微生物在水污染治理中的作用Word格式.docx
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根据指示生物的种群、数量、水质的不同，可以将污化带自上而下划分为多污带、a—中污带、B—中污
带、寡污带。
表9.1污化系统及指示生物
污化系统
多污带
a—中污带
B—中污带
寡污带
水色
P暗灰色
灰色
浊度低:
清澈
溶解氧
极低或无
低
升高
恢复正常
BOD
>
10mg/L
5〜10
V5
V3
H2S
:
强烈H2S气味
H2S气味没有
无J
无
细菌（个/mL）
100万以上
10万以上
10万以下
100以下
指示生物
以厌氧细菌、兼性细菌为主，还有变形虫、水蚯蚓。
无鱼类、显花植物
细菌、蓝藻、绿藻、裸藻、游泳型纤毛虫、轮虫、水蚯蚓
硅藻、绿藻、鼓藻、固着型纤毛虫，出现水生植物、轮虫、水蚤、昆虫
金鱼藻、硅藻、黄藻、钟虫、旋轮虫、浮游甲壳动物、水生植物、鱼
以上污化系统只能反映有机污染程度，不能反映有毒废水的污染。
9.2污、废水生物处理方法分类
生物处理是以含污染物的污、废水为培养基，通过微生物的代谢作用，将水中呈溶解和胶体状的有机污染物降解并转化为无害物质，达到水质净化目的。
许多生物处理工艺就是自然界微生物自净过程的模拟和人工强化。
根据微生物与氧的关系可以把生物法分为好氧法和厌氧法两大类。
表9.2好氧生物处理与厌氧生物处理的区别
区别
好氧生物处理法
厌氧生物处理法
有机物降解
彻底
不彻底
耗时
短
长
臭气
臭气大且出水颜色深
曝气设备
需要、较复杂
不需要
动力消耗
大
小且产能
处理有机物浓度
不能过高
很高
构筑物容积
很大
较大
处理对象
城市污水或其它低浓度有机废水
咼浓度有机废和污泥
达标排放
一般可以
需与好氧方法联用才能达标排放
常见类型
活性污泥法、生物膜法
厌氧消化法
9.3活性污泥法中的微生物及其作用
活性污泥是一种绒絮状小泥粒，它是由微型生物群、有机和无机胶体、悬浮物等所组成的一种肉眼可见的细粒，绒絮状颗粒约为0.02〜0.2伽；
因水质不
同，外观多呈黄褐色，也可呈深灰、灰褐、灰白色等；
正常情况下几乎无臭味或略有腥味；
含水率99%左右；
表面积为20〜100cm2/mL;
密度约为1.002〜
1.006g/cm3，当加以静置时，能立即凝聚成较大的绒粒而沉降；
呈弱酸性（pH约为6.7），对pH有较强的缓冲能力。
931活性污泥的生物组成
活性污泥是由细菌、真菌、原生动物、微型后生动物及单胞藻类等多种微生物群体聚集组成的一个生态系统。
931.1细菌
细菌是活性污泥在组成和净化功能上的中心，其数量约为108〜109/mL。
其
中重要的细菌有动胶菌属、假单胞菌属、产碱杆菌属、无色杆菌属、黄杆菌属、芽抱杆菌属、棒状杆菌属、不动杆菌属、球衣菌属、短杆菌属、微球菌属、八叠球菌属、螺菌属、诺卡氏菌属等，多为革兰氏阴性菌。
在活性污泥形成初期，细菌多以游离态存在，随活性污泥成熟，细菌大多数包埋在菌胶团生成菌分泌的蛋白质和多糖等胞外聚合物中，形成菌胶团，进而
形成活性污泥絮状体。
随水质条件的不同，菌胶团絮状体可有球形、分枝、蘑菇、片状、椭圆及指形等各种形态。
931.2原生动物
活性污泥中的原生动物以纤毛虫为主。
原生动物是需氧性的生物，主要在活性污泥的表面活动，数量约在5万个/mL，以摄取游离细菌和有机物作为营养。
常见的游泳型纤毛虫有草履虫、肾形虫、斜管虫、漫游虫、半眉虫、四膜虫、裂口虫、喇叭虫、板壳虫、管叶虫等；
匍匐型纤毛虫有楯纤虫、尖毛虫、棘尾虫、游仆虫、弹跳虫等；
固着型纤毛虫有钟虫、独缩虫、聚缩虫、累枝虫、盖纤虫及吸管虫等。
此外，还会观察到鞭毛虫和肉足虫，如屋滴虫、波豆虫、异鞭虫、袋鞭虫、变形虫、表壳虫、磷壳虫和砂壳虫等。
9.3.1.3其他微生物
有毛霉属、曲霉属、青霉属、链抱霉属、枝抱霉属、木霉属、地霉属等丝状真菌和轮虫、线虫等。
通常构成活性污泥的微生物种群相对稳定，但当营养、温度、溶解氧、pH
值等环境条件改变，会导致主要菌种（优势菌）变化。
如含蛋白质污水中，产碱杆菌属和芽抱杆菌属占优势，糖类废水中假单胞菌属占优势。
9.3.2活性污泥法的生物净化机理
活性污泥中的每一颗絮状体，都是一个活跃的微生物群体。
污水中需氧微生物对有机质的分解作用，可归纳为下列过程：
9.3.2.1生物吸附
由于活性污泥表面积很大（2000~10000m2/m3混合液），具有很强的吸附能力，可以吸附废水中的有机物。
废水与活性污泥接触后，其中有机质可以在约1〜30min的短时间内被吸附到活性污泥上。
还可以吸附某些金属离子，使之与有机物形成络合物而得以去除。
9.3.2.2氧化分解有机物
废水中的溶解性有机物直接被细菌吸收，在体内氧化分解，进而无机化；
大分子的有机物先被细菌分泌的胞外酶作用下分解为小分子的化合物，然后透过
细菌的细胞壁和细胞膜被细菌摄入体内，在胞内酶作用下，一部分被同化成细胞物质，另一部分被继续分解为C02、出0、S04”、NH3、PO43一等简单无机物及能量释出。
在该过程当中，细菌分解有机物获取营养，同时获取能量，合成自身细胞
分解的产物是稳定化的简单无机物。
9.3.2.3其它微生物吸收或吞食未分解彻底的有机物。
大多数原生动物是动物性营养，它们吞食有机颗粒和游离细菌及其它微生物，有利于改善水质。
由于原生动物数量远远少于细菌，吞食量并不影响细菌整体净化效果，相反随着大量游离细菌的被吞噬，使出水的含菌量、悬浮物、有机氮、BOD浓度降低，处理后的水质由浑浊变清澈。
此外，原生动物分泌的粘液物还具有促进絮凝作用，提高了活性污泥的沉降性能。
另外，原生动物吞噬游离细菌，从另一个方面起到了促进细菌的絮凝作用。
9.3.3活性污泥中微生物的指示作用
9.3.3.1活性污泥的指示作用通过絮状体的颜色、数量、颗粒大小及结构的松紧程度可衡量活性污泥的性能，例如新生的活性污泥颜色浅、无色透明、结构紧密，则说明其生命力旺盛，吸附和氧化能力强，沉降性能良好。
9.3.3.2原生动物和微型后生动物的指示作用原生动物和微型后生动物便于通过普通光学显微镜观察和分辩，因而可以作为指示生物。
依据种类、数量、形态上的变化，判断处理系统运行状况和出水水质状况。
在污水处理生态系统中形成了一条特定的食物链，即细菌T植物性鞭毛虫T肉足虫T动物性鞭毛虫T游泳型纤毛虫、吸管虫T固着型纤毛虫T轮虫。
在活性污泥中出现轮虫，往往表明处理效果良好，但当轮虫数量过多，则可能破坏污泥结构，导致污泥松散上浮。
（1）根据生物演替判断活性污泥的成熟程度活性污泥培养初期以鞭毛虫、变形虫为优势种；
活性污泥培养中期以游泳
型纤毛虫、鞭毛虫为优势种；
活性污泥培养成熟期以钟虫等固着型纤毛虫、楯纤虫、轮虫为优势种。
（2）根据生物种类判断活性污泥和处理水质的效果如出现大量固着型的纤毛虫和楯纤虫、轮虫时，说明活性污泥状况良好，
废水中溶解氧适当，出水水质好；
当游泳型纤毛虫和鞭毛虫、根足虫等出现，说明活性污泥结构松散，出水水质差，运转不正常，必须采取调节措施；
当出现线虫则说明缺氧。
（3）根据生物形态和数量的变化判断处理条件在生物处理过程中，运行条件的突然变化（如进水水量、有机物浓度、溶
解氧、温度、pH值、有毒物质等），会影响处理效果。
通过镜检中原生动物形态和数量的变化情况，了解进水水质及运行条件正常与否，进而采取相应的措施。
如当溶解氧不足或其他环境条件恶化时，钟虫会变得不活跃或数量减少、或虫体变态尾柄脱落，产生次生纤毛环呈游泳生活；
继而虫体变成胞囊或虫体变长直至死亡。
如废水水质改善，环境条件恢复正常，虫体可恢复原状及活力。
图9.3钟虫虫体变态过程
引自周群英、高廷耀.环境工程微生物学.北京：
高等教育出版社.2000）
9.3.3.3丝状微生物的指示作用丝状微生物附着于菌胶团上或与之交织在一起，成为活性污泥的骨架。
其中，硫磺细菌能将水中硫化氢氧化为硫，并以硫粒形式存于体内。
当水中溶解氧高时（大于1mg/L），体内硫粒可进一步氧化而消失。
因此，通过对硫磺细菌体内硫粒存在与否的观察，可间接推测水中溶解氧的状况。
丝状微生物繁殖过多时，往往引起污泥膨胀。
然而，由于指示生物与水质、浓度、负荷、季节等因素有关，故不同污水处理厂均应结合自身具体情况，通过长期的探索，找出指示生物及其变化的规律性，而不能将复杂过程简单对待。
9.3.4活性污泥的培养及驯化活性污泥处理系统投入运行前，都要经过活性污泥的培养阶段，活性污泥培养的实质就是要培养出适应待处理污、废水水质的微生物，因此培养过程需要有菌种和营养物。
对于城市污水，其中菌种和营养物都具备，所以可直接用城市污水进行培养，也可采用其他水处理厂的活性污泥培养。
最好采用与本厂水质相同的污、废水处理厂的活性污泥作菌种
培养方式有间歇式培养和连续式培养。
9.3.4.1间歇式培养：
如果采用与本厂水质不同的污水处理厂的活性污泥作菌种，宜采用间歇式培养。
将稀释的低浓度废水引入曝气池，与菌种混合，曝气23h后沉淀1h,排出
上清液（约占总体积50%~70%），然后再进同样浓度的新鲜废水，继续曝气，持续3~7d。
镜检活性污泥生长量增加状况，逐步调高废水浓度，重复上述操作，直至提高到原废水浓度为止，这个阶段称为驯化。
驯化初期，活性污泥结构松散，游离细菌较多，出现鞭毛虫和游泳型纤毛虫。
随着驯化的进行，原生动物由低级向高级演替。
驯化后期以游泳型纤毛虫为主，并且出现少量的固着型纤毛虫，活性污泥沉降性较好，上清液较清澈，且与沉降污泥之间出现较明显界面，这时驯化阶段结束。
将驯化好的活性污泥改用连续曝气培养，可以通过镜检和化学测定分析水质等方法控制进度。
当污泥内含有大量菌胶团和固着型原生动物（如钟虫、累枝虫、盖纤虫及纶虫等），即表明污泥进入成熟期，具有良好的降解及沉降性能，完成培养阶段。
9.3.4.2连续式培养：
如果采用与本厂水质相同污、废水处理厂的活性污泥作菌种时，可直接用连续式培养。
将菌种引入曝气池（约占池容积5%~10%），进行静态曝气（闷曝）培养数天，然后以小流量引入废水进行曝气，并不断将出水排入二沉池，每天提高一次流量，要维持约一周时间，直至满负荷为止。
9.4生物膜中的微生物及其作用生物膜法是根据土壤自净原理发展起来的。
当污、废水通过滤料时，滤料截留了水中的悬浮物质，并把水中的胶体物质吸附在其表面，水中的有机物使微生物很快繁殖起来，这些微生物附于载体表面进一步吸附水中呈悬浮、胶体状和溶解状的物质，繁殖的微生物群体在载体表面形成一层粘膜状物即生物膜，一般厚度约1〜3伽。
生物膜呈蓬松的絮状结构，微孔多表面积大，具有很强的吸附和降解有机物能力。
941生物膜的微生物组成
生物膜主要是由菌胶团和丝状菌组成，此外还有原生动物、藻类和后生动物，还能栖息一些增殖极慢的肉眼可见的无脊椎动物。
941.1细菌
生物膜中的细菌也是常见于活性污泥中的一些种属，如动胶菌、假单胞菌、球衣细菌、贝氏硫菌、无色杆菌、黄杆菌、产碱菌等。
9.4.1.2丝状微生物
真菌较普遍，远多于活性污泥，常见的真菌有主要有镰抱菌、青霉、毛霉、地霉、分枝抱霉及各种酵母菌等，霉菌是有机质的积极分解者，但有时过度繁殖，可引起滤池堵塞。
常见的藻类有席藻、丝藻、毛枝藻等丝状藻类，以及小球藻、硅藻等单胞藻类，它们多存在于生物膜表面。
9.4.1.3原生动物和后生动物
生物膜中的原生动物数量、种类也多于活性污泥，常见的纤毛虫有钟虫、累枝虫、独缩虫、楯纤虫、斜管虫、尖毛虫、豆形虫等，它们活跃地生活在生物膜表面，以菌类为食，它们起促进滤池净化速度，提高处理效率，对滤池堵塞状况也有改善作用。
微型后生动物有轮虫、线虫、寡毛类的顠体虫、蛾蝇幼虫等，其中最重要的是蛾蝇。
蛾蝇幼虫吞食生物膜，可抑制生物膜的过度增长，并可使生物膜疏松，但它的成虫经常出没滤池周围，骚扰人群甚至携带病菌，传染疾病。
在春夏秋季
节，滤池中容易滋生灰蝇，它们是生物滤池中特有的一种昆虫，其幼虫以生物膜为食。
幼虫的活动能起疏松生物膜的作用，有利于生物膜脱落更新。
9.4.2生物膜中微生物的净化作用
有机污染物的净化作用见图9.5。
污水在流经生物膜时，水中的大分子有机污染物首先被上层生物膜中的细菌、真菌吸附并分解为小分子有机物，继而被吸收进入细胞，一部分合成细胞物质进行繁殖，一部分在好氧层中被分解为C02、
H2O,—部分在厌氧层中被分解为NH3、H2S、CH4和其它小分子有机物，而原生动物又以细菌、真菌为食。
上一层生物膜的代谢产物及剩余的有机物又被下一层生物膜吸收利用，进一步被氧化为CO2、H20，剥落的生物膜和游离细菌被原生动物和其它高级动物吞食，废水得到净化。
图9.5生物膜法净化模式图
生物膜不断地经历初生、生长、成熟及老化剥落的更新过程。
开始形成的膜是需氧性的，但当膜的厚度增加，膜内部缺氧，厌氧微生物开始生长，生物膜就分成了两层，外部为好氧层，内部为厌氧层。
当厌氧层逐渐增厚，因气泡产生和水力冲刷使生物膜局部脱落，然后局部又开始新的生物膜形成过程，这是生物膜的正常更新。
脱落的生物膜随水流出，从而影响处理水的透明度，有时还会造成堵塞，这是生物膜法的不足之处。
9.4.3生物膜中微生物的指示作用不同环境的生物膜得到的营养（有机物的组分、浓度）是不同的，造成微生物种类、数量各不相同，即生物相是分层的，每层都生长着与进入本层污水水质相适应的微生物，并自然成为优势菌种属。
生物膜中的生物分布是有规律的：
在进水端，有机物浓度高，微生物数量多但生物种类少且等级低，多是细菌，也有少数鞭毛虫；
中段的有机物较上层低，还含有上层微生物的代谢产物，生物的种类比进水端稍多，等级稍高，有菌胶团、球衣细菌、鞭毛虫、变形虫、豆形虫、肾形虫等；
出水端的有机物浓度进一步降低，其中低分子有机物较多，生物种类更多，除菌胶团、球衣细菌外，还有以钟虫为主的固着型纤毛虫和楯纤虫、漫游虫等游泳型纤毛虫，还出现了轮虫、线虫等更高级的生物，说明水质变好。
9.4.4生物膜的培养生物膜的培养有自然挂膜法、活性污泥挂膜法和优势菌挂膜法。
9.4.4.1自然挂膜法生物膜的培养通常采用自然挂膜法。
用泵将污（废）水以慢流速引入生物滤池，循环3~7天后，改为慢速连续进水。
在此过程中，污（废）水中的菌种和空气中的微生物附着在滤料表面，吸收水中的有机物作为营养进行生长繁殖。
微生物的数量由少到多，从开始到成熟，生物膜要经过潜伏和生长两个阶段。
当进水流量达到设计值时，滤料上形成正常的生物相，出水指标达到排放标准，培养可结束。
对于一般的城市污水，在15~20°
C水温条件下，培养期约30~50天左右。
9.4.4.2活性污泥挂膜法取处理生活污水或处理工业废水的活性污泥作菌种，将本厂的污（废）水
与其混合，用泵将混合液以慢流速引入生物滤池，循环3~7天后，改为慢速连续进水。
培养过程与自然挂膜法相同。
9.4.4.3优势菌挂膜法优势菌是从自然环境或废水处理中筛选、分离获得的，也可通过遗传育种
获得，甚至通过基因工程构建的超级菌种作菌种。
优势菌对待处理的废水有很强的降解能力，可以将废水与菌种充分混合，用泵将混合液以慢流速引入生物滤池，循环3~7天，使菌粘附于滤料表面，然后改用慢速连续进水，直至形成正常分层的生物相。
一般，当滤池进水B0D5>
200mg/L时，常常需采取回流。
利用回流出水与进水混合，这样既可提高水力负荷率，又可稀释进水的有机物浓度，保证出水水质，并可防止滤池堵塞。
9.5厌氧生物法中的微生物及其作用
在厌氧条件下，利用厌氧微生物（包括兼性菌），处理高浓度有机废水及剩余活性污泥的方法称为“厌氧生物法”，简称“厌氧消化”。
有机物经厌氧消化后，最终的产物为甲烷、二氧化碳、硫化氢、氨等。
9.6.1厌氧消化中微生物的净化作用——甲烷发酵
图9.7厌氧消化三阶段、四类群模式
9.5.1.1水解发酵阶段
大分子有机物被胞外酶分解为小分子有机物，然后进入细胞内被分解为更简单的物质，如蛋白质被水解为氨基酸，脱氨基后转化为有机酸和氨；
纤维素、淀粉等被水解为丙酮酸。
9.5.1.2产乙酸阶段
上一阶段产生的脂肪酸、醇类被进一步转化为乙酸及H2、C02。
H2和C02则由同型产乙酸细菌转化为乙酸。
9.5.1.3产甲烷阶段
甲烷的产生有两种方式：
这种方式约占28%
H2+CO2——CH4
H2+COCH4
9.5.2厌氧消化的微生物类群
9.5.2.1发酵细菌（产酸细菌）
第一阶段的微生物群落是水解、发酵性细菌群，主要是专性厌氧菌和少量兼性厌氧菌。
专性厌氧菌主要有梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双歧杆菌属等;
兼性厌氧菌有链球菌和肠球菌。
9.522产氢和产乙酸细菌
这群细菌包括互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属和暗杆菌属、脱硫脱硫弧菌等。
9.5.2.3同型产乙酸细菌
同型产乙酸细菌有乙酸梭菌、甲酸乙酸化梭菌、乌氏梭菌、伍迪乙酸梭菌
9.5.2.4产甲烷细菌
已知的产甲烷有50种以上，最常见的产甲烷细菌有：
产甲烷杆菌、产甲烷球菌、产甲烷八叠球菌、产甲烷螺菌和产甲烷丝菌等。
此外，还有少数厌氧或兼性厌氧的游泳型纤毛虫，例如扭头虫、草履虫等。
9.5.3厌氧活性污泥的培养
培养的方法与好氧活性污泥方法类似，进水量由小到大，进水有机物浓度由
低到高，每提高一次浓度，要维持稳定一段时间，才可改变浓度。
当处理浓度达到设计值，并形成颗粒状污泥时，即成为成熟的厌氧活性污泥，可投入正常运行。
9.6影响生物处理的因素生物处理的主体是微生物，微生物的新陈代谢对环境因素有一定的要求，如果环境条件突然改变，超出正常的范围，会导致微生物的不适应，从而影响处理效果。
在运行中常见的影响因素有温度、pH、有毒物质和营养配比。
9.6.1温度
对于大多数细菌，适宜的温度为20~40C之间。
好氧处理在水温30~35°
C时处理效果最佳，但实际工艺常在15~30°
C之间进行，在水温低于10C或高于40C时，仍有良好的处理效果。
在水温比正常低很多时，可以调低负荷。
所以好氧处理一般不对温度作特殊调整。
某些工业废水水温太高，应设置调节池降温。
厌氧处理可根据温度的不同分为中温（30~35C）及高温（50~60C）两大类。
高温消化比中温消化所需的时间短，但加热污泥所需的热量大。
从经济角度考虑，一般采用中温消化方式。
为解决冬季水温过低、代谢速率慢的问题，可采取设备增设保温层及水蒸汽预热等措施。
9.6.2pH值
一般来说，好氧处理中pH值应在6~9之间，但是好氧微生物对pH值的适应能力较强，适宜的范围较大。
厌氧处理中pH值应在6.5~7.8之间。
因为厌氧微生物对pH值较敏感，如果pH值降至5以下，对甲烷菌有很强的毒害作用，甚至会导致甲烷菌死亡。
一般情况下，如果进水的pH值远离正常值，应该在生物处理的构筑物前设置调节池，将pH值调整正常范围后，才可进行生物处理。
9.6.3有毒物质对微生物有毒害的物质都会影响微生物的处理效率，严重的会使微生物死
亡。
例如重金属、氰化物、硫化物、醛类、酚类等。
微生物对毒物的忍受能力因种类而异。
细菌适应性较强，通过长期驯化可以承受较高浓度的毒物。
所以在处理过程中，逐步提高毒物浓度可使微生物适应这种水质，从而有效地达到净化废水的目的。
9.6.4营养物质不同的微生物对营养元素的需求不同，并且对营养元素之间有一定的比例
要求。
好氧处理的营养要求B0D5:
N:
P=100：
5:
1
厌氧处理的营养要求B0D5:
6:
在生活污水中，各种营养比较充足，比例符合要求，一般不需要作调整；
某些工业废水可能缺乏氮、磷元素，可以用生活污水、粪便或化肥进行补充。
9.7EM生物技术处理污水
EM有效微生物（EffectiveMicro-organisms）是一种由酵母菌、放线菌、乳酸菌、光合细菌等10个属80多种微生物复合而成的多功能微生物群。
它既有分解性细菌，又有合成性细菌，既有厌氧菌、兼性菌，又有好氧菌。
其特点是微生物类群多、结构稳定、对污染物分解能力强等。
EM生物技术即利用EM中各种共栖互利的微生物在同一环境中共存，协同的分解和合成过程，进行物质综合转化的技术。
光合细菌在厌氧环境中生长，分解有机质，提供维生素等作为酵母菌的生长基质，而酵母菌在代谢中产生大量生物素和维生素，提供了光合细菌生长必需的
条件，放线菌分解有机质，生成简单的有机质和一些H2S，光合细菌
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