微生物在水污染治理中的作用

9.1 水体的自净作用

9.1.1 水体的自净

当地面水接受一定的有机污染物后，水质发生了变化，在物理的、化学的和生物等因素的综合作用下，水体得以净化，水质恢复到污染前的水平和状态，这一过程称为水体自净。任何水体的自净作用都有一定的限度，即自净容量。某水域的污染物排放总量一旦超过其自净容量，该水域将不能或很难恢复至原来的状态，因此自净容量是指在水体正常生物循环过程中能够净化有机污染物的最大数量。

水体自净过程可以用图9.1表示。

图9.1水体自净过程

（引自周群英、高廷耀.环境工程微生物学.北京：高等教育出版社.2000）有机污染物排入水体后，水中的好氧细菌将有机物氧化分解，同时进行繁殖。当水体中有机污染物浓度很高时，大量细菌的生长繁殖会迅速耗尽水中的溶解氧，使水中出现缺氧或厌氧状态，导致鱼类、好氧原生动物、轮虫、浮游甲壳动物死亡。厌氧细菌大量繁殖，对有机物进行厌氧分解。随着有机物的降解，水中BOD浓度不断下降。当有机物分解殆尽后，细菌失去营养源，其数量会减少，而光能自养型微生物利用水中溶解的无机物大量繁殖，随着无机营养物的消耗，使光合自养型微生物数量也减少，水体BOD、溶解氧恢复到原有水平，自净过程完成。

需要特别说明的是上述现象只有在总排污量小于水体自净容量情况下才会发生。

9.1.2 污化系统及污化指示生物

正常情况下，有机污染物排入河流后，从排污口至下游的一段区域内进行着自净过程。沿着河流方向会形成一系列连续的污化带。由于各种水生生物需要不同的生存条件，所以在各个带中可找到不同的指示生物，包括细菌、真菌、藻

类、原生动物、轮虫、浮游甲壳动物、鱼类、底栖动物等。根据指示生物的种群、数量、水质的不同，可以将污化带自上而下划分为多污带、α－中污带、β－中污带、寡污带。

9.2 污、废水生物处理方法分类

生物处理是以含污染物的污、废水为培养基，通过微生物的代谢作用，将水中呈溶解和胶体状的有机污染物降解并转化为无害物质，达到水质净化目的。

许多生物处理工艺就是自然界微生物自净过程的模拟和人工强化。

根据微生物与氧的关系可以把生物法分为好氧法和厌氧法两大类。

9.3 活性污泥法中的微生物及其作用

活性污泥是一种绒絮状小泥粒，它是由微型生物群、有机和无机胶体、悬浮物等所组成的一种肉眼可见的细粒，绒絮状颗粒约为0.02～0.2㎜；因水质不同，外观多呈黄褐色，也可呈深灰、灰褐、灰白色等；正常情况下几乎无臭味或略有腥味；含水率99%左右；表面积为20～100cm2/mL；密度约为 1.002～1.006g/cm3，当加以静置时，能立即凝聚成较大的绒粒而沉降；呈弱酸性（pH约为6.7），对pH有较强的缓冲能力。

9.3.1 活性污泥的生物组成

活性污泥是由细菌、真菌、原生动物、微型后生动物及单胞藻类等多种微生物群体聚集组成的一个生态系统。

9.3.1.1 细菌

细菌是活性污泥在组成和净化功能上的中心，其数量约为108～109/mL 。其中重要的细菌有动胶菌属、假单胞菌属、产碱杆菌属、无色杆菌属、黄杆菌属、芽孢杆菌属、棒状杆菌属、不动杆菌属、球衣菌属、短杆菌属、微球菌属、八叠球菌属、螺菌属、诺卡氏菌属等，多为革兰氏阴性菌。

在活性污泥形成初期，细菌多以游离态存在，随活性污泥成熟，细菌大多数包埋在菌胶团生成菌分泌的蛋白质和多糖等胞外聚合物中，形成菌胶团，进而形成活性污泥絮状体。随水质条件的不同，菌胶团絮状体可有球形、分枝、蘑菇、片状、椭圆及指形等各种形态。

9.3.1.2 原生动物

活性污泥中的原生动物以纤毛虫为主。原生动物是需氧性的生物，主要在活性污泥的表面活动，数量约在5万个/mL ，以摄取游离细菌和有机物作为营养。常见的游泳型纤毛虫有草履虫、肾形虫、斜管虫、漫游虫、半眉虫、四膜虫、裂口虫、喇叭虫、板壳虫、管叶虫等；匍匐型纤毛虫有楯纤虫、尖毛虫、棘尾虫、游仆虫、弹跳虫等；固着型纤毛虫有钟虫、独缩虫、聚缩虫、累枝虫、盖纤虫及吸管虫等。此外，还会观察到鞭毛虫和肉足虫，如屋滴虫、波豆虫、异鞭虫、袋鞭虫、变形虫、表壳虫、磷壳虫和砂壳虫等。

9.3.1.3其他微生物

有毛霉属、曲霉属、青霉属、链孢霉属、枝孢霉属、木霉属、地霉属等丝状真菌和轮虫、线虫等。

通常构成活性污泥的微生物种群相对稳定，但当营养、温度、溶解氧、pH 值等环境条件改变，会导致主要菌种（优势菌）变化。如含蛋白质污水中，产碱杆菌属和芽孢杆菌属占优势，糖类废水中假单胞菌属占优势。

9.3.2 活性污泥法的生物净化机理

活性污泥中的每一颗絮状体，都是一个活跃的微生物群体。污水中需氧微生物对有机质的分解作用，可归纳为下列过程：

9.3.2.1 生物吸附

由于活性污泥表面积很大（2000~10000m 2/m 3混合液），具有很强的吸附能力，可以吸附废水中的有机物。废水与活性污泥接触后，其中有机质可以在约1～30min 的短时间内被吸附到活性污泥上。还可以吸附某些金属离子，使之与有机物形成络合物而得以去除。

9.3.2.2氧化分解有机物

废水中的溶解性有机物直接被细菌吸收，在体内氧化分解，进而无机化；大分子的有机物先被细菌分泌的胞外酶作用下分解为小分子的化合物，然后透过细菌的细胞壁和细胞膜被细菌摄入体内，在胞内酶作用下，一部分被同化成细胞物质，另一部分被继续分解为CO 2、H 2O 、SO 42－、NH 3、PO 43－等简单无机物及能量释出。

在该过程当中，细菌分解有机物获取营养，同时获取能量，合成自身细胞。

有机物

分解的产物是稳定化的简单无机物。

9.3.2.3 其它微生物吸收或吞食未分解彻底的有机物。

大多数原生动物是动物性营养，它们吞食有机颗粒和游离细菌及其它微生物，有利于改善水质。

由于原生动物数量远远少于细菌，吞食量并不影响细菌整体净化效果，相反随着大量游离细菌的被吞噬，使出水的含菌量、悬浮物、有机氮、BOD浓度降低，处理后的水质由浑浊变清澈。此外，原生动物分泌的粘液物还具有促进絮凝作用，提高了活性污泥的沉降性能。另外，原生动物吞噬游离细菌，从另一个方面起到了促进细菌的絮凝作用。

9.3.3 活性污泥中微生物的指示作用

9.3.3.1 活性污泥的指示作用

通过絮状体的颜色、数量、颗粒大小及结构的松紧程度可衡量活性污泥的性能，例如新生的活性污泥颜色浅、无色透明、结构紧密，则说明其生命力旺盛，吸附和氧化能力强，沉降性能良好。

9.3.3.2 原生动物和微型后生动物的指示作用

原生动物和微型后生动物便于通过普通光学显微镜观察和分辩，因而可以作为指示生物。依据种类、数量、形态上的变化，判断处理系统运行状况和出水水质状况。

在污水处理生态系统中形成了一条特定的食物链，即细菌→植物性鞭毛虫→肉足虫→动物性鞭毛虫→游泳型纤毛虫、吸管虫→固着型纤毛虫→轮虫。

在活性污泥中出现轮虫，往往表明处理效果良好，但当轮虫数量过多，则可能破坏污泥结构，导致污泥松散上浮。

（1）根据生物演替判断活性污泥的成熟程度

活性污泥培养初期以鞭毛虫、变形虫为优势种；活性污泥培养中期以游泳型纤毛虫、鞭毛虫为优势种；活性污泥培养成熟期以钟虫等固着型纤毛虫、楯纤虫、轮虫为优势种。

（2）根据生物种类判断活性污泥和处理水质的效果

如出现大量固着型的纤毛虫和楯纤虫、轮虫时，说明活性污泥状况良好，废水中溶解氧适当，出水水质好；当游泳型纤毛虫和鞭毛虫、根足虫等出现，说明活性污泥结构松散，出水水质差，运转不正常，必须采取调节措施；当出现线虫则说明缺氧。

（3）根据生物形态和数量的变化判断处理条件

在生物处理过程中，运行条件的突然变化（如进水水量、有机物浓度、溶解氧、温度、pH值、有毒物质等），会影响处理效果。通过镜检中原生动物形态和数量的变化情况，了解进水水质及运行条件正常与否，进而采取相应的措施。如当溶解氧不足或其他环境条件恶化时，钟虫会变得不活跃或数量减少、或虫体变态尾柄脱落，产生次生纤毛环呈游泳生活；继而虫体变成胞囊或虫体变长直至死亡。如废水水质改善，环境条件恢复正常，虫体可恢复原状及活力。

图9.3钟虫虫体变态过程

（引自周群英、高廷耀.环境工程微生物学.北京：高等教育出版社.2000）