微生物与污水处理.docx

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微生物与污水处理

微生物与污水处理

环境保护是我国的根本国策。

世界经济开展的实践证明，为实现经济的持续稳定的开展，必须解决好开展与环境保护的矛盾。

全球水资源状况迅速恶化，“水危机〞日趋严重。

据水文地理学家的估算，地球上的水资源总量约为１３．８亿立方公里，其中９７．５％是海水〔１３．４５亿立方公里〕。

淡水只占２．５％，其中绝大局部为极地冰雪冰川和地下水，适宜人类享用的仅为０．０１％．

    ２０世纪５０年代以后，全球人口急剧增长，工业开展迅速。

一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。

本届世界水论坛提供的联合国水资源世界评估报告显示，全世界每天约有２００吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染８升淡水；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国４０％的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲５５条河流中仅有５条水质差强人意。

    ２０世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水增加了５倍。

世界上许多国家正面临水资源危机：

１２亿人用水短缺，３０亿人缺乏用水卫生设施，每年有３００万到４００万人死于和水有关的疾病。

到２０２５年，水危机将蔓延到４８个国家，３５亿人为水所困。

水资源危机带来的生态系统恶化和生物多样性破坏，也将严重威胁人类生存。

    水资源危机既阻碍世界可持续开展，也威胁着世界和平。

过去５０年中，由水引发的冲突共５０７起，其中３７起有暴力性质，２１起演变为军事冲突。

专家警告说，随着水资源日益紧缺，水的争夺战将愈演愈烈。

①    生活污水

生活污水是一大污染源。

生活污水中含有大量的无机物，有机物。

无机物如氯化物，硫酸盐，磷酸盐和钠，钾，钙，铁等碳酸盐，有机物有纤维素，淀粉，脂肪，蛋白质和尿素等。

排放入环境中促使浮游植物生长和大量繁殖，形成赤潮和水华。

②    工业废水

工业废水是水体污染的主要污染源。

包括钢铁工业废水，食品工业废水，印刷废水，化工废水等。

③    农业废水

它面广而量大且分散。

农田使用农药，化肥，进入水体造成水体富营养化。

①    物理法

利用物理作用别离废水中呈悬浮状态的污染物质。

主要有沉淀法，过滤法，离心别离法，吸附法等。

②    化学法

利用化学反响原理与方法来别离，回收废水中的污染物，或改变污染物的性质，使它从有害变为无害的处理法。

主要有化学凝聚法，中和法，氧化复原法，离子交换法。

③    生物法

主要利用微生物的生命活动过程，对废水中的污染物质进展转移和转化的作用，从而是污水得到净化的方法。

微生物是肉眼看不见或看不清的生物的总称。

包括原核生物〔细菌，放线菌和蓝细菌〕，真核生物〔真菌和微型藻类〕，非细胞生物〔病毒类〕。

微生物具有体积小、外表积大、繁殖力惊人等特点，能不断与周围环境快速进展物质交换。

污水具备微生物生长繁殖的条件，因而微生物能从污水中获取养分，同时降解和利用有害物质，从而使污水得到净化。

因此微生物可在污水净化和治理中得到广泛应用，造福人类。

微生物能降解和转化污染物主要是因为微生物具有以下几个特点：

个体微小，比外表积大，代谢速率快；种类繁多，分布广泛，代谢类型多样；具有多种降解酶；繁殖快，易变异，适应性强；共代谢作用等。

利用微生物处理污水实际就是通过微生物的新陈代谢活动,将污水中的有机物分解,从而达到净化污水的目的.微生物能从污水中摄取糖，蛋白质，脂肪，淀粉与其它低分子化合物。

微生物新陈代谢类型有需氧型和厌氧型两种,因此,净化方法分为好氧净化和厌氧净化.

1、好氧净化氧存在条件下，许多好氧微生物通过分解代谢、合成代谢和物质矿物化，在把有机物氧化分解成CO2和H2O等过程中，获寻C源、N源、P源、S和能量。

污水的微生物好氧净化就是模拟上述原理，把微生物置于一定的构筑物内通气培养，高效率净化污水的方法。

2、厌氧净化微生物在严格厌氧条件下，有机物发酵或消化过程中，大局部有机物被解生成H2、CO2、H2S和CH4等气体。

污水的生物厌氧净化就是根据污水经厌氧发酵后既到净化，又获得了生物能源CH4的原理。

微物细胞能量转移的电子受体，由好氧条件下分子氧改变为厌氧条件下的有机物。

在厌氧件下，不溶于水而难分解的大分子有机污物，被微生物的胞外酶降解为可溶性物质，再由产甲烷厌氧细菌和产氢细菌降解成低分子有酸类和醇类、并放出H2和CO2；有机酸类和类经产甲烷菌降解成H2、CO2和CH4。

甲烷菌还可利用H2复原CO2，形成CH4。

微生物净化过程：

Ⅰ.有机污染物的浓度由高变低

Ⅱ.异养细菌迅速氧化分解有机污染物而大量繁殖，然后是以细菌为食料的原生动物出现数量顶峰，再后是由于有机物矿化，利于藻类的生长，而出现藻类的生长顶峰。

Ⅲ.溶解氧浓度随着有机物被微生物氧化分解而大量消耗，很快降到最低点，随后，由于有机物的无机化和藻类的光合作用与其他好氧微生物数量的下降，溶解氧又恢复到原来水平。

这样，在离开污染源相当的距离之后，水中的微生物数量，有机物，无机物的含量，也都下降到最低点。

于是，水体恢复到原来的状态。

微生物处理优点：

微生物具有来源广，易培养，繁殖快，对环境适应性强，易变异的特征在生产上较容易的采集菌种进展培养繁殖，并在特定条件下进展驯化，使之适应不同的水质条件，从而通过微生物的新陈代谢使有机物无机化。

加之微生物的生存条件温和，新陈代谢时不需要高温高压，它是不需要投加催化剂的.生物法具有废水处理量大、处理X围广、运行费用相对较低,所要投入的人力，物力比其他方法要少的多。

在污水生物处理的人工生态系统中，物质的迁移转化效率之高是任何天然的或农业生态系统所不能比拟的。

污水性质和污染程度不同，微生物种类和数量就会有很大差异。

在处理系统中，好氧微生物的优势种群组成和数量也相应的发生变化。

例如，当含纤维素较多的废水进入反响系统，如此纤维素分解菌就会大量繁殖，当蛋白质大量进入该系统，就会使微生物群落中的氨化菌种群占优势。

原生动物中有的种类与数量对水质因素（如氧溶量、pH值等）的变化较敏感，故可以作为鉴定污水污染程度的指示生物。

如草履虫、小口钟虫、肾状豆形虫、板壳虫等大量出现于受重污染和有机物很多的水中。

在中度污染和有机污物较多的水中，原生动物种类与数量最多。

水清澈有机污物又很少的如此种类也少。

污水中原生动物的种类和数量与净化处理的效果有着密切关系，因此原生动物可以作为净化情况的指示生物，可由它们对净化处理效果作出预报。

一般说来：

游动鞭毛虫类或自由生活的纤毛虫类占较大优势时，往往说明净化效果较差，或废水处于培育活性污泥初期。

当发现有固着纤毛虫类时，活性污泥已经形成。

轮虫有自净作用。

如活性污泥中有大量轮虫和多种纤毛虫出现，说明有机污物含量很少，净化度较高，污水处理效果好。

水蚯蚓对污水也有自净作用，其种类与数量随污染的减轻而减少。

在净化效果较好的污水中，还会出现线虫、颤蚯蚓等后生动物。

污水处理与环境微生物分类名录

ClassificationofWater/WastewaterTreatmentMicroorganisms

污水处理微生物包含在微生物，所以并无特别的分类专门用于环境微生物。

但是微生物命名可以按照阶元法〔域>界>门>纲>目>科>属>种>亚种〕以下为其中从界到种的英文等级划分：

Kingdom界    Phylum门    Class纲     Order目    Family科   Genus属    Species种

一般上一个微生物英文中我们使用双名法〔binomialsystemofnomenclature〕，这个名称就是一个有两个单词组成的科学名称，分别是属和种。

当然有些微生物还有它们的常用名。

举个例子Escherichiacoli〔通常简写成E.coli〕为一种大肠杆菌，属细菌。

一般水体和废水以与污水处理中常见的微生物有：

细菌Bacteria，真菌Fungi，藻类Aglae，原生动物Protozoa，轮虫Rotifers,甲壳纲动物Crustaceans，虫类Worms（线虫Nematodes与扁虫Flatworms）。

细菌Bacteria

单细胞，原核生物，二元分裂繁殖。

生活污水中通常含有大量的微生物如细菌、病毒、原生动物与虫类，而污水处理工程师的责任就包括控制病原细菌以保证公共安全。

细菌有3种形状：

棒形bacilli，圆形cocci，螺旋形spirilla。

一个常见的棒形大肠杆菌可能长2微米宽0.7微米。

按照对氧气的依存度，可以分为好氧、厌氧、兼性。

也有其他的分类方法。

丝状细菌Filamentousbacteria问题是活性污泥处理法中常见的，而这其中actinomycetes如此是一个主要的问题制造者。

其实丝状细菌也有它重要的作用比如协助絮凝物的形成。

而一些丝状菌比如Microthrixparvicella与Nocardiaspp.如此导致污泥泡沫与膨胀。

Fungi〔ploffungus〕真菌

真菌可以分为以下五类：

1．Myxomycetes,orslimefungi

2． Phyycetes,oraquaticfungi〔algae〕

3． Asycetes,orsacfungi

4． Basidiomycetes,orrusts,smuts,andmushrooms

5． Fungiimperfecti,ormiscellanueousfungi

Algae藻类

根据Whittaker的五界法，藻类可以属于其中的两界，分为七类。

不过污水处理专家的主要兴趣只是其中5类：

Chlorophyta–greenalgae绿藻门   Englenophyta–euglenoids裸藻，眼藻门

Chrysophyta–golden-brownalgae,diatoms    金藻门，硅藻

Phaeophyta–brownalgae褐藻门    Pyrrophyta–dinoflagellates甲藻门，涡鞭藻

Protozoa原生动物

单细胞，真核生物。

包括可以单独存在的柄纤毛虫比如钟虫Vorticella，或者群体存在的Carchesiumsp.

其中病原性的原生动物包括Entamoebahistolytica,Giardialamblia,以与Cryptosporidium.

Protozoa可以根据它们的运动方式分为4类：

Mastigophora通过一条或者几条鞭毛移动；Ciliophora通过短的称为cilia的鞭毛移动；Sarcodina通过变形移动；Sporozoa如此是不能动的。

Group类

monName

常用称法

MeansofMovement

能动方式

MethodofReproduction繁殖方式

Mastigophora

Flagellates

Flagella

Asexual

Ciliophora

Ciliates

Cilia

Asexualbytransversefission;sexualbyconjugation

Sarcodina

Amoeba

Pseudopodia

Asexualandsexual

Sporozoa

Sporozoans

Nonmotile

Asexualandsexual

Mastigophora可以再分为Phytomastigophrea，其中包括Euglenasp.,通常与处理过程中氮与磷的增加相联系。

Ciliophora又可分为3组：

〔1〕freeswimmers自由游动的；〔2〕crawlers；〔3〕stalked有柄的。

Euplotes是一种自由游动的纤毛虫，Stentor是一种柄纤毛虫。

Sarcodina即变形虫与Ciliates和Flagellates相比，有较少的细胞器官，结构上更简单。

活性污泥系统中的原生动物的指示作用要注意以下一些因素：

·      健康的污泥中含有大量的Crawlers和Stalkedciliates，这暗示出水质量高，BOD可能在1-10mg/L.

·      中等污泥中三种纤毛虫都以优势存在。

这暗示出水质量满意，可能BOD在11-30mg/L.

·      差的污泥中自由游动纤毛虫和鞭毛虫占主要。

此时的出水通常浑浊，质量低，BOD在30mg/L以上。

Rotifers轮虫

最小、最简单的多细胞生物。

轮虫吃食藻类、细菌、原生动物、以与死掉的生物，所以可以从废水中去除大量的食物。

在活性污泥、滴滤、以与氧化池系统中扮演重要角色。

活性污泥和滴滤池中含有大量的Digononta和Monogononta，而氧化池中如此主要是Monogononta。

Crustaceans甲壳纲动物

水中通常含有Cyclops和Daphnia等甲壳纲动物。

Worms：

Nematodes&Flatworms线虫与扁虫

污水处理中的虫类主要有线虫和扁虫等。

它们长度在0.5-3mm之间，而直径通常在0.01-0.05mm之间。

在污水处理系统中，线虫可以加快微生物细菌群落的活动与分解。

在污泥和滴滤系统中它们吃食细菌。

它们的活动可以增加这些系统中的氧气渗透率。

不过在活性污泥中线虫数量较少，因为相比在液体环境中的自由游动，线虫更喜欢的是爬行crawling，所以在滴滤池中线虫数目庞大。

而水体中的扁虫如此是主要吃食藻类。

Tubifex是扁虫中的一种。

 资料一：

于2002年7月至2003年7月对某某市银定庄污水处理厂活性污泥混合液中的微型动物群落做了为期1a的研究．共采集了49个水样，发现纤毛虫89种，其中自由游泳型纤毛虫12种，匍匐型纤毛虫13种，附着型纤毛虫38种，肉食型纤毛虫26种；鉴定到变形虫23种，其中有壳肉足虫5种，裸肉足虫18种；大型鞭毛虫共记录有8种；记录到的后生动物有轮虫、线虫和腹毛虫．附着型纤毛虫的密度占纤毛虫总密度的42．7％，匍匐型纤毛虫的密度占纤毛虫总密度的31．7％，肉食型纤毛虫的密度占纤毛虫总密度的21．2％，自由游泳型纤毛虫的密度占纤毛虫总密度的4．4％．附着型纤毛虫和匍匐型纤毛虫密度合计占纤毛虫总密度的74．4％，为纤毛虫中的优势类群．相关分析明确，锐利楯纤虫与水温呈非常显著的负相关，因此可作为低水温的指示生物；集盖虫与DO呈非常显著的负相关，可作为低DO的指示生物．

资料二：

一般采用自然挂膜即可，生物膜生物种类和数量与污水处理相比不很丰富，但菌胶团、原生动物、游离细菌等各类微生物都有生长，生态情况是好的。

生物膜呈棕黑色、灰黄色。

菌胶团由荚〔jia〕膜球菌等组成。

原生动物有微型纤毛虫，有时也见钟虫、累枝虫等；后生动物有线虫、轮虫等。

有藻类共生，进水端生物膜较出水端发育得好，各型处理设备生物膜发育情况某某小异。

判别生物膜成熟与否，可测定NH3-N或OC的去除率，当它们的去除率分别为75%或15%时，即认为挂膜成功。

由表2可见挂膜所需时间与水温有较好的正相关，水温为20℃时，需18天左右；水温下降10℃，所需时间至少增加1倍。

某些研究者检查证明，生物膜上的优势菌为假单胞菌属，其中有不少菌种能在≤4℃和贫营养条件下繁殖。

资料三：

活性污泥是栖息着具有生命活力的微生物群体的絮绒状污泥。

它是活性污泥法系统去除有机污染物的主体。

活性污泥中的生物相十分丰富，有细菌、真菌、原生动物和后生动物等。

细菌是使活性污泥具有净化功能的主要微生物，其数量约l08~109个/ml。

活性污泥中常见的细菌有假单胞菌、芽孢杆菌属、动胶杆菌、芽孢杆菌、小球菌、黄杆菌、产碱杆菌、无色杆菌、产气杆菌等。

哪些细菌占优势，取决于有机污染物的种类。

这些细菌多以菌胶团的形式存在，呈游离状态的较少。

菌胶团是由细菌分泌的蛋白质、多糖和核酸等胞外聚合物包埋胶结而成的细菌团块。

它赋予细菌抵御外界不利因素的能力，并使活性污泥自身具有良好的凝聚沉淀性能。

菌胶团的形状各异，有分枝状、片状、垂丝状和蘑菇状等。

在活性污泥中，经常出现丝状菌，如球衣菌、白硫菌和丝硫菌等。

球衣菌对有机物有较强的分解能力，但如果繁殖过多会诱发“污泥膨胀〞，影响污泥沉淀，降低处理效果。

活性污泥中的原生动物有鞭毛虫、根足虫、纤毛虫和吸管虫等，总数可达5x104个/ml。

它们多以游离细菌为食。

如水质和运行条件发生变化，它们的种属也会随之改变。

在一定程度上，出现的原生动物反映了水质状况或处理效果，因此称为指示生物。

例如，初期往往鞭毛虫类占优势，然后，纤毛虫类取而代之，渐居优势。

当活性污泥成熟，且处理效果良好时，匍匐型或附着型的纤毛虫将成为优势种群。

活性污泥中有时也出现以轮虫为主的多细胞后生动物。

轮虫一般生活于有机质含量很低的水中，因此，轮虫的出现说明污水处理效果良好。

反之，轮虫数量过多如此是活性污泥老化的反映。

生物膜的生物相十分丰富，所包含的微生物种类很多，有细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物、以与肉眼可见的微型动物。

细菌和真菌细菌是生物膜的主要微生物，有假单胞菌属、芽孢杆菌属、产碱杆菌属、动胶杆菌属和球衣菌属。

其中球衣菌属是一种丝状菌，对有机物具有很强的降解能力。

在生物滤池纵向的各层生物膜中，细菌的种类和数量均有差异。

滤池顶层，生物膜内的菌数一般较多，底层如此较少。

顶层多为异养菌，底层如此多为自养菌。

真菌也普遍存在于生物膜中，主要有镰刀霉属、地霉属和浆霉属等。

真菌对某些人工合成的有机物〔如腈〕有一定的降解能力。

原生动物和后生动物原生动物和后生动物都属微型动物，栖息于滤池底部生物膜的好氧表层。

出现微型动物明确生物膜已经培养成熟。

在生物滤池运行初期，多出现豆形虫一类的游泳型纤毛虫。

运行良好时，如此以钟虫、独缩虫、累枝虫、盖纤虫等固着型纤毛虫为主。

原生动物能吞食细菌，特别是游离细菌，对改善生物滤器的出水水质具有积极而重要的作用。

当溶解氧十分充足时生物滤器内常见有后生动物线虫，它们以细菌、原生动物为食料。

生物滤器中的微生物生态分布是：

从顶部到底部，微生物种类由少到多，微生物系统由低级到高级。

顶部生物膜以细菌为主，多为菌胶团，不见或少见原生动物。

中部生物膜除大量细菌外，豆形虫、滴虫、变形虫等原生动物的数量逐渐增多。

底部生物膜中原生动物数量更多，种类有钟虫、累枝虫、盖纤虫等，细菌数量如此少。

资料四：

最先担当净化任务的是异氧菌和腐生性真菌，细菌特别是球状细菌起者最关键的作用，优良运转的活性污泥，是以丝状菌为骨架由球状菌组成的菌胶团。

沉降性好，随着活性污泥的正常运行，细菌大量繁殖，开始生长原生动物，是细菌一次捕食者。

活性污泥常见的原生动物有鞭毛虫、肉足虫、纤毛虫和吸管虫。

活性污泥成熟时固着型的纤毛虫、钟虫占优势；后生动物是细菌的二次捕食者，如轮虫、线虫等只能在溶解氧充足时才出现，所以当出现后生动物时说明处理水质好转标志。

微型生物在污水回用处理中的指导作用

生活污水在废水处理与其资源化利用中占有相当大的比例，建立一个比拟完善的、经济高效的小区污水回用处理系统，实现污水就地资源化和无害化，具有巨大的社会、经济和环境效益。

ICAST（IntermittentorCyclicActivatedSludgeTechnology，间歇/循环活性污泥技术）[1]是一种适合小区污水回用处理的新型改良SBR工艺的处理技术。

在ICAST反响池中，参与污水回用处理的是由细菌、原生动物、后生动物和悬浮物质、胶体物质混合形成的具有吸附分解有机物能力的絮状体颗粒——活性污泥。

是否具有良好性能的活性污泥是对污水进展生化处理最终达到资源化利用的根底，因此本文就污水回用处理ICAST装置，通过长期镜检观测，从活性污泥培养到正常运行的整个过程中，对微型生物进展深入研究，分析ICAST反响池中微生物的变化规律，以与当工况发生改变时生物相的变化趋势，利用生物指示作用为处理装置的最优化运行控制和集成化管理提供科学的理论依据。

1研究对象

活性污泥中存在着多种微型生物，它们共同构成了相当复杂的生物相，其中数量占主导地位并起到降解污染物质主要作用的是细菌。

从生物学角度了解污水处理是否达到预期效果，最直接方法是对活性污泥中的细菌进展研究，观察细菌的生长情况与在运行中发生的种类、数量等变化。

目前，对细菌观察和分类鉴定的周期较长，作出诊断还没有较为简易的可行方法，不能与时地起到指导装置运行的作用。

但是，活性污泥中的原生动物与细菌之间存在着相互依存和制约的关系：

①原生动物对细菌的捕食，可促进细菌生长和提高细菌活性；②细菌的絮凝作用提供了原生动物的生长环境，而在絮状物上生长的原生动物又能加速絮凝过程；③原生动物分泌的粘液对悬浮颗粒和细菌均有吸附能力；④除细菌外，原生动物也能直接摄入微小的悬浮粒性有机物（DOM,dissolvedorganicmatter），以与通过渗透性营养直接吸收溶解性有机物（POM,particularorganicmatter）；⑤原生动物体积较细菌大可便于观察，周围环境发生变化时比细菌更加敏感，更与时地反映出运行状态。

因此，原生动物的种类、数量、生长状况和菌胶团等指标可以间接定性地评价污水回用处理装置运转状态的好坏，起到生物指示的作用。

2ICAST处理装置与运行方式

污水回用处理ICAST装置[1]，如图1所示。

该装置运行方式如图2所示，生活污水经调节池进入ICAST反响池进展生化处理，ICAST反响池采用间歇式和连续式两种运行方式。

其中，连续式运行时（如图3所示）为连续进水、连续出水；间歇式运行时（如图4所示）为间歇进水、间歇出水。

图1污水回用处理系统

Fig.1 Systemoflivingsewagereusingtreatmentdevice

本文在活性污泥培养完成后，分别采用间歇和连续两种工艺运行该装置，对ICAST反响池中的微型生物进展观测，在研究生物指导作用的同时，比照不同条件下该反响池中微型生物生态群落之间的异同。

图2处理流程示意图图3连续式运行示意图

Fig.2 FlowchartofICASTtreatmentprocessFig.3 Sketchmapofthecontinuingprocess

图4间歇式运行示意图

Fig.4 Sketchmapoftheintermittentprocess

3 活性污泥的驯化与培养

本文接种的活性污泥菌种取自某某市曲阳污水厂二次沉淀池回流浓缩污泥，微型生物活性强，污泥絮体和沉降性能均良好，原生动物已演替到较高级的类型。

起初对新进污泥进展不进水的闷曝，一段时间后对ICAST反响池进展间歇进水，污水为某某理工大学高层住宅每日所排生活污水40m3×d-1，且水量随培养时间的增加而逐渐增加，最终达到设计处理水量，实现正常的间歇运行。

在驯化与培养过程中，每天通过显微镜进展镜检，分析污泥的性状和微型生物种类和数量的变化趋势。

通过三周的观测，发现由于曲阳污水厂污水水质和本装置所处理污水水质均为生活污水，有一样的水质特征，故所驯化培养的活性污泥中微型生物对新进污水的适应过程较短。

最初几天的驯化过程中，原生动物类缘毛目（Peritricha）固着型纤毛虫（图5）数量有明显减少，替代之大量出现的是全毛目（Holotricha）游泳型纤毛虫（图6），并有局部的吸管虫（图7）出现。

随着培养时间的推进，当污泥中的微型生物逐渐适应新的水质和生长环境时，固着型的纤毛虫重新开始大量出现，伴之有少量的游泳型纤毛虫。

在污泥培养后期，固着型纤毛虫已占绝对优势，相继出现漫游虫（图8）、轮虫（图9）等微型生物，此时污泥的培养已根本完成，活性污泥全面形成大颗粒絮团