（环境工程专业论文）好氧微生物净化污水的机理与实践.pdf

中文摘要 在当前的废水处理技术领域，t 生物处理是应用最为广泛的技术之一，好氧 生物处理活性污泥工艺是废水处理的主要工艺。在全球近6 万座城市污水处 理厂中，有3 万多座采用活性污泥工艺。废水好氧生物处理中不管采用何种处理 构筑物的形式及何种工艺流程，都是通过活性污泥中微生物的代谢活动，将污水 中的有机物质氧化为无机物质，从而使污水得以净化。 通过对微生物在废水好氧生物处理中降解机理、环境影响因素、降解有机物 时的作用因素、存在种类、微生物与废水处理效果之间的关系等的研究和探讨， 并以活性污泥法为污水处理工艺的大型城市污水处理厂作为生产性研究基地，通 过对大型城市污水好氧处理工艺传统活性污泥法中近两年微生物的存在状 态、微生物种群比例的变化规律、微生物和水质处理效果之间的关系的探讨，通 过对大量数据分析和研究，确定废水在好氧生物处理中微生物和处理效果之间的 关系。 研究结果表明：废水生物处理过程中，活性污泥微生物种群的存在相对稳定， 在废水处理效果良好的情况下，活性污泥微生物种群之间存在一个较为固定的比 例关系。同时根据对活性污泥微生物的生长情况，种群数量、存在比例预测活性 污泥的质量及污水净化的程度。另外通过对菌群中某一种类突然发生“水华”现 象，根据其自身的适应特征，而发现和工艺运行中一些异常情况( 溶解氧的变化、 有毒物质等) ，及时进行工艺调整，确保废水处理效果，为废水生物处理运行管 理工作提供指导性作用。 关键词：废水生物处理活性污泥微生物净化 a bs t r a c t f o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，b i o l o g i c a lt r e a t m e n ti so n eo ft h eb r o a d e s tu s e t e c h n o l o g i e s ，a e r o b i cb i o l o 画c a lt r e a t m e n t _ 丑c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si st h em a j o r w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s t h e r ea r ea b o u t6 0 0 0 0w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t si n t h ew o r l 也m o r et h a n3 0 0 0 0o f t h ep l a n t sa d o p tt h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s , m o s to f t h eo t h e r ss m a l jp l a n t su s es t a b i l i z a t i o np o n ds y s p n n om a t t e rw h a tt y p eo ft h e t r e a t m e n tc o n s t r u c t i o na n dw h a tk i n do fp r o c e s s a l lw a s t e w a t e ra e r o b i cb i o l o g i c a l f u n c t i o n s b y a c t i v a t e d s l u d g em i c r o o r g a n i s m s m e t a b o l i s m a c t i v i t y , o r g a n i c s u b s t a n c e sa y eo x i d i z e dt oi n o r g a n i cs u b s t a n c e s ，s e w e r a g ei sp u r i f i e d f o rt h i sr e a s o n ，t h ep a p e rf o c u s e so nr e s e a r c h t h em e c h a n i s ma n dp r a c t i c eo f a e r o b i cm i c r o o r g a n i s mi nw a s t e w a t e rp u r i f i c a t i o n ”t l l ef a c t o r si ne n v i r o n m e n te f f e c t s ， t h ea c t i o nf a c t o r so fd e g r a d a t i o no r g a n i cm a r e r t h ee x i s ts p e c i e s ，t h er e l a t i o no f m i e r o o r g a n i s ma n dt h ee f f e c t so fw a s t e w a t e ri r e a t m e n t t h el a r g e - s i z e dm u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ，w h i e ha d o p t sa c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，w a su s e da sa r e s e a r c hb a s e i n n e a r l yt w oy e a r s , b yg n 珂y i n g t h e r e l a t i o n s h i p sa m o n g m i c r o o r g a n i s me x i s t e n c es p e c i e ss t a t e ，p r o p o r t i o nv a r i a t i o nr u l e , a n dt h ee f f e c t so f l a r g e - s i z e dm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t , w h i e hu s et h ea c t i v es l u d g ep r o c e s s ， a n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gal a r g ea m o u n td a t a , w ef o u n dt h er e l a t i u n s h i p so f m i c r o o r g a n i s ma n dt h ee f f e c t so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti n a e r o b i c b i o l o g i c a l t r e a t m e n t r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tw h e nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti nag o o dc o n d i t i o n ， e x i s t e n c eo ft h ea c t i v es l u d g em i c r o b i o l o s i cs p e c i e si sr e l a t i v e l ys t a b l e , t h ei saf i x e d p r o p o r t i o nr e l a t i o nb e t w e e nt h ea c t i v es l u d g em i c r o b i o l o g i es p e c i e ss i m u l t a n e o u s l y , a c c o r d i n gt ot h eg r o w t hs i t u a t i o n ，p o p u l a t i o nq u a n t i t y , e x i s t e n c ep r o p o r t i o no ft h e a c t i v es l u d g em i c r o o r g a n i s m ，t h eq u a l i t yo ft h ea c t i v a t e ds l u d g ea n dt h ed e g r e eo f w a s t e w a t e rp u r i f i c a t i o nc a nb ef o r e c a s t i n a d d i t i o n a c c o r d i n gt oak i n d0 ft h e b a c t e r i ab u r s tp h e n o m e n o nw i t ht h en a m e “w a t e rb l o o m s a n di t s a d a p f i v e c h a r a c t e r i s t i c s s o m eu n u s u a ls i t u a t i o n s ( t h e c h a n g eo f d i s s o l v e do x y g e n , t o x i c s u b s t a n c ea n ds oo n nt h ep r o c e s so p e r a t i o nw o u l db ef o u n d a n dt l l ep r o c e s sw o u l d a l s ob ea d j u s t e di nt i m e t i i e s em e t h o d sc a nm a k es u r et h ee f f e c t so fw a s t e w a t e r t r e a t m e n ta n dp r o v i d et h eg u i d ef o rt h eo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to fw a s t e w a t e r b i o l o g i c a lt r e a t m e n t k e yw o r d s ：w a s t e w a t e r , b i o l o g i c a lt r e a t m e n t ，a c t i v a t e ds l u d g e ，m i c r o o r g a n i s m ， p u r i f i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘生盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者魏赵办j 签字吼一年碉伊堀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 黝魏赵兢 签字日期：皎即参年口瑚口胡 导师躲铆 澌 签字日期：2 伪菇年乎月，孑日 第一章国内外研究现状 1 1 废水生物处理的发展现状 微生物在整个生态系统中扮演着重要的角色，是物质的主要分解者，在 自然界物质和能量转化中占有特殊的地位，发挥着不可替代的作用。微生物 在自然界中的分布极为广泛，空气、土壤、江河、湖泊和海洋等都有数量不 等、种类不一的微生物存在。微生物的活动使有机物和无机物之间的转化得 以不断进行，这对于维持生物圈的完整性是必不可少的，而生物圈是其他高 等生物赖以生存的基础。c 、0 、n 、s 、p 等元素的微生物转化是己发现的重要 例证“。污染控制工程中的生物处理法主要指的是利用微生物的作用，将污 染物分解转化成无机物的手段和技术，这一降解过程主要是靠微生物细胞分 泌的各种酶所催化反应完成的，废水的生物处理是微生物在污染控制中重要 的应用。 早在1 8 世纪，许多地方的人们通过沟渠将生活污水引进农田进行灌溉， 这便是原始的土地污水处理系统。从本质上讲，污水中的有机物在天然条件 下被土中的微生物所分解，转化成n 、p 等无机物，被植物吸收利用。 1 9 世纪末，人们开始对污水进行专门的处理，将污水通过装有碎石等填 料的柱子，经过一段时间后，污水变清得到净化。通过观察发现，碎石上产 生了一层膜状物，正是膜中的微生物将污水中的有机物加以分解，转化为二 氧化碳、水和微生物细胞物质，这就是较早的生物膜。生物膜法是使微生物 依附在固体表面成膜状生长，并与污水接触实现有机污染物的降解的方法。 由于生物载体上可形成稳定的生态系统，微生物种类多且微生物浓度高，故 具有较高的耐冲击负荷能力和很强的环境适应能力，容积负荷增高，处理能 力增大。 2 0 世纪初，活性污泥法问世，1 9 1 4 年英国建立了第一座活性污泥污水处 第一章国内外研究现状 理厂。自开始至今，活性污泥法的研究经过了近1 0 0 年的发展历程，随着活 性污泥法的广泛应用，对其污泥颗粒的形成、结构、性质，及其生物类群、 净化机理、污泥碰撞等进行了深入研究并促使其工艺不断改进与完善。 在环境方面，由于微生物和环境之间存在着密切的相互作用规律，并且 微生物活动对环境和人类产生的有益和有害的影响，通过对环境污染控制工 程中有关微生物学原理的研究，己发展起了一门基础学科环境微生物学。 如自然界水体在接受污染物后，具有恢复其原来洁净状态的能力，这称之为 水体的自净作用。自净作用即是微生物参与下完成的，当进入水体的污染物 量过高以致超过微生物自净能力的限度，就会引起严重污染。有机污染物可 能导致水中溶解氧消耗殆尽，使高等的水生生物无法存活，生态系统遭受严 重破坏。过量的无机污染物则可能导致光合微生物的大量生长，引起所谓的 “富营养化”，可见水生态系统与微生物活动关系之密切。 在污水处理方面，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。 在当前的污水处理领域，污水的生物处理技术应用最为广泛，预计8 0 以上的大型城市污水处理厂均采用该种技术。其主要是利用活性污泥作为微 生物的载体( 活性污泥微生物) ，实现对污水中有机污染物进行降解、去除， 使污水得以净化。因此可看出活性污泥微生物在很大程度上与生物处理的效 果有着直接或间接的关系，而生物处理过程对整个污水处理效果有着至关重 要的影响。1 。具体见表1 - 1 第一章国内外研究现状 表卜1 污水生物处理方法 生物处理净化主体净化方式 适宜污水 处理效果 活性污泥( 好 普通曝气、完全混合曝印染、纺织、焦化、 b 0 0 5 去除 活性污泥法气、旋流曝气、逐步曝石化、防腐、煤油、 氧微生物) 9 0 以上 气、纯氧曝气等农药、橡胶等 生物膜( 好氧 生物滤池、生物转盘、石油、印染、制革、b o o s 去除 生物膜法生物接触氧化池、流化造纸、食品、医药、7 5 9 0 以 微生物) 床生物膜等农药、化纤等 上 食品、制革、造纸、b o d s 去除 藻菌共生系 有氧塘、厌氧塘、兼性 氧化塘法石化、乙烯、焦化、8 0 9 5 以 统 塘等 农药、化纤等上 厌氧微生物酿酒、造纸、屠宰、c o d 降到 厌氧消化池、厌氧生物 厌氧消化法( 兼性厌氧高浓度生活污水、剩1 5 0 m g l 以 滤池等 微生物)余污泥等 下 1 2 微生物学的研究现状 微生物是指那些个体体积直径一般小于i n m l 的生物群体，它们结构简单， 大多是单细胞，还有些甚至连细胞结构也没有。人们通常会借助显微镜或者 电子显微镜才能看清它们的形态和结构。由于它们具有体形微小、结构简单、 繁殖迅速、容易变异及适应环境能力强等优点。微生物种类繁多，至少有十 万种以上。按其结构、化学组成及生活习性等差异可分成三大类“。 ( 1 ) 真核细胞型微生物 细胞核的分化程度较高，有核膜、核仁和染色体；胞质内有完整的细胞 器( 如内质网、核糖体及线粒体等) 。真菌属于此类型微生物。 ( 2 ) 原核细胞型微生物 细胞核分化程度低，仅有原始核质，没有核膜与核仁；细胞器不很完善。 这类微生物种类众多，有细菌、螺旋体、支原体、立克次体、衣原体和放线 第一章国内外研究现状 菌。 ( 3 ) 非细胞型微生物 没有典型的细胞结构，亦无产生能量的酶系统，只能在活细胞内生长繁 殖。病毒属于此类型微生物。 由于人类赖以生存的自然界中，处处都有微生物的存在，且种类纷繁多 样、特性千差万别，虽然4 n 肉眼难以察觉，却在自然界建立了庞大的群体， 其质量与人类和动物的总和处于同一数量级。它们是生态系统和食物链不可 缺少的环节，它们对自然界的生态平衡、物质和能量的循环流动、环境的自 净、士壤的形成以至任何高等动物的生存起着不可缺少的作用。因此，许多 环境科学的基本问题，都以环境微生物学的基础为其基础。 同时微生物有着于变万化的酶系、极大的代谢能力和适应性，他们在消 除各类污染物上显示出极大的能力。近2 0 年来，环境科学和技术己令人惊讶 的速度发展，以环境微生物学为基础的生物技术在其中起着最重要的作用。 可以说，没有环境微生物学的指示，先进的环境生物治理技术的开发和应用 是不可能的。环境微生物学与污染控制技术的联系是如此密切，它们之间“你 中有我。我中有你”两者之间的界限难以分清。 微生物学的研究大大的推动了水污染控制工程的发展，特别是当代生物 技术的快速发展对解决日趋严重的环境问题提供了技术保障，且己取得显著 成效。概括起来有以下几方面”： ( 1 ) 高效降解菌的筛选 由于大量人工合成的化合物排入环境，对生态系统造成了严重的破坏。 因这类物质有毒，且难降解，因此人们从自然环境中，特别是从污染环境中 筛选并驯化出高效降解菌，以加速器分解，如表面活性剂、染料、纤维素、 木素等。 ( 2 ) 降解酶的研究 从2 0 世纪7 0 年代开始，人们不仅进行一般的筛选工作，而且也开展了 降解代谢途径及降解酶系的研究。将降解酶进行分离与纯化，并进一部了解 第一章国内外研究现状 其降解特性，随着分子生物学的发展，目前己进入到分子水平，不仅对很多 降解酶的蛋白质组成、分子量的大小、及影像酶活性的因子等都有了清楚的 了解。 ( 3 ) 微生物育种 微生物育种手段包括诱变育种、基因工程和原生质体融合等。其中诱变 育种带有很大的随机性，并且筛选工作量大，其成功率低，所以在污染物高 效降解工程菌的选育中应用很少。目前的育种方法以基因工程技术和原生质 体融合技术为主，它们定向较为准确，效率高。 ( 4 ) 固定化技术的应用 固定化技术是生物工程领域中的一项新技术。近2 0 年来，许多国家将固 定化技术用于废水处理研究，并己投入实际应用。如将筛选到的高效降解菌、 高效降解酶及工程降解菌加以固定，即可组成一个快速高效的连续处理系统， 以处理其他方法难以处理的废水，这一新技术在处理工业废水及各种难降解 污染物方面己取得重大成就。固定化技术与传统处理方法相比，具有稳定、 高效、泥量小及固液分离效果好等优势，此项技术在污染控制中具有广阔的 前景。中国从2 0 世纪8 0 年代起，在废水生物处理方面进行了固定化酶及固 定化微生物处理废水的研究，如含氰废水、印染废水的脱色及含酚废水、洗 涤废水的固定化微生物处理。 ( 5 ) 生物修复技术 生物修复是近年来发展起来的一项生物治理技术，特别是2 0 世纪9 0 年 代以来，这项技术越来越受到人们的关注，一些发达国家利用该技术己成功 的消除了土壤、地下水、地表水、污泥、工业废水及大气中污染物的毒性， 或降低了污染物对人类健康和生态系统的风险。中国正在加紧开发运用这项 技术。 1 3 生物处理技术发展现状 活性污泥工艺本世纪初出现于英国，之后迅速在欧美得到应用。早在2 0 第一章国内外研究现状 年代初，我国上海就建成了采用活性污泥工艺的污水处理厂。3 0 年代初，日 本也开始采用活性污泥工艺处理污水。6 0 年代以前，各地采用的活性污泥工 艺与最初形式基本一致，称为传统活性污泥工艺。6 0 年代以来，日益严重的 水污染问题迫切需要建设大批污水处理厂，使活性污泥得到了较快的发展。 在我国的大型城市污水处理厂中应用也较为普遍。它是以活性污泥为主体的 生物处理技术，主要利用活性污泥中的微生物对污水中有机污染物进行降解、 去除，使污水得以净化”。而活性污泥处理技术就是通过采取一系列的人工 强化、控制的技术措施，使活性污泥微生物具有的，以对有机物氧化、降解 为主体生理功能，得到充分的发挥，以达到污水净化目的的生物工程技术。 为充分满足了各种不同的处理要求。活性污泥法进行如下改进”1 ： ( 1 ) 池形的改进 传统工艺采用推流式曝气池，后来出现了完全混合式曝气池。氧化沟为 环流流态，介于完全混合与推流之间，兼具二者的优点。氧化沟工艺最显著 的特点是运行管理简便，出水稳定。 ( 2 ) 运行方式的改变 传统工艺系连续流运行方式，且从曝气池前端进水。运行方式的早期改 进是多点进水工艺。 s b r 是间歇运行的活性污泥工艺，曝气和沉淀在同一池内完成，省去了 二沉池和回流系统，使运行简单化。最初的s b r 系间歇进水间歇出水运行。 后来，在反应器内加入前置区，实现了连续进水间歇出水运行“1 。 t 型氧化沟是另外一种间歇运行方式，两个边沟周期性地处于曝气和沉 淀状态，因此也省去了二沉池和回流系统。合理调整运行周期和程序，t 型 氧化沟也可以进行硝化和反硝化。 间歇运行一个最新的改进是s e g h e r s 公司的u n i t a n k 工艺，该工艺的运行 方式类似于t 型氧化沟，但运行程序似乎更趋优化。 ( 3 ) 曝气方式的改变 传统活性污泥工艺既采用鼓风曝气又采用机械表曝。鼓风曝气又有穿孔 第一章国内外研究现状 管曝气和微孔曝气两种形式。穿孔管鼓风曝气由于氧转移效率及动力效率太 低。，实际上已很少采用。 曝气方式的改进主要是为了提高充氧性能，并方便运行维护。射流曝气 是曝气方式一种较早的改进。陶瓷微孔曝气器早在8 0 年代就己采用，但一直 没有得到广泛应用。9 0 年代很快又被橡胶膜片曝气器所取代。膜片曝气器的 显著特点是不堵塞不积垢，但由于材质原因，其寿命和理化稳定性仍是一个 待解决的问题。 ( 4 ) 生物学方面的改进 传统活性污泥工艺采用中等污泥负荷。较早的改进方式是高负荷工艺和 低负荷工艺，7 0 年代初，w u h r m a r m - 1 - 艺将有机物分解、硝化和反硝化合并 到一套活性污泥系统中，形成了早期的0 a 脱氮工艺“”。 生物除磷工艺的发展基本与生物脱氮同步。到7 0 年代，才形成了现在的 a 0 除磷工艺，又称为p h o r e d o x 工艺。 对a 2 0 3 1 艺的改进基于生物脱氮除磷的大量基础研究。改进的目的集中 在消除脱氮与除磷的相互干扰，提高脱氮除磷效率、降低运行费用等方面。 基于同步硝化反硝化的工艺有“”：n d e n 工艺、0 r b a l s i mp r o t 艺和o a o 工艺。n d e n 是美国e n v i r o 公司的专利工艺，流程如图1 1 。 1 矮麓盔， ，刊黧；i 筵一乏乡 、。銎飘氅氅恐 图1 1 喇瓣 二茏流糍 0 r b a l s i mp r e 一般分三沟串联，第一沟进行同步硝化反硝化，第二、三沟 进行硝化。 o a o 是日本应用同步硝化反硝化开发的工艺，如图l - 2 所示 第一章国内外研究现状 0 1 中的d o 值由混合液的o r p 控制，即控制o r p 在要求范围内，保证 硝化反硝化同步进行。a n 为厌氧段，用于聚磷菌释放磷。 d ep h a n o x 工艺的流程如图1 - 3 。 图1 3 d e p h a n o i 艺流程 在该工艺流程中，硝化后的污水与充分放磷后的聚磷菌在d 印h a n o x 池中 混合，聚磷菌进行反硝化吸磷。由于脱氮与除磷过程不再竞争 a ，当采用 d e p h a n o x i 艺时，即使s b o d 5 t p 很低，也可能不再需要外加碳源。 b c f s 工艺的流程如图1 - 4 所示。 图卜4b c f s = 【= 髦浚穆 以上工艺特别适于反硝化聚磷菌的繁殖，实现脱氮与除磷的有机结合。 传统的硝化过程系将氨氮氧化为亚硝酸氮，再氧化为硝酸氮。反硝化系将硝 酸氮逐步还原为n 2 。 第一章国内外研究现状 ( 5 ) 投料和投加载体方面的改进 向活性污泥工艺的曝气池中投加一些具有吸附性能的活性材料可以提高 污泥浓度，显著改善污泥的沉降性能。 通过几十年的研究与实践，活性污泥工艺已经成为一种比较完善的工艺。 在池形、运行方式、曝气方式、载体等方面已经很难有较大的发展。用常规 手段也已经很难在生物学方面有所突破。该工艺未来两个大的方向是膜分离 技术和分子生物学技术的应用。 ( 1 ) 膜分离技术的应用“2 1 用膜分离代替沉淀进行泥水分离，可带来活性污泥工艺的以下变化： 不再存在污泥膨胀问题。在调控活性污泥系统时，不必再考虑污泥的沉 降性能问题，从而使工艺控制大大简化； 1 ) 曝气池的污泥浓度将大大提高( m l s s 可以大于2 0 0 0 0 m g l ) 从而使系 统可在超大泥龄、超低负荷状态下运行，充分满足去除各种污染物质的需要； 2 ) 在同样的处理要求下，可使曝气池容积大大减小，节省处理厂的占地 面积； 3 ) 污泥浓度的提高，将要求较高的曝气速率，因而纯氧曝气将随着膜分 离而被大量采用。 4 ) 虽然膜分离目前还存在易堵塞等方面的问题，但这些问题正逐步得到 解决。实际上，目前已有一批膜分离活性污泥系统在运行，如日本h i r o s h i w a 市的h i g a s h i 污水处理厂的膜分离系统己连续运行3 年。 随着水体的日益恶化及废水处理标准的逐步提高，人们开发出了各种新 型高效的废水生物处理技术，膜生物反应器就是其中的代表。膜生物反应器 是一种将污水的生物处理和膜过滤技术相结合的高效废水生物处理技术。该 技术是生物技术与膜分离技术相结合的产物。采用膜组件取代常规二级生化 处理工艺中二沉池、砂滤、消毒等单元，通过超滤膜将曝气池出水直接进行 过滤，活性污泥混合液中的悬浮固体可以完全被截流并回流到反应器中。因 此是污泥龄延长，并将微生物回流到反应器中，污泥负荷降低，污泥浓度得 第一章国内外研究现状 到提高，出水水质稳定、可靠，无需进行消毒处理。此工艺操作简单，管理 方便，无污泥流失，不受污泥膨胀的影响，克服了普通工艺流程的缺陷，具 有广阔的前景。 ( 2 ) 分子生物技术的应用“” 目前分子生物技术己开始应用于污水处理领域。为搞清聚磷菌除磷的生 化机理，已开始用分子诊断技术获取聚磷菌的遗传信息。现在从活性污泥中 己发现的3 0 多种丝状菌中，只有4 种准确命名及生物分类学定位，因为这些 丝状菌大部分无法进行分离纯培养。目前正用分子诊断技术进行这些丝状菌 的生物学定位，以进一步准确了解其特性。 分子诊断技术的大量应用，活性污泥微生物基因库的建立，在此基础上用基 因技术培育具有高效活性的污泥菌种，进一步提高处理效果，是未来发展的 方向。 在当前的废水处理技术领域，生物处理是应用最为广泛的技术之一，好 氧生物处理活性污泥工艺是废水水处理的主要工艺。在活性污泥处理系 统中，人工强化、控制技术是至关重要的。目前活性污泥处理系统中主要控 制以下各项指标“”： ( 1 ) 原污水的水质、水量得到控制，使其能够适应活性污泥处理系统 的要求。 ( 2 ) 作为活性污泥微生物量，在系统中保持数量一定，并相对稳定， 具有活性的活性污泥量。 ( 3 ) 在生物池混合液中保持能够满足微生物需要的溶解氧的浓度。 ( 4 ) 在生物池内，活性污泥、有机污染物、溶解氧三者能够充分接触， 以强化传质过程。 上述的4 种控制技术是活性污泥微生物连续、稳定、良好降解有机物的 基础，是保证良好处理水质的前提条件，同时活性污泥微生物状态和种群的 变化也直接反映了各个环节的强化控制情况，直接关系到废水的生物处理效 果。 第一章国内外研究现状 再有原生动物对环境的忍受幅度很宽，但其大量生长的最适环境的幅度 还是狭的，而且各种类的最适环境也是不同的。所以，个别种类原生动物的 数量突然猛增，甚至左右了原生动物种群的数量。这种“水华”现象往往是 某一环境因子的突然变化所引起，如不及时解决，就会影响处理效果。故必 须注意各种类的数量变化，当活性污泥法中，曝气池的有机负荷、曝气时间、 有机物去除率等大幅变化时，种类组成的差别相当小，而各主要种类的数量 变化则很大。 为此通过显微镜镜检活性污泥原生动物的生物相，密切注意原生动物种 类的组成、种类的数量变化、各种群的代谢活力。以此作为对活性污泥质量 评价和控制的重要手段。 目前废水生物处理技术自1 8 世纪至今取得了蓬勃的发展，各种新工艺层 出不穷，但基本是在生物处理基础上进行改进，其核心都是生物处理原理。 随着微生物学在近2 0 年的发展，微生物的筛选技术、专项降解酶的研究技术、 生物育种技术、生物固定化技术、生物修复技术的发展，也为废水的生物处 理提供了更为广阔的发展空间。 微生物在废水生物处理过程中是依靠一个极为复杂的生态系统，在这个 生态系统中，细菌比任何物理、化学分析都更能反映出废水处理的本质，可 以说细菌适最理想的指示生物，但目前细菌的分析比较复杂，尚无简易方法。 而微型动物可以直接在显微镜下观察，方法简单直观，但作为指示生物还没 有正确的定性方法，只能起到辅助理化分析的第二位的指示作用。 第二章微生物在废水处理中的净化机理 自然界中很多微生物有氧化分解有机物的能力。生产实践表明，利用微生物 氧化分解废水中的有机物是十分有效的“”。这种利用微生物处理废水的方法较 生物处理法。由于微生物生活时有的需要氧，有的不需要氧，所以根据在处理过 程中起作用的微生物对氧气要求的不同，废水生物处理可分为好氧生物处理和厌 氧生物处理两大类。与厌氧生物处理相比，好氧处理消耗相对较多的能量来获得 较好的出水水质，主要应用于中低浓度废水的处理或者用于厌氧处理的后续处 理。 由于好氧生物处理方法处理废水要消耗大量的能源，发达国家用于废水处理 的能耗已占到了全国总电耗的l 左右，世界各国正在不断研究和探索采用高效 率低能耗的新型废水处理技术，废水的厌氧生物处理不仅可把好氧生物法过高 的能耗节省下来，而且厌氧生物法可把有机物转化为生物能沼气。适用于处 理高、中浓度有机废水，为废水生物处理方法提供了一条高效能、低能耗、且符 合可持续发展的治理废水的途径。 2 1 微生物在废水好氧处理中的净化机理 废水的好氧处理是在有氧的情况下，借好氧微生物的作用来进行的，在处理 过程中，废水中的溶解性有机物质透过细菌的细胞壁和细胞膜而为细菌所吸收； 固体的和胶体的有机物先附着在细菌体外，由细菌所分泌的胞外酶分解为溶解性 物质，在进入细胞。细菌通过自身的生命活动氧化、还原、合成等过程，把 吸收的部分有机物氧化成简单的无机物，并获得细菌的生长活动所需要的能量， 而把另一部分有机物转化成微生物体所需要的营养物质，合成新的细胞物质，与 使细菌逐渐生长繁殖，产生更多的细菌，其他微生物摄取营养后，体内也发生与 细菌相同的生物化学反应“”。 生物处理工艺根据微生物的生长状态的不同可分为附着生长型和悬浮生长 型两类“”。好氧处理中附着生长型以生物膜法为代表，悬浮生长型以活性污泥 第二章微生物在废水处理中的净化机理 法为代表。 2 1 1 活性污泥法的净化机理“ 活性污泥法的净化机理有活性污泥对有机物的吸附、被吸附有机物的氧化和 同化、活性污泥絮体的沉淀和分离、消化、脱氮和除磷。 ( 1 ) 活性污泥对有机物的吸附 在气液、固液等相界面上，物质因物理及化学作用而被浓缩，这个现象称为 吸附。活性污泥对有机物的吸附就是有机物在活性污泥表面的浓缩现象。 将废水与活性污泥进行混合曝气，废水中的有机物就会减少，被去除。如图 2 - 1 所示可知，在废水与活性污泥开始接触段时 间内，有机物被大量去除，这种现象称为初期吸 附。被吸附去除的有机物经过水解后被微生物摄 入体内接着被氧化和同化，在吸附初期，活性 污泥的好氧量与表观有机物去除量无关，它与被 氧化和同化量有关。 ( 2 ) 被吸附有机物的氧化和同化 被活性污泥吸附的有机物作为营养源，经氧 化和同化作用，被微生物利用表示如下： 曝气时问 图2 1 有机物去除量和好氧 总量与曝气时间 ，被氧化分解( 产生能量) 初吸附的有机物 l 被氧化分解( 合成细胞) 所谓氧化是指微生物为了获得合成细胞和维持其生命活动等所需能量，将吸 附的有机物进行分解，可用下式表示： c ；h y o z + ( ) 汁y 4 - z 2 ) 0 2 - - - x c 0 2 + y 2 h 2 0 + 能量 ( 2 1 ) 所谓同化是指微生物利用氧化所获得的能量，将有机物和诚心的细胞物质， 可用下式表示： n c 。8 y o z + n n h 3 + ( x + y 4 一z 2 5 ) 0 2 + 能量一 ( c s h t n 0 2 ) n + n ( x 5 ) c 0 2 + o 一4 ) n 2 h 2 0 ( 2 - 2 ) 第二章微生物在废水处理中的净化机理 式中c x h v o ：污水中有机物； ( c 5 h 7 n 0 2 ) n 话性污泥中微生物的细胞物质； 如废水中有机物很少，活性污泥中的微生物就会氧化体内积蓄的有机物和自 身细胞物质来获得维持生命所需的能量。称为内源呼吸过程，可用下式表示： ( c 5 h t n 0 2 ) 。+ 5 n 0 2 - - 5 n c 0 2 + 2 n h 2 0 + n n h 3 + 能量 ( 2 3 ) ( 3 ) 活性污泥絮体的沉淀和分离 活性污泥的混凝和沉淀性能与活性污泥中微生物所处的增殖期有关。微生物 增殖过程可分为停滞期、对数增长期、衰减增 。 仔 殖期和内源呼吸期，图2 - 2 所示。”。 在对数增长期，有机物与微生物之比 ( f m ) 高，微生物对有机物的去处速度虽然 很快，但微生物的混凝沉淀性能较差。随曝气 _ 时间的增长，f m 越来越小，当微生物增殖接 近内源呼吸期，活性污泥的吸附、混凝、沉淀 性能都较高。 ( 4 ) 活性污泥微生物群落及其作用 八源呼吸期 7 。 。 微生物细胞 一 、童塑竺量 曝气时间 图2 - 2微生物增殖过程 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。 活性污泥中的细菌及其作用活性污泥中细菌的数量约为1 0 8 1 0 9 个m l ， 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 1 4 第二章微生物在废水处理中的净化机理 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。 ( 5 ) 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；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；吞食游离细菌，有利于改善出水水质：可作为污 水净化的指生物。 2 1 2 生物膜法的净化机理 污水的生物膜处理法m ，是与活性污泥法并列的 种污水生物处理技术。这种处理法的实质是使 细菌和菌类一类的微生物和原生动物、后生动物 一类的微型动物附着在滤料或某些载体上生长繁 育，并在其上形成膜状生物污泥生物膜，污 水与生物膜接触，污水中的有机污染物作为营养 物质，为生物膜上的微生物所摄取，污水得到净 化，微生物自身也得到繁衍增殖。图2 - 3 表示了生 物膜的构造及各种物质传递、交换示意。 图2 - 3 - i - 物糖穗裤辫卜唯豹 辚匆 卑逸f 捌商强， 第二章微生物在废水处理中的净化机理 ( 1 ) 参与生物膜净化反应的微生物 参与生物膜净化反应的微生物在种类方面与活性污泥法基本相同，但在组成 和数量上有较大差异。在出现数量和频率方面，生物膜占有绝对的优势。 ( 2 ) 生物膜上微型动物的作用 在生物膜上存活着丰富的原生动物、后生动物和寡毛类等微型动物，这些动 物对废水的净化过程有着一定的作用。 ( 3 ) 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。1 。 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 生物按好氧化发发一兼性一厌氧的顺序出现；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一丝状细菌、鞭毛虫、游泳型纤毛虫一固着 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。 第二章微生物在废水处理中的净化机理 2 2 微生物在废水厌氧处理中的净化机理“ 在废水的厌氧处理过程中，废水中的有机物景大量微生物的共同作用，被最 终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨。在此过程中，不同微生物的代谢过 程相互影响，相互制约，形成复杂的生态系统。 有机物的厌氧降解分为三个阶段。1 ： ( 1 ) 水解发酵阶段 将大分子不溶性复杂有机物在细菌胞外酶的作用下，水解成小分子溶解型高 级脂肪酸，然后渗入细胞内，参与的微生物主要是兼性细菌与专性细菌。( 2 6 ， ( 2 ) 产乙酸阶段 在此阶段，上一阶段的 产物被进一步转化为简单 脂肪酸、氢气、碳酸以及新 的细胞物质。参与此过程的 微生物主要是兼性细菌与 专性厌氧细菌。 ( 3 ) 产甲烷阶段 这一阶段，乙酸、氢 气、碳酸、甲酸和甲醇等被 转化为甲烷、二氧化碳和新 的细胞物质。参与作用的微 生物是绝对厌氧菌( 甲烷 菌) 。 甲烷菌具有以下几个 特点：对p h 值的适应性 较差，最佳p h 为6 8 7 2 ； 对温度的适应性较弱，当 甲烷菌在一定温度的被驯 化后，温度增减2 度就可 图2 4 厌氧降解示意 原 第二章微生物在废水处理中的净化机理 能破坏甲烷消化作用；甲烷菌的世代周期较长，一般为4 6 天繁殖一代； 甲烷细菌专一性很强。每种甲烷菌只能代谢特定的废物；所有的甲烷细菌都能 氧化分子状态的氢，并利用c 嘎作为电子接受体。 在废水的生物处理过程中起主导作用的微生物是细菌和真菌，自然界中的所 有有机物质都能被微生物降解，从而进入地球生物圈内的物质循环。对于人工合 成的高分子化学物也存在着被微生物降解的可能性。 各种污染物经微生物矿化作用的最终产物有碳水化合物、水、氨、硝酸盐、 磷酸盐、碳酸盐、金属氧化物等。同时微生物能把天然的和合成的物质转变为基 础的化合物，它包括几十种物质如氨基酸