环境污染控制与治理中的微生物学

主要内容：第一节污（废）水生物处理中的微生物生态系统第二节活性污泥丝状膨胀及其控制对策第三节厌氧生物处理中的微生物群落第四节废水的生物脱氮和除磷第五节固体废弃物的微生物处理及其微生物群落第六节废气的生物处理第七节环境监测与微生物1目前一页\总数五十四页\编于十六点第一节污（废）水生物处理中的微生物生态系统2目前二页\总数五十四页\编于十六点

废水的生物处理的方法很多，根据微生物与氧的关系可分为好氧处理和厌氧处理。根据微生物在构筑物中处于悬浮状态或固着状态，可分为活性污泥法和生物膜法。活性污泥和生物膜是净化污（废）水的工作主体。3目前三页\总数五十四页\编于十六点一、好氧活性污泥法（一）好氧活性污泥中的微生物1.好氧活性污泥的组成和性质好氧活性污泥是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物（兼有少量厌氧微生物）与污（废）水中的有机和无机固体物混凝交织在一起所形成的絮状体。4目前四页\总数五十四页\编于十六点组成：微生物（好氧、兼性及少量厌氧）+固体杂质（有机和无机）性质：絮状，大小为，比表面积在20-100cm2/ml；颜色：生活污水一般为黄褐色，工业污水则与水质有关；含水率在99%，比重，具有沉降性能；pH在6-7，弱酸性，具一定的缓冲能力。5目前五页\总数五十四页\编于十六点2．好氧活性污泥的存在状态在完成混合式曝气池中，以悬浮状态存在，均匀分布；在推流式曝气池内，随推流方向而有变化。3．好氧活性污泥的微生物群落好氧活性污泥的结构和功能的中心是菌胶团,其主要组成是细菌。在其上面生长有其他微生物，如酵母菌、霉菌、放线菌、藻类、原生动物及微型后生动物等。4．好氧活性污泥中微生物的浓度和数量常用MLSS（混合液悬浮固体）或MLVSS（混合液挥发性悬浮固体）来表示。一般城市污水处理中，MLSS在2000-3000mg/L，工业废水在3000mg/L左右，高浓度工业废水在3000-5000mg/L。1ml好氧活性污泥中的细菌数在107-108个。6目前六页\总数五十四页\编于十六点活性污泥法的基本流程7初沉池曝气池二沉池废水→→→→出水回流污泥剩余污泥目前七页\总数五十四页\编于十六点显微镜下的活性污泥8目前八页\总数五十四页\编于十六点（二）好氧活性污泥净化废水的作用机理主要有两方面的作用：吸附有机物降解有机物（三）菌胶团的作用对有机物进行吸附和氧化分解为原生动物和微型后生动物提供良好的生存环境具有指示作用（四）原生动物及微型后生动物的作用原生动物和微型后生动物在污（废）水生物处理和水体污染及自净中起到三方面的作用：（1）指示作用（2）净化作用（3）促进絮凝和沉淀作用9目前九页\总数五十四页\编于十六点二、好氧生物膜法主要类型：生物滤池：普通生物滤池；高负荷生物滤池；塔式生物滤池生物转盘生物接触氧化法（淹没式生物滤池）10目前十页\总数五十四页\编于十六点11活性生物滤池布水器填料目前十一页\总数五十四页\编于十六点12目前十二页\总数五十四页\编于十六点生物转盘13目前十三页\总数五十四页\编于十六点（一）好氧生物膜中的微生物1．好氧生物膜好氧生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物粘附在生物滤池滤料上或生物转盘盘片上的一层带粘性、薄膜状的微生物混合群体。是生物膜法净化污水的工作主体。2．好氧生物膜中的微生物及其功能生物膜生物：以菌胶团为主；净化和降解作用；膜面生物：固着型纤毛虫和游泳型纤毛虫，起促进滤池净化速度，提高整体效率的作用；滤池扫除生物：轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、顠体虫等，起去除滤池内的污泥、防止污泥积聚和堵塞的功能。14目前十四页\总数五十四页\编于十六点3．好氧生物膜的结构好氧生物膜在滤池内分布不同于活性污泥，生物膜附着在滤料上不动，废水自上而下淋洒在生物膜上。因此，在滤池的不同高度位置，由于微生物得到的营养不同，造成微生物种类和数量的不同。15目前十五页\总数五十四页\编于十六点（二）好氧生物膜净化废水的作用机理（以滤池为例）在生物滤池中，上层生物膜中的生物膜生物（絮凝性细菌及其他微生物）和生物膜面生物（固着型纤毛虫、游泳型纤毛虫及微型后生动物）吸附废水中的大分子有机物，将其水解为小分子有机物。同时吸收溶解性有机物和经水解的小分子有机物进入体内，并氧化分解之，微生物利用吸收的营养构建自身细胞。上一层生物膜的代谢产物流向下一层，被下一层的生物膜生物吸收氧化。分解为二氧化碳和水。老化的生物膜和游离细菌被滤池扫除生物吞食。16目前十六页\总数五十四页\编于十六点第二节

活性污泥丝状膨胀及其控制对策17目前十七页\总数五十四页\编于十六点用活性污泥法处理废水，曝气池中的活性污泥，正常情况下是由许多具有絮凝作用的絮凝细菌——菌胶团细菌占优势，辅以少量的丝状细菌，大量钟虫类的固着型纤毛虫、旋转虫等组成。由于某些环境条件的变化，污泥会发生膨胀现象（可分为由丝状细菌引起的丝状膨胀污泥和由非丝状细菌引起的菌胶团膨胀污泥，而又以丝状膨胀污泥较为普遍），此时，二沉池中会发生泥水分离困难，池面飘泥严重，造成出水水质极差。18目前十八页\总数五十四页\编于十六点19目前十九页\总数五十四页\编于十六点（一）活性污泥丝状膨胀的致因微生物由于丝状细菌极度生长引起的活性污泥膨胀称为活性污泥丝状膨胀。活性污泥丝状膨胀的致因微生物种类很多，常见的有：诺卡氏菌属、浮游球衣菌、微丝菌属、发硫菌属、贝日阿托氏菌属等。20目前二十页\总数五十四页\编于十六点21目前二十一页\总数五十四页\编于十六点丝状菌生长占优势的活性污泥22目前二十二页\总数五十四页\编于十六点（二）活性污泥丝状膨胀的成因活性污泥丝状膨胀的成因有环境因素和微生物因素。主导因素是丝状微生物过度生长。环境因素促进丝状微生物过度生长。包括：温度、溶解氧、可溶性有机物及其种类、有机物浓度（或有机负荷）等。pH值的变化也可能会引起活性污泥丝状膨胀。总之，引起活性污泥丝状膨胀的原因是比较复杂的，要具体问题具体分析，然后采取相应的措施予以控制。23目前二十三页\总数五十四页\编于十六点二、控制活性污泥丝状膨胀的对策解决活性污泥丝状膨胀的问题，从根本上说是要控制引起丝状微生物的过度生长的具体环境因子。1．控制溶解氧：在2mg/L以上2．控制有机负荷：BOD污泥负荷在0.2~0.3kg/kgMLSS.d为宜。3．改革工艺如二沉池采用气浮法等24目前二十四页\总数五十四页\编于十六点第三节

厌氧生物处理中的微生物群落

高浓度有机废水或剩余活性污泥多用厌氧消化法处理。高浓度有机废水还可用有机光合细菌处理。25目前二十五页\总数五十四页\编于十六点一、厌氧消化－－甲烷发酵沼气发酵，已有多年的研究历史，常用于将城市的垃圾、粪便、污水、工业废水及生物处理的剩余污泥等的处理，并从中获得可燃性气体——沼气（甲烷，CH4）。常用的构筑物为发酵罐或消化池。甲烷发酵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。

26目前二十六页\总数五十四页\编于十六点甲烷发酵理论与机制（四阶段理论）：第一阶段：水解和发酵性细菌群将复杂有机物如纤维素、淀粉等水解为单糖后，再酵解为丙酮酸；将蛋白质水解为氨基酸，脱氨基后成有机酸和氨；将脂类水解为各种低级脂肪酸和醇，如乙酸、丙酸、丁酸、长链脂肪酸、乙醇、二氧化碳、氢、氨和硫化氢等。第二阶段：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。第三阶段：两组生理特性不同的专性厌氧的产甲烷菌群一组将氢气和二氧化碳（或一氧化碳）合成甲烷；另一组将乙酸脱羧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。第四阶段：同型产乙酸细菌将氢气和二氧化碳转化为乙酸27目前二十七页\总数五十四页\编于十六点厌氧活性污泥：由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质交织在一起形成的颗粒污泥。厌氧活性污泥的微生物种类、组成、结构及污泥颗粒等性质，与厌氧消化处理的效果好坏有很大关系。28目前二十八页\总数五十四页\编于十六点二、光合细菌处理高浓度有机废水BOD5在10000mg/L以上的高浓度有机废水（浓粪便水、豆制品废水、食品加工废水、屠宰废水等）可用有机光合细菌（PSB）处理。利用光合细菌处理的BOD5去除效果可达95%，甚至达98%。常用的有机光合细菌有：红螺菌科的红螺菌属、红假单胞菌属和红微菌属。29目前二十九页\总数五十四页\编于十六点三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理高浓度的SO42-对微生物有毒害作用。去除的方法有：化学法：加CaO和Ca(OH)2生成CaSO4沉淀，若加少量的FeCL3，效果更佳。厌氧微生物方法：用SBR法，利用在厌氧条件下，硫酸盐还原菌发生反硫化作用，以SO42-为最终电子受体，利用有机物为供氢体，将SO42-还原成H2S从水中溢出。30目前三十页\总数五十四页\编于十六点第四节废水的生物脱氮和除磷31目前三十一页\总数五十四页\编于十六点一、废水脱氮除磷的目的意义氮磷物质进入水体，就会造成很大的危害，其中最大的问题就是引起水体富营养化。因此，废水的除磷脱氮十分重要，尤其是当废水处理后被排入一些湖泊、海湾等敏感水体时。

32目前三十二页\总数五十四页\编于十六点二、废水生物脱氮原理及工艺

1.生物脱氮原理生物脱氮首先是利用好氧过程，由亚硝化细菌和硝化细菌将废水中的NH3转化成NO3--N，再利用缺氧段经反硝化作用，将NO3--N还原成氮气（N2），溢出水面释放到大气中，从而减少水中的含氮物质，降低对水体的潜在威胁。

33目前三十三页\总数五十四页\编于十六点2.参与生物脱氮的微生物(1)硝化作用段微生物亚硝化细菌和硝化细菌在自然界广泛分布，在土壤、淡水、海水和污水处理系统中均有发现。它们是革兰氏阴性的好氧菌，营化能无机营养。(2)反硝化作用段微生物反硝化细菌是所有能以NO3-为最终电子受体，将HNO3还原成N2的细菌总称。它包括许多种类的细菌。

34目前三十四页\总数五十四页\编于十六点3.脱氮的工艺A/O、A2/O、A2O2及SBR等均能取得较好的脱氮效果。经过厌氧-好氧或缺氧-好氧的合理组合，既能除去COD和BOD，又能进行脱氮，还能除磷。

35目前三十五页\总数五十四页\编于十六点图A、B两种排列的A/O系统示意图N-硝化，DN-反硝化，S-沉淀池36目前三十六页\总数五十四页\编于十六点三、废水生物除磷原理及工艺

1.生物除磷原理某些微生物在好氧时能大量吸收磷酸盐合成自身核酸和ATP，并且能逆浓度过量吸磷合成贮能的多磷酸盐颗粒（异染粒和PHB）在体内，供其内源呼吸用。这些细菌称为聚磷菌(PAO)。在厌氧条件下，聚磷菌在分解体内的聚合磷酸盐的同时产生ATP，并利用ATP将废水中的脂肪酸等有机物摄入细胞，以PHB（聚β羟基丁酸）及糖原等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出细胞。然后转入好氧环境，聚磷菌又能利用聚β羟基丁酸盐所释放的能量来摄取废水中的磷，并合成聚磷酸盐贮存在细胞内。37目前三十七页\总数五十四页\编于十六点一般来说，微生物在增殖过程中，好氧摄取的磷比在厌氧条件下所释放的磷多。因此，如果能创造厌氧、缺氧和好氧条件的交替，让聚磷菌首先在厌氧条件下释放磷，然后在好氧条件下充分过量地吸磷，尔后通过排泥，就可以达到从废水中去除磷物质的目的。

38目前三十八页\总数五十四页\编于十六点2.参与生物除磷的微生物具有聚磷能力的微生物目前所知绝大多数是细菌。聚磷的活性污泥是由许多好氧异氧菌、厌氧异氧菌和兼性厌氧菌组成。实质上是产酸菌（统称）和聚磷菌的混合群体。从种类上来看，聚磷能力强、数量占优势的有不动杆菌属（莫拉氏菌群）、假单胞菌属、气单胞菌属和黄杆菌属等60多种。硝化杆菌中的亚硝化杆菌属、亚硝化球菌属、亚硝化叶菌属和硝化杆菌属、硝化球菌属等也具有聚磷能力。

39目前三十九页\总数五十四页\编于十六点3.生物除磷的工艺人们开发研究出多种废水生物除磷工艺，这些工艺在去除废水中磷的同时，还能有效去除水中的有机物和进行硝化或脱氮作用。按照运行方式，可分为连续式和间歇式（序批式）两类。常见的生物除磷工艺有：Bardenpho生物除磷工艺、Phoredox工艺、A/O及A2/O、UCT工艺、VIP工艺、旁流除磷的Phostrip工艺、SBR等。40目前四十页\总数五十四页\编于十六点图A/O工艺流程示意图（除磷）41目前四十一页\总数五十四页\编于十六点A2/O工艺流程示意图42目前四十二页\总数五十四页\编于十六点第五节

固体废弃物的微生物处理及其微生物群落

目前垃圾处理的方法主要有：堆肥法、填埋法和焚烧法。其中堆肥法和填埋法为生物处理方法，用以处理可生物降解的有机固体废弃物。

一、

堆肥法（一）概念堆肥化使依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌和真菌等微生物，有控制地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的过程。堆肥是堆肥化的产品。堆肥是优质的土壤改良剂和农肥。堆肥法就是利用堆肥化过程来处理城市的生活垃圾及其他有机固体废弃物的方法。

43目前四十三页\总数五十四页\编于十六点（二）好氧堆肥好氧堆肥在通气条件下，利用好氧微生物分解大分子有机固体废弃物为小分子有机物，部分有机物被矿化成无机物。在好氧堆肥过程中，会释放出大量的热能，使温度升高，可达50-65℃，甚至80-90℃，最后有机固体废弃物被完全腐熟成稳定的腐殖质。在整个堆肥过程中，有微生物的演替，各类微生物分别作用。堆肥工艺有：静态堆肥工艺、高温动态堆肥工艺、立仓式堆肥工艺、滚筒式堆肥工艺等。44目前四十四页\总数五十四页\编于十六点二、卫生填埋法及渗滤液卫生填埋法是在堆肥法的基础上发展起来的，其处理原理与厌氧堆肥原理相同，均利用好氧微生物、兼性厌氧微生物和厌氧微生物处理。卫生填埋要求采取各种预防措施，以尽量减少填埋场地对周围环境、大气和地下水源的污染。45目前四十五页\总数五十四页\编于十六点图卫生填埋场示意图（引自马文漪，杨柳燕.环境微生物工程.

南京：南京大学出版社，1998）46目前四十六页\总数五十四页\编于十六点第六节

废气的生物处理一、废气的处理方法废气的处理方法有物理和化学的方法，如吸附、吸收、氧化及等离子体转化等。也有生物法，生物法是最经济有效的方法。生物净化有植物净化法和微生物净化法。植物净化法就是利用植物吸收和转化大气中的污染物，包括二氧化碳，放出氧气清洁空气。微生物净化法是利用处理装置对气态污染物进行处理，如生物吸收池、生物洗涤池、生物滴滤池和生物过滤池。47目前四十七页\总数五十四页\编于十六点生物吸收装置流程

48目前四十八页\总数五十四页\编于十六点二、含硫恶臭污染物及NH3、CO2的微生物处理（一）含硫恶臭污染物的净化如H2S、甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫醚和二甲基亚矾等。有许多细菌能对含硫恶臭污染物进行净化。（二）NH3、CO2的净化将NH3溶于水中成NH4+，通入生物滴滤池，利用硝化作用将其氧化成NO2-和NO3-。对于CO2，利用植物和藻类，光合作用同化。