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活性污泥微生物学卓祥和编写二〇〇八年九月1活性污泥微生物学工业废水或城市污水排入水体后，使水体受到有机污染。有机污染是当前水体污染的普遍倾向，因此有机污染的治理是保护水资源的重要措施。如果被有机污染的水体是河流，在流径一段距离后，水中有机物在微生物的作用下，逐渐被氧化、分解，最后恢复到原来的清洁程度，这一过程称为水体的自挣。微生物在氧化、分解有机物的过程中，不断消耗河流中的溶解氧，而溶解氧则可在流动的河流表面从大气中得到补充。我国古代，就有“流水不腐，户枢不蠹”的谚语。这种利用溶解氧氧化、分解有机物的微生物称作好氧微生物。排入水体的污水，一部分以悬浮状态的有机物沉淀至水底，无法不断获得溶解氧。此时，另一种称为厌氧微生物发生作用。厌氧微生物是自养性的，以发酵方式分解有机物和合成微生物机体。厌氧分解能产生有机酸、醇、硫化氢、二氧化碳、沼气和热能。所以受有机污染的水体常发生底泥冒气泡现象。民间的沼气池和堆肥是厌氧微生物作用的例子。我国现行国家标准规定，污水处理工程中，水中溶解氧≥2mg/L为好氧区（OxicZone），主要功能是降解有机物和进行硝化反应（又称碳化和硝化）；0.2～0.5mg/L为缺氧区（AnoxicZone），在兼氧微生物作用下能起到脱氮的反硝化反应；＜0.2mg/L的称为厌氧区（AnaerobicZone），微生物能吸附有机物并释放磷，以便在好氧区吸收磷从剩余污泥排出而起到除磷功能。水中溶解氧在0.5～2mg/L属于有氧区范围，有相应的微生物菌种存在，起到相应的有机物氧化、氨氮硝化和硝酸盐反硝化的作用。利用好氧微生物、兼氧微生物和厌氧微生物清除水中有机物的技术，被称作生物处理技术。污水生物处理技术，按处理设施的载体不同，分为生物膜法和活性污泥法两种。如以填料和膜片作为载体的各种生物滤池和生物转盘等处理设备属于生物膜法；以水为载体的各类曝气池、氧化沟等属于活性污泥法。也有两者结合，在水中设置填料载体的接触氧化法等。活性污泥法以好氧微生物处理为主。在活性污泥法生物处理设施中需不断充入空气，即曝气。从而加速微生物分解污水中有机物的速度，随之有大量絮状的泥粒产生，这就是活性污泥。它是由大量的细菌、原生动物等微生物，以及一些无机物所组成。活性污泥按照污水水质的不同而有不同的颜色，一般为黄褐色。2为了提高污水生物处理的效果，我们必须对构成活性污泥的主要生物类群、它们在生物处理中的作用、环境对微生物的影响等等有一定的认识，以掌握其规律性，从而去指导活性污泥法及其他方法处理污水的工作。一、活性污泥中的主要生物类群活性污泥中的主要生物类群有细菌和原生动物，还有其它一些生物。(一)细菌在活性污泥中细菌数量最多，由于其体积微小、表面积很大，因此具有很强的吸附和氧化分解有机物的能力。在污水生物处理中，细菌起着主要的作用。细菌是单细胞微生物，整个菌体只是一个细胞。细菌从外形上看有球形的(球菌)、杆形的(杆菌)和螺旋形的(螺旋菌)。这三种形状的细菌在活性污泥中都可以看到，其中以杆菌为主(图1-1)。细菌的体积微小，球菌的直径是0.5～2微米(1微米＝1000毫米)，杆菌长1～5微米，宽0.5～1.0微米。细菌的体积虽然很小，但具有一定的构造(图1-2)。在细菌细胞的最外层有细胞壁。细胞壁无色透明，坚硬而有弹性。细胞壁使细菌具有一定的形状，并对细菌具有保护作用。细胞质膜紧贴于细胞壁内层，这是一种半渗透性膜，在调节物质出入细胞方面起着重要的作用。在细胞质膜里面的是细胞质。细胞质主要是由蛋白质和核酸组成，在细胞质里含有核糖体和贮藏物质，主要的贮藏物质有聚β羟基丁酸、糖元或淀粉以及异染粒、硫等。在细菌体内还有细胞核。细菌的细胞核构造比较原始、无核膜。细胞壁、细胞质膜。细胞质和细胞核是每一个细菌都有的，是细菌的基本构3造。细菌除了基本构造外，还有荚膜、鞭毛、芽孢等特殊构造。每个细菌在细胞壁外面都有一层粘液层。有些细菌粘液层增厚就形成荚膜。荚膜对细菌具有保护作用。有些细菌有鞭毛。鞭毛是细菌的运动器官，细菌通过鞭毛的摆动能在水中游动。由于鞭毛的直径更为微小，因此要用特殊染色法或用电子显微镜才能看到。有些细菌，主要是杆菌在一定的生活周期能在菌体内产生芽孢。芽孢由细胞质和细胞核失水凝聚形成。每个细菌只能形成一个芽孢，因此芽孢没有繁殖作用。芽孢由于含水量少(一般细菌含水量约为80％，而芽孢为60％)，外面又有很厚的壁，因此对外界的不良环境有很强的抵抗力，例如一般细菌在60℃下，经半小时就要死亡，而有些芽孢要在100℃以上经过1～3小时的沸煮才会死亡。芽孢能在缺水的条件下，保持生活能力多年，并且一旦环境条件适宜，能萌发成菌体。芽孢的折光性强，不易着色，在显微镜下看到的是一个透明体。细菌在环境条件适宜时分裂速度很快，一般每隔20～30分钟分裂一次。因此细菌在固体培养基上生长繁殖时，到了一定时期就能形成肉眼所能见到的群体，这就是菌落。在活性污泥中经常出现的细菌有菌胶团属、假单孢菌属、芽孢杆菌属、小球菌属、黄杆菌属、杆菌属、产碱杆菌属、无色杆菌属、产气杆菌属、棒状杆菌属、八迭球菌属、螺菌属、诺卡氏菌属等等。这些细菌中的大多数具有形成菌胶团的能力。活性污泥中的细菌通常以菌胶团的形式存在。只有少数以游离状态存在。所谓菌胶团，是由细菌以及细菌分泌的胶质组成的细小颗粒。生产中经常提到的污泥性能和结构的好坏—即污泥吸附、氧化分解有机物的能力，以及污泥凝聚沉降性能，与菌胶团有十分密切的关系。菌胶团是活性污泥的主体，是一种粘性的菌胶团块，能使污水中有机物粘附在颗粒—上，然后加以分解利用。在活性污泥中菌胶团能提供固定生活的原生动物和丝状细菌栖息和附着生长的场所，它也是活性污泥絮状化的基本成分。菌胶团细菌具有较强的分解有机物质的能力。菌胶团细菌由于菌体都包埋在胶质中，就不致被原生动物所吞噬，并有利于沉降。菌胶团细菌除了在营养上对碳源和氮源都有一定要求外，并具有较高的好气性，菌胶团的形状很多，有垂丝状的，分枝状的、蘑菇形的、球形的、椭圆形的、片状的等等(图1-3)。4在活性污泥中，有些种类的细菌还以丝状的形式存在，这就是一些丝状细菌。常见的丝状细菌有球衣细菌、白硫细菌和硫丝细菌(图1-4)。球衣细菌的细胞圆柱形，排列成链状，外面有一层衣鞘。用结晶紫染料染色时，可以清楚地看到衣鞘里圆柱形的细胞。有时还可以看到缺位现象和假分枝。活体观察时，可以看到尖端有轻微摆动现象。球衣细菌往往附着在菌胶团上或与菌胶团交织在一起。成为活性污泥的骨架。球衣细菌一般在有机物含量较低的污水中出现。球衣细菌对有机物的分解、氧化能力很强，但是当球衣细菌繁殖过多时，往往引起污泥膨胀，使污水处理效果下降。白硫细菌又名贝氏硫细菌。这类细菌也是由许多圆柱形细胞组成，菌体的大小和长短相差较大。白硫细菌与球衣细菌不同，外面没有衣鞘，并且能在水中自由游动。游动时，有时前进，有时后退；有时伸直，有时弯曲。硫丝细菌的基部具有固着器，附着在菌胶团上，但是没有假分枝。白硫细菌和硫丝细菌都是属于硫磺细菌。这类细菌在夏季，在生活污水处理厂的普通曝气池里，在充氧不足时，能将水中的硫化氢氧化为硫，并以硫粒的形式存在于体内(可用低倍显微镜看到)，而当溶解氧较高(大于1毫克／升)时，体内的硫粒，因被氧化而消失。因此通过对硫磺细菌体内硫粒的观察，可以间接地5推测水中溶解氧的状况。(二)原生动物在污水生物处理中，原生动物一方面由于具有吞食污水中有机物颗粒和游离细菌的能力，对污水的净化起着一定的作用：另一方面能在一定程度上反映出污水水质和处理效果，因而必须予以重视。原生动物是单细胞动物，体积根小，但在构造上却较复杂。除了有细胞质膜、细胞质、细胞核等构造外，还有在细胞里执行一定机能的构—细胞器。在活性污泥中可以看到的原生动物有以下四大类：纤毛虫类、鞭毛虫类、肉足虫类和吸管虫类，其中以纤毛虫类较为常见（图1-5）。纤毛虫类的特征是具有纤毛。在污水生物处理正常运转期间，在活性污泥中常见的纤毛虫类是钟虫，钟虫的种类很多，现以大口钟虫为例进行说明(图1-6)。大口钟虫的外形似钟。虫体前端有一个由许多纤毛构成的纤毛带。由于纤毛带上的纤毛由外向内螺旋状排列，并且朝着一个方向摆动，因此当纤毛活动时，虫体前端的水就会形成一个旋涡。其中的有机物颗粒和游离细菌就会作为食物，6通过口而进入虫体，并在虫体内形成食物泡。食物泡随着细胞质的流动而在体内移动。在这个过程中，食物泡中的食物逐渐被消化、吸收。不能被利用的残渣，最后排出体外。由于钟虫能吞食污水中的有机物颗粒和游离细菌，因而对污水的净化有一定的作用。在大口钟虫体内除了有较多的食物泡外，还有一个较大的伸缩泡。伸缩泡在维持钟虫体内水分平衡起着很大的作用。因为钟虫生活在水中，体内外的渗压不同，水分不断地渗透进入体内。钟虫体外没有细胞壁，这些水分如果不及时排除，到一定时候虫体就会破裂。因此钟虫体内多余水分以及代谢产物不断进入伸缩泡，并通过伸缩泡的收缩把里面的水分排出体外。在正常情况下，伸缩泡能定期收缩和舒张，但是当污水中的溶解氧降低(小于1毫克／升)时，伸缩泡就不活动而处于舒张状态。因此通过对伸缩泡的观察也可以间接地推测污水中的充氧状况。大口钟虫有尾柄，并通过尾柄固着在菌胶团上，因此大口钟虫是一种固着型的纤毛虫。在活性污泥中常见的钟虫，除大口钟虫外，还有小口钟虫，有时还可以看到无柄钟虫(图1-7)。无柄钟虫，无尾柄，并用纤毛带在水中捕食和游动。因此是一种游泳型纤毛虫。上述这三种钟虫都是以个体形式存在。在活性污泥中，除了以个体形式存在的钟虫外，还有以群体形式存在的钟虫，这就是等枝虫（又名累枝虫）盖纤虫、聚缩虫、独缩虫（图1-5）。这些钟7虫由于尾柄相连而构成群体。活性污泥中的纤毛虫除钟虫外，还有草履虫、肾形虫、豆形虫、裂口虫、漫游虫、尖毛虫、循线虫等（图1-8）。在上述纤毛虫中，在污水生物处理正常运转期间，较常出现的是漫游虫和循线虫，其余的纤毛虫一般在活性污泥培养初期出现。或在塔式滤池下层的生物膜中出现。(三)酵母菌、霉菌和藻类在活性污泥中，除了细菌和原生动物外，还有酵母菌、霉菌和藻类。(1)酵母菌：酵母菌有时也能在活性污泥中看到，酵母菌也是单细胞微生物，一般为椭圆形，体积较细菌大，—般1～5微米，长8～10微米，因此容易与细菌区别。酵母菌的菌落与细菌相似，但较大较厚，早白色，少数呈红色。根据报导，有些酵母菌具有脱酚或脱氰作用。与酵母菌同类的白地霉有时也可以在活性污泥中看到(图1-9)。(2)霉菌，霉菌较多地存在于生物滤池中，而在活性污泥中较少存在。霉菌的菌体由菌丝组成。菌丝较粗，用低倍显微镜就可以看得很清楚。霉菌中的镰刀霉的特点是具有多细胞的镰刀形大型孢子。镰刀霉中的茄病镰刀霉己被证明具有较强的脱氰能力，但是由于霉菌对营养的要求较高，在曝气池容易处于饥饿状态，而被细菌作为食料，因此不易生长，并且又是一种植物病原菌。因此这种霉菌是否适合人工接种方法来处理含氰污水，需要进一步试验。图1-10是白地霉与镰刀霉。(3)藻类：藻类较多地存在氧化塘中，而在活性污泥中较为少见。藻类与上述细菌、酵母菌、霉菌不同的地方，是具有叶绿素或类似的色素，能利用光能从水、二氧化碳和无机盐类制造有机物作为营养物质，与此同时，放出氧。CO2十2H2O光→(H2O)＋H2O＋O2根据藻类的这一特性，近年来有入试验在污水出水中培养藻类，进行污水的深度净化处理，使污水出水中的无机盐含量减少，溶解氧增加，并可以从中收获营养物质丰富的藻类以作为家畜的饲料。8在氧化塘中常见的藻类有小球藻和栅列藻。此外还可以看到衣藻和眼虫藻(在动物学上分别称为衣滴虫和眼虫)。在活性污泥中还可以看到颤藻等(图1-11)。(四)轮虫和线虫在活性污泥和生物膜中除了有单细胞的原生动物外，还有多细胞的后生动物，主要的有轮虫和线虫(图1-12)。轮虫的前端有纤毛环，纤毛环上的纤毛在摆动时象轮子那样在转动，因此把这类动物称为轮虫。纤毛环是轮虫的运动和捕食器官。在活性污泥中，常见的轮虫有旋轮虫和猪吻轮虫。猪吻轮虫善于游泳，并且常常把消化道中的咀嚼器伸出来捕食。轮虫往往在有机物含量较低的水中出现，因