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微生物在污水生物处理中的作用

一、污水生物处理的特征

（一）、污水与污水生物处理

   污水中的污染物质成分极其复杂。一般生活污水的主要成分是代谢废物和食物残渣。工业废水可能含有较多的金属、酚类、甲醛等化学物质。此外污水中还含有大量非病原微生物和少量病原菌及病毒。污水的生物处理就是以污水中的混合微生物群体作为工作主体，对污水中的各种有机污染物进行吸收、转化，同时通过扩散、吸附、凝聚、氧化分解、沉淀等作用，以去除水中的污染物。因此，污水生物处理实际上是水体自净的强化，不同的是，在去除了污水中的污染物后，必须将微生物从出水中分离出来，这种分离主要是通过微生物本身的絮凝和原生动物、轮虫等的吞食作用完成的。

（二）、生化需氧量及生物处理的应用

   在污水处理中，通常是以有机物在氧化过程中所消耗的氧量这一综合性指标来表示有机污染物的浓度，如生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）。生化需氧量是指在特定的温度和时间（通常这5 d、20℃下，微生物分解污水中有机物所消耗的氧量，称为BOD5。BOD5约占生化需氧总量的2/3，故采用BOD5来表示污水中可降解有机物的浓度是比较合适的。但污水中有机物并不是都能较快降解的，在工业废水中，可以结合COD等指标表示有机污染物的浓度。

  只有BOD高的废水才适宜采用生物处理，COD很高但BOD不高的废水不宜采用生物处理。对于有毒的废水，只要毒物能降解，就可用生物法处理，关键是控制毒物浓度和驯化微生物。

  （三）、污水生物处理的效果

  污水经过生物处理后，其中的杂质和污染物质能以某种形式（如生物絮凝作用）被分离除去，或被转为无害的物质。例如，城市生活污水经生物处理后，活性污泥法的BOD和SS（悬浮性固体）去除率都在90%左右；生物滤池法BOD去除率在80%、SS去除率在90%左右。
  生物处理还能减少城市污水中的病原微生物和病毒，但浓度仍然较高，因此，出水和剩余污泥都要消毒。

  二、污水生物处理方法
  根据微生物对O2的需求不同，污水生物处理可分为好氧处理和厌氧处理两大类。根据构筑物的不同类型以可分为多种方法（表10-1）。
  （一）、好氧生物处理
  好氧生物处理是在水中有溶解氧存在的条件下，借好氧和兼性厌氧微生物（其中主要是好氧菌）的作用来进行的。在处理过程中，绝大多数的有机物都能被相应的微生物氧化分解。整个好氧分解过程可分为两个阶段。第一阶段，主要是有机物被转化为CO2、H2O、NH3等；第二阶段，主要是NH3转化为NO2和NO3。
  用好氧法处理污水，基本上没有臭气，处理所需的时间比较短，如果条件适宜，一般可去除BOD580～90%以上。
  根据处理构筑物的不同，好氧生物处理的方法可分为活性污泥法、生物膜法、氧化塘等。其中活性污泥法和生物膜法应用最广泛。
  （二）厌氧生物处理
  套氧生物处理是在无氧的条件下，借厌氧和兼性厌氧微生物（其中主要是厌氧菌）的作用来分解污水中有机物的，也称厌氧消化或厌氧发酵。
  有机物厌氧分解的钱过程是由三类生理上完全不同的细菌分三个阶段完成的（图10-4）。第一阶段，复杂有机物如纤维素、蛋白质、脂肪等在微生物作用下降解为简单的有机物如粮类、有机酸、醇等，是水解、发酵阶段；第二阶段，由产氢产乙酸细菌群将有机酸等转化成乙酸、H2及CO2，为产氢产乙酸阶段；第三阶段，在产甲烷细菌作用下将乙酸（包括甲酸）、CO2、H2转化为CH4，是产甲烷阶段。
  厌氧生物处理主要应用于有机污泥和高浓度有机污水的处理。由于是密闭发酵，所以在处理过程中不影响周围环境；同时隔绝空气又加以高温发酵，可以钉死寄生虫卵和致病菌；并且可以产生生物能源甲烷。因此厌氧消化法近年来渐渐受到重视，但由于所需时间长，对设备要求严格，因而影响其迅速推广。

  三、污水生物处理中的微生物群落及其作用
  （一）、活性污泥微生物群落及其作用
  活性污泥是指由细菌、微型动物为主的微生物与胶体物质、悬浮物质等混杂在一起形成的，具有很强吸附分解有机物的能力和良好沉降性能的绒絮状颗粒。活性污泥中生存着各种微生物，构成了复杂的微生物群落。其中主要的微生物是细菌（以好氧性异养菌为主）和原生动物，此外尚有酵母菌、丝状霉菌、单胞藻类、轮虫线虫等。
 1、活性污泥中的细菌及其作用
   活性污泥中细菌的数量约为108～109个/ mL，它们是去除水中有机污染物的主力军。最常出现的优势种群是：产碱杆菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属、假单孢菌属、动胶菌属，其次尚有无色杆菌、诺卡氏菌、蛭弧菌、分枝蒜苗、硝化细菌、大肠埃希氏菌等。它们全部是化能异养菌，多数为革兰氏阴性菌，可以有效地分解废水中的有机污染物。
   在活性污泥形成初期，细菌多以游离态存在，随着活性污泥的成熟，菌胶团细菌分泌胞外聚合物（蛋白质、核酸、多粮等）形成细纤维状的胞间物质，然后通过它们相互纠缠作用而形成菌胶团絮状物，随后丝状细菌、霉菌、原生动物等交织附着其上，形成活性污泥绒絮状颗粒，这个过程称为生物絮凝作用。因此，菌胶团是活性污泥的结构和功能中心，由于其巨大的表面积和粘性，使活性污泥具有魏吸附和分解有机物的能力，同时菌体包埋在絮状体中，可避免原生动物的吞噬；絮状体的形成，又为固着生长的微生物提供了附着和栖息的场所，这就为水处理微生物的自下而上和发展提供了方便；更重要的是，絮凝使活性污泥具有了良好的沉降性能，利于二沉池中泥水分离。
活性污泥中的丝状细菌，如球衣细菌、贝氏硫菌、线硫菌，它们附着于污泥或与菌胶团交织而构成活性污泥的骨架。但若污水中含有大量碳水化合物，低氧和有机物浓度过高低时，都会引起丝状细菌大量繁殖而造成污泥结构极度松散，污泥因浮力增加而上浮，产生污泥膨胀现象，降低处理效果。

  2、活性污泥中的原生动物及其作用
   活性污泥中原生动物在数量和种类上仅次于细菌，常见的优势种是纤毛类。它们主要附聚在污泥表面。其作用在于。（1）有些原生动物（如变形虫）能吞噬水中有机颗粒，对污水有直接净化作用；（2）某些原生动物（如纤毛虫）能分泌粮类物质，可促进生物絮凝作用；（3）吞食游离细菌，有利于改善出水水质；（4）可作为污水净化的指生物。
   在活性污泥的培养和驯化阶段中，原生动物按一定的顺序出现。在运行初期曝气池中常出现鞭毛虫和肉足虫。若钟虫出现且数量较多，刚说明活性污泥已成熟，充氧正常。若固着型纤毛虫减少，游泳型纤毛虫突然增加，说明污水处理运转不正常。因此，根据污水中微生物的活动规律就可以判断水质和污（废）水处理程度，因为随着水质条件（营养、温度、pH值、溶解氧）的变化，细菌与佩型动物的种类和数量出发生一定的变化并遵循一定的演替规律（图10-5）：细菌→植鞭虫→动鞭虫→变形虫→游泳型纤毛虫、吸管虫→固着型纤毛虫→轮虫。

（二）生物膜中的微生物群落及其作用

当污水通过滤料时，在滤料表面逐渐形成一层粘膜，粘膜中生长着各种微生物，这层粘膜就是生物膜。生物膜有巨大的表面积，能吸附污水中呈各种状态的有机物，具有非常强的氧化能力。
   生物膜中常见的微生物：主要组成菌有好氧的芽孢杆菌、不动杆菌、专性厌氧的脱硫弧菌以及假单孢菌、产碱杆菌、黄杆菌、无色杆菌、微球菌和动胶菌等兼性菌，这些细菌互相粘连构成菌胶团，担负着主要的氧化分解有机物的任务，生物膜上的丝状细菌有球衣细菌、贝氏硫菌等，它们降解有机物的能力极强，在量生长的菌丝体交织粘辐形成层层的网状结构，对水水具有过滤作用，被处理水中的悬浮物被丝状菌网吸附截留，出水变得澄清，同时菌丝的交织作用又可使膜块的机械强度增加，不易脱落更新，但丝状细菌过速生长会堵塞滤池，影响净化过程的正常进行；生物膜中出现较多的真菌是镰刀霉、曲霉、地霉、枝孢霉、青霉及酵母菌、霉菌可形成类似丝状细菌的网状结构；藻类仅生长在生物膜表面见光处，主要有小球藻、席藻、丝藻等过度生长，会覆盖滤池表面，影响水流畅通；原生动物主要是钟虫、累枝虫、盖纤虫和草履虫等纤毛虫，它们能提高生物滤池的净化程度和效率；此外尚有轮虫、线虫、沙蚕等后生动物去除池内污泥，能防止污泥积聚、抑制生物膜过速生长，保持生物膜的好氧状态，对废水净化有良好作用。
  生物膜上微生物的生态演替主要受溶解氧和营养的制约。从膜面到膜内，微生物按好氧化发发→ 兼性→厌氧的顺序出现；从滤池的上层到下层，有机物浓度逐渐降低，优势种以菌胶团细菌→丝状细菌、鞭毛虫、游泳型纤毛虫→固着型纤毛虫、轮虫的序列出现。因此，通过观察各区段微生物种类的演替情况，有可能判断出废水浓度的变化或污泥负荷的变化。
  四、污水处理的菌种培养及其对水质要求
  （一）菌种培养方法
1、生物膜的培养和驯化
  生物滤池投入运转初期，必须培养和驯化生物膜。这个过程一方面是使微生物在滤料表面生长繁殖，挂上生物膜；另一方面是使生物膜上的微生物产生一定的变异，能逐渐适应处理的污（废）水的水质，也就是训化。培养与驯化的方法有以下几种：
  （1）先将生活污水送入滤池，生物膜在滤料上形成后，逐渐投加准备处理的工业废水，对生物膜加以驯化。
  （2）将生活污水与待处理的工业废水混合送入滤池，工业废水混入比例逐渐增大，使挂膜与驯化结合起来同时进行。
  （3）用其他污水处理厂的活性污泥或生物膜进行接种培养，并以逐渐增大准备处理的工业废水投量的方式加以驯化。
2、活性污泥的培养与驯化
  活性污泥法处理污水的首要问题是要在曝气池运行投产前，准备好足够数量具有处理某种污水能力的活性污泥。培养与驯化方法如下：
  （1）将附近同类型污水处理厂成熟的活性污泥取来直接使用。该方法最简便。
  （2）采用生活污水和粪便水曝气培养，再用需处理的废水驯化。该法较常用但所需时间长。
  （3）在用生活污水、粪便水培养活性污泥的同时，逐渐加入待处理的工业废水，使培养与驯化同时进行，缩短驯化时间。
  活性污泥培养成熟的标志是：具有良好的凝聚、沉淀性能；污泥中有大量的菌胶团和纤毛类原生动物；菌胶团颜色较浅、无色透明、结构紧密，游离细菌少，固着型纤毛类占优势；可使BOD5去除率达到底0%左右。
  （二）污水生物处理对水质的要求

  污水生物处理是利用微生物的作用来完成的，因此要给微生物的生长繁殖创造适宜的环境条件。在污水生物处理中，水质条件极重要。
1、pH值
  好氧生物处理，pH应保持在6～9范围内。厌氧生物处理，pH应保持在6.5～8之间。PH过低、过高的污水在进入处理装置时应先行调整pH值。在运行期间，pH不能突然变化太大，以防微生物生长繁殖受到抑制或死亡，影响处理效果。
2、温度
  一般好氧生物处理要求水温在20～40℃之间。污泥的厌氧消化需利用高温微生物进行厌氧发酵，温度应提高至50～60℃之间。
3、营养
  微生物的生长繁殖需要各种营养。好氧微生物群体要求BOD5（C）：N：P=100：5：1，厌氧微生物群体要求BOD5（C）：N：P=100：6：1。城市生活污水能满足活性污泥的营养要求，但工业废水除有机物外一般缺乏某些养料，特别是N和P，故这类污水进行生物处理时，需要投加生活污水、粪尿、或氮、磷化合物。但如果工业废水不缺营养，切勿添加上述物质，否则会导致反驯化。
  此外，尚需要考虑污水所含的有机物浓度过高过低皆不宜。一般来说，好氧生物处理法进水有机质浓度不宜超过BOD5500～1000mg/L，不低于50～100mg/L；厌氧生物处理高浓度有机污水，BOD5可高达5000～10000mg/L甚至20000 mg/L。
  4、有毒物质
  工业废水中往往含有许多有毒物质，如重金属、H2S、氰、酚等。虽然所有初次接种到某种废水中的微生物群体（活性污泥或生物膜）在培养驯化中都已经历了自然筛选过程，剩下的细菌中绝大部分都是以该种废水中污染物质为主要营养的降解菌，但当污水中的有毒物质超过一定浓度时，仍能破坏微生物的正常代谢。影响污水生物处理效果。因此，对某种污水进行生物处理是，必须根据具体情况确定处理方法，必要时通过试验，以确定生物处理中毒物的容许浓度（表10-2所列数字公供参考）。同时，加强微生物驯化以提高对毒物的碉受力。
5、溶解氧
  好氧生物处理要保证供应充足的氧气。否则会使处理效果明显下降，甚至造成局部厌氧分解，使曝气池污泥上浮，生物滤池或生物转盘上的生物膜大量脱落。但溶解氧过多，也不利于生物处理。