污水处理中的微生物原理

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10～25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用。一、微生物类别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0.02～0.2mm，茶褐色，微具土壤味，密度1.005kg/m3，含水率99％。活性污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水中微生物非细胞形态的微生物——病毒细胞形态的微生物原核生物真核生物真菌藻类原生动物后生动物细菌（处理水体的主要微生物）放线菌蓝藻酵母菌霉菌肉足类鞭毛类纤毛类图4-1水中微生物分类线虫轮虫二次捕食者（后生动物）一次捕食者（原生动物）分解者（细菌、真菌）营养级Ⅲ营养级Ⅱ营养级Ⅰ图4-2微生物的级别顾名思义，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1～2倍。以纤毛虫和小的轮虫为食。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4～4000um，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1～2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/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0.25～2mm，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0～30℃，pH6．5～9．5，DO和NH4浓度分别为1～12和2～20mg／l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2—8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3—6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COD值有很大的影响，数量增多时出水COD增大；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（0.003～0.2）*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专性厌氧污泥厌氧活性污泥是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。厌氧活性污泥中的微生物的组成有五种：①将大分子水解为小分子的水解细菌②将小分子的单糖、氨基酸等发酵为氢和乙酸的发酵细菌③氢营养型和乙酸营养型的古菌④利用氢气和二氧化碳合成甲烷的古菌⑤厌氧的原生动物。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I甲酸类甲醇产甲胺通过不同废水或污泥蛋白质氨基酸物乙酸等途径转化中不溶态大多糖C6H12O6为CH4、分子有机物脂类甘油II丙酸CO2等脂肪酸类丁酸CO2、［H］产乳酸和乙酸物乙醇等水解阶段酸化阶段气化阶段酸化I酸化II不完全厌氧消化(酸发酵)发酵菌发酵菌甲烷菌产氢产乙酸菌图4-15厌