污水处理中的微生物原理

1、污水处理中的微生物原理编辑说明：此章在很多书上都有涉及，但深层次讲解的少，编写此章的目 标是，使入门者真正理解各类微生物特点和会用生物相分析系统环境，使本章 作为中控室、化验室观测生物相的必要知识。编写时要注意多涉猎专业书籍，结合微生物学和一些论文，力图达到不仅知道结论，还要深究原因。我们在第三章已经说过：生物处理方法的核心（或者说城镇污水处理厂的运 行核心）是，使用设施、设备，控制曝气量、水量、污泥量、营养物质等，创造 出适宜微生物存活和生长的环境，并有意的引导微生物的生长向我们需要去除的 污染物性质方向发展，最终达到污水处理的目的。所以，凡是采用了微生物处理 方法的城镇污水处理厂，微生物原

2、理是污水处理的核心知识，一个好的运营师， 可以通过微生物的状态和变化就可判断外部环境、内部环境的各种变化，并提前 采取措施将出现的问题苗头消灭。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，存在地方虽不一样，但生物种群是基本一致的。另：微生物种群非常 多，按世代期（可理解为生长周期）分，从几个小时长一代到几十天长一代不等， 活性污泥是由人为控制泥龄的，一般在1025天之间，不会超过30天，所以种 群是人为遴选优化过的，具有去除污染物针对性更强，但难以降解的污染物去除 效果不好的特点；而生物膜法的污泥变化是由生物自行生长脱落决定的，所以各种世代期不同的种群在理论上

3、均有存在， 具有去除污染物更彻底，但处理量有限 制的特点。在微生物学领域里，习惯将动胶菌属形成的细菌团块称为菌胶团。在水处理 工程领域内，则将所有具有荚膜或粘液或明胶质的絮凝性细菌互相絮凝聚集成的 菌胶团块也称为菌胶团，这是广义的菌胶团。如上所述，菌胶团是活性污泥（绒 粒）的结构和功能的中心，表现在数量上占绝对优势（丝状膨胀的活性污泥除外）， 是活性污泥的基本组分。它的作用表现在：1、有很强的生物吸附能力和氧化分解有机物的能力。一旦菌胶团受到各种 因素的影响和破坏，则对有机物去除率明显下降，甚至无去除能力。2、菌胶团对有机物的吸附和分解，为原生动物和微型后生动物提供了良好 的生存环境，例如去除

4、毒物、提供食料、溶解氧升高。3、为原生动物、微型后生动物提供附着场所。4、具有指示作用：通过菌胶团的颜色、透明度、数量、颗粒大小及结构的 松紧程度可衡量好氧活性污泥的性能。例如新生菌胶团颜色浅、无色透明、结构 紧密，则说明菌胶团生命力旺盛，吸附和氧化能力强，即再生能力强。老化的菌 胶团，颜色深，结构松散，活性不强，吸附和氧化能力差。第一节活性污泥中的微生物 （要求化验室强记，中控室熟悉）在污水处理中，活性污泥中的微生物形成了一个类似于社会的环境，各个种 群的微生物均在生长，并在污水处理的过程中各自发挥着作用，这是一个奇妙的 属于微物的世界。有偏好，有的喜欢氮、有的喜欢磷；有特点，有的对污水处理

5、 发挥巨大作用，有的反起到了破坏作用；有等级，根据食物链的规律形成了食物 链的金字塔。了解这些特点、规律，能为技术人员的工艺控制起到举足轻重的作精品doc用。、微生物类别水中微非细胞形态的微生物病毒 原核生J 细胞形态的微" 物真核 物髓酢理水体的主要微图4-1水中微生物分类活性污泥是城市污水在活性污泥处理系统的反应主体，是由细菌、微生物与悬浮物质、胶体物质混杂在一起所组成的絮状体颗粒，是微生物生存和展开生命 活动的基地。良好的活性污泥具有很强的吸附分解有机物的能力和良好的沉降性 能，絮体的大小约为0.020.2mm茶褐色，微具土壤味，密度1.005kg/m3,含 水率99%。活性污

6、泥中生存着各种微生物，构成了复杂的生物相。在多数情况 下，活性污泥中的主要微生物是细菌、 原生动物构成其基本营养层次，然后是以细菌为食的掠食性后生动物二、具有指示作用的微生物具有指示作用的微生物（后生动物）属于高级食物链层级，也是我们所说的 生物相重点观察的目标。我们知道，在污水处理中，微生物中起到污染物处理的 最大作用的是细菌，但细菌的数量繁多、个头太小，观测起来存在很多难度。但 细菌的生活状态直接影响了上层食物链的微生物，通过观测后生动物，即可判断细菌的生活状态，生物相观测即是这项的工作。1、变形虫（肉足类）图4-3顾名思义，变形虫是能变形的，不过这种变形 也是有限度的。一些种类的变形虫能

7、向四外伸出假 足，以探查水中的化学成分，决定移动方向。而有 些种类根本没有假足。他们猎食时覆盖它的猎物， 把猎物裹起来，这样就产生了一个食物泡，食物泡 可以消化吸收猎物。变形虫食性广，单细胞藻类、细菌、小原生动 物、真菌、有机碎片等皆是它们的食物.变形虫生命力强，在条件不好时，可以形成一 个包囊（休眠体）度过难关。2、太阳虫（肉足类）图4-4太阳虫身体圆球状，原生质包在一个光滑的、 膜状的外包中。外质有许多空泡，内质较少。内质 常有共生绿藻。1个细胞核，位于中央。1个伸缩 泡，位于一侧。伪足内有硬的轴丝，故而伪足十分 挺直。轴丝自细胞核辐射伸出，伪足长而细，常为 身体直径的12倍。以纤毛虫和小

8、的轮虫为食。3、草履虫（纤毛类）图4-5草履虫属体大，履状，有十分发达的口沟，口 沟引入口腔。口腔内右边有1片口侧膜、2片波动 咽膜和1片四分膜。体纤毛均匀，外质有刺丝泡。 大核1个，伸缩泡通常2个，其周围有辐射管。在一般高负荷的活性污泥系统中，草履虫将占 优势，此时活性污泥发育正常，沉降性能及生物活 性良好，出水水质较好，处理效果较好。4、栉毛虫（纤毛类）图4-6栉毛虫体桶形，前端中央有一短的圆锥形“吻” 突。胞口在“吻”突的顶端。胞咽有长的刺杆支撑。 体纤毛退化，仅有1圈或数圈由排列整齐的梳状纤 毛栉形成的纤毛环围绕。大核1个，肾形或马蹄形。 伸缩泡1个，在后端中央，常有辅助泡。摄食草履

9、虫等其他纤毛虫。5、轮虫（轮虫）图4-7 轮虫是重要的生物相观测对象。轮虫形体微小，长度约 44000um多数在 500um左右。身体为长形，分头部、躯干和尾部。 头部有一个由12圈纤毛组成的能转动的轮盘， 形如车轮。咽内有一个几丁质的咀嚼器。躯干呈圆 筒形，背腹扁宽，具刺或棘，外面有透明的角质甲 膜，尾部末端有分叉的趾，内有腺体分泌的黏液， 借以固着在其他物体上。大多数轮虫以细菌、霉菌、藻类、原生动物及 有机颗粒为食，轮虫要求较高的溶解氧量。在污水 生物处理系统中常在运行正常、水质较好、有机物 含量较低时出现。但当污泥老化解絮、污泥碎屑过 多时，会刺激轮虫大量增殖，数量可多至 10000 个

10、/ml ,这是污泥老化解絮的标志。6、线虫（线虫）图4-8线虫的虫体为长线形，在水中的长度一般 0.252mm断面为圆形，线虫前端口上有感觉器 官，体内有神经系统，消化道为直管，食道由辐射 肌组成。线虫有寄生的和自由生活的，自由生活的 线虫体两侧的纵肌可交替收缩，使虫体做蛇状的拱 曲运动。在污水生物处理中的线虫多是自由生活的， 常 生活在水中有机淤泥和生物膜上，它们以细菌、藻 类、轮虫和其他线虫为食，在缺氧时会大量繁殖， 是污水生物处理中净化程度差的指示生物。7、钟虫（纤毛类）图4-9钟虫是重要的生物相观测对象。单体，多呈倒置的钟形（少数呈球形、梨形等）， 多用柄附着它物上（游泳钟虫除外），柄

11、内有肌丝， 遇刺激能强烈的收缩。虫体前缘纤毛口缘区上长有 2列纤毛，并按反时针方向旋转入胞口，钟虫其它 部位纤毛退化。大多数种类以细菌、藻类等为食， 所以水体中细菌等数量的多少，直接影响着钟虫的 数量。钟虫对水质要求范围较宽，水温030C,pH6. 59. 5, DO?口 NH你度分另为112和2 20mg/1都能生存，再加上其它原生动物与细菌的 共同作用，使污染物去除率能达到77. 8 %92. 3%的好效果。8、吸管虫（纤毛类）图4-10固着足吸管虫的成体为圆球形，虫体约200微米，身体的一端有一长柄，个体即借此柄附着在 其他物体上。体表长有许多辐射状排列的触手，触 手为中空的管状，末端膨

12、大成球状吸盘，故名吸管 虫。触手可自由伸缩。身体内部有一个卵圆形的大 核和数个小核，伸缩泡28个，食物泡若干个。 幼体卵圆形，表面有纤毛，营自由生活，体内一个 大核及数个小核。以原生动物为食，尤其嗜食纤毛 虫类。在猎物丰富的情况下，一只吸管虫可同时对 付36只草履虫。严格的说，固着足吸管虫是营 附着生活的。9、纤毛虫（纤毛类）图4-11纤毛虫是重要的生物相观测对象。纤毛虫属纤毛门，大多数纤毛虫在生活史的各 个阶段都有纤毛，以纤毛作为运动细胞器。纤毛在 虫体表面有节律地顺序摆动，形成波状运动，加之 纤毛在排列上稍有倾斜，因而推动虫体以螺旋形旋 转的方式向前运动。虫体也可依靠纤毛逆向摆动而 改变运

13、动方向，向后移动等。游泳型和固着型的纤毛虫在活性污泥中的处 理效果来看，游泳型纤毛虫在活性污泥中数量较多 时，对出水的CODS有很大的影响，数量增多时出 水COD曾大；固着型纤毛虫出现数量较少时，出水 水质较好。固着型纤毛虫本身有沉降性能，加上和细菌形 成絮体，可以更加完善二沉池的泥水分享作用。10、鞭毛虫（鞭毛类）图4-12鞭毛虫是重要的生物相观测对象。具有一根或一根以上的鞭毛。鞭毛长度与其 体长大致相等或更长些，是运动器官，鞭毛虫又 可分为植物性鞭毛虫和动物性鞭毛虫，常见的植 物性鞭毛虫有滴虫属、屋滴虫属和眼虫属等，常 见的动物性鞭毛虫有波豆虫属、尾波虫属等。植物性鞭毛虫在中、多污水体中多

14、见；动物 性鞭毛虫在有机物较多的水体或曝气池进口会出 现。在超高负荷的活性污泥系统中，鞭毛虫将占 优势，出水质量很差。但在活性污泥的培养过程 中，鞭毛虫出现并占居优势，则说明活性污泥已 经出现，正向良性方向发展。11、累枝虫（纤毛类）图4-13累枝虫与钟虫相似，前端有膨大的围口唇。 群体，柄无肌丝而不收缩。着生在各种水生动植 物体上。个别种为浮游生活。第二节 厌氧、好氧环境中微生物原理 （要求中控室强记）根据微生物与分子氧的关系，将微生物分为好氧微生物（包括专性好氧微生 物和微量好氧微生物）、兼性厌氧（或叫兼性好氧）微生物及厌氧微生物。专性 好氧微生物是指在氧分压为0.2*101kPa的条件下

15、生长繁殖良好的微生物。微量 好氧微生物是指在氧分压为（0.0030.2） *101kPa的条件下生长繁殖良好的微 生物。厌氧微生物包括专性厌氧微生物和耐氧厌氧微生物。专性厌氧微生物是指只能在氧分压小于0.005*101kPa的琼脂表面生长的微生物。而兼性厌氧微生物 是指既可在有氧条件下，又可在无氧条件下生长的微生物。 这三种类型微生物对 氧的反应不同。根据微生物在构筑物中处于悬浮状态或固着状态，分为活性污泥法和生物膜 法。污水的各种生物处理构筑物为活性污泥或生物膜提供一个环境（有氧环境和无氧环境），构筑物中充满活性污泥或生物膜，或活性污泥与生物膜的混合体。 有氧环境或无氧环境与其中的活性污泥和

16、生物膜就构成一个生态系。活性污泥和生物膜是净化污水的工作主体。一、厌氧环境中的生物群落处理原理厌氧环境下的微生物群落与有氧环境中的不同， 它们是由分解蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素等的专性厌氧菌和兼性厌氧菌及专性厌氧的产甲烷菌等组成，在出 流处附近，有少量厌氧或兼性厌氧的游泳型纤毛虫，例如扭头虫、草履虫等。1、厌氧活性污泥的组成和性质图4-14专性厌氧污泥和 织成的酸营气的厌氧活性污泥是由兼性厌氧菌 专性厌氧菌与废水中的有机杂质交在一起形成的颗粒污泥。厌氧活性污泥中的微生物的组 有五种：将大分子水解为小分子 水解细菌将小分子的单糖、氨基 等发酵为氢和乙酸的发酵细菌氢 养型和乙酸营养型的古菌利用氢

17、和二氧化碳合成甲烷的古菌厌氧 原生动物。厌氧活性污泥（颗粒状）一般厌氧的活性污泥没有处在激烈运动中，所以，它的微生物群落分布与生物膜相似, 有分层现象，但不及好氧生物膜明显。2、厌氧微生物处理原理图4-15厌氧微生物处理原理图厌氧处理的原理称为厌氧消化，也叫做甲烷发酵，该理论曾有过二阶段、三阶段和四阶段发酵理论。现在用得比较普遍的是四阶段发酵理论：(1)第一阶段：水解。以下几类污染物消解同步进行水解和发酵性细菌 群将复杂有机物(如纤维素、淀粉等)分解为单糖后，再酵解为丙酮酸；蛋白 质水解为氨基酸，脱氨基成有机酸和氨；脂类水解为各种低级脂肪酸和醇 (如 乙酸等，酸化I)。第一阶段的微生物群落是水

18、解、发酵性细菌群。(2)第二阶段：酸化H,酸化产氢和产乙酸细菌群把第一阶段的产物进一 步分解为乙酸和氢气。第二阶段的微生物群落为产氢、产乙酸细菌。(3)第三阶段：气化，第三阶段的微生物是两组生理不同的专性厌氧的产 甲烷菌群。一组是将氢气和二氧化碳合成甲烷或一氧化碳和氢气合成甲烷；另一组是将乙酸脱竣生成甲烷和二氧化碳。或利用甲酸、甲醇、及甲基胺裂解为甲烷。(4)第四阶段：是与上述阶段同步进行的逆向反应，为同型产乙酸阶段， 是同型产乙酸细菌将氢气和二氧化碳转化为乙酸的过程。第四阶段在厌氧消化中的作用目前仍在研究中生化阶段Inm物态受化液化(水解)酸化(1)酸化(2)气化生化过程大分子不溶态后机 物

19、转化为小分子溶 解态后机物小分子溶解态 有机物转化为(H2+CO2 及 AB两类产物B类产物转化为(H2+CO2 及乙酸等CH4 CO冷菌群发酵细菌广氢产乙酸细菌甲烷细菌发酵上2' A 1 J 甲烷发酵酸发酵图4-16有机物厌氧消化过程二、好氧环境中的生物群落及其处理特点氧对好氧微生物有两个作用：作为微生物好氧呼吸的最终电子受体； 参 与番醇类和不饱和脂肪酸的生物合成。好氧活性污泥(绒粒)的结构和功能的中心是能起絮凝作用的细菌形成的细 菌团块，称菌胶团。在其上生长着其他微生物，如酵母菌、霉菌、放线菌、藻类、 原生动物和某些微型后生动物(轮虫及线虫等)。因此，曝气池内的活性污泥在 不同的

20、营养、供氧、温度及pH等条件下，形成由最适宜增殖的絮凝细菌为中心， 与多种多样的其他微生物集居所组成的一个生态系。好氧活性污泥的细菌能迅速 稳定废水中有机污染物，有良好的自我凝聚能力和沉降性能。好氧活性污泥的净化作用有类似于水处理工程中混凝剂的作用，同时又能吸收和分解水中溶解性污染物。因为它是由有生命的微生物组成， 能自我繁殖，有生物“活性”，可以连续反复使用，而化学混凝剂只能一次使用，故活性污泥比化学混凝剂优越。好氧活性污泥的净化作用见图4-17。活性污泥绒粒氧化ACG H2O NH SO2-、 合成!1ta 新活性污泥绒粒摄食活性污泥生物氧化-Ca H2O NH、SO2-、合成新生物体图4

21、-17好氧活性污泥的净化作用机理示好氧活性污泥绒粒吸附和生物降解有机物的过程像接力赛，其过程分三步：第1步在有氧的条件下，活性污泥绒粒中的絮凝性微生物吸附废水中的有机物；第2步是活性污泥绒粒中的水解性细菌水解大分子有机物为小分子有机物，同时，微生物合成自身细胞。废水中的溶解性有机物直接被细菌吸收，在细菌体内氧化分解，其中间代谢产物被另一群细菌吸收，进而无机化；第3步是其他的微生物吸收或吞食未分解彻底的有机物。第三节微生物对工艺调控的指示作用 （要求中控室强记，化验室熟悉）活性污泥中出现的微型动物的数量，往往和污水处理系统的运转情况有着直 接或间接的关系，进水水质的变化、充氧量的变化等都可以引起

22、活性污泥组成的 变化；微型劭物体积比细菌要大很多，比较容易观察和发现其微型动物的变化， 因而可以作为污水处理的指示生物，在一些特殊情况发生时（如水质突变、污泥 中毒等），即可根据生物相的变化，及时发现问题并采取必要的措施。生物是由低等向高等演化的，低等生物对环境适应性强，对环境因素的改变 不甚敏感。较高等生物则相反，例如钟虫对溶解氧和毒物特别敏感。所以，水体 中的排污口、废水生物处理的初期或推流系统的进水处， 生长大量的细菌，其他 微生物很少或不出现。着污（废）水净化和水体自净程度增高，相应出现许多较高级的微生物。原生动物及微型后生动物出现的先后次序是：细菌一植物性鞭毛虫一肉足 类（变形虫）一

23、动物性鞭毛虫一游泳型纤毛虫、吸管虫一固着型纤毛虫一轮虫。原生动物及微型后生动物的指示作用表现为以下三点。一、可根据上述原生动物和微型后生动物的演替，根据它们的活动规律判断水 质和污（废）水处理程度。还可判断活性污泥培养成熟程度。表4-1原生动物和微型后生动物在活性污泥培养过程中的指示作用活性污泥培养初期活性污泥培养中期活性污泥培养成熟期鞭毛虫、变形虫游泳型纤毛虫、鞭毛虫钟虫等固着型纤毛虫、楣纤虫、 轮虫、根据原生动物种类判断活性污泥和处理水质的好坏如固着型纤毛虫的钟虫属、累枝虫属、盖纤虫属、聚缩虫属、独缩虫属、楣 纤虫属、吸管虫属、漫游虫属、内管虫属、轮虫等出现，说明活性污泥正常，出 水水质好

24、。当豆形虫属、草履虫属、四膜虫属、屋滴虫属、眼虫属等出现。说明活性污泥结构松散，出水水质差。线虫出现则说明缺氧 表4-2指示生物种类变化与污泥状态的关系污泥性质/操作活性污泥性质原生动物状态污泥恶化洗性污泥絮体较小，在0.10.2mm以下豆形虫、草履虫、滴虫属等快速游泳型污泥分散解絮活性污泥絮体细小，有些似针状 分散变形虫、简便虫等肉足类污泥膨胀活性污泥沉降性能高，SVI值高，钟虫渐减纤毛虫、漫游虫等大量繁殖， 裸口旋毛虫、全 毛类、拟轮虫等污泥恢复期活性污泥从恶化状态逐渐恢复， 沉降性能逐渐变好漫游虫、斜叶虫、管叶虫等慢速游泳型活性污泥良好易成絮体，污泥活性易沉降钟虫、累枝虫、盖纤虫、纤虫、吸管虫；出现 轮虫类等后生动物曝气过量肉足类纤毛虫、轮虫类后生动物大量曝气/、足线虫出现负荷局,裸变形虫、鞭毛虫；负荷很低游仆虫属、旋口虫属、轮虫属等水力停留时间短游泳型纤毛虫；有毒物质进入纤虫、钟虫数量急剧减少；水质突然恶化固着型纤毛数量锐减，游泳型纤毛虫增加；水质趋于变好r固着型纤毛虫；处理效果良好钟虫等固着型纤毛虫；轮虫等后生动物出现三、根据原生动物遇恶劣环境改变个体形态及变化过程判断进水水质变化和运行中出现的问题。在污水（废）水生物处理正常运行时，常常由于进水流量，有机物浓度、溶解氧、温度、pH毒物等的突然变化影响了正常