污水處理中的微生物原理

1、污水處理中的微生物原理編輯說明：此章在很多書上都有涉及，但深層次講解的少，編寫此章的目 標是，使入門者真正理解各類微生物特點和會用生物相分析系統(tǒng)環(huán)境，使本章 作為中控室、化驗室觀測生物相的必要知識。編寫時要注意多涉獵專業(yè)書籍，結合微生物學和一些論文，力圖達到不僅知道結論，還要深究原因。我們在第三章已經說過：生物處理方法的核心（或者說城鎮(zhèn)污水處理廠的運 行核心）是，使用設施、設備，控制曝氣量、水量、污泥量、營養(yǎng)物質等，創(chuàng)造 出適宜微生物存活和生長的環(huán)境，并有意的引導微生物的生長向我們需要去除的 污染物性質方向發(fā)展，最終達到污水處理的目的。所以，凡是采用了微生物處理 方法的城鎮(zhèn)污水處理廠，微生物原

2、理是污水處理的核心知識，一個好的運營師， 可以通過微生物的狀態(tài)和變化就可判斷外部環(huán)境、內部環(huán)境的各種變化，并提前 采取措施將出現的問題苗頭消滅。在活性污泥法中，微生物生活于活性污泥中，在生物膜法中，微生物生活于 生物膜中，存在地方雖不一樣，但生物種群是基本一致的。另：微生物種群非常 多，按世代期（可理解為生長周期）分，從幾個小時長一代到幾十天長一代不等， 活性污泥是由人為控制泥齡的，一般在1025天之間，不會超過30天，所以種 群是人為遴選優(yōu)化過的，具有去除污染物針對性更強，但難以降解的污染物去除 效果不好的特點；而生物膜法的污泥變化是由生物自行生長脫落決定的，所以各種世代期不同的種群在理論上

3、均有存在， 具有去除污染物更徹底，但處理量有限 制的特點。在微生物學領域里，習慣將動膠菌屬形成的細菌團塊稱為菌膠團。在水處理 工程領域內，則將所有具有莢膜或粘液或明膠質的絮凝性細菌互相絮凝聚集成的 菌膠團塊也稱為菌膠團，這是廣義的菌膠團。如上所述，菌膠團是活性污泥（絨 粒）的結構和功能的中心，表現在數量上占絕對優(yōu)勢（絲狀膨脹的活性污泥除外）， 是活性污泥的基本組分。它的作用表現在：1、有很強的生物吸附能力和氧化分解有機物的能力。一旦菌膠團受到各種 因素的影響和破壞，則對有機物去除率明顯下降，甚至無去除能力。2、菌膠團對有機物的吸附和分解，為原生動物和微型后生動物提供了良好 的生存環(huán)境，例如去除

4、毒物、提供食料、溶解氧升高。3、為原生動物、微型后生動物提供附著場所。4、具有指示作用：通過菌膠團的顏色、透明度、數量、顆粒大小及結構的 松緊程度可衡量好氧活性污泥的性能。例如新生菌膠團顏色淺、無色透明、結構 緊密，則說明菌膠團生命力旺盛，吸附和氧化能力強，即再生能力強。老化的菌 膠團，顏色深，結構松散，活性不強，吸附和氧化能力差。第一節(jié)活性污泥中的微生物 （要求化驗室強記，中控室熟悉）在污水處理中，活性污泥中的微生物形成了一個類似于社會的環(huán)境，各個種 群的微生物均在生長，并在污水處理的過程中各自發(fā)揮著作用，這是一個奇妙的 屬于微物的世界。有偏好，有的喜歡氮、有的喜歡磷；有特點，有的對污水處理

5、 發(fā)揮巨大作用，有的反起到了破壞作用；有等級，根據食物鏈的規(guī)律形成了食物 鏈的金字塔。了解這些特點、規(guī)律，能為技術人員的工藝控制起到舉足輕重的作精品doc用。、微生物類別水中微非細胞形態(tài)的微生物病毒 原核生J 細胞形態(tài)的微" 物真核 物髓酢理水體的主要微圖4-1水中微生物分類活性污泥是城市污水在活性污泥處理系統(tǒng)的反應主體，是由細菌、微生物與懸浮物質、膠體物質混雜在一起所組成的絮狀體顆粒，是微生物生存和展開生命 活動的基地。良好的活性污泥具有很強的吸附分解有機物的能力和良好的沉降性 能，絮體的大小約為0.020.2mm茶褐色，微具土壤味，密度1.005kg/m3,含 水率99%。活性污

6、泥中生存著各種微生物，構成了復雜的生物相。在多數情況 下，活性污泥中的主要微生物是細菌、 原生動物構成其基本營養(yǎng)層次，然后是以細菌為食的掠食性后生動物二、具有指示作用的微生物具有指示作用的微生物（后生動物）屬于高級食物鏈層級，也是我們所說的 生物相重點觀察的目標。我們知道，在污水處理中，微生物中起到污染物處理的 最大作用的是細菌，但細菌的數量繁多、個頭太小，觀測起來存在很多難度。但 細菌的生活狀態(tài)直接影響了上層食物鏈的微生物，通過觀測后生動物，即可判斷細菌的生活狀態(tài)，生物相觀測即是這項的工作。1、變形蟲（肉足類）圖4-3顧名思義，變形蟲是能變形的，不過這種變形 也是有限度的。一些種類的變形蟲能

7、向四外伸出假 足，以探查水中的化學成分，決定移動方向。而有 些種類根本沒有假足。他們獵食時覆蓋它的獵物， 把獵物裹起來，這樣就產生了一個食物泡，食物泡 可以消化吸收獵物。變形蟲食性廣，單細胞藻類、細菌、小原生動 物、真菌、有機碎片等皆是它們的食物.變形蟲生命力強，在條件不好時，可以形成一 個包囊（休眠體）度過難關。2、太陽蟲（肉足類）圖4-4太陽蟲身體圓球狀，原生質包在一個光滑的、 膜狀的外包中。外質有許多空泡，內質較少。內質 常有共生綠藻。1個細胞核，位于中央。1個伸縮 泡，位于一側。偽足內有硬的軸絲，故而偽足十分 挺直。軸絲自細胞核輻射伸出，偽足長而細，常為 身體直徑的12倍。以纖毛蟲和小

8、的輪蟲為食。3、草履蟲（纖毛類）圖4-5草履蟲屬體大，履狀，有十分發(fā)達的口溝，口 溝引入口腔?？谇粌扔疫呌?片口側膜、2片波動 咽膜和1片四分膜。體纖毛均勻，外質有刺絲泡。 大核1個，伸縮泡通常2個，其周圍有輻射管。在一般高負荷的活性污泥系統(tǒng)中，草履蟲將占 優(yōu)勢，此時活性污泥發(fā)育正常，沉降性能及生物活 性良好，出水水質較好，處理效果較好。4、櫛毛蟲（纖毛類）圖4-6櫛毛蟲體桶形，前端中央有一短的圓錐形“吻” 突。胞口在“吻”突的頂端。胞咽有長的刺桿支撐。 體纖毛退化，僅有1圈或數圈由排列整齊的梳狀纖 毛櫛形成的纖毛環(huán)圍繞。大核1個，腎形或馬蹄形。 伸縮泡1個，在后端中央，常有輔助泡。攝食草履

9、蟲等其他纖毛蟲。5、輪蟲（輪蟲）圖4-7 輪蟲是重要的生物相觀測對象。輪蟲形體微小，長度約 44000um多數在 500um左右。身體為長形，分頭部、軀干和尾部。 頭部有一個由12圈纖毛組成的能轉動的輪盤， 形如車輪。咽內有一個幾丁質的咀嚼器。軀干呈圓 筒形，背腹扁寬，具刺或棘，外面有透明的角質甲 膜，尾部末端有分叉的趾，內有腺體分泌的黏液， 借以固著在其他物體上。大多數輪蟲以細菌、霉菌、藻類、原生動物及 有機顆粒為食，輪蟲要求較高的溶解氧量。在污水 生物處理系統(tǒng)中常在運行正常、水質較好、有機物 含量較低時出現。但當污泥老化解絮、污泥碎屑過 多時，會刺激輪蟲大量增殖，數量可多至 10000 個

10、/ml ,這是污泥老化解絮的標志。6、線蟲（線蟲）圖4-8線蟲的蟲體為長線形，在水中的長度一般 0.252mm斷面為圓形，線蟲前端口上有感覺器 官，體內有神經系統(tǒng)，消化道為直管，食道由輻射 肌組成。線蟲有寄生的和自由生活的，自由生活的 線蟲體兩側的縱肌可交替收縮，使蟲體做蛇狀的拱 曲運動。在污水生物處理中的線蟲多是自由生活的， 常 生活在水中有機淤泥和生物膜上，它們以細菌、藻 類、輪蟲和其他線蟲為食，在缺氧時會大量繁殖， 是污水生物處理中凈化程度差的指示生物。7、鐘蟲（纖毛類）圖4-9鐘蟲是重要的生物相觀測對象。單體，多呈倒置的鐘形（少數呈球形、梨形等）， 多用柄附著它物上（游泳鐘蟲除外），柄

11、內有肌絲， 遇刺激能強烈的收縮。蟲體前緣纖毛口緣區(qū)上長有 2列纖毛，并按反時針方向旋轉入胞口，鐘蟲其它 部位纖毛退化。大多數種類以細菌、藻類等為食， 所以水體中細菌等數量的多少，直接影響著鐘蟲的 數量。鐘蟲對水質要求范圍較寬，水溫030C,pH6. 59. 5, DO?口 NH你度分另為112和2 20mg/1都能生存，再加上其它原生動物與細菌的 共同作用，使污染物去除率能達到77. 8 %92. 3%的好效果。8、吸管蟲（纖毛類）圖4-10固著足吸管蟲的成體為圓球形，蟲體約200微米，身體的一端有一長柄，個體即借此柄附著在 其他物體上。體表長有許多輻射狀排列的觸手，觸 手為中空的管狀，末端膨

12、大成球狀吸盤，故名吸管 蟲。觸手可自由伸縮。身體內部有一個卵圓形的大 核和數個小核，伸縮泡28個，食物泡若干個。 幼體卵圓形，表面有纖毛，營自由生活，體內一個 大核及數個小核。以原生動物為食，尤其嗜食纖毛 蟲類。在獵物豐富的情況下，一只吸管蟲可同時對 付36只草履蟲。嚴格的說，固著足吸管蟲是營 附著生活的。9、纖毛蟲（纖毛類）圖4-11纖毛蟲是重要的生物相觀測對象。纖毛蟲屬纖毛門，大多數纖毛蟲在生活史的各 個階段都有纖毛，以纖毛作為運動細胞器。纖毛在 蟲體表面有節(jié)律地順序擺動，形成波狀運動，加之 纖毛在排列上稍有傾斜，因而推動蟲體以螺旋形旋 轉的方式向前運動。蟲體也可依靠纖毛逆向擺動而 改變運

13、動方向，向后移動等。游泳型和固著型的纖毛蟲在活性污泥中的處 理效果來看，游泳型纖毛蟲在活性污泥中數量較多 時，對出水的CODS有很大的影響，數量增多時出 水COD曾大；固著型纖毛蟲出現數量較少時，出水 水質較好。固著型纖毛蟲本身有沉降性能，加上和細菌形 成絮體，可以更加完善二沉池的泥水分享作用。10、鞭毛蟲（鞭毛類）圖4-12鞭毛蟲是重要的生物相觀測對象。具有一根或一根以上的鞭毛。鞭毛長度與其 體長大致相等或更長些，是運動器官，鞭毛蟲又 可分為植物性鞭毛蟲和動物性鞭毛蟲，常見的植 物性鞭毛蟲有滴蟲屬、屋滴蟲屬和眼蟲屬等，常 見的動物性鞭毛蟲有波豆蟲屬、尾波蟲屬等。植物性鞭毛蟲在中、多污水體中多

14、見；動物 性鞭毛蟲在有機物較多的水體或曝氣池進口會出 現。在超高負荷的活性污泥系統(tǒng)中，鞭毛蟲將占 優(yōu)勢，出水質量很差。但在活性污泥的培養(yǎng)過程 中，鞭毛蟲出現并占居優(yōu)勢，則說明活性污泥已 經出現，正向良性方向發(fā)展。11、累枝蟲（纖毛類）圖4-13累枝蟲與鐘蟲相似，前端有膨大的圍口唇。 群體，柄無肌絲而不收縮。著生在各種水生動植 物體上。個別種為浮游生活。第二節(jié) 厭氧、好氧環(huán)境中微生物原理 （要求中控室強記）根據微生物與分子氧的關系，將微生物分為好氧微生物（包括專性好氧微生 物和微量好氧微生物）、兼性厭氧（或叫兼性好氧）微生物及厭氧微生物。專性 好氧微生物是指在氧分壓為0.2*101kPa的條件下

15、生長繁殖良好的微生物。微量 好氧微生物是指在氧分壓為（0.0030.2） *101kPa的條件下生長繁殖良好的微 生物。厭氧微生物包括專性厭氧微生物和耐氧厭氧微生物。專性厭氧微生物是指只能在氧分壓小于0.005*101kPa的瓊脂表面生長的微生物。而兼性厭氧微生物 是指既可在有氧條件下，又可在無氧條件下生長的微生物。 這三種類型微生物對 氧的反應不同。根據微生物在構筑物中處于懸浮狀態(tài)或固著狀態(tài)，分為活性污泥法和生物膜 法。污水的各種生物處理構筑物為活性污泥或生物膜提供一個環(huán)境（有氧環(huán)境和無氧環(huán)境），構筑物中充滿活性污泥或生物膜，或活性污泥與生物膜的混合體。 有氧環(huán)境或無氧環(huán)境與其中的活性污泥和

16、生物膜就構成一個生態(tài)系?；钚晕勰嗪蜕锬な莾艋鬯墓ぷ髦黧w。一、厭氧環(huán)境中的生物群落處理原理厭氧環(huán)境下的微生物群落與有氧環(huán)境中的不同， 它們是由分解蛋白質、脂肪、淀粉、纖維素等的專性厭氧菌和兼性厭氧菌及專性厭氧的產甲烷菌等組成，在出 流處附近，有少量厭氧或兼性厭氧的游泳型纖毛蟲，例如扭頭蟲、草履蟲等。1、厭氧活性污泥的組成和性質圖4-14專性厭氧污泥和 織成的酸營氣的厭氧活性污泥是由兼性厭氧菌 專性厭氧菌與廢水中的有機雜質交在一起形成的顆粒污泥。厭氧活性污泥中的微生物的組 有五種：將大分子水解為小分子 水解細菌將小分子的單糖、氨基 等發(fā)酵為氫和乙酸的發(fā)酵細菌氫 養(yǎng)型和乙酸營養(yǎng)型的古菌利用氫

17、和二氧化碳合成甲烷的古菌厭氧 原生動物。厭氧活性污泥（顆粒狀）一般厭氧的活性污泥沒有處在激烈運動中，所以，它的微生物群落分布與生物膜相似, 有分層現象，但不及好氧生物膜明顯。2、厭氧微生物處理原理圖4-15厭氧微生物處理原理圖厭氧處理的原理稱為厭氧消化，也叫做甲烷發(fā)酵，該理論曾有過二階段、三階段和四階段發(fā)酵理論?，F在用得比較普遍的是四階段發(fā)酵理論：(1)第一階段：水解。以下幾類污染物消解同步進行水解和發(fā)酵性細菌 群將復雜有機物(如纖維素、淀粉等)分解為單糖后，再酵解為丙酮酸；蛋白 質水解為氨基酸，脫氨基成有機酸和氨；脂類水解為各種低級脂肪酸和醇 (如 乙酸等，酸化I)。第一階段的微生物群落是水

18、解、發(fā)酵性細菌群。(2)第二階段：酸化H,酸化產氫和產乙酸細菌群把第一階段的產物進一 步分解為乙酸和氫氣。第二階段的微生物群落為產氫、產乙酸細菌。(3)第三階段：氣化，第三階段的微生物是兩組生理不同的專性厭氧的產 甲烷菌群。一組是將氫氣和二氧化碳合成甲烷或一氧化碳和氫氣合成甲烷；另一組是將乙酸脫竣生成甲烷和二氧化碳?；蚶眉姿?、甲醇、及甲基胺裂解為甲烷。(4)第四階段：是與上述階段同步進行的逆向反應，為同型產乙酸階段， 是同型產乙酸細菌將氫氣和二氧化碳轉化為乙酸的過程。第四階段在厭氧消化中的作用目前仍在研究中生化階段Inm物態(tài)受化液化(水解)酸化(1)酸化(2)氣化生化過程大分子不溶態(tài)后機 物

19、轉化為小分子溶 解態(tài)后機物小分子溶解態(tài) 有機物轉化為(H2+CO2 及 AB兩類產物B類產物轉化為(H2+CO2 及乙酸等CH4 CO冷菌群發(fā)酵細菌廣氫產乙酸細菌甲烷細菌發(fā)酵上2' A 1 J 甲烷發(fā)酵酸發(fā)酵圖4-16有機物厭氧消化過程二、好氧環(huán)境中的生物群落及其處理特點氧對好氧微生物有兩個作用：作為微生物好氧呼吸的最終電子受體； 參 與番醇類和不飽和脂肪酸的生物合成。好氧活性污泥(絨粒)的結構和功能的中心是能起絮凝作用的細菌形成的細 菌團塊，稱菌膠團。在其上生長著其他微生物，如酵母菌、霉菌、放線菌、藻類、 原生動物和某些微型后生動物(輪蟲及線蟲等)。因此，曝氣池內的活性污泥在 不同的

20、營養(yǎng)、供氧、溫度及pH等條件下，形成由最適宜增殖的絮凝細菌為中心， 與多種多樣的其他微生物集居所組成的一個生態(tài)系。好氧活性污泥的細菌能迅速 穩(wěn)定廢水中有機污染物，有良好的自我凝聚能力和沉降性能。好氧活性污泥的凈化作用有類似于水處理工程中混凝劑的作用，同時又能吸收和分解水中溶解性污染物。因為它是由有生命的微生物組成， 能自我繁殖，有生物“活性”，可以連續(xù)反復使用，而化學混凝劑只能一次使用，故活性污泥比化學混凝劑優(yōu)越。好氧活性污泥的凈化作用見圖4-17?；钚晕勰嘟q粒氧化ACG H2O NH SO2-、 合成!1ta 新活性污泥絨粒攝食活性污泥生物氧化-Ca H2O NH、SO2-、合成新生物體圖4

21、-17好氧活性污泥的凈化作用機理示好氧活性污泥絨粒吸附和生物降解有機物的過程像接力賽，其過程分三步：第1步在有氧的條件下，活性污泥絨粒中的絮凝性微生物吸附廢水中的有機物；第2步是活性污泥絨粒中的水解性細菌水解大分子有機物為小分子有機物，同時，微生物合成自身細胞。廢水中的溶解性有機物直接被細菌吸收，在細菌體內氧化分解，其中間代謝產物被另一群細菌吸收，進而無機化；第3步是其他的微生物吸收或吞食未分解徹底的有機物。第三節(jié)微生物對工藝調控的指示作用 （要求中控室強記，化驗室熟悉）活性污泥中出現的微型動物的數量，往往和污水處理系統(tǒng)的運轉情況有著直 接或間接的關系，進水水質的變化、充氧量的變化等都可以引起

22、活性污泥組成的 變化；微型劭物體積比細菌要大很多，比較容易觀察和發(fā)現其微型動物的變化， 因而可以作為污水處理的指示生物，在一些特殊情況發(fā)生時（如水質突變、污泥 中毒等），即可根據生物相的變化，及時發(fā)現問題并采取必要的措施。生物是由低等向高等演化的，低等生物對環(huán)境適應性強，對環(huán)境因素的改變 不甚敏感。較高等生物則相反，例如鐘蟲對溶解氧和毒物特別敏感。所以，水體 中的排污口、廢水生物處理的初期或推流系統(tǒng)的進水處， 生長大量的細菌，其他 微生物很少或不出現。著污（廢）水凈化和水體自凈程度增高，相應出現許多較高級的微生物。原生動物及微型后生動物出現的先后次序是：細菌一植物性鞭毛蟲一肉足 類（變形蟲）一

23、動物性鞭毛蟲一游泳型纖毛蟲、吸管蟲一固著型纖毛蟲一輪蟲。原生動物及微型后生動物的指示作用表現為以下三點。一、可根據上述原生動物和微型后生動物的演替，根據它們的活動規(guī)律判斷水 質和污（廢）水處理程度。還可判斷活性污泥培養(yǎng)成熟程度。表4-1原生動物和微型后生動物在活性污泥培養(yǎng)過程中的指示作用活性污泥培養(yǎng)初期活性污泥培養(yǎng)中期活性污泥培養(yǎng)成熟期鞭毛蟲、變形蟲游泳型纖毛蟲、鞭毛蟲鐘蟲等固著型纖毛蟲、楣纖蟲、 輪蟲、根據原生動物種類判斷活性污泥和處理水質的好壞如固著型纖毛蟲的鐘蟲屬、累枝蟲屬、蓋纖蟲屬、聚縮蟲屬、獨縮蟲屬、楣 纖蟲屬、吸管蟲屬、漫游蟲屬、內管蟲屬、輪蟲等出現，說明活性污泥正常，出 水水質好

24、。當豆形蟲屬、草履蟲屬、四膜蟲屬、屋滴蟲屬、眼蟲屬等出現。說明活性污泥結構松散，出水水質差。線蟲出現則說明缺氧 表4-2指示生物種類變化與污泥狀態(tài)的關系污泥性質/操作活性污泥性質原生動物狀態(tài)污泥惡化洗性污泥絮體較小，在0.10.2mm以下豆形蟲、草履蟲、滴蟲屬等快速游泳型污泥分散解絮活性污泥絮體細小，有些似針狀 分散變形蟲、簡便蟲等肉足類污泥膨脹活性污泥沉降性能高，SVI值高，鐘蟲漸減纖毛蟲、漫游蟲等大量繁殖， 裸口旋毛蟲、全 毛類、擬輪蟲等污泥恢復期活性污泥從惡化狀態(tài)逐漸恢復， 沉降性能逐漸變好漫游蟲、斜葉蟲、管葉蟲等慢速游泳型活性污泥良好易成絮體，污泥活性易沉降鐘蟲、累枝蟲、蓋纖蟲、纖蟲、吸管蟲；出現 輪蟲類等后生動物曝氣過量肉足類纖毛蟲、輪蟲類后生動物大量曝氣/、足線蟲出現負荷局,裸變形蟲、鞭毛蟲；負荷很低游仆蟲屬、旋口蟲屬、輪蟲屬等水力停留時間短游泳型纖毛蟲；有毒物質進入纖蟲、鐘蟲數量急劇減少；水質突然惡化固著型纖毛數量銳減，游泳型纖毛蟲增加；水質趨于變好r固著型纖毛蟲；處理效果良好鐘蟲等固著型纖毛蟲；輪蟲等后生動物出現三、根據原生動物遇惡劣環(huán)境改變個體形態(tài)及變化過程判斷進水水質變化和運行中出現的問題。在污水（廢）水生物處理正常運行時，常常由于進水流量，有機物濃度、溶解氧、溫度、pH毒物等的突然變化影響了正常