第九章 环境污染控制与治理中的微生物学

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2．好氧活性污泥的存在状态 • • 在完成混合式曝气池中，以悬浮状态存在，均 匀分布； 在推流式曝气池内，随推流方向而有变化。
3．好氧活性污泥的微生物群落
好氧活性污泥的结构和功能的中心是菌胶团,其 主要组成是细菌。在其上面生长有其他微生物， 如酵母菌、霉菌、放线菌、藻类、原生动物及 微型后生动物等。
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2. 参与生物脱氮的微生物 (1) 硝化作用段微生物 亚硝化细菌和硝化细菌在自然界广泛分布，在 土壤、淡水、海水和污水处理系统中均有发现。 它们是革兰氏阴性的好氧菌，营化能无机营养。 (2)反硝化作用段微生物
反硝化细菌是所有能以NO3-为最终电子受体，将 HNO3还原成N2的细菌总称。它包括许多种类的细 菌。
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第四节 废水的生物脱氮和除磷
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一、废水脱氮除磷的目的意义
氮磷物质进入水体，就会造成很大的危害，其中 最大的问题就是引起水体富营养化。因此，废水 的除磷脱氮十分重要，尤其是当废水处理后被排 入一些湖泊、海湾等敏感水体时。
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二、废水生物脱氮原理及工艺
1. 生物脱氮原理 生物脱氮首先是利用好氧过程，由亚硝化细菌和 硝化细菌将废水中的NH3 转化成NO3- - N，再利用 缺 氧 段 经 反 硝 化 作 用 ， 将 NO3- - N 还 原 成 氮 气 （N2），溢出水面释放到大气中，从而减少水中的 含氮物质，降低对水体的潜在威胁。
③ 具有指示作用
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（四）原生动物及微型后生动物的作用 原生动物和微型后生动物在污（废）水生物处 理和水体污染及自净中起到三方面的作用： （1）指示作用
（2）净化作用
（3）促进絮凝和沉淀作用
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二、好氧生物膜法
主要类型： 生物滤池：普通生物滤池；高负荷生物滤池；塔
式生物滤池
生物转盘 生物接触氧化法（淹没式生物滤池）
第九章 环境污染控制与治 理中的微生物学
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主要内容： 第一节 污（废）水生物处理中的微生物生态系统 第二节 活性污泥丝状膨胀及其控制对策 第三节 厌氧生物处理中的微生物群落 第四节 废水的生物脱氮和除磷
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第一节 污（废）水生物处理中的微生 物生态系统
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废水的生物处理的方法很多，根据微生物与
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① 组成： 微生物（好氧、兼性及少量厌氧） + 固 体杂质（有机和无机） ② 性质：絮状，大小为0.02-0.2mm，比表面积在 20-100cm2/ml；
③ 颜色：生活污水一般为黄褐色，工业污水则与 水质有关；
④ 含水率在99%，比重1.002-1.006，具有沉降性 能； ⑤ pH在6-7，弱酸性，具一定的缓冲能力。
氧的关系可分为好氧处理和厌氧处理。根据 微生物在构筑物中处于悬浮状态或固着状态， 可分为活性污泥法和生物膜法。活性污泥和 生物膜是净化污（废）水的工作主体。
废水生物处理的基本过程
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一、好氧活性污泥法
（一）好氧活性污泥中的微生物 1.好氧活性污泥的组成和性质
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（兼有少量厌氧微生物）与污（废） 水中的有机和无机固体物混凝交织在一起所形成 的絮状体。
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布水器
活性生物滤池
填料
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生物转盘
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（一）好氧生物膜中的微生物 1．好氧生物膜 好氧生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性 厌氧微生物粘附在生物滤池滤料上或生物转盘 盘片上的一层带粘性、薄膜状的微生物混合群 体。是生物膜法净化污水的工作主体。
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2．好氧生物膜中的微生物及其功能 生物膜生物：以菌胶团为主；净化和降解作用； 膜面生物：固着型纤毛虫和游泳型纤毛虫，起 促进滤池净化速度，提高整体效率的作用；
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图
A/O工艺流程示意图（除磷）
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A2/O工艺流程示意图
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第五节 固体废弃物的微生物处理及其微生物群落 目前垃圾处理的方法主要有：堆肥法、填埋法和 焚烧法。其中堆肥法和填埋法为生物处理方法 ，用以处理可生物降解的有机固体废弃物。 一、 堆肥法 （一）概念 堆肥化使依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌和 真菌等微生物，有控制地促进可生物降解的有 机物向稳定的腐殖质转化的过程。堆肥是堆肥 化的产品。堆肥是优质的土壤改良剂和农肥。 堆肥法就是利用堆肥化过程来处理城市的生活 垃圾及其他有机固体废弃物的方法。
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一般来说，微生物在增殖过程中，好氧摄取的 磷比在厌氧条件下所释放的磷多。 因此，如果能创造厌氧、缺氧和好氧条件的交 替，让聚磷菌首先在厌氧条件下释放磷，然后 在好氧条件下充分过量地吸磷，尔后通过排泥， 就可以达到从废水中去除磷物质的目的。
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2. 参与生物除磷的微生物 具有聚磷能力的微生物目前所知绝大多数是细 菌。聚磷的活性污泥是由许多好氧异氧菌、厌 氧异氧菌和兼性厌氧菌组成。实质上是产酸菌 （统称）和聚磷菌的混合群体。 从种类上来看，聚磷能力强、数量占优势的有 不动杆菌属（莫拉氏菌群）、假单胞菌属、气 单胞菌属和黄杆菌属等60多种。硝化杆菌中的 亚硝化杆菌属、亚硝化球菌属、亚硝化叶菌属 和硝化杆菌属、硝化球菌属等也具有聚磷能力。
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第三节 厌氧生物处理中的微生物群落
高浓度有机废水或剩余活性污泥多用厌氧消化法 处理。高浓度有机废水还可用有机光合细菌处理。
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一、厌氧消化－－甲烷发酵
沼气发酵，已有多年的研究历史，常用于将城市的 垃圾、粪便、污水、工业废水及生物处理的剩余污 泥等的处理，并从中获得可燃性气体——沼气（甲 烷，CH4）。常用的构筑物为发酵罐或消化池。 甲烷发酵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。
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活性污泥法的基本流程
废水 → 初沉池
→
曝气池
→
二沉池
→ 出水
剩余 污泥
回流污泥
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显微镜下的活性污泥
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（二） 好氧活性污泥净化废水的作用机理 主要有两方面的作用： 吸附有机物 降解有机物 （三）菌胶团的作用 ① 对有机物进行吸附和氧化分解
② 为原生动物和微型后生动物提供良好的生存环境
总之，引起活性污泥丝状膨胀的原因是比 较复杂的，要具体问题具体分析，然后采取相 应的措施予以控制。
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二、控制活性污泥丝状膨胀的对策
解决活性污泥丝状膨胀的问题，从根本上说是要 控制引起丝状微生物的过度生长的具体环境因子。
1．控制溶解氧：在2mg/L以上
2．控制有机负荷： BOD污泥负荷在0.2~0.3kg/kgMLSS.d为宜。 3．改革工艺 如二沉池采用气浮法等
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3. 生物除磷的工艺 人们开发研究出多种废水生物除磷工艺，这些 工艺在去除废水中磷的同时，还能有效去除水 中的有机物和进行硝化或脱氮作用。按照运行 方式，可分为连续式和间歇式（序批式）两类。 常见的生物除磷工艺有：Bardenpho生物除磷工 艺、Phoredox工艺、A/O及A2/O、UCT工艺、VIP 工艺、旁流除磷的Phostrip工艺、SBR等。
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（二）好氧生物膜净化废水的作用机理（以滤池为 例） ① 在生物滤池中，上层生物膜中的生物膜生物 （絮凝性细菌及其他微生物）和生物膜面生物 （固着型纤毛虫、游泳型纤毛虫及微型后生动 物）吸附废水中的大分子有机物，将其水解为 小分子有机物。同时吸收溶解性有机物和经水 解的小分子有机物进入体内，并氧化分解之， 微生物利用吸收的营养构建自身细胞。
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三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理
高浓度的SO42-对微生物有毒害作用。 去除的方法有：
•
•
化学法：加CaO和Ca(OH)2生成CaSO4沉淀，若加 少量的FeCL3，效果更佳。
厌氧微生物方法：用SBR法，利用在厌氧条件下， 硫酸盐还原菌发生反硫化作用，以SO42- 为最终电 子受体，利用有机物为供氢体，将SO42-还原成H2S 从水中溢出。
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4．好氧活性污泥中微生物的浓度和数量 常用MLSS（混合液悬浮固体）或MLVSS（混 合液挥发性悬浮固体）来表示。 一般城市污水处理中，MLSS在2000-3000mg/L， 工业废水在3000mg/L左右，高浓度工业废水在 3000-5000 mg/L。 1ml好氧活性污泥中的细菌数在107-108个。
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第三阶段：两组生理特性不同的专性厌氧的产 甲烷菌群 一组将氢气和二氧化碳（或一氧化碳）合成甲 烷；另一组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。 第四阶段：同型产乙酸细菌 将氢气和二氧化碳转化为乙酸
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厌氧活性污泥：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。 厌氧活性污泥的微生物种类、组成、结构及污 泥颗粒等性质，与厌氧消化处理的效果好坏有 很大关系。
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② 上一层生物膜的代谢产物流向下一层，被下一 层的生物膜生物吸收氧化。分解为二氧化碳和 水。 ③ 老化的生物膜和游离细菌被滤池扫除生物吞食。
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第二节 活性污泥丝状膨胀及其控制对 策
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用活性污泥法处理废水，曝气池中的活性污泥， 正常情况下是由许多具有絮凝作用的絮凝细 菌——菌胶团细菌占优势，辅以少量的丝状细 菌，大量钟虫类的固着型纤毛虫、旋转虫等组 成。 由于某些环境条件的变化，污泥会发生膨胀现 象（可分为由丝状细菌引起的丝状膨胀污泥和 由非丝状细菌引起的菌胶团膨胀污泥，而又以 丝状膨胀污泥较为普遍），此时，二沉池中会 发生泥水分离困难，池面飘泥严重，造成出水 水质极差。
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二、光合细菌处理高浓度有机废水
BOD5 在10000mg/L以上的高浓度有机废水（浓粪 便水、豆制品废水、食品加工废水、屠宰废水等） 可用有机光合细菌（PSB）处理。 利用光合细菌处理的BOD5 去除效果可达95%，甚 至达98%。
常用的有机光合细菌有：红螺菌科的红螺菌属、 红假单胞菌属和红微菌属。
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3. 脱氮的工艺 A/O、A2/O、A2O2及SBR等均能取得较好的脱氮效 果。经过厌氧-好氧或缺氧-好氧的合理组合， 既能除去COD和BOD，又能进行脱氮，还能除磷。
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图
A、B两种排列的A/O系统示意图
N-硝化，DN-反硝化，S-沉淀池
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三、废水生物除磷原理及工艺
1. 生物除磷原理 某些微生物在好氧时能大量吸收磷酸盐合成自身 核酸和ATP，并且能逆浓度过量吸磷合成贮能的多 磷酸盐颗粒（异染粒和PHB）在体内，供其内源呼 吸用。这些细菌称为聚磷菌(PAO)。
滤池扫除生物：轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、 顠体虫等，起去除滤池内的污泥、防止污泥积 聚和堵塞的功能。
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3．好氧生物膜的结构 好氧生物膜在滤池内分布不同于活性污泥，生 物膜附着在滤料上不动，废水自上而下淋洒在 生物膜上。因此，在滤池的不同高度位置，由 于微生物得到的营养不同，造成微生物种类和 数量的不同。
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甲烷发酵理论与机制（四阶段理论）： 第一阶段：水解和发酵性细菌群 将复杂有机物如纤维素、淀粉等水解为单糖后， 再酵解为丙酮酸；将蛋白质水解为氨基酸，脱 氨基后成有机酸和氨；将脂类水解为各种低级 脂肪酸和醇，如乙酸、丙酸、丁酸、长链脂肪 酸、乙醇、二氧化碳、氢、氨和硫化氢等。 第二阶段：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。
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在厌氧条件下，聚磷菌在分解体内的聚合磷酸 盐的同时产生ATP，并利用ATP将废水中的脂肪 酸等有机物摄入细胞，以PHB（聚β 羟基丁酸） 及糖原等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时 将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出细胞。 然后转入好氧环境，聚磷菌又能利用聚β 羟基 丁酸盐所释放的能量来摄取废水中的磷，并合 成聚磷酸盐贮存在细胞内。
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（一）活性污泥丝状膨胀的致因微生物 由于丝状细菌极度生长引起的活性污泥膨胀称 为活性污泥丝状膨胀。活性污泥丝状膨胀的致 因微生物种类很多，常见的有：诺卡氏菌属、 浮游球衣菌、微丝菌属、发硫菌属、贝日阿托 氏菌属等。
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丝状菌生长占优势的活性污泥
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（二）活性污泥丝状膨胀的成因 活性污泥丝状膨胀的成因有环境因素和微生物 因素。主导因素是丝状微生物过度生长。 环境因素促进丝状微生物过度生长。包括： ① 温度、溶解氧、可溶性有机物及其种类、有机 物浓度（或有机负荷）等。 ② pH值的变化也可能会引起活性污泥丝状膨胀。