨轉(zhuǎn)換為氮?dú)猓?0］.Gupta 等［21］也報(bào)道過(guò)，活性污泥處理人工合成的廢水時(shí)，實(shí)驗(yàn)NO-3-N進(jìn)水濃度極高，其中的脫氮副球菌貢獻(xiàn)極大，對(duì)NO-3-N的去除效率高達(dá)85%.

利用含好氧反硝化菌的活性污泥處理生物廢水具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如:在同一個(gè)反應(yīng)器中硝化過(guò)程與反硝化過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，硝化過(guò)程產(chǎn)生的物質(zhì)直接用于反硝化過(guò)程的底物，可加速反應(yīng)器處理廢水的進(jìn)程，而且反應(yīng)器中不需要再添加碳源，節(jié)省了大量的資金，降低處理成本;反應(yīng)過(guò)程中，硝化損失大量的堿度而反硝化可以提高堿度，兩過(guò)程可以互相彌補(bǔ)，穩(wěn)定反應(yīng)器中的pH;反應(yīng)過(guò)程中可以控制好氧反硝化菌.因此，硝酸還原酶在活性污泥處理生物廢水中占重要作用.因而被人們利用到廢水處理中進(jìn)行生物脫氮.

2.3 漆酶在活性污泥處理廢水中的作用

活性污泥中微生物漆酶是一種典型的銅離子的糖蛋白.漆酶在活性污泥中可以催化氧氣直接氧化分解各種酚類染料，取代酚、氯酚、硫酚、雙酚A、芳香胺等.由于漆酶具有相當(dāng)廣泛的底物專一性和較好的穩(wěn)定性，因此在治理含酚廢水、紡織印染廢水和造紙工業(yè)廢水等方面有著非常重要的作用.王松等［22］研究了漆酶在造紙廢水處理過(guò)程中的應(yīng)用，指出了漆酶存在下，廢水進(jìn)行曝氣處理可有效去除制漿造紙工業(yè)廢水中的酚型化合物，即廢水中的有色物質(zhì)和有毒物質(zhì)可被有效去除.羅開(kāi)昆等［23］研究了漆酶固定化及其在廢水處理中的應(yīng)用，指出了幾種漆酶固定的方法.同時(shí)也使漆酶的廣泛應(yīng)用成為可能，提高了活性污泥微生物漆酶的利用效率，為活性污泥微生物漆酶在廢水處理方面的應(yīng)用展現(xiàn)了更好的前景.

3 結(jié)束語(yǔ)

采用活性污泥法處理廢水已越來(lái)越受到人們的重視，但對(duì)活性污泥中微生物酶的研究起步較晚，近年來(lái)由于污泥樣品研究技術(shù)的發(fā)展，活性污泥微生物酶的研究日益增多，目前國(guó)外已取得了不少極有價(jià)值的研究成果，國(guó)內(nèi)的研究還相對(duì)較少.所以，活性污泥中微生物酶在國(guó)內(nèi)活性污泥微生物的研究中尚有很大的應(yīng)用前景.隨著研究的進(jìn)展，活性污泥中微生物酶會(huì)更好的為人所認(rèn)識(shí)，對(duì)于將來(lái)更好的利用活性污泥具有十分重要的科學(xué)指導(dǎo)意義.

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