（环境工程专业论文）恒定磁场对好氧活性污泥性能的影响.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：华办锈融 e l 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：幽建i 建导师签名：链 e l 期： 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 水资源和水环境现状及发展趋势1 1 2 重金属对水体的危害1 1 3 好氧活性污泥的应用4 1 4 磁性活性污泥法的现状及发展7 1 5 本研究的意义1 0 第二章实验材料与方法1 2 2 1 实验仪器与试剂12 2 2 实验装置1 2 2 3 实验方法13 2 3 1 好氧活性污泥培养实验运行方法1 3 2 3 2 接种污泥和模拟废水1 3 2 4 分析方法13 2 4 1 常规指标的测定1 3 2 4 2 荧光原位杂交法( f i s h ) 检测1 4 2 4 3 接触角的测定l7 2 4 4d l v o 理论1 8 第三章磁场对污泥絮凝能力及e p s 的影响1 9 3 1 恒定磁场对活性污泥形貌特征的影响1 9 3 2 恒定磁场对好氧活性污泥e p s 的影响2 2 3 2 卜匾定磁场对e p s 量的影响2 2 3 2 3 恒定磁场对e p s 性质的影响2 3 3 3 恒定磁场对重金属与e p s 集合作用的影响2 8 3 4 本章小结3 4 第四章恒定磁场对污染物去除及群落的影响3 6 4 1 恒定磁场对污染物去除的影响3 6 4 1 1c o d 的去除性能3 6 4 1 2 氮的去除性能一3 7 4 2 恒定磁场对活性污泥微生物群落的影响3 8 4 2 1f i s h 方法的原理3 9 4 2 2 污泥微生物群落的分析4 0 4 3 本章小结4 2 第五章结论与建议4 4 5 1 结 念4 4 5 2 建议4 5 参考文献4 6 山东大学硕士学位论文 致谢5 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 2 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1d e v e l o p m e n to fw a t e rr e s o u r c e sa n dw a t e re n v i r o n m e n t 1 1 2h e a v ym e t a lp o l l u t i o na n di t st o x i c i 够t om i c r o b i a l 1 1 3a n a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sa p p l i c a t i o n s 4 1 。4m a g n e t i ca c t i v a t e ds l u d g ea n dt h es t a t u so f d e v e l o p m e n t 7 1 5m a i nc o n t e n t so f t h es t u d y 1 0 c h a p t e r2m a t e r i a l sa n dm e t h o d s 12 2 1e q u i p m e n ta n dr e a g e n t s 1 2 2 2d e v i c e 1 ：1 2 3m e t h o d s 1 ：； 2 3 1p r o c e s so f a c t i v a t e ds l u d g eu n d e rt h el o wl o a dr a t e 1 3 2 - 3 2 s e e ds l u d g ea n ds y n t h e t i cw a s t e w a t e r 1 3 2 4a n a l y s i sm e t h o d 13 2 4 。1d e t e r m i n a t i o no fc o n v e n t i o n a li n d i c a t o r s 13 2 4 2f i s h 。1 4 2 4 3c o n t a c ta n g l e 17 2 4 4d l v o l8 c h a p t e r3t h ei n f l u e n c eo f m a g n e t i cf i e l do nt h ef l o c c u l a t i n ga b i l i t ya n de p s 1 9 3 1t h ei n f l u e n c eo f m a g n e t i cf i e l do nt h es l u d g ea p p e a r a n c ec h a r a c t e r i s t i c s 1 9 ：；2t h ei n f l u e n c eo f m a g n e t i cf i e l do nt h es l u d g ee p s 2 2 3 2 2t h ei n f l u e n c eo f m a g n e t i cf i e l do nt h ec o n t e n to fe p s 2 2 3 2 3t h ei n f l u e n c eo f m a g n e t i cf i e l do l lt h ec h a r a c t e r i s t i c so f e p s 2 3 3 3n l ei n f l u e n c eo fm a g n e t i cf i e l do nb i n d i n gm e c h a n i s mb e t w e e nc u 2 + 、h 9 2 + a n de p s 2 8 ：；4b r i e fs u m m a r y 3 4 c h a p t e r 4t h ei n f l u e n c eo fm a g n e t i cf i e l do nc o n t a m i n a t i o nr e m o v a la n dm i c r o b i a l c o m m u n i t y 3 6 山东大学硕士学位论文 4 1t h ei n f l u e n c eo f m a g n e t i cf i e l do nc o n t a m i n a t i o nr e m o v a l 3 6 4 1 1r e m o v a lo f c o d 3 6 4 1 2r e m o v a lo f n c o m p o u n d 3 7 4 2t h ei n f l u e n c eo f m a g n e t i cf i e l do nm i c r o b i a lc o m m u n i t y 3 8 4 2 1p r i n c i p l eo ff i s h 3 9 4 2 2a n a l y s i so fs l u d g ec o m m u n i t y 4 0 4 3b r i e fs u m m a r y 4 2 c h a p t e r5c o n c l u s i o n sa n dr e c o m m e n d a t i o n s 4 4 5 。1c o n c l u s i o n s 。4 4 5 2r e c o m m e n d a t i o n s 4 5 r e f e r e n c e 4 6 a c k n o w l e d g e m e n t s 51 p u b l i c a t i o n s 5 2 l v 山东大学硕士学位论文 摘要 目前，城市污水处理及其资源化再生利用已成为当前我国迫切需要解决的问 题之一。但是传统的活性污泥法工艺存在工艺流程长、污水停留时间长、单位面 积处理能力低、反应池占地面积大、污泥膨胀等缺点。近年来，随着科学技术的 发展和跨学科技术的综合应用研究，通过磁效应降解污水中的污染物己经成为一 门新兴的污水处理技术。本论文研究了恒定磁场对活性污泥法处理模拟生活污水 效果的影响，同时分析了恒定磁场对活性污泥的形态以及去除污染物性能的研 究，初步分析了恒定磁场对活性污泥生物群落代谢的影响；探讨了两种重金属离 子( c u 2 + 和h 9 2 + ) 与活性污泥中e p s 之间的相互作用，以及恒定磁场对其相互 作用的影响。 用人工模拟生活废水( 进水c o d 浓度在5 0 0m g l 左右) 考察了恒定磁场对活 性污泥过程以及胞外聚合物的影响。实验中处于恒定磁场条件下的活性污泥从接 种时的淡黄色絮状污泥逐渐变成黄褐色的的絮状污泥菌团，这种絮状污泥菌团的 粒径也大于对照组中活性絮状污泥菌团的粒径，同时沉降速度亦高于对照组活性 污泥的沉降速度。经过计算，在反应器运行的后期，随着时间的不断增加，处于 恒定磁场下的活性污泥对c o d 和n h 4 + n 去除率均稳定在9 0 以上，出水c o d 和 n h 4 + - n 浓度分别稳定在2 0m g l 和1 5m g l 以下，也同样高于对照组的7 0 的处理 效果。另外，在反应器运行过程中通过对活性污泥胞外聚合物的测定，发现恒定 磁场对微生物胞外聚合物中的蛋白质和多糖量的分泌起到了促进的作用。在本实 验中，通过运用分子生物技术f i s h 方法分析不同时期的活性污泥样品，发现在 恒定磁场条件下的微生物群落中的a o b 以及反硝化细菌生物量要高于对照组活 性污泥样品。 同时，本文也考察了c u 2 + 和h 9 2 + 与活性污泥e p s 结合的机理以及恒定磁场对 c u 2 + 和h 9 2 + 与活性污泥e p s 结合机理的影响。通过对比不同浓度下c u 2 + 和h 9 2 + 活 性污泥e p s 的z e t a 电位以及三位荧光谱图可以发现，从重金属离子c u 2 + 和h 孑+ 浓 度从5 0m g l 至u 1 0 0m g l 的过程中，重金属的存在均增大了好氧活性污泥中e p s 山东大学硕士学位论文 的含量，从c u 和h 矿+ 浓度从1 0 0m g l 至t j l 5 0m g l 的过程中，重金属离子的存在 造成了活性污泥e p s 量的减少。同时，三维荧光光谱显示h 9 2 + 和c u 2 + 对e p s 的含 量有着显著的影响，但是对e p s 的三维荧光光谱的谱峰位置以及z e t a 电位影响却 很小。加入恒定磁场以后显示，h 9 2 + 和c u 2 + 对活性污泥e p s 三维荧光光谱的含量 以及z e t a 电位有着显著的影响， f j h 9 2 + 和c u 2 + 对活性污泥e p s 三维荧光光谱的 谱峰位置影响仍然很小。以上结果说明，e p s - 与c u 2 + 和h 矿+ 是通过共价键的方式 结合在一起的，而恒定磁场由于增强了微生物胞外聚合物的分泌，使得e p s 和c u z + 和h 矿+ 通过共价键以及静电作用的方式共同结合在一起。 关键词：好氧活性污泥，胞外聚合物，重金属离子 i i 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h eu r b a ns e w a g et r e a t m e n ta n dr e s o u r c er e c y e l i n gh a sb e c o m ea i l u r g e n tn e e dt oa d d r e s so u rc o u n t r y sp r o b l e m s b u tt h ec o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s st e c h n o l o g y h a ss o m es h o r t c o m i n g s ：l o n gw a t e rr e s i d e n c et i m e ，l o w p r o c e s s i n gp o w e rp e ru n i ta r e a ，l a r g ea r e ar e a c t o r ，s l u d g eb u l k i n ga n ds oo n i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dc r o s s t e c h n o l o g y i n t e g r a t i o na p p l i c a t i o n ，s e w a g eb ym a g n e t i ce f f e c td e g r a d a t i o no fp o l l u t a n t s ，h a s b e c o m ea l le m e r g i n gw a t e rp r o c e s s i n gt e c l m o l o g y t h i st h e i sf o c u so nt h ee f f e c to f t h ec o n s t a n tm a g n e t i cf i e l dt ot h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s a tt h es a m et i m e ，a c o n s t a n tm a g n e t i cf i e l do nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea c t i v a t e ds l u d g em o r p h o l o g ya n d r e m o v a lo fn i t r o g e na n dc a r b o nw a ss t u d i e di nd e t a i l ，i na d d i t i o n ，p r e l i m i n a r y a n a l y s i so fac o n s t a n tm a g n e t i cf i e l di nt h ea c t i v a t e ds l u d g eb i o l o g i c a lc o m m u n i t i e s m e t a b o l i s mw e r ei n v e s t i g a t e d ；e x p l o r et h ei n t e r a c t i o no ft w oh e a v ym e t a li o n s ( c u 十 a n dh g 计) t h ec o m b i n a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g ee p s ，a n da tt h es a m et i m eac o n s t a n t m a g n e t i cf i e l do ft h i sc o m b i n a t i o np r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ea p p l i c a t i o no f e p si na c t i v a t e ds l u d g et op r o v i d eat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h et r e a t m e n to fa c t u a l d o m e s t i cw a s t e w a t e r 。 w i t hl o wc o n c e n t r a t i o n so fs y n t h e t i cd o m e s t i cw a s t e w a t e r ( i n f l u e n tc o d c o n c e n t r a t i o nr e m a i n e dn e a r l ya t5 0 0r a g l ) w ei n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo fa c o n s t a n tm a g n e t i cf i e l do nt h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，a sw e l la se x t r a c e l l u l a r p o l y m e r i c d u r i n gt h ep r o c e s si n o c u l a t i o n ，w h e ny e l l o w i s h f l o c c u l e n t s l u d g e g r a d u a l l yb e c o m ey e l l o w - b r o w ng r a n u l a rs l u d g eb a c t e r i ag r o u p ，a c t i v a t e ds l u d g e s e t t l i n gv e l o c i t yh i g h e ra c t i v a t e ds l u d g es e t t l i n gv e l o c i t yi nac o n s t a n tm a g n e t i cf i e l d i nac o n s t a n tm a g n e t i cf i e l do ft h ea c t i v a t e ds l u d g ec o da n dn + - nr e m o v a lr a t e r e m a i n e ds t a b l ea tm o r et h a n9 5 c o da n dn i - h + - nc o n c e n t r a t i o n sw e r es t a b l e b e l o w2 0m g la n d15m g l ，w h i c ha l s oh i g h e rt h a nt h ec o n t r o lg r o u po f7 0 t r e a t m e n te f f e c t u s i n gf i s ha n a l y s i s ，a c t i v a t e ds l u d g es a m p l e sc o l l e c t e db yd i f f e r e n t p e r i o d sf o u n di nt h em i c r o b i a lc o m m u n i t yo fa o b a n dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i ab i o m a s s i i i 山东大学硕士学位论文 i nac o n s t a n tm a g n e t i cf i e l dc o n d i t i o nt ob eh i g h e ra c t i v a t e ds l u d g es a m p l e s a tt h e s a l t l et i m e ，t h ed e t e r m i n a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g ee x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs h o wt h a tt h e c o n s t a n tm a g n e t i cf i e l dp l a y saf a c i l i t a t i n gr o l eo nt h es e c r e t i o no fp r o t e i n sa n d p o l y s a c c h a f i d e s m e a n w h i l e ，t h i sp a p e re x a m i n e st h eb i n d i n gm e c h a n i s mb e t w e e nc u 2 + a n dh 9 2 + a n de p se x t r a c t e df r o ma c t i v a t e ds l u d g ea sw e l la st h ei n f l u n e n to fs t a t i o n a r y m a g n e t i cf i e l do n t ot h i sb i n d i n gm e c h a n i s m b yt h r e ef l u o r e s c e n c es p e c t r a , w ef o u n d i nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fe p sc o n c e n t r a t i o n , t h ei n t e n s i t yo fp e a kw a ss i g n i f i c a n t c h a n g e s ，w h i l et h ep e a l ( p o s i t i o nh a sn o tc h a n g e d ，w h i l et h ez e t ap o t e n t i a ld i dn o t c h a n g es i g n i f i c a n t l y h o w e v e r , u n d e rt h ei n f l u e n c eo fac o n s t a n tm a g n e t i cf i e l d ， t h r o u g ht h et h r e e d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c es p e c t r aw ef o u n d ，t h ei n t e n s i t yo fp e a k 嬲 w e l la sz e t ap o t e n t i a lh a v es i g n i f i c a n tc h a n g e s ，w h i l et h ep e a kp o s i t i o nh a sn o t c h a n g e d t h e s er e s u l t ss u g g e s tt h a tb i n d i n gm e c h a n i s mb e t w e e nc u 2 + a n dh 9 2 + a n d e p se x t r a c t e df r o ma c t i v a t e ds l u d g ew a sc o v a l e n tb o n d ，a n dac o n s t a n tm a g n e t i cf i e l d t op r o m o t et h es e c r e t i o no fm i c r o b i a le x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，m a k i n gt h e e p sa n dc u 2 + o r h 9 2 + t o g e t h e rt h r o u g ht h ec o m b i n e do fc o v a l e n tb o n da n d e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n k e y w o r d s ：a n a e r o b i c a c t i v a t e ds l u d g e ；e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r s ；h e a v ym e t a l i v 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 水资源和水环境现状及发展趋势 水是地球上人类赖以生存和发展的重要物质条件之一。随着人类社会的不断 发展，人口数量的快速增长和城市规模不断扩大，水资源的短缺和水污染的不断 加剧成为了一个世界性的问题，在全世界范围内得到了广泛的关注。在我国，不 断快速发展的经济也同样加剧了用水的紧张和水质的污染等环境问题，由此造成 的水资源短缺和水污染问题已经严重制约了我国社会和经济的发展，水资源问题 与我国的经济快速发展呈现出的越来越尖锐矛盾。根据我国相关部门的调查显 示，至u 2 0 3 0 年我国的人均水资源将降 f k e 至u 1 7 6 0m 3 ，总缺水量将达至f j 4 0 0 5 0 0 亿m 3 ， 已经达到了国际标准中规定的缺水警戒线【l 】。 在改革开放的初期，我国的污水处理能力比较相对较低，主要原因是因为在 改革开放初期，我国在废水处理方面刚刚发展。随着时间的不断发展，至u 2 0 0 0 年底，全国已建设城市污水处理厂4 2 7 座，其中二级处理厂2 8 2 座。虽然这些污水 处理厂的处理能力不断的增大，提高了城市污水的处理水平，但处理量的增加不 仅仍然远远滞后于污水排放量的增长，反而两者之间的差距还有进一步拉大的趋 势。比方说，2 0 0 7 年，全国废水排放总量为5 5 6 7 亿m 3 ，1 ：匕2 0 0 6 年增加3 7 ；化 学需氧量排放量为1 3 8 1 8 万吨，! ：1 5 2 0 0 6 年下降3 2 ；氨氮排放量为1 3 2 3 万吨，比 2 0 0 6 年下降6 4 t 列。同时，我们城市污水处理率为仅为5 6 ，其中城市生活污水 处理率仅为4 2 5 5 ，2 0 0 个城市生活污水集中处理率为零，占调查城市总数的 3 3 6 1 。这些大量未经过处理的污水排入水体中，不仅造成了严重的水环境污染， 同时对水处理中的水生生物也有很严重的毒害作用，已经对我们的生活和健康构 成严重威胁，必须引起我们每个人对生活环境的重视l j j 。 1 2 重金属对水体的危害 在自然环境下，水体中的重金属含量是由土壤、岩石与周围的环境相互作用 的影响所决定的，一般情况下自然条件下水体中的重金属含量很低，不会对周围 的环境和生物健康造成危害4 1 。在微生物生长代谢过程中，除y k 、n a 、c a 、 l 山东大学硕士学位论文 m g 等常量元素外，还需要一些具有特殊生物学功能的微量元素，其中有一部分 是重金属元素。例如f e 是细胞中过氧化氢酶、细胞色素氧化酶的组分：c u 是多 酚氧化酶的组分并维持羧化酶的功能；z n 是人体必需的微量元素之一，正常人 每天从食物中吸入锌1 0 m g 1 5 m g ，肝是锌的储存地，锌与肝内蛋白结合成锌硫蛋 白，供给机体生理反应时必需的锌；n i 是脲酶、氢化酶的组分，并可刺激某些无 机化能自养菌的生长；c o 参与维生素b 1 2 的组成及微生物与植物的共生固氮作 用；m o 不仅有利于微生物固氮，而且还是反硝化细菌中硝酸盐还原酶的辅助因 子等瓯 一般情况下，微生物能吸收和转化重金属及其化合物，但是，当环境中重金 属的浓度增加到一定程度时，它们就会抑制微生物的生长代谢作用甚至引起死 亡。一般来说，重金属具有以下的毒害作用： ( 1 ) 在天然水体中只要有微量重金属，即可产生毒性反应，且毒性具有长 期持续性【6 】。一般来说，重金属产生毒性的范围大约在1 0m g l 1 0m g l 之间， 毒性较强的重金属如汞、镉等毒性浓度范围在0 0 0 1m g l 0 1m g l 。更为严重的 是，水体中某些重金属可在微生物作用下，转化为毒性更强的有机化合物，带来 正严重的毒害作用【7 1 。例如，无机汞在天然水体中可被微生物转化为毒性更强的 甲基汞。 ( 2 ) 生物可大量富集重金属，通过食物链危害人类。生物从环境中摄取重 金属，并在体内某些器官中高度富集，然后通过生物链进入人体，在某些器官中 积蓄起来构成慢性中毒，严重危害人体健康，例如汞和铡引。更值得注意的是， 由于生物链在生物界普遍存在，水生动植物、陆生农作物都有累积重金属的现象。 ( 3 ) 重金属不能被生物降解，只能改变其化合价和化合物种类。虽然天然 水体中o h 、c r 、s 0 4 2 、n h 4 + 、有机酸、氨基酸、腐植酸等，都可以同重金属生 成各种络合物或者鳌合物，但是，只能改变重金属的化学物种类，不能使重金属 在水中的浓度降低，同时还值得注意的是，水体中的一些物质也可以与沉入水底 的重金属反应，从而使成化合态的重金属又释放出来进入水体【9 】。同时，由于金 属离子可以和生物体中许多基团发生作用，再加上金属离子可以与生物体释放的 各种有机物反应，改变了它们的状态，使得其毒杀作用更加复杂。 随着经济的不断发展和城市工业化的快速发展，城市化以及基本生活所排放 2 山东大学硕士学位论文 的中产生的未经任何处理的城市垃圾和生活污水不断排入水中，使水体中的重金 属含量急剧升高，导致周围的水环境中重金属的污染作用不断恶化【l0 1 。废水中 不断增加的重金属含量不仅会对公众健康和生存的环境造成了严重的影响，水体 中的残余的重金属同时也会通过生态环境中普遍存在的食物链等途径进入人体， 人体在实用了含有重金属的食物之后重金属会在人体内累积，最终会威胁人类的 生命健康安全j 。 虽然重金属不能被微生物降解并且对它们有毒害作用，但是微生物对重金属 又有一定的抗性和解毒作用，可以吸附和转化重金属。原因是即使在高金属浓度 存在条件下，某些微生物也能通过细胞的表面富集于细胞膜成分的改变，减小重 金属毒性的破坏。由于活性污泥微生物的多样性和环境因素的差异，微生物主要 通过生物吸附、生物转化两种不同生物化学过程与重金属进行结合【l2 1 。 ( 1 ) 生物吸附 微生物对重金属的吸附作用主要是指细胞成分对金属的吸附，且0 e p s 对重金 属的吸附。众所周知，e p s 是细胞粘合的介质，通常由多糖( p s ) 、蛋白质( p n ) 、 糖蛋白、核酸、磷脂和腐殖酸等组成，是生物絮体等的主要成分。e p s 对重金属 的吸附的方式主要有两种：一是细胞壁上的活性基团( 如琉基、羧基、羟基等) 与重金属离子发生定量化合反应( 如离子交换、配位结合或络合等) 而达到吸收 的目的；二是物理性吸附或形成无机沉淀而将重金属污染物沉积在自身细胞壁上 1 1 3 。在真菌细胞壁与金属离子结合的被动吸附过程中，细胞壁上的多糖等物质 可以为结合重金属离子提供大量的离子交换点，当这些结合点达到饱和时，真菌 对重金属离子的富集就得通过络合作用进行吸附。 ( 2 ) 生物转化 生物转化是通过获得微生物细胞代谢伴随着能量消耗进行的一个主动过程。 生物转化分为两部分：一部分为较缓慢的生物作用所吸收，最终积存在在细胞原 生质内；一部分通过氧化还原作用而改变其毒性，从而形成了某些微生物对重金 属的解毒作用。y e t i s 等人通过实验证实了微生物对重金属离子的去除过程分两 个阶段进行：第一个阶段是溶液中的重金属离子与微生物细胞壁的功能基团 ( c o o h 、- n h 2 、= n h 、s h 、o h ) 的结合过程，该过程反应迅速，所需时间 1 山东大学硕士学位论文 较短；第二个阶段则是与功能基团所结合的重金属离子在细胞膜内的扩散过程， 该过程反应缓慢，所需时间较长【1 4 1 。 近年来，正是基于微生物对重金属的积累和解毒作用，以净化有毒金属污染 或回收有经济价值重金属为目的的生物处理技术日益成熟，微生物被看做是是现 代工业发展的坚强后盾。因此，研究和运用微生物与重金属间的相互作用将具有 明显的生态效益、社会效益和经济效益。 1 3 好氧活性污泥的应用 污水生物处理技术作为对水资源的污染防治、水资源的回收和利用的一种非 常重要的方法，同时也是进行水污染控制最经济和最有效的方法，因此生物处理 逐渐成为废水处理的主要手段。所谓废水的生物处理是就是利用微生物在进行自 身的新陈代谢过程中，将废水中呈溶解和胶体状态的有机污染物分解和降解为简 单的无机物等无害物质，从而达到去除水体中的污染物和废水净化的目的。长期 以来，城市生活污水多采用活性污泥法，它是世界各国应用最广的一种生物处理 流程。活性污泥法是指利用人工驯化培养的微生物群体，分解污水中可生物降解 的有机物质，从而达到了让污水得到净化的目的。活性污泥法自1 9 1 4 年由英国的 阿登( e a r d e n ) 和洛基特( w t l o e k e t t ) 创始以来，迄今已有将近百年的历史，随着 实际运行经验的积累和科学技术的发展，活性污泥法亦不断改进和发展，特别是 在成熟污水处理工艺中应用最为广泛。 活性污泥系统中会出现的微生物几乎包含了微生物的各种种类，其中主要的 是细菌，细菌数量占活性污泥中微生物总重量的9 0 至9 5 ，在一些处理工业 污水的活性污泥中细菌的数量甚至达到1 0 0 。菌胶团细菌和丝状菌构成了活性 污泥的骨架，占活性污泥的大部分，微型动物附着在菌胶团上或漫游其间，活性 污泥就形成结构良好的具有吸附和生物降解功能的絮体。些外，活性污泥中也有 真菌和微型藻类等其它微生物。 ( 1 ) 活性污泥中的细菌 活性污泥中的细菌主要有菌胶团细菌、丝状细菌。当活性污泥的微生物处在 内源呼吸阶段或者减速增殖阶段的后阶段时，微生物的活性变得微弱、动能较低， 4 山东大学硕士学位论文 不能与范德华力抗衡，在布朗运动作用下，菌体运动会发生相互碰撞，然后结合 形成菌胶团【1 5 】。 ( 2 ) 活性污泥中的真菌和原生动物 一般情况下，正常的活性污泥中生存的真菌和原生动物不占有优势。真菌一 般出现在一些含c 高或者低p h 的工业污水中，当城市污水中工业污水的比例很 大时也会出现真菌。一般情况下，在常规处理系统中如果出现真菌往往提示污水 负荷过高。活性污泥中原生动物大概有2 3 0 种左右，约占活性污泥重量的5 。 原生动物是污水处理中和细菌共同起主导作用的生物。 ( 3 ) 活性污泥中的后生动物 活性污泥中的后生动物的体型和活力都远强于原生动物，由多个细胞构成。 后生动物多以菌胶团为食，作为活性污泥正常运行的表现，后生动物具有指示作 用。 ( 4 ) 活性污泥中的微型藻类 藻类是含有光合色素的一类生物，在阳光照射下能进行光合作用，得用二氧 化碳、氮、磷等物质来合成藻体，把无机物转换为有机物。活性污泥中的藻类数 量和种类都很少，大部分为单细胞种类。藻类在无光照的条件下也可以进行异营 养代谢，有些学者利用这一特点来处理有机污水。值得注意的是，在某些特殊情 况下，有的单细胞藻类可以降解污水中的有机污染物。 正是因为活性污泥中的微生物种类较多，所以活性污泥法的适用范围，可 以去除污水、固废、废气等介质内的污染物质。一般情况下，微生物能利用各种 的有机物质作为能源和碳源。在适宜条件下，自然界里所有的有机物质都能够被 降解。微生物分解有机物的能力是非常大的。活性污泥中的微生物把污染物的分 解转化有两种途径： a 矿化作用。矿化作用是指把有机污染物完全降解成无机物的过程，是微生 物生长过程中包括分解代谢与合成代谢过程的占主导作用的分解过程。被矿化的 有机污染物作为微生物生长的基质和能源除了部分有机污染物被用于合成菌体， 其余的大部分会分解结合形成了代谢产物而排出。 b 。共代谢作用。通常，共代谢使有机污染物得到修饰或转化，但不能使污染 物分子完全的分解。共代谢与矿化不同，是由非专一性酶促反应完成的，所以这 山东大学硕士学位论文 种特性决定了它不导致细胞质量或能量的增加。事实上，微生物需要有另一种基 质的存在，以保证其生长和能量的需要。关于共代谢的机理目前尚不十分清楚， 但共代谢现象的存在己得到普遍证实。微生物处理污染物根据环境的不同分为好 氧与厌氧有机污染物处理，本课题所涉及内容与实验是好氧活性污泥微生物处 理，下面对好氧微生物处理有机污染物的基本原理作一些介绍： ( 1 ) 好氧微生物处理的基本原理 好氧微生物处理是在有游离氧存在的条件下( d o 2 m g l ) ，好氧微生物降解 有机物，并使其稳定、无害化的处理方法。一般情况下微生物降解代谢分为两种 途径，一种是分解代谢，部分有机污染物被分解成二氧化碳和水等稳定物质，并 且产生能量，用于合成代谢；另一是合成代谢，部分有机污染物被微生物自身所 利用，合成新的细胞物质【1 6 】。同时，微生物的细胞物质也进行自身的氧化分解， 进行自身的内源代谢或内源呼吸。在有机污染物充足的条件下，合成反应占有优 势，内源代谢不明显。有机污染物浓度较低时，微生物自身的内源呼吸作用则成 为向微生物提供能量、维持微生物自身生命的主要形式【1 7 】。 ( 2 ) 微生物降解有机物的基本途径 污染物中的大分子有机物首先在微生物产生的胞外酶作用下分解成为小分 子有机物。这些小分子有机污染物又被好氧微生物继续氧化分解，再通过不同途 径进入三羧酸循环，最终被分解为c 0 2 、h 2 0 、硝酸盐和硫酸盐等较简单的无机 物【1 4 】。微生物对难降解有机污染物的分解过程相对要复杂得多。一般来说，难 降解性有机污染物的结构较稳定或对微生物的活动产生一定的抑制作用，分解难 降解有机物的微生物种类较少。不同类型的难降解有机污染物的降解过程也不一 样。 ( 3 ) 溶解氧的提供 溶解氧对于好氧活性污泥的处理作用起到了十分重要的作用。充足的溶解氧 供应有