污水管理方案计划中的微生物基础学习知识原理.doc

-` 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 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 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①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；②蛋白质水解为氨基酸，脱氨基成有机酸和氨；③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解、发酵性细菌群。 （2）第二阶段：酸化Ⅱ，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。 （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 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 物态变化 液化（水解） 酸化（1） 酸化（2） 气 化 生化过程 大分子不溶态有机物转化为小分子溶解态有机物 小分子溶解态有机物转化为（H2+CO2）及A、B两类产物 B类产物转化为（H2+CO2）及乙酸等 CH4、CO2等 菌 群 发酵细菌 产氢产乙酸细菌 甲烷细菌 发酵工艺 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：①作为微生物好氧呼吸的最终电子受体；②参与甾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。 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活性污泥组成的变化，微型动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→植物性鞭毛虫→肉足类（变形虫）→动物性鞭毛虫→游泳型纤毛虫、吸管虫→固着型纤毛虫→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、楯纤虫、轮虫 二、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、楯纤虫属、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。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0.1～0.2mm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 曝气不足 线虫出现 负荷高 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 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的处理效果，使出水水质达不到排放标准。通过水质测定可以知道水质的变化，但有机物浓度和有毒物质等的测定时间较长故经常测定不易做到。而微生物镜检很简便，随时可了解到原生动物种类变化和相对数量消长情况。根据原生动物消长的规律性初步判断污（废）水净化程度，或根据原生动物的个体形态、生长状况的变化预报进水水质和运行条件正常与否。 以钟虫为例：当环境条件恶劣时，钟虫则由正常虫体向胞囊演变的一系列变态变化。钟虫的尾柄先脱落，随后虫体后端长出次生纤毛环呈游泳生活状态（通常叫游泳钟虫），或虫体变形，甚至呈长圆柱形，前端闭锁，纤毛环缩到体内，依靠次生纤毛环向着相反方向游泳，如果废水水质不加以改善，虫体将会越变越长，最后变成胞囊，甚至死亡。如果废水水质改善，虫体可恢复原状，恢复活性。 当曝气不足时，钟虫不活跃，伸缩泡处于舒张状态，不收缩，不活动；而卵尾波虫占优势，有豆形虫、屋滴虫、变形虫。 着生的缘毛目多时，处理效果良好，出水BOD5和浊度低。(如小口钟虫、八钟虫、沟钟虫、褶钟虫、瓶累枝虫、微盘盖虫、独缩虫)这些缘毛目的种类都固定在絮状物上，并随窗之而翻动，其中还夹杂一些爬行的 栖纤虫、游仆虫、尖毛虫、卑气管叶虫等，这说明优质而成熟的活性污泥。 小口钟虫在生活污水和工业废水处理很好时往往就是优势菌种。 如果大量鞭毛虫出现，而着生的缘毛目很少时，表明净化作用较差。 大量的自由游泳的纤毛虫出现，指示净化作用不太好，出水浊度上升。 如出现主要有柄纤毛虫，如钟虫、累枝虫、盖虫、轮虫、寡毛类时，则水质澄清良好，出水清澈透明，酚类去除率在90%以上。 根足虫的大量出现，往往是污泥中毒的表现。 如在生活污水处理中，累枝虫的大量出现，则是污泥膨胀、解絮的征兆。 而在印染废水中，累枝虫则作为污泥正常或改善的指示生物。 在石油废水处理中钟虫出现是理想的效果。 过量的轮虫出现，则是污泥要膨胀的预兆。 另在一些对原生动物不宜生长的污泥中，主要看菌胶团的大小用数量来判断处理效果。