水微生物学（终稿）

污水生物处理微生物种群介绍 武汉理工大学土木工程与建筑学院 主讲 刘小英 主要内容 一 绪论 二 几种常见生物的特性 三 微生物营养 四 污染控制微生物应用 了解在自然环境 受污染环境和人工处理系统中的微生物生态 环境的自净作用 环境污染及其生物处理工程中的微生物学原理 绪论 通过水生生物的生命活动 使水体中污染物总量和浓度降低 其中最主要的是微生物对有机污染物的降解作用 以及对有机污染物的转化作用 给水处理传统工艺及生物预处理 沉砂池 消毒 源水 给水管网 药剂 混凝沉淀池砂虑 生物 预处理投药 废水进行脱碳 脱氮 除磷处理及给水生物预处理 除此之外 微生物也可以用于土壤生物修复及废气处理 废气的微生物处理具有设备简单 能耗低 不消耗有用原料 安全可靠 无二次污染等优点 受到高度重视 微生物除病毒外都具有细胞结构 而具有细胞结构的微生物 分为真核微生物和原核微生物 细菌 放线菌 立克次氏体 支原体 衣原体 蓝细菌属原核生物 procaryote 真菌 单细胞藻类和原生动物以及后生动物属真核生物 eucaryote 这两类微生物在细胞结构上 特别在细胞核上有显著区别 几种常见生物的作用 1 细菌 细菌个体均为单细胞生物 其基本形态有三种 球状 杆状和螺旋状 分别称为球菌 杆菌和螺旋菌 包括弧菌 此外 一些细菌具有较为特殊的形态 如分叉 具柄 具附器等 细菌基本形态 菌胶团 Zoogloea 是活性污泥中细菌的主要存在形式有较强的吸附和氧化有机物的能力活性污泥性能好坏与菌胶团数量 大小及结构有关结构紧密有利于获得良好的吸附沉降性遇到不适宜的环境时 菌胶团就发生松散 动胶菌属 菌胶团与污水活性污泥 AS 处理系统 污水活性污法的工艺流程 13 活性污泥 activatedsludge 一种绒絮状小泥粒 由细菌为主体的微型生物群以及胶体 悬浮物等组成 2 放线菌 常存在于含水量低 有机物丰富呈碱性的土壤中 土壤的 泥腥味 由放线菌产生的 三 放线菌的应用 产生抗生素 酶和维生素 分解纤维素 石蜡 琼脂 角蛋白 橡胶的能力 有些菌能氧化分解氰化物 在水处理上有重要意义 15 工程上常把菌体细胞能相连而形成丝状的微生物统称丝状菌 如丝状细菌 放线菌 丝状真菌和丝状藻类 如蓝细菌 等 3 丝状菌 常见的丝状细菌 铁细菌 一般是自养型丝状细菌 硫磺细菌 一般是自养型丝状细菌 球衣细菌 吞食消化沉没的泰坦尼克号残骸的食铁细菌2011十大奇特新物种 硫磺细菌 球衣细菌 丝状细菌与污泥膨胀 在正常运行的废水生物处理系统中 丝状细菌是生物膜的骨架 其上附着菌胶团 丝状细菌与菌胶团形成互惠关系 可维持废水处理系统的稳定性 提高抗冲击负荷能力 但过度繁殖会使污泥结构松散 上浮 引起 污泥膨胀 现象 从而影响处理效果和出水水质 4 蓝细菌 蓝细菌 Cyanobacteria 旧名蓝藻 bluealgae 或蓝绿藻 blue greenalgae 蓝细菌与会导致典型的水华藻类 巢湖蓝藻爆发 真核微生物的主要类群 水处理相关真核微生物 真菌界 植物界 动物界 真菌 真菌生活在富含有机物质的环境中 尤其是多糖类有机化合物 真菌代谢强度高 可用于有机污染物的生物处理 它能分解诸如纤维素 果胶质等很复杂的有机化合物 甚至还能破坏某些杀菌剂 23 酵母菌一般以单细胞状态存在 能发酵糖类产能 适于在含糖量高 酸度较大的环境 5 酵母菌 酵母菌 yeast 是一个通俗名称 一般泛指能发酵糖类的各种单细胞真菌 酵母菌的形态与结构 光学和电子显微镜下的酵母菌 6 霉菌 主要指某些霉菌代谢产生的一些毒素对其它生物造成危害 霉菌对有机物具有较强的降解能力 但是引起污泥膨胀的潜在因素 所以一般应控制霉菌在活性污泥系统中的发展 在活性污泥系统中 霉菌在营养竞争上受细菌的限制 一般不会大量增殖 霉菌 霉菌 mould mold 为丝状真菌 filamentousfungi 的俗称 意为 能使物体发霉的真菌 青霉 曲霉 霉菌分布广泛 水处理 在生物膜和活性污泥中起到网架作用 藻类 algae 是具有光合作用色素 并能独立生活的自养低等植物 7 藻类 藻类为真核生物 具有真核细胞的一般特征 无机营养型 能进行光合作用 生长pH范围 4 10 适宜pH值为6 8 富营养化的湖泊的pH往往 7 水源水体中的藻类 包括蓝细菌即蓝藻 对给水工程有一定危害 异味 滤池堵塞 藻毒素毒性大难去除 增加药剂消耗 富营养化水体的 水华 爆发 严重影响水环境质量 几种绿藻 栅列藻 小球藻 盘星藻 在废水处理中的应用 1 在污水处理中可利用藻类形成菌藻共生体系 藻类可以为微生物提供氧 氧化塘 2 微藻生物柴油 微藻生物质能 3 利用具有光合特性的藻类进行污水生物处理 如红螺菌属的微生物可在有氧黑暗和无氧光照条件下都能很好的生长 对废水中的污染物有较好的去除效果 8 原生动物 原生动物易于观察 可以用作废水生物处理系统运行状态的指示生物 如 梨波豆虫 滴虫等动物性鞭毛虫的大量出现 是系统处理效果欠佳的表征 钟虫 轮虫等原生动物的出现 是系统处理效果良好的表现 微生物营养 在废水生物处理中 需满足废水中C N P等营养元素平衡 对于好氧生物处理 C BOD5 N P 100 5 1 对于厌氧生物处理 C CODCr N P 200 300 5 1较为适宜 1 碳源 carbonsource 碳源用于产生能量细胞合成 不同的微生物利用碳源的能力也存在很大差异 氮是细胞的一种主要组成元素 微生物氮源物质主要用于合成细胞内各种氨基酸和碱基 进而合成蛋白质和核酸等细胞成分 2 氮源 Nitrogensource 自然界中的氮源物质有分子态氮 无机氮化物 简单有机氮化物 氨基酸等 和复杂含氮有机物 如蛋白质 无机氮源有氨 尿素 铵盐 硝酸盐等 矿质元素是微生物生长必不可少的一类营养物质 其主要作用是构成细胞的组成成份 参与酶的组成 维持酶的活性 调节和维持细胞的渗透压平衡 控制细胞pH值和氧化还原电位等 3 矿物元素 大量元素有P S K Mg Ca Na等 没有它们微生物就无法生长 微量元素有Cu Zn Mn Mo Co等 主要是一些酶的辅助因子 微生物生长所需要的微量元素一定要控制在正常的浓度范围内 新陈代谢 同化作用 物质合成 能量转化 与储存 异化作用 物质分解代谢 能量 转化 释放与利用 同化作用为异化作用提供物质基础 异化作用为同化作用提供能量来源 两者因物质与能量的联系而无法分离 构成一个辨证统一体 污染控制微生物应用 1 生物氧化 有机物质在生物体细胞内的氧化作用称为生物氧化 它是能量代谢与物质代谢的耦联 在活性污泥中有70 左右 甚至90 以上微生物为兼性微生物 因而 对于好氧活性污泥法 即使处理构筑物短时甚至长时间呈现缺氧状态 亦不致造成大量微生物死亡 有氧呼吸 微生物将无机盐进行还原 不需要氧作为电子受体 无氧呼吸 微生物将利用氧作为电子受体 好氧微生物 无氧微生物 兼性微生物 在有氧条件下进行好氧呼吸 在厌氧条件下进行无氧呼吸或发酵 2 有机废水生物脱氮 有机氮脱氨作用氨氮亚硝酸菌亚硝酸盐氮硝酸菌硝酸盐氮好氧条件 传统生物脱氮 短程反硝化理论 N2或N2O反硝化细菌亚硝酸盐氮厌氧条件 硝化作用 氨态氮在微生物作用下氧化为硝态氮的过程称为硝化作用 参与硝化作用的微生物称为硝化细菌 硝化细菌具有高度专一性 分为亚硝酸菌和硝酸菌 均为专性好氧微生物 硝化作用有它们共同完成 反硝化作用 厌氧条件下 NO3 在硝酸盐还原菌作用下转化为NO2 并进一步被还原为N2或N2O的过程 称为反硝化作用 反硝化菌为兼性菌 工艺技术废水生物脱氮工艺必须包含好氧工艺段和厌氧工艺段的交替 有机废水 厌氧段 出水 好氧段 有机废水 厌氧段 出水 好氧段 部分废水回流 这就形成了典型的A O工艺 该工艺对除磷也有很好的效果 3 生物除磷的基本原理与工艺技术 1 生物除磷的微生物学原理 体内集磷 细胞增殖 释磷释磷体内集磷 体内集磷 在营养相对丰富 条件适宜的环境中 微生物大量增殖 细胞从外界吸收大量可溶性PO43 并在体内合成多聚磷酸盐而积累起来 体内集磷 在静止期 内源呼吸阶段 各种营养消耗殆尽 仍具有一定生物活性的微生物就从环境中大量吸收磷 并以多聚磷酸盐的形式积累在细胞内 作为能量储备形式 释磷 条件不利环境中时 细菌会将积累在体内的多聚磷酸盐分解 以获取生命活动所需要的能量 同时将分解的磷PO43 的形式释放到环境中去 废水生物除磷的基本工艺 废水 好氧生物处理 二沉池污泥 厌氧释磷 含PO43 的上清液 物化处理 处置 剩余污泥 出水 泥渣 污水常用测试指标 1 有机物 CODcr BOD5 2 氮类物质 TN 氨氮 硝酸盐氮 亚硝酸盐氮 3 磷类物质 磷酸盐 TP 溶解性TP 4 污泥性质 MLSS MLVSS SV SVI 5 悬浮物性质 SS 化学需氧量 COD ChemicalOxygenDemand用化学方法氧化分解废水水样中有机物过程中所消耗的氧化剂量折合成氧量 O2 mg L 常用的氧化剂主要是重铬酸钾 K2Cr2O7 称CODCr酸性条件下 硫酸银作为催化剂 氧化性最强 废水中还原性物质同样被氧化 2 1 实验原理 化学需氧量是在强酸性溶液中用一定量过量的重铬酸钾氧化水中还原性无机和有机物 过量的重铬酸钾用硫酸亚铁铵回滴 根据重铬酸钾的用量计算出水中还原性物质消耗氧的量 硫酸银 催化剂 可使直链脂肪族完全氧化 硫酸汞 掩蔽剂 可络合氯离子以消除干扰 2 3 1 回流 取20mL水样于250mL回流锥形瓶中 加0 4g硫酸汞和10mL重铬酸钾标准溶液及几粒玻璃珠 连接磨口冷凝管 打开冷凝水 从冷凝管口慢慢加入30mL浓硫酸 硫酸银溶液 加热回流2h 2 返滴定 溶液冷却后取90mL水从冷凝管口慢慢到下 取下锥形瓶 再度冷却后滴加3滴试亚铁灵指示剂 用硫酸亚铁铵溶液滴定至红褐色即为终点 记下硫酸亚铁铵的用量为V1 2 4 如果废水中有机物的组成相对稳定 则化学需氧量和生化需氧量之间应有一定的比例关系 生活污水通常在0 4 0 5 3 空白试验 在测水样的同时 用20mL蒸馏水按 1 和 2 同样步骤作空白试验 记录硫酸亚铁铵的用量为Vo 生化需氧量 BOD BiologicalOxygenDemand 在规定条件下微生物氧化分解污水或受污染天然水样中有机物所需要氧量 20 5天 污水的生化需氧量通常只指有机物生物氧化所需的氧量 全部生物氧化需要20天 100天完成 实际中 常以5天作为测定生化需氧量的标准时间 称五日生化需氧量 BOD5 通常以20 为测定的标准温度 3 1 目前国内外普遍规定于20 1 培养5d 培养前后的溶解氧之差即为BOD5值 仪器法测定BOD5水样置于培养瓶中在一起放大器上恒温20 连续搅拌 待水样恒温后进行五日培养 在培养过程中 水样中的有机物经好氧微生物氧化分解为无机物 生成的二氧化碳被密封杯中的固体氢氧化钠吸收 微生物消耗的氧气使瓶中压力降低且呈正比 因此 BOD5的值可以由瓶中空气的压力减少值来确定 瓶中空气压力的变化经处理后直接显示各水样BOD5值 实验结束后 每2小时打印出一组数据 最终获得完整的生化反应曲线 5 1 氨氮测定氨氮 NH3 N 以NH3或NH4 的形式存在于水中 主要来源于生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产物和某些工业废水及农田排水 纳氏试剂是KI和HgI2的碱性溶液 与氨反应生成淡红棕色胶态化合物 Hg2ONH2 I 在波长410 425nm范围内有强烈吸收 用氯化铵做标准曲线 在波长420nm处测吸光度A 4 2 标准曲线的绘制分别吸取氯化铵标液 10 0 gNH3 N mL 0 2 0 4 0 7 0 10 0mL于5支50mL比色管中 加水至约25mL 加1 0mL酒石酸钾钠溶液 混匀 加1 5mL纳氏试剂 混匀 稀释至50mL标线 10min后在波长420nm处 用1cm比色皿 以零管为参比测吸光度A 以吸光度A为纵坐标 以NH3 N的量 mg 为横坐标作标准曲线 水样的测定取滤后适量水样于50mL的比色管中 同标准溶液一样步骤显色 稀释 测吸光度 由A值在标准曲线上查到氨氮的含量m g 5 3 三 数据处理 A N g 6 1 TN实验原理在碱性介质下 过硫酸钾在120 124 时能将水中氨氮 亚硝酸盐氮及大部分有机氮化合物氧化为硝酸盐 硝酸钾虽是无色化合物 但在紫外区220nm处有吸收 某些有机物在220nm处也有吸收 若有机物没有被消解完全 会在此处产生干扰 有机物在275nm处也有吸收 而硝酸钾无吸收 故在275nm处也测吸光度 然后从220nm处的吸光度中扣除 A A220 2A275用硝酸钾配制标准溶液 用校正吸光度做标准曲线 6 2 实验内容标准曲线的绘制分别取0 1 0 3 0 5 0 8 0mL硝酸钾标液 N 10 g ml 于25ml比色管中 用无氨水稀释至10mL标线 加入5mL碱性过硫酸钾溶液 塞上磨口塞 罩上纱布 用纱线捆紧 将比色管放在压力蒸汽灭菌锅中 120 124 加热30min 冷后取出 每支比色管中加入1mL 1 9 盐酸 用无氨水稀释至25mL标线 利用紫外分光光度计 以无氨水做参比 用1cm石英比色皿分别在220nm和275nm处测定吸光度 6 3 A A220 2A275 亚硝酸氮的测定 在磷酸介质中 pH值为1 8 0 3时 亚硝酸盐与对氨基苯磺酰胺 简称磺胺 反应 生成重氮盐 再与N 1 萘基 乙二胺偶联生成红色染料 在波长540nm处有最大吸收 4 微生物生长量的测定 微生物群体在生长过程中 个体细胞体积和重量变化不易被察觉 因此 常以细胞数量的增加或以细胞群体重量的增加作为生长繁殖指标 称重法 是测定生物量较为直接而可靠的方法 但只适用于菌体浓度较高的样品 而且要求样品中不含菌体以外的其他干物质 一般情况下 MLVSS MLSS的比值比较固定 对于生活污水 约为0 75 这一参数可以作为判断活性污泥可生化性的一个重要指标 总不可滤残渣 悬浮物 是指不能通过滤器的固体物 当用滤纸法或石棉坩埚法测定时 滤孔大小对测定结果影响较大 滤膜法方法原理 用0 45um滤膜过滤水样经103 105 烘干后得到总不可滤残渣 悬浮物 含量 SV测定取100mL污泥混合液于100mL量筒中 静沉30min后读出污泥体积则为S