第九章水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理

第九章 水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理第一节好氧活性污泥第二节好氧生物膜第三节厌氧生物处理中的微生物群落

法国里尔污水处理厂

废水的生物处理的方法很多，根据微生物与氧的关系可分为好氧处理和厌氧处理。废水的生物处理的方法很多，根据微生物与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目前净化污（废）水中采用的最广泛的方法。

第一节好氧活性污泥 好氧活性污泥：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。能自我繁殖、更新，可以反复使用

（一）好氧活性污泥中的微生物群落 1、好氧活性污泥的组成与性质（1）组成：微生物（好氧、兼性及少量厌氧）+ 固体物质（有机和无机）（2）性质：絮状，绒粒大小为0.02-0.2mm，比表面积在20-100cm2/ml，含水率99%；比重1.002-1.006，具有沉降性能； pH在6-7，弱酸性，具一定的pH缓冲能力。（3）颜色：生活污水一般为黄褐色，工业污水则与水质有关

2、好氧活性污泥的存在状态： • 在完全混合式曝气池中，由于曝气搅动，始终以悬浮状态存在，均匀分布，并处于激烈运动中； • 在推流式曝气池内，随推流方向微生物种类增多。完全混合式曝气池推流式曝气池

3、好氧活性污泥中的微生物群落 • 活性污泥的主体是菌胶团 • 菌胶团：由细菌分泌的多糖类物质将细菌等微生物包裹成的粘性团块 • 形成绒絮状的作用： • （1）吸附富集生物和污染物，增加微生物与污染物碰撞几率 • （2）防止微型动物对细菌吞食 • （3）供原生动物、微型后生动物吸附

（1）细菌：活性污泥的主要生物成分。 种类：动胶菌属和假单胞菌属最常见。此外还有一类丝状细菌存在，如球衣菌属、发硫菌、贝氏硫菌属。生理特征：它们大多数是化能异养菌，以有机质为主要营养源，好氧或兼性厌氧，以G-占优势。许多菌具有荚膜或微荚膜，部分细菌有纤毛，与絮状体形成密切相关。有良好的自我凝聚能力和沉降性能

动胶菌属

球衣菌属

（2）真菌：主要为丝状真菌，有毛霉、根霉、曲霉、青霉、镰刀霉、木霉、地霉等。霉菌常出现在pH低的废水中。真菌在活性污泥中不占重要地位，其作用估计与絮状水体形成及膨胀有关。（2）真菌：主要为丝状真菌，有毛霉、根霉、曲霉、青霉、镰刀霉、木霉、地霉等。霉菌常出现在pH低的废水中。真菌在活性污泥中不占重要地位，其作用估计与絮状水体形成及膨胀有关。（3）微型动物：原生动物和少数多细胞动物，原生动物占总数90%。数量种类与污水的类型不同而不同，生活污水中原生动物量大于工业废水。以纤毛虫纲占优势，多细胞动物有轮虫、颤蚓、线虫等。原生动物在废水净化中的作用很重要。（4）藻类：较少，有绿藻如小球藻属，蓝细菌颤藻属。

活性污泥中的微生物群落结构相对稳定 • 会随着营养条件、温度、溶解氧、pH等环境条件变化 • 生活污水和医疗污水中还会有致病菌、病毒、立克次氏体、支原体、衣原体等

4、好氧活性污泥中微生物的浓度和数量 浓度常用1升活性污泥混合液中恒重的干固体mg数表示，即MLSS（mixed liquor suspended solids——混合液挥发性悬浮固体）。一般生活污水 MLSS 2000-3000mg/L 工业废水 MLSS 3000mg/L 高浓度工业废水 MLSS 3000-5000mg/L 1ml好氧活性污泥中的细菌数有107-108个

（二）活性污泥净化废水的作用机理 普通活性污泥法是依据水的自净作用原理发展而来的净化作用过程： 1、吸附：废水与活性污泥充分接触，形成悬浊混合液，污染物被比表面积大的絮凝性微生物吸附。 2、降解：①微型动物撕碎、吞食颗粒状物质 ②大分子有机物被菌胶团吸附后，胞外水解酶分解为小分子物质，选择性吸收入细胞。在细菌内氧化分解，中间代谢物被其他细菌吸收无机化为水和二氧化碳。

初沉池 二沉池曝气池 → → → → 废水出水回流污泥剩余污泥（三）好氧活性污泥法的几种处理工艺流程活性污泥法的一般流程：在曝气池中废水与积累的活性污泥充分混合接触，污染物转移到污泥上，微生物以污染物为养料并从水中取得氧气生长繁殖(biomass)，某些代谢产物(如二氧化碳、氨)则进入水中。随后,混合液流过沉淀池,泥水分离，出水得到处理,污泥则回流到曝气池入口,再次进入过程。

曝气池 利用活性污泥法进行污水处理的构筑物。池内提供一定污水停留时间，满足好氧微生物所需要的氧量以及污水与活性污泥充分接触的混合条件。　　曝气池主要由池体、曝气系统和进出水口三个部分组成。池体一般用钢筋混凝土筑成，平面形状有长方形、方形和圆形等。曝气方法主要有鼓风曝气和机械曝气。

沉淀池 应用沉淀作用去除水中悬浮物的一种构筑物。沉淀池在废水处理中广为使用。它的型式很多，按池内水流方向可分为平流式、竖流式和辐流式三种。

（1）推流式曝气法： 采用长方形曝气池，处理时废水与活性污泥从曝气池一端同时进入，经曝气机的推流作用，原污水与活性污泥向前推进到末端。该法BOD和悬浮物的去除率达90-95%，适用于处理水质要求高和水质比较稳定的废水。缺点： • 对水质变化的适应能力不强 • 所供氧不能充分利用，前端需氧量大后端相反，但空气是沿池平均分布的 • 曝气池相对庞大，占地多，能耗高推流式曝气池

（2）完全混合式曝气法 原污水、回流污泥进入曝气池后立即与池内原有的混合液充分混合。池内水质均匀，各部分工作情况基本一样。缺点主要是出水水质上往往不及推流式。（3）接触氧化稳定法也称吸附再生法。曝气池分为接触氧化池（吸附池）和稳定池（再生池）。废水先进入接触氧化池，充分混合后进入沉淀池，回流污泥进入稳定池，曝气但不加废水，使活性污泥中有机物进一步分解。（4）分段布水推流式曝气法也称多点进水曝气法。废水沿池多点进入，使有机物在曝气池中分布均匀。

（5）氧化沟式活性污泥法 连续环式反应池，因其构筑物呈封闭的沟渠形而得名。平面上多为椭圆或圆形。具有特殊的水流混合特征，介于推流式和完全混合式之间。适合处理高浓度有机废水。污泥产量少，能耗低。

（四）氧化塘（或氧化沟）的生物群落及其处理废水机制（四）氧化塘（或氧化沟）的生物群落及其处理废水机制氧化塘就是利用天然池塘、河堤、洼地来治理污染。在塘内形成藻类、好氧性细菌和原生动物组成共生系统，使废水得到净化。微生物群落结构与天然水体接近

1、微生物群落 （1）藻类：表层是藻类，如小球藻、栅列藻、衣藻、裸藻、颤藻等。（2）细菌：存在下层。优势菌群：假单胞菌、黄杆菌、产碱杆菌、芽孢杆菌、光合细菌等，在底部厌氧层有硫酸盐还原菌、产甲烷菌等。（3）微型动物：主要是纤毛虫，一般有钟虫、膜袋虫等种类，最高1000个/ml。还有轮虫、甲壳类、摇蚊幼虫（底泥中）

2、处理机制 利用细菌与藻类的互生关系来分解有机污染物的废水处理系统。

氧化塘法的优点： （1）能充分利用地形，结构简单，建设费用低。（2）可实现污水资源化和污水回收及再用，实现水循环，既节省了水资源，又获得了经济收益。（3）处理能耗低，运行维护方便，成本低。风能是稳定塘的重要辅助能源之一，经过适当的设计，可在稳定塘中实现风能的自然曝气充氧，从而达到节省电能降低处理能耗的目的。（4）美化环境，形成生态景观。（5）污泥产量少。（6）能承受污水水量大范围的波动，其适应能力和抗冲击和能力强。

氧化塘的缺点： （1）占地面积大。（2）气候对稳定塘的处理效果影响较大。（3）若设计或运行管理不当，则会造成二次污染。（4）易产生臭味和滋生蚊蝇。（5）污泥不易排出和处理利用。

（五）活性污泥中原生动物及微型后生动物的作用（五）活性污泥中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

1、指示作用：原因在于原生动物是较高等微生物，耐毒力比细菌好，对环境因素改变比较敏感，环境条件改变可引起它们种群、数量及代谢活力的变化；个体大，在低倍镜下可见，便于观察。 1、指示作用：原因在于原生动物是较高等微生物，耐毒力比细菌好，对环境因素改变比较敏感，环境条件改变可引起它们种群、数量及代谢活力的变化；个体大，在低倍镜下可见，便于观察。（1）判断污水处理程度：

（2）指示污泥性质和处理效果： 正常污泥：钟虫属、累枝虫属、盖虫属等固着性或匍匐性种属。污泥恶化：絮凝体0.1-0.2mm以下，优势种属有豆形虫、草履虫、眼虫、波豆虫属等快速游泳型种属。严重恶化时微型动物几乎不出现。污泥膨胀：摄食丝状菌的裸口目旋毛科、全毛类原生动物及拟轮毛虫等。污泥解体：絮凝体细小。优势种为变形虫属、简便虫属等肉足类。钟虫草履虫变形虫

（3）指示水质变化和运行中出现的问题 形态变化：环境条件恶劣时——形成孢囊；pH超过正常范围——钟虫纤毛停止摆动，虫体收缩成团。生殖方式：出现有性生殖时往往预示环境条件变差或种群处于衰老期。优势种变化：高负荷，曝气不足——小鞭毛虫；水停留时间过短——小的游泳型纤毛虫；很高负荷及难降解物——小裸变形虫和鞭毛虫；溶氧不足——阿托氏菌属、扭头虫属和新态虫属过分曝气——肉足类及轮虫类。

（4）指示细菌活力：小口钟虫在细菌生长活跃旺盛的对数期出现，沟钟虫需要细菌的代谢副产物，出现在细菌生长的衰老期。（4）指示细菌活力：小口钟虫在细菌生长活跃旺盛的对数期出现，沟钟虫需要细菌的代谢副产物，出现在细菌生长的衰老期。 2、净化作用腐生性营养的某些鞭毛虫通过渗透作用吸收污水中溶解性有机物；动物性营养的原生动物可吞食有机颗粒和游离细菌，利于净化水质；原生动物的活动可撕碎较大颗粒物，扰动水体，使颗粒物混合均匀，便于进一步降解 3、絮凝和沉淀作用原生动物可以分泌一定的粘液协同和促进细菌发生絮凝作用。

（六）好氧活性污泥的培养 1、间歇式曝气培养（1）菌种来源：污水处理厂的活性污泥；工厂集水池或沉淀池污泥；污水流经的河流淤泥。（2）驯化：污泥脱水机曝气23h 低浓度废水培养倾去上清液，加入同浓度新鲜废水沉淀1h 重复3-7天重复操作调高1个浓度原废水浓度

闷曝运行一周接种小流量进水增加一个浓度梯度设计流量（3）培养：将驯化好的活性污泥改用连续曝气培养法培养，用镜检和化学测定分析判断活性污泥的成熟度，若菌胶团结构紧密，原生动物以钟虫等固着型纤毛虫为主，沉降性能好，说明活性污泥培养进入成熟期。 2、连续曝气培养用现成的与本厂相同水质处理厂的活性污泥做菌种可直接用连续曝气培养。

正常的活性污泥沉降性能很好，但当活性污泥性能发生变化，比重减轻，污泥会因结构松散而造成沉降困难，在二次沉淀池中出现池面飘泥现象，污泥随出水排出，使出水有机物浓度增高，这一现象称为污泥膨胀。正常的活性污泥沉降性能很好，但当活性污泥性能发生变化，比重减轻，污泥会因结构松散而造成沉降困难，在二次沉淀池中出现池面飘泥现象，污泥随出水排出，使出水有机物浓度增高，这一现象称为污泥膨胀。（七）活性污泥丝状膨胀的成因及控制对策

污泥膨胀有两种：丝状膨胀——丝状细菌引起；菌胶团膨胀——非丝状细菌引起。可用SVI（Sludge volume index；污泥体积指数）衡量，当SVI大于200ml/g时表示发生膨胀，小于200为正常，通常在50-150，最好是100。污泥体积指数，是衡量活性污泥沉降性能的指标。指曝气池混合液经30min静沉后, 相应的1g干污泥所占的容积(以mL计), 即: SVI=混合液30min静沉后污泥容积(mL)/污泥干重(g) ，即SVI=SV30/MLSS 丝状膨胀

一、活性污泥丝状膨胀的成因 （一）致因微生物最常出现的微生物有10多种，如诺卡氏菌、微丝菌、浮游球衣菌、发硫菌等。除了常见的丝状细菌外，也包括某些放线菌、丝状真菌以及在一定生活阶段或一定条件下，菌体能集合成链状的芽孢杆菌属、埃希氏菌属、黄杆菌属、假单胞菌属的某些菌株。

（二）活性污泥丝状膨胀的成因 1、温度：菌胶团细菌如动胶菌最适生长温度28-30℃，浮游球衣菌是25-30℃，两者差别不大，但浮游球衣菌是好氧和微量好氧菌，能优势生长。 2、溶解氧（DO）菌胶团细菌是严格好氧的，浮游球衣菌是好氧菌但在微氧条件下也能正常生长。如贝日阿托氏菌、发硫菌在DO为0.5mg/L时生长最好。

3、可溶性有机物及其种类 丝状细菌能吸收可溶性有机物，尤其是低分子的糖类和有机酸，厌氧条件下有机物不彻底分解产生有机酸，使丝状细菌大量生长。 4、有机物浓度（有机负荷）浮游球衣菌较能适应贫营养的生长条件，在C、N含量较低的条件下能良好生长。在生活污水和食品类有机废水中BOD为100-200mg/L，浮游细菌可呈优势生长，数量超过60%，使污泥发生膨胀。动胶菌适于营养较丰富的条件，对碳源利用率高，C：N大于10呈絮状生长，小于10则不凝聚和分散生长。

（三）活性污泥丝状膨胀的机理 表面积/体积比假设：在单位体积中，丝状细菌的表面积与体积比较菌胶团细菌大，对有限制性的营养和环境条件的争夺占优势，丝状细菌大量生长成为优势菌引起活性污泥膨胀，两者的优势竞争在于以下方面： 1、对溶解氧的竞争：氧充分条件下好氧的动胶菌生长良好。如果曝气池溶解氧长期维持在低水平，利于丝状细菌的优势生长。 2、可溶性有机物的竞争：低分子糖类和有机酸利于丝状细菌的生长。

3、对C、N的竞争 营养物浓度较低时，利于丝状菌生长而且还可蓄积营养物，更进一步抑制动胶菌的生长。 4、有机物冲击负荷的影响如果曝气池中有机物浓度突然增加，供氧量不变，由于好氧生物的呼吸作用迅速消耗溶解氧，利于丝状细菌的生长。

二、控制活性污泥丝状膨胀的对策 根本在于控制引起丝状细菌过度生长的环境因子。 1、控制溶解氧保持曝气池内有足够的溶解氧（>2mg/L），可在曝气池中用强化曝气、射流曝气等方法控制高负荷下的污泥膨胀。 2、控制有机负荷有机负荷可用容积负荷表示，即单位反应器容积每日接受的废水中有机污染物的量。污染负荷在0.2-0.3kg BOD/ kg MLSS.d为宜。

3、改革工艺 （1）投加某种物质来增加污泥的比重或杀灭丝状菌投加铁盐、铝盐等混凝剂，可以通过其凝聚作用增加活性污泥的比重。丝状菌的比表面积大，遇到有害化学药剂时，遭受破坏的主要是丝状菌，常用的化学药剂是氯气，投加臭氧、过氧化氢也能起作用。（2）采用新工艺：将活性污泥法改用生物膜法。

第二节好氧生物膜 好氧生物膜法的构筑物有：普通滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池，以及生物转盘、接触氧化法（即浸没式滤池法）等。 • 生物膜：固定于特定载体上的结构复杂的微生物共生体 • 需填装物料 • 生物膜处理系统的效率取决于其中微生物活性的高低和所装填料的量及其比表面积

生物转盘: 由水槽和部分浸没于污水中的旋转盘体组成的生物处理构筑物。盘体表面上生长的微生物膜反复地接触槽中污水和空气中的氧，使污水获得净化。

各式各样的生物膜反应器

（一）生物膜中的微生物群落 1、好氧生物膜：由各种微生物组成的，附着在各种支撑体上的一层粘性固定化薄膜。是生物膜法处理系统的工作主体，厚约2-3mm，一般呈蓬松的絮状结构，微孔很多，表面积很大，因此有很强的吸附作用，有利于微生物进一步对这些吸附的有机物的分解。

2、好氧生物膜中的微生物群落及其功能 生物膜生物生物膜生物滤池扫除生物生物膜面生物滤池扫除生物生物膜面生物

（1）生物膜生物： 细菌：以动胶菌为主，其他的还有好氧的芽孢杆菌属、不动杆菌属，专性厌氧的脱硫弧菌属等。另一主要的细菌是丝状细菌。在生物膜中丝状细菌不会引起膨胀，特别是球衣细菌降解有机物能力非常强，在净化废水中起重要作用。此外，丝状菌大量生长，菌丝体交叉粘连形成网状结构，对水流起到过滤作用。真菌：种类和数量都很丰富，约30%是真菌。藻类：在生物滤池上部，藻类的主要作用是向生物膜供氧。

（2）生物膜面生物 固着型纤毛虫：钟虫、独缩虫、累枝虫属；游泳型纤毛虫：豆形虫、尖毛虫等。它们是动物中的主要类群，其优势种随生物膜营养物质和其他环境条件变化而更替，可作为水处理的指示生物。能促进滤池净化速度，提高滤池整体的处理效率。（3）滤池扫除生物体形较大的无脊椎动物如轮虫、线虫，环节动物门的瓢体虫、沙蚕，节肢动物水螨，软体动物蜗牛等，去除滤池中的污泥，防止污泥积聚和堵塞。

第九章 水环境污染控制与治理的生态工程及 微生物学原理