污水处理中的微生物

第八章污、废水生物处理中的微生物学原理自然界水体的生物自净由于受到溶解氧、营养平衡、微生物种属及其它生存条件的限制，净化速度是有限的。提问：如何利用人工手段提高污废水生物处理效率？一是通过基因工程或人工驯化的手段获得高效工程菌投加到处理系统中；二是改善微生物生长的环境条件，发挥微生物的最大潜能。目前生物处理主要用于水中有机污染物以及氮磷污染的处理。限制：毒物（pH、盐、酸碱、有机毒物等）浓度不能过高、存在难生物降解物质（多苯环、过长链聚合物等）提问：对于这类废水是否就不能用生物法呢？答案：筛选驯化、重组制造高效降解菌；先进行物理化学前处理去除难降解及有毒物质的浓度，然后可进行生物处理。这样可以最大限度的发挥各种方法的长处，并节约处理时间降低成本。这一章我们主要介绍污废水生物处理的微生物的机理。并对废水处理技术作一概括的介绍，具体设备设计操作以及计算大家会在水处理工程中继续学习。第一节污废水生物处理中的生态系统一、种类根据处理性质上的差别，可以做以下一些分类。（一）好氧处理和厌氧处理通常低浓度（COD＜1500mg/L）的有机污染物废水适合用好氧处理对于高浓度有机污废水（COD≥1500mg/L）用厌氧处理更为适宜。提问：为什么过高COD的废水不宜用好氧法？有机物浓度过高，好氧生物代谢迅速，水中溶解氧难以即时供应，好氧生物生长受限，很难保证处理质量，而厌氧生物则没有这种限制。（二）活性污泥法和生物膜法这是根据微生物在人工水处理设备中微生物所处状态的不同来进行的划分。原理：活性污泥法——模拟水体自净微生物在设备中呈悬浮状态，与污废水接触使之净化的方法；生物膜法——模拟土壤自净微生物附着于其他物体表面上成薄膜状，与污废水接触使之净化的方法。活性污泥既有好氧活性污泥法，也有厌氧活性污泥法，生物膜法既有好氧生物膜法也有厌氧生物膜法。对于污废水的脱氮、脱磷处理必须采用厌氧法与好氧法相结合的方式才能成功实现。下来我们分别对它们进行介绍。第二节好氧活性污泥法和好氧生物膜法一、好氧活性污泥法好氧活性污泥法又叫曝气法，最早由英国人于1914年创建而来，经过80多年的发展已成为处理有机废水最主要的方法。（一）什么是好氧活性污泥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(兼有少量的厌氧微生物)与污(废)水中有机的和无机固体物混凝交织在一起，形成的絮状体或称绒粒。活性污泥的形成是一种自然现象。例如，如果向一桶含粪便污水中不断地加入空气，并持续维持水中的溶解氧，那末经过一段时间后，就会产生褐色絮花状的泥粒，在显微镜下会看到，污泥里充满了各种各样的微生物，这就是典型的好氧活性污泥。（二）好氧活性污泥的组成和性质1．组成好氧微生物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)与其上吸附的有机的和无机的固体杂质组成。2．好氧活性污泥的性质颜色各异含水率在99％左右密度为1．002~1．006大小为0．02~0．2mm比表面积为20~100cm2／ml之间弱酸性(pH约为6．7)当进水改变时，对进水pH的变化有一定的承受能力。3．好氧活性污泥中微生物的浓度和数量MLSS(混合液悬浮固体)每L活性污泥混合液（ML）中含有多少毫克恒重的干固体（SS）或MLVSS(混合液挥发性悬浮固体)在一般的城市污水处理中，MLSS保持在2000~3000mg／L。工业废水生物处理中，MLSS保持在3000mg／L左右。高浓度的工业废水生物处理的MLSS保持在3000~5000mg／L。4．好氧活性污泥中的微生物群落提问：好氧活性污泥上的微生物是如何分布的？中心是能起絮凝作用的细菌形成菌胶团，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)。A．菌胶团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的絮凝性细菌互相絮凝聚集成的菌胶团块都称为菌胶团。提问：菌胶团有哪些功能？①吸附和氧化分解有机物；菌胶团是细菌的存在形式，细菌占到活性污泥中微生物总量的99%,有107~108个/ml，他们是生物处理的主力军，一旦菌胶团受到各种因素的影响和破坏，则活性污泥法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；例如菌胶团本身为原生动物、微型后生动物提供附着场所；菌胶团中的细菌可以去除毒物、自身作为动物食料。a.菌胶团的功能③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，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。为什么细菌会形成菌胶团？①粘性多糖的粘着作用我们在第一章介绍了，很多细菌可分泌粘胶状的多糖物质，附着于细胞壁，形成所谓的荚膜，这些荚膜相互间粘着时就会形成一个由许多细菌共有的大荚膜，当细菌进入老龄后，细菌分泌的的粘稠多糖聚合物增多，更加速了细菌大荚膜的增大，这样就形成了菌胶团的雏形。b.菌胶团的形成机理②纤维素性质多糖的勾连作用将菌胶团置于电子显微镜下观察时发现，在大荚膜增大的同时，在其外侧出现了许多类似于纤维素网状的物质，据分析这些物质的成分也是多糖，如图所示提问：这些纤维素从何而来？他们既可能是细菌的分泌物，也可能是粘性多糖的演化产物。他们不但具有粘着性，还具有缠绕勾连的作用，在它们的作用下，各种细菌密布在这些网格状纤维之中，随这些纤维素状多糖的数量不断增加，就形成了真正意义上的菌胶团。活性污泥菌胶团外的纤维丝电镜照片c.菌胶团的生物意义提问：？（好处何在）①形成了一个稳定的细菌共生体性；菌胶团吸附的大分子有机物被表层的细菌首先水解吸收，代谢后的产物降解不完全，又作为了下面细菌的食物另一方面随着颗粒化由表及里，局部的氧浓度逐渐减少，对氧浓度有不同要求的细菌则可以各自找到最适宜的位置②增强细菌抵抗环境变化及微型动物捕食的能力在层层细菌的屏蔽作用下，菌胶团中的微环境要比溶液中稳定的多菌胶团的颗粒较大，原生动物只能蚕食很少的一部分表层的细菌，从而提高了大多数细菌抵抗微型动物的捕食能力。③菌胶团还为细菌储备了碳源菌胶团中的结构多糖，不仅是其骨架，还是细菌们的储备碳源。当环境中的营养物匮乏时，这些多糖被细菌作为碳源使用，虽然此时菌胶团逐渐瓦解，但一定程度上延缓了细菌的衰亡。因此菌胶团的形成是细菌们为维护共同利益的共生产物，对于细菌的生存有着重要的生物意义。d.菌胶团中的细菌菌胶团中的细菌来源于土壤、水和空气。它们多数是革兰氏阴性菌，如动胶菌属和丛毛单胞菌属，它们可占70％，生活污水好氧处理时菌胶团中的主要细菌见下表细菌名称细菌名称细菌名称动胶团属(优势菌)短杆菌属微球菌属丛毛单胞菌属(优势菌)固氮菌属黄杆菌属产碱杆菌属(较多)亚硝化单胞菌属无色杆菌属棒状杆菌属(较多)假单胞菌属节杆菌属芽孢杆菌属病原细菌（偶尔）大肠埃希氏菌产气杆菌属工业废水处理中的菌胶团细菌组成与之类似，但优势菌主要是对特定工业废物起主要降解作用的细菌B．活性污泥中的其它微生物在菌胶团上层居住的是放线菌、真菌及原生动物、后生动物。它们的数量相比较细菌而言要少得多，通常包括少量的球衣菌、诺卡氏菌、发硫菌、头孢霉、地霉菌、酵母菌等，以及原生动物中的钟虫、盖纤虫、等枝虫、草履虫和原生动物中的轮虫。这些微生物与菌胶团细菌构成了稳定的生态体系，它们之间存在着复杂的相互关系，它们的种类、数量随营养条件(废水种类、化学组成、浓度)、温度、供氧、pH等环境条件改变也在不停的发生着变化。(三)好氧活性污泥净化废水的作用机理好氧活性污泥的净化作用机理见下图好氧活性污泥吸附和降解用框图表示见下图吸附吸收氧化合成摄食吞食氧化合成污染物质SSDSSS活性污泥颗粒新活性污泥颗粒活性污泥中的微型动物DSCO2、H2O、NH3SO42-、PO43-CO2、H2O、NH3SO42-、PO43-新的微型动物处理水由上图可以看出，活性污泥颗粒中微生物之间的关系是食物链的关系。好氧活性污泥由于是由有生命的微生物组成，能自我繁殖，有生物“活性”，因而可以连续反复使用，而化学药剂只能一次使用，故活性污泥比化学混凝剂优越。可以降解水中的溶解性有机物，这也是物理化学方法难以做到的。(四)好氧活性污泥法的几种处理工艺流程1．普通活性污泥法好氧活性污泥法的处理工艺很多，最为普遍使用的活性污泥法工艺如下图空气清水初沉池二沉池回流污泥剩余污泥曝气池点名提问：请看图说明工艺原理？废水先通过初沉池，除掉一些悬浮固体，然后进入一个有曝气装置的构筑物，活性污泥就在这种装置中将废水中的BOD降解掉，并产生新的活性污泥。设计适当的曝气池尺寸使废水在池中停留足够长的时间，使BOD降到一定程度后，流入二次沉淀池，进行固液分离，上清液排放，沉淀下来的污泥一部分回流到曝气池中，一部分作为剩余污泥而排放。2．改进型的活性污泥法在普通型的基础上加以改造，使之性能提高的好氧活性污泥法中有推流式活性污泥法、完全混合式活性污泥法、接触氧化稳定法、分段布水推流式活性污泥法、氧化沟式活性污泥法，它们都是对普通活性污泥法的改进，如下图所示推流式活性污泥法又称阶段曝气法，废水延一个长条的矩形池，废水从一端进入，水的污染物沿流动方向不断降低，从另一端流出；分段布水推流式活性污泥法只是在长条矩形池的不同部位分别进水；完全混合式污泥法则是废水一进入曝气池就迅速与池中已有的混合液充分混合均匀，曝气池中各处的水质基本相同。接触稳定氧化活性污泥法又称吸附再生活性污泥法，曝气池被一分为二，废水在曝气池的第一部分接触池中停留十分钟与活性污泥充分接触，废水中的有机物被活性污泥吸附后进入二沉池，此时出水以达到净化，而二沉池泥水分离后的活性污泥进入曝气池的另一部分稳定池，池中曝气但不仅废水，使污泥中吸附的有机物进一步分解，恢复了活性的污泥随后再次进入接触池进行新的一轮废水降解；氧化沟把环形反应池用作生物反应池，污水混合液在该池中以一条闭合式曝气渠道进行连续循环。3．氧化塘氧化塘的工艺是特殊的活性污泥法，是一种人工的、接近自然生态系统的活性污泥法。在氧化塘内，藻类和细菌共存于同一环境中，保持互生关系，见下图氧化塘的互生原理。4．批式活性污泥法批式活性污泥法（英文简称SBR法）是国内外近年来开发的一种活性污泥法，它的工艺特点是将曝气池与沉淀池合而为一，生化反应呈分批进行。基本周期可由进水、反应、沉降、排水和闲置五个阶段组成。如下图所示。这种方法由于较其它活性污泥法构造简单，投资少、操作灵活、污泥产率低、脱氮效果好等特点越来越得到广泛的重视。二、好氧生物膜法好氧生物膜法是模拟土壤废水净化时依靠于让颗粒表面附着的生物薄膜进行污染物降解的生物处理法。于19世纪末，在研究土壤净化污水的过滤田的基础上，开发并应用于生产。由于效果不如后来出现的活性污泥法，一度被长期搁置，60年代以后，由于新型合成材料的大量生产和环境保护对于水要求的进一步提高，生物膜法又获得了新的发展。好氧生物膜法构筑物有普通滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池，还有生物转盘、接触氧化法(即浸没滤池法)等。见下图生物滤池和生物转盘。布水横管滤料渗水装置及排沟至二沉池生物滤池空气出水废水排泥接触氧化法这些设施依靠滤料、转盘上的生物膜处理废水。(一)好氧生物膜中的微生物群落提问：什么是好氧生物膜？好氧生物膜是由好氧微生物和兼性厌氧微生物粘附在生物滤池滤料上或粘附在生物转盘盘片上的一层粘性、薄膜状的微生物混合群体。普通滤池内生物膜的微生物群落有：生物膜生物、生物膜面生物及滤池扫除生物。普通滤池内生物膜的微生物群落表生物膜生物生物膜面生物滤池扫除生物所处位置膜内膜表面膜外层生物组成以菌胶团为主要组分，辅以浮游球衣菌、藻类等固着型纤毛虫及游泳型纤毛虫轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、颗