富营养化是一种氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。在自然条件下，随着河流夹带冲击物和水生生物残骸在湖底的不断沉降淤积，湖泊从贫营养湖（氮磷相对含量低）过渡为富营养湖（氮磷相对含量较高），进而演变为沼泽和陆地，这是一种极为缓慢的发展过程。

 

　　随着工农业生产大规模的迅速发展，“城市化”现象愈加明显，使得不断增加的人口集中在一些水源丰富的特定地区，如我国的东南沿海一带。人口集中的城市排放出的大量含有氮、磷营养物质的生活污水和工业废水流入湖泊、河流和水库，增加了这些水体的营养物负荷量，造成了水体的富营养化。这种情况属于点源污染。同时，在农村地区，为提高农作物产量，施用的化学肥料和牲畜粪便也逐年增加，经过雨水冲刷和渗透，一定数量的植物营养物质以面源形式输送至水体中。

 

　　以点源和面源形式过量输入到水体中的营养物质，促使自养型生物――大型绿色植物和微型藻类旺盛生长，迅速繁殖；而后，当死亡的水生生物沉淀到湖底被微生物分解的同时，消耗了水体中大量的溶解氧导致水质恶化，从而使水体溶解氧含量急剧降低，水生生物（如鱼类等）因窒息死亡，水体也从生产力水平较低的贫营养状态向生产力水平较高的富营养状态转化。

 

　　一般认为，总磷与无机氮浓度分别达到0.02mg/L与0.3mg/L的水体，标志着已处于富营养状态。

　　水体出现富营养化时的主要表现为浮游生物大量繁殖。由于浮游生物的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色和乳白色等，这种现象在江河、湖泊中称为“水华”或“湖靛”，在海洋则称为“赤潮”。令人担忧的是，当湖泊水库等缓流水体的富营养化状态一旦形成，由于营养物质在水体内呈闭环循环，即使切断外界营养物质来源，也很难自净和恢复。这也正是尽管我国环保部门投入大量资金和人力，但至今也无法有效治理滇池、巢湖等富营养化湖泊的根源所在。

 

　　富营养化的危害是多方面，如可影响水体中的溶解氧、向水体释放藻毒素等有毒物质、降低水体的透明度以及散发出腥味异臭等，这些危害互为因果、相互促进，最终导致水生生态平衡的破坏。值得一提是，我国多以江河、湖泊和水库等地表水作为生活饮用水和工业用水的供给水源，而且水库及天然湖泊等缓流水体用作城市供水水源的比例在逐年增高，如果这些水源水体遭受富营养化，突显高藻、高氨氮水质特点，则将严重影响城市供水的安全性。

 

　　首先，在夏日高温藻类增殖旺盛的季节，过量的藻类会给制水厂在过滤过程中带来障碍，造成自来水厂过滤池的堵塞和过滤效率降低，需要改善或增加过滤措施。其次，富营养水体由于缺氧而产生铁、硫化氢、甲烷和氨等有毒有害物质，包括藻毒素等致癌有毒物质，在制水过程中增加了水处理的技术难度，加大了制水成本。这种富含铁的自来水往往会散发出一种令人不快的气味，同时还会在水管内形成铁锈，产生所谓“红水”，使自来水完全丧失功能。目前，在西方国家，富营养水体是被严格禁止作为饮用水水源的。

 

　　我国近年来发生的由富营养化导致蓝藻爆发而影响供水安全的突发事件时有发生。2007年，太湖、巢湖和滇池均发生了大面积水华，其中太湖在5、6月份暴发的大面积水华致使无锡数十万群众的饮水安全受到了影响，身体康健受到威胁。相类似，对于上海供水水源来说，黄浦江水源不断前移以及建立长江口青草沙水库，其原因之一也是为了解决黄浦江水质较差尤其是氨氮含量偏高的水质问题。

 

　　针对各地出现的水源水遭受富营养污染的现状，国家科技部在“十一五”和“十二五”期间都专门设立国家水体污染控制与治理科技重大专项，进行技术攻关，旨在解决水体富营养化治理难题，最大程度地保护水源水质，提高区域的供水安全。

　　对于我国来说，当务之急首先需要截断或减少水体外来污染负荷，这是防治水体富营养化的第一步。这一定程度上需要加快城市污水截流管网的配套建设，实施雨污分流，逐步消除城市生活污水和工业废水直接排入城市河道。

 

　　城市污水（包括居民生活污水和部分工业废水）主要含有碳、氮和磷等溶解性有机污染物，所以污水处理的关键技术主要围绕去除这些目标污染物展开。微生物处理方法因其具备成本低、设备简单及其天然的生物性质，在污水处理领域正扮演着重要角色，城市污水脱氮除磷处理的核心技术即采用了微生物处理方法。

 

　　利用微生物处理污水的本质与微生物的新陈代谢机制紧密相关。与人类相似，微生物生命活动的基础也是营养，主要包括碳、氮、能量和无机盐等。微生物只有不断地从环境中摄取碳有机物、氮和磷营养物质以及一些无机盐类，并利用这些物质生化转化过程产生的能量，才能合成细胞物质，维持正常运动和繁殖后代。

 

　　这类似于我们人类需要每天摄取米饭/馒头（碳源），鱼类肉类（蛋白质―氮源）以及其他微量元素（盐）才能维持正常生命活动一样。而正因为污水中含有这些营养物质及无机盐矿质元素并被视为污染物质，所以可以利用微生物和污水充分接触，促使微生物最大限度地“吃掉（消化）”这些物质，从而在实现其自身质量增加和种群繁衍的同时，也将污水中的污染物质转化为稳定、无害的物质。

 

　　污水生物处理的关键是需根据各类微生物的生理特性，人为创造最适合它们生长的环境，让它们在短时间内显著提高数量并具备高度活性。只有在“量”和“质”方面得到加强，微生物群体才可对污水中的污染物质进行高效地“吃”和“转化”。比如，在污水处理厂的工艺流程中，往往通过向废水中连续充氧等方式，强化微生物新陈代谢和有机物转化过程各个环节，最终形成易于沉淀分离的微生物絮凝物（或叫菌胶团），并使污水得到净化。这种由微生物组成的絮凝体也称“活性污泥”，活性污泥法在污水处理工艺被普遍应用。

　　在生活污水中，主要含有有机氮和氨态氮，它们均来源于人们食物中的蛋白质（主要由氨基酸组成）。新鲜生活污水中有机氮约占总氮的60％，氨氮约占40％。当污水中的有机物被微生物降解氧化时，其中的有机氮被转化为氨氮。生物脱氮是指在微生物作用下，将有机氮和氨态氮转化为氮气（N2）的过程，其中包括硝化和反硝化两个反应过程。①硝化反应是在好氧条件下，将NH4+氧化为亚硝酸盐氮（NO2-）和硝酸盐氮（NO3-）的过程。此作用是由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成的。这两种菌属于化能自养型微生物，即摄取无机碳（如CO2）为食料，借以取得能量和合成细胞物质。②反硝化反应是指在无氧条件下，反硝化菌将NO3-和NO2-还原为N2的过程。

 

　　反硝化菌属于异养型（需要有机碳源合成细胞）兼性厌氧菌，在有氧存在时，它能够以O2为电子受体进行好氧呼吸；在无氧但存在NO3-或NO2-时，则以NO3-或NO2-为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。在城市污水处理厂的生物脱氮工艺中，往往通过创造好氧（充氧）和缺氧（不充氧）的环境来分别富集硝化菌和反硝化菌，通过硝化和反硝化反应来有效实现废水中氨氮和有机氮向N2的转化，达到脱氮目的。

 

　　生物除磷技术主要是利用微生物作用使废水中磷转化到微生物细胞体内，并通过高磷污泥的排放实现污水中磷的去除。在厌氧（无氧和无NO3-）和好氧（有氧）交替运行条件下，可以驯化获得一类特殊的微生物，它们能够过量的、在数量上超过其生理需要的、从外部环境中摄取磷，并将磷以聚合磷（poly-P）的形式贮存在体内，形成高磷污泥排出系统外，达到从废水中除磷的效果。我们将这类微生物统称为聚磷菌。

 

　　现有的生物除磷工艺，普遍利用厌氧/好氧交替环境，让聚磷菌高度富集（即最大程度地增加它们在总微生物中的比例），从而在通过与污水的接触反应突显它们的过量吸磷特性，获得高效的除磷能力。

 

　　较污水的生物脱氮除磷，有机碳的生物去除机理较为简单。微生物在去除含碳有机物时主要进行有氧代谢，此时异养型微生物以有机物为食料，通过有机物氧化产生的能量合成细胞物质。所以，有机碳源经过氧化分解后，一部分用于合成新细胞，即合成代谢；另一部分最终形成CO2和H2O等稳定的无机物质。

　　目前，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和N2O被认为是最重要的三种温室气体。其中，N2O是一种强温室气体，其全球增温潜势为CO2的310倍，也是导致臭氧层损耗的物质之一。污水处理是导致N2O产生的潜在人为源之一，且主要发生在污水生物脱氮的硝化和反硝化过程。随着各国政府对污水排放氮含量控制的日益严格，污水厂必须实现脱氮工序，这大大增加了N2O温室气体的释放潜能，也可能将环境污染问题由水环境转向大气环境。

 

　　近年来有关N2O释放的研究报导均表明，污水处理过程N2O的释放有增高趋势，因此其可能产生的温室效应影响也将日益严重。有研究报道，污水处理过程中每年排放的N2O总量约为（0.3——3）×1012 kg，占全球N2O排放总量的2.5%——25%；而在实际污水脱氮过程中，进水中0——14.6%的氮将可能被转化为N2O并释放。可见，污水处理过程N2O强温室气体的释放问题已不容忽视。然而，由于缺乏对脱氮过程N2O的产生诱因、氮素转化途径及功能微生物代谢和种属构成等科学机制的统一认识，目前也就无法为污水处理厂提供有效的N2O温室气体诊断和减排控制策略，这为实现我国污水处理厂的节能减排目标带来很大困难。

 

　　笔者近年来主要围绕反硝化除磷技术展开了深入研究。反硝化除磷和厌氧氨氧化两种新技术的研发与应用，被认为对发展可持续废水生物处理工艺具有划时代意义的推动作用。反硝化除磷技术已经在荷兰等欧洲国家的实际污水处理厂得到应用，它主要是利用反硝化聚磷菌可在厌氧条件下吸收污水中的碳源并将其转变为胞内有机碳源（PHA），并利用NO3-电子受体，于缺氧条件下用于同步的反硝化脱氮和摄磷。

 

　　反硝化聚磷菌“一碳两用”式的代谢机制巧妙地避免了传统工艺中碳有机物首先被氧化消耗，而反硝化却因碳源缺乏而受阻的不足，不但节省了COD能源（约50%），同时也降低了消耗外部能源产生CO2温室气体的量（曝气量降低30%），顺应了当前我国提出的发展“低碳模式下水处理技术”的趋势。

 

　　但已有研究表明，这一类型的反硝化较传统外碳源型反硝化将可能释放出更多的N2O温室气体，一定程度上有可能削弱反硝化除磷技术的优势，但究竟反硝化除磷脱氮过程可能释放出的N2O量及其释放特征都未明确，也无法给出确切的科学机理解释。就此，我们以反硝化除磷这类基于内碳源进行反硝化的脱氮除磷技术为研究对象，拟从细胞水平阐述内源反硝化反应过程导致N2O产生的诱因，初步揭示反硝化除磷过程氮素和碳素转化途径，同时利用分子生物学技术揭示了反硝化除磷系统中对N2O产生起主导作用的功能微生物组成特征。

 

　　这些研究将有助于我们认清反硝化除磷科学机制，并为建立反硝化除磷过程N2O的减排策略提供理论科学依据，同时也可为反硝化除磷技术尽快推广、真正实现污水脱氮除磷处理的节能减排提供技术保障。