华北理工水处理生物学教案06废水生物处理中的微生物及水体污染的指示生物

课程名称：《水处理生物学》第13讲次,总16讲

摘要

第6章废水生物处理中的微生物及水体污染的

指示生物

授课题目（章、节）

第一节废水中污染物在微生物作用下的降解与转化

第二节不含氮有机物的分解

第三节含氮有机物的分解

本讲目的要求及重点难点：

【目的要求】

•废水中有机污染物在微生物作用下的降解与转化；

・不含氮有机物的分解；

•自然界的碳循环。

•含氮有机物的分解；

•自然界的氮循环。

【重点】含氮有机物的分解

【难点】理解含氮有机物分解的过程与控制条件。

内容

【本讲课程的引入】

废水通过生化作用被降解，水中污染物放生了那些变化呢？

【本讲课程的内容】

6.1废水中的污染物在微生物作用下的降解与转化

1、生物降解的分类

微生物的分类：

•好氧微生物（aerobe）：生活时需要氧气，没有氧气无法生存

・厌氧微生物（anaerobe）：只有在没有氧气的环境下生长，有氧气反而不能

生活。

•兼性微生物（facultativeaerobe）：即可在有氧条件下，也可在无氧条件下生

活。在自然界中，大多数微生物属于这一类。

一般，DO>0.2〜0.3mg/L,兼性微生物利用氧气进行代谢。DO<0.2Y）.3mgzL,

兼性微生物同厌氧微生物一样生活时不需要氧。一些好氧微生物（好氧细菌，球衣

细菌、真菌等）能在微氧环境（D0接近于零）中生长。因此在微氧环境中占优势

的微生物常常是好氧微生物C

生物降解的分类

•好氧降解：在好氧条件下进行的降解，好氧呼吸

•厌氧降解：在厌氧条件下进行的降解

生物降解的基本规律

有机物经逐步降解后产生能进入TCA。三竣酸p29）循环或（和）能作为的

合成代谢原料的中间代谢产物。逐步降解过程因化合物而异，但后面降解的基本相

同。

生物降解后的去向：细胞物质（微生物的生长）、分解产物（C02、小分子有机物

等）。

污水生物处理过程中有机污染物的降解过程

污染物、细胞构成物,/

生

C、H、0、N、P、S、/物

不

矿物元素、维生素等微

可

能源J生降

解

化学能（污染物等）、光能"物残

留

物

受氢体

2

。2、co?、SO4\NO3.等\

2、好氧降解一3个阶段

（1）糖醉解：由胞外酶把大分子分解为可以被细胞吸收的小分子。

（2）小分子的脱氢氧化：产生可进入TCA循环的乙酰一CoA。

（3）乙酰一CoA进入TCA循环和呼吸链被氧化成C02和H20

有机物CHONP------------C02、H20、（NH3+NO2+NO3-）H2SO4、H3PO4

3、厌氧降解（分段进行的）

・第一阶段与好氧降解基本一样（糖酵解）

・第二阶段：厌氧呼吸或者发酵

最终产物：「（有机酸低级脂肪酸也有臭味

c

LCW4；C0^\

（NH^RNH,

NL

者讥酸...."■二二4产生臭味

S田2sA

P-PO；

4、好氧降解与厌氧降解的比较

•好氧降解的有机物降解速率快、彻底；

•能量利用率高；

•菌体转化率高（合成系数大）、合成速率快

因为能量代谢水平（利月程度）不一样，ATP中高能键贮存的能力：48.1kJ/mol

38ATP

。6华2°6+6。2f6CQ+6//.O+28633VH

C6H阕）t2cH3CHQH+2CQ+^25"WK2ATP

好氧：48.1X38=1826.4kJ,能量利用率64%

厌氧：48.1X2=96.1kJ,能量利用率43%

6.2不含氮有机物质的分解

一、纤维素、半纤维素、木质素

I.纤维素——多糖化合物

纤维素是碳水化合物，由CHO组成。在树木、农作物中大量含有，印染废水

中含有大量纤维素。纤维素必须经过胞外酶水解成简萄糖后才可以被菌体吸收。

能降解纤维素的微生物：主要是

得菌和•些特细菌:纤维粘菌、纤维杆菌、莲霉菌、毒、青霉、木毒

葡萄糖

(C6HlQO5)na2H220H一弹二财->c6Ho6

纤维二糖

好氧CO2+H2O

丙酮-丁醇发酵CH^CH,OH

丁酸发酵

CH3CHOHCOOH

乳酸

CH4、C02

2.半纤维素的分解

半纤维素存在于植物细胞壁内，多含于人造纤维、造纸等工业废水中。由聚戊

糖、聚己糖、聚糖醛酸构成C

半纤维素一一单糖+糖醛酸一一二氧化碳、水或者厌氧发酵产物……

能降解纤维素的微生物：芽胞杆菌、假单胞菌、放线前。分解纤维素的微生物

大多可以分解半纤维素。

3.木质素(lignin)

木质素在植物性有机废物中的含量仅次于纤维素和半纤维素

芳懒键

LLC一

HCO\基本

构成

HQ-\Oy-c-c-c-单位

HaCO

HO-\O/-C-C-C-

降解机理史杂：芳酸链断裂，苯丙烷大分子解聚

微生物：担子菌纲，如白腐菌

二、淀粉

淀粉存在于植物种子、果实中。纺织和印染、酒厂废水中含有大量淀粉。

淀粉一一糊精——麦芽糖——葡萄糖——二氧化碳+水（好氧）或者乙醇+二氧

化碳（厌氧）

微生物：主要有霉菌（曲霉、根霉）

三、脂肪

脂肪也是由CHO组成的，来自植物体称为脂肪，来自动物体成为油。

脂肪---------->甘油+脂肪酸

结构/P

CH,——0—C

I/

CH,—0—C

I少

CH2—0—C

微生物：荧光杆菌、绿浓杆菌、放线菌、真霉

四、芳香化合物

苯酚——►*本---明1问物---丁二酸-----醋酸-----》二氧化砂

二酚

分解的细菌有：食酚假单胞菌、解酚假单胞菌

五、烧类（脂肪点）B氧化

主要是一些酵母菌和细菌

1.烷烽：CnH2n+2一般从末端氧化，形成醇、醛、酸、————C02

2.烯烧：

烯煌一"加氧化合物―"脂肪酸

六、合成洗涤剂

主要是芽泡杆菌、假单胞菌（恶臭假单胞菌）

七、自然界中的碳循环

1、有机物中的碳由于微生物的呼吸作用先被氧化分解成二氧化碳，然后通过

光合作用转化成为植物性蛋白质、碳水化合物和脂肪，动物食用了植物性蛋白质后

转化为动物性蛋白质、碳水化合物、脂肪等。

2、动物的排泄物被分解为二氧化碳。

3、动植物通过呼吸作用产生二氧化碳。

4、动植物死后的残体都为有机性物质，被分解为二氧化碳。

因此，二氧化碳是碳循环的中心。plOl图6-2

6.3含氮有机物的分解

废水中可能存在的含氮有机物质主要有蛋白质、氨基酸.尿素、胺类、硝基化

合物等。生活污水、工业废水中都存在大量的含氮化合物，一般分解的产物由氨、

氮气、水、二氧化碳等。

6.3.1氮的循环

自然界中氮的存在方式主要有：氮气、生物体中的有机氮化物（蛋白质）、硝态和

彼态氮

I、有机物中的氮在微生物作用下先被转化为氨，氨被氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。

2、氨和硝酸盐可被植物吸收而转化为植物性蛋白质。动物食用了植物性蛋白质转

化为动物性蛋白质，而动物排泄物又能被分解氧化为氨、亚硝酸盐、硝酸盐。

3、动植物死后的残体为有机物。

4、由于反硝化作用，硝酸盐氮游客转化为氮气，自由氮又可以在氮固定作用下转

化为植物性蛋白质。

6.3.2蛋白质的转化

蛋白质有许多氨基酸组成，含有CHON四种元素，有的含S。

蛋白质的转化：蛋白质水解、氨化作用、硝化作用、反硝化作用

1、蛋白质水解

由于蛋白质是大分子有机物，不能够被微生物直接吸收，只有通过酶将蛋白质

水解成氨基酸分子，才能进入细胞。

蛋白质——肮rudn——陈一肽——氨基酸

2、氨化作用（含氮有机物的生物氧化）：氨基酸在氨化细菌作用下被分解为不含氮

的有机物和氨。

NH2RCOOH+CO2+NH3有氧

R-C-COOH

RCH2COOH+NH3缺氧

氨化细菌（Ammonifier）,种类繁多（荧光假单胞菌、变形杆菌等等）

3、硝化作用：硝化作用分为两步，在有氧的条件下，亚硝酸菌先将氨

分两步进行（好氧条件）

NH3-----►NO2*——►NO3-

2NH3+30272HN02+H2O+6I9.6KJ

2HNO2+O2f2HN0?+20IKJ

硝化细菌都是自养菌，靠氧化氨获得能量，不需要有机物。它们都是G-,不生

芽抱的球状或短杆状，好氧，适于中性或碱性环境。亚硝酸菌具有单生鞭毛，而硝

酸菌不具有鞭毛。

硝化菌的主要特性：

•化能自养

・好氧

♦适于中性和弱碱性环境

•生长速度慢，世代时间8—24小时

•对有害化学物质敏感（用于毒性测定）

硝化菌与活性污泥中异养菌的生长速率比较

细菌种类世代时间（h）最大增长速率（1/h）

亚硝酸菌8-360.02-0.09

硝酸菌8-590.01-0.06

活性污泥中异养菌23-8.70.08-0.3

影响硝化作用的主要因素

(1)溶解氧(DO)：DO低于0.5mg/L时，硝酸菌活性受到抑制，而亚硝酸菌(即氨

氧化菌)对低溶解氧的耐受程度高于硝酸菌，DO低于0.5mg/L时仍能正常代谢。

(2)温度：温度低于12oC,硝化活性明显下降，30oC时活性最大，超过30oC时，

活性反而降低。

(3)pH：亚硝酸菌的最适pH范围为7.0-7.8,而硝酸菌的最适pH范围为7.7-8.1。pH

值过高或过低都会抑制硝化活性。硝化过程常大量产酸，可使pH值降低，限制硝

化作用进行，运行中应随时调节pH值。

(4)营养物质：硝化菌为自养微生物，生活不需有机质。在污水处理中硝化反应一般

在有机物浓度浓度较低的条件下较易发生"

(5)氨氮：氨氮浓度大于100-200mg/L时，对硝化反应呈现抑制作用。

(6)毒物：硝化菌对毒物的敏感度大于一般细菌，大多数重:金属和有机物对硝化菌

具有抑制作用。一般来说，亚硝酸菌比硝酸菌对毒物更敏感。

4、反硝化作用(Denitrification)

定义：硝酸、亚硝酸盐在缺氧条件下被反硝化细菌还原成亚硝酸和氮气的过程。

参与反硝化作用的细菌叫反硝化菌(Denitrifyingbacteria)大多数是异养菌(反

硝化杆菌、荧光假单胞菌)，也有一些自养菌(硝化硫杆菌)。大部分是兼性细菌,

有氧气时利用氧气呼吸，厌氧时，利用硝酸和亚硝酸根。

反硝化细菌般是异养菌，需要有机物，例如以甲醇作为电了供体

3NO；十CH.OH-3Mx+2H.O+CO,

+

2H+CH3OH+3H2O+CO2

反硝化细菌也有自养菌

6KNO3+5S+2CaCO3^3N2t+3K2SO4+2CO2+2CaSO4+能量

影响反硝化作用的主要因素

(1)营养物质：反硝化作用需要足够的有机碳源。甲晦、乙醉、乙酸、苯甲酸、葡萄

糖等均可作为碳源。其中利用最多的是甲醇，因为它价廉，而且氧化分解产物为水

和二氧化碳，不留任何难降解中间产物。在饮用水的脱氮处理中易采用乙醇，以避

免残留甲醇对人体的危害。

(2)溶解氧：在02和NO3-同时存在时，反硝化菌首先利用02作为最终电子受体，

只有溶解氧浓度接近零(氧化还原电位v()--M)0mV)时才开始进行反硝化作用。

(3)温度：反硝化反应的最佳温度为30-40。。温度低于QoC,反硝化菌的活动终

止，温度超过500c时，反硝化活性急剧降低。

(4)pH：反硝化反应的最适合pH值范围为7.0-7.5.pH值对反应成物也产生影响。

pH在中性范围内有利于N2的产生。

6.3.3尿素的转化

尿素细菌：引起尿素水解的菌。

CO(NH2)2酶一乂N〃4)2。。3TNH3+co2

碳酸氨

生物脱氮的基本原理

好氧或厌氧条件绝对好氧条件绝对好氧条件

薇度增大，PH值升高碱度下降，PH值降低碱度和pH值无变化

簟；2O,

啡细菌,氮氧化细菌।硝化细菌

.（自养型）自养型〉

5有=1机氮a——-NH4+-N-NO”XNO3-N

亚硝化作用硝化作用

②理化作用

I碱度增大，pH值升高

I缺氧条件

有机物有机物

反硝化町21普翳

N2驷

③反硝化作用

【本讲课程的小结】

本讲介绍了不含氮有机物的分解转化和含氮有机物的分解转化过程。

【本讲课程的作业】

理解生物脱氮的过程。

课程名称：《水处理生物学》第13讲次,总16讲

摘要

第6章废水生物处理中的微生物及水体污染的指示生物

授课题目（章、节）第四节无机元素的转化

第五节废水生物处理中的微生物

本讲目的要求及重点难点:

【目的要求】

•硫、磷、铁的转化；

•污水好氧生物处理的基本原理；

•好氧生物处理中（活性污泥法和生物膜法）的微生物；

【重点】污水好氧生物处理的基本原理

【难点】好氧生物处理中（活性污泥法和生物膜法）的微生物

内容

【本琲课程的市1

在活性污泥曝气池中，有机物逐渐被降解，具体过程是怎么发生的呢？

【本讲课程的内容】

6.4无机元素的转化

6.4.1硫的循环与转化

1、有机硫的转化（矿化）

氨化微生物均可分解硫化有机物，产生硫化氢和氨。

含硫有机物（-SH）——简单有机物+氨+硫化氢

无机硫化物的转化包括硫化作用和反硫化作用。

2、硫化作用：H2s被氧化成S和H2s04的过程。参与的微生物有硫磺细菌、硫化细菌。

3、反硫化作用：硫酸盐被还原成硫化氢的过程。

微生物——硫酸盐还原菌（eg去硫弧菌）

函1痈取旗鉴疆部SO”-

CH^COOH+Na2sO4.Na2CO.+H2s+CO2+H2O

硫磺细菌：能利用还原态硫化物（H2S、S等）为能源的丝状细菌；自养型；在细胞内有

大量单质硫；

2H2s+Qf2H2。+2s+343V①

2S+3O2+2H2Of2H2SO4+494V②

硫磺细菌分类

•无色硫磺细菌贝日阿托氏菌----白硫磺菌（Beggialoa）、发硫细菌（Thiothrix）

•紫色硫磺细菌：紫硫菌、八叠硫菌（光能自养）

硫化细菌；能利用硫化物作能源的菌还有硫化菌（杆菌），但不能在细胞内积累硫单体。

排硫杆菌HzS’Nci2sq3，N%SQ6Ts

c好氧菌,

一1氧化硫杆菌S,S2Oj-^H2SO4

硫化菌｝

5NaSO+SKNO.+2NaHC0.t6N%S。4+4Kso4+4N?+CO.+H0

22322

脱氮硫杆菌的应用：反硝化一污水处理

6KN0.+5S+2CaCO3fK2S0A+2CaCO3+2CO2+3M+能量

硫酸盐还原菌(反硫化细菌)将硫酸盐还原成硫化氢的过程,严格的厌氧菌，能进行反

硫化作用的细菌有：

•脱硫脱硫弧菌(Dcsulfovibriodesulfuricans)

•巨大脱硫弧菌(Desulfovibriogigas)

•至黑脱硫肠状菌(Dcsulfbtomaculumnigrificans)

含SO42.废水生物处理工艺

6.4.2磷的循环与转化

1、磷的循环

磷以含磷有机物、无机磷化物和PH3存在。大量的含磷有机物和不溶性磷酸钙，植

物和微生物不能够直接利用，必须经过微生物分解为溶解性磷酸根，植物才可以利用。

植物吸收溶解性磷酸盐后合成含磷有机物，动物食用后转化为含磷有机物。动植物尸体

在微生物作用下分解为溶解性的偏磷酸盐(HPO42-),HPO42-在厌氧条件下还原成，

PH3构成了磷的循环。

可溶化

不溶性磷:〉可溶化(”尸。：)->微生物、植物利用T有机磷化物

H2COy(CO2).HNO3、fi2SO4

细菌氧化硝化菌，硫化菌

有机磷化物的生物降解

磷酸还原：(类似于反硝化、反硫化)，梭状芽抱杆菌、天肠杆菌

挥发性

H3PO4fH3PO3TH3PO2TPH：

2、含磷有机物的转化

含磷有机化合物有：卵璘脂、核酸及各种糖的磷脂酸等存在。

•有氧条件下：含磷有机物——磷酸——磷酸盐

•缺氧条件下：H3PO4——H3PO3——H3PO2——PH3——还原

3、无机磷化物的转化

不溶性无机磷酸盐可以借助微生物分解有机物过程中产生的有机酸和二氧化碳或硝

化细菌及硫化细菌形成的硝酸或硫酸作用下，转化为可溶性的磷酸盐。

C%(PQ)+2HNO.->CCIHPO4+Ca(NO3)2

6.4.3铁的转化

1、铁化物的氧化沉淀：

Fe3+TTTFe(OH\

铁细菌

2、铁化物的还原与溶解：

•C02、无机酸、有机酸的生成一一铁沉降溶解

•氧化还原电位的降低

3、有机铁化物的形成与溶解：

溶解性铁一一被植物、微生物吸收利用一一有机结合态或有机酸铁盐

铁细菌：能利用还原态铁作为能源的细菌；一般为自养菌；是一种丝状菌、一般生

活在含氧少、但有较多铁质却C02的水中。

4人eCO?+a+6H2Ot4Fe(OH)3+4CO2+167.5J

6.4.4生物降解中应注意的几个问题

一、抑制作用

有些有机物浓度低时可以降解，高于某一浓度时不能降解（产生抑制作用）。

二、共代谢现象：

单独存在时不能降解，只有在其它物质被降解时才能被降解的现象。（不能作为能源

或碳源的化合物的代谢）原因：

•缺少进一步降解的酶系；eg2,4-D（二氯苯氧乙酸）

•中间产物的抑制作用；

•浓度低，不能维持生命代谢。

三、分子结构与生物降解性的关系（一般规律，但例外较多）

四，基质间的相互作用（几种情况）

五、微生物间的相互作用

•协同作用（共生关系）

•抑制作用（拮抗）：分解产物抑制其他微生物

•捕食作用

六、去毒作用与激活作用

生物转化（Biologicaltransfbrmation）有时使污染物在毒性上发生改变。

6.5废水生物处理中的微生物

生物处理法：利用微生物处理废水的方法：好氧处理［供氧），厌氧处理（不供氧）。

微生物的在构筑物中的生长形式：悬浮（活性污泥法）、附着（生物滤池）。

特点：混合培养微生物系统，包含一个较完整的生态系统，各种不同营养水平的微

生物形成一个食物网。

生物滤池（微生物膜）的食物链：细菌、真菌。原生动物o轮虫、线虫。昆虫。鸟

类

6.5.1好氧生物处理

（-）废水好氧生物处理的原理

在有氧的条件下，借助好氧微生物去除水中有机物质，废水中溶解性小分子有机物

质能够直接进入微生物细胞；但是固体和胶体有机物首先附着与细菌体外，在其胞外酶

的作用3分解为溶解性小分子有机物质进入细胞。细菌通过自身的生命活动一氧化

还原合成等过程，将一部分有机物氧化成简单有机物，并释放出细菌生长所需要的能量;

而把另外•部分有机物转化为细胞物质，从而细菌得到了生长繁殖，有机物得到去除。

当有机物浓度很低，细菌得不到足够的营养，而利用细胞物质进行内源呼吸.大量细菌

发生凝聚作用结成大的絮体，在沉淀池中发生泥水分离，使污水的到净化，剩余污泥再

处理。

好氧生物处理适用于处理有机物含量不高的溶解性有机物废水。

（二）活性污泥法

1、活性污泥法的工艺流程

f基本流程1^,

2、活性污泥法中的微生物

1）常见的微生物

•细菌：假单胞菌、球衣菌、硝化菌……（种类繁多＞30〜300）

•原生动物：钟虫、草履虫等。5000ccll/mL可占VSS的5%〜12%

•后生动物：轮虫等

2）剩余污泥组成：细菌、原生动物、后生动物、难降解物质等

3）出水组成：无机盐类、不可降解有机物，难降解物质

4）处理效果的指示生物

・水质好（BODvlO〜20）：纤毛虫、钟虫

・水质坏（BOD＞20〜30）：鞭毛类原生动物、根足虫、变形虫

处理水质与原生动物种类有一定的关系，但不绝对：

3、活性污泥运行中微生物造成的问题

一般常见故障是二次沉淀池中泥水分离•效果不好，由污泥絮体结构的不正常引起。

•不絮凝

・微小絮体

•起泡沫

•污泥膨胀

①不絮凝和微小絮体

现象：是一种微结构絮体造成的现象。因为絮体变得不稳定而破碎，或者因为过度

曝气形成的紊流将絮体切碎，或细菌不能够凝聚成絮体，微生物成为游离态，不能沉淀

而流走

原因：

•DO低，pH低，冲击负荷，有毒废水

•污泥负荷过低（＜0.2kg-BOD/（kgd）,往往发生在延时城气

•当自由游泳型原生动物如肾形虫过多时

②起泡沫

•不降解的洗涤剂——白色泡沫

•由丝状菌诺卡氏菌的异样增殖引起；

•污泥反硝化——污泥上浮

•气泡进入丝状细菌的群体，浮在地面上，形成泡沫或一层浮渣。

原因：高负荷、长泥龄

③污泥膨胀——由丝状的异常增殖引起。

理想的絮体：丝状菌与絮体形成菌保持平衡。

膨胀絮体：丝状菌从絮体中伸出，形成丝状菌和絮体网（搭桥）；细菌沿丝状菌凝聚,

形成细长絮体。

原因：低DO,污泥负荷低，营养不足（比例失调）、低pH

污泥膨胀的控制方法

•控制负荷：0.2〜0.45kg/（kg・d）

•控制营养比例：BOD：N：P=100：5：1

•控制DO比例：＞2mg.L：P不足时有利于丝状菌的竞争

•加氧化剂（02,H2O2,03）«有选择性地控制丝状微生物

•投加混凝剂：改善污泥的絮凝

注意：不出现丝状细菌时有时也会出现污泥膨胀。游离细菌产生菌胶团时会产生此

现象---菌胶团膨胀。原因：大量胞外多聚物（ECP）（extra-cellularpolymer）

（三）生物滤池中的微生物（生物膜法）

•在生物滤池中的微生物较活性物污泥中更加复杂，有昆虫存在

•在滤池表面附着一层膜，即是微生物生长繁殖的场所，也是有机物去除的场所，

污水以膜的形式流过生物膜，进行各种物质交换

・大多好氧微生物生活在生物膜的外层，兼性菌和厌氧菌生活在内层

•生物流池从上到下微生物更加高级

1、生物膜结构示意图

2、生物滤池中的微生物（生物膜法）

由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物形成一个复杂的生物群体。

•细菌：大多为G一,硝化菌生活在膜的底层

•真菌：镰刀霉、青霉、毛菌、地霉

•藻类：主要生长在滤池表面，小球藻等

•原生动物：钟虫、盖纤虫、草履虫

•后生动物/小动物：轮虫、蠕虫、昆虫

3、生物膜法与活性污泥的比较

•食物链比活性污泥的多几个营养水平；原生动物、后生动物的量多

・微生物种类多，多样性高。增长速度慢的微生物也可以生长；抗冲击性的微小动

物也可以生长。

•硝化菌、反硝化菌多

【本讲课程的小结】

本讲课程介绍了无机元素的转化以及污水好氧生物处理的基本原理。

【本讲课程的作业】

理解污水好氧生物处理中的微生物特点。

课程名称：《水处理生物学》第14讲次.总16讲

摘要

第6章废水生物处理中的微生物及水体污染的

授课题目（章、节）

指示生物

第五节废水生物处理中的微生物

本讲目的要求及重点难点;

【目的要求】

・厌氧生物处理的基本原理；

•水体富营养化的原因及危害、生物脱氮除磷的原理及工艺。

【重点】、厌氧生物处理的基本原理、水体富营养化的原因及危害、生物脱氮除鳞的原理

及工艺。

【难点】理解厌氧生物处理的阶段性理论、除磷原理。

Si

【本讲课程的引入】

我们了解了好氧生物处理的过程，厌氧过程相同吗？

【本讲课程的内容】

二、厌氧生物处理微生物学及常用构筑物

（-）厌氧消化过程阶段性理论

厌氧反应过程中的阶段性、两阶段理论、三阶段理论、四阶段理论

1、厌氧消化的两阶段理论

发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段；

•主要功能：水解和酸化，

•主要产物：脂肪酸、醇类、C02和H2等；

•主要的微生物：统称为发酵细菌或产酸细菌；

•主要特点有：1）生长快，2）适应性（温度、pH等）强。

产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段；

•产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和C02；

•主要参与微生物统称为产甲烷细菌；

•其特点有：1）生长慢；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感。

2、厌氧消化的三阶段理论

两阶段理论的问题：研究表明,产甲烷菌只能利用一些简单有机物如甲酸、乙

酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，而不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以

外的醇类；70年代，Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细菌，实

际上是由两种细菌共同组成的，一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和H2,另一种细

菌利用H2和CO2产生CH4：因而，提出了“三阶段理论”

•水解、发酵阶段：在水解与发酵细菌作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂

肪水解、发酵转化为单糖、敏基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等；

•产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将第一阶段的产物转化为乙酸、H2/CO2；

•产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4；

•一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其

余的则产自H2和C02o

3、厌氧消化的三阶段理论和四类群理论

乙酸

为三阶段理论，

IV为四类群理论;

•同型产乙酸菌：将H2/CO2合成为乙酸。

•实际上这一部分乙酸的量较少，只占全部乙酸的5%。

•三阶段、四阶段理论是对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。

（二）厌氧生物处理中的微生物

I、产酸细菌（不产甲烷细菌）non-ethanogens

•发酵细菌：梭菌属、枝杆菌属、乳酸菌属

•产氢产乙酸细菌：大多数发酵细菌，也有专性产氢产乙酸菌

•同型产乙酸细菌

2、产甲烷菌

•种类多、形态多样

•严格厌氧菌

•对温度和pH变化敏感。中温菌：25—40℃,高温菌：50—60℃；pH：6.8〜

7.2（范围窄）产酸过程中生成酸，从而降低pH——抑制甲烷菌生长

（三）厌氧处理工艺传统消化池

6.5.3厌氧法与好氧法的比较

•好氧法一般处理浓度不太高的有机废水，厌氧法一般适用于处理有机浓度

高的废水及污泥消化处理

•由于好氧法需要曝气，如果有机负荷过高耗能大，而采用厌氧法可以产生

沼气，回收能量

・好氧法反应速度快、处理有机物彻底，需要构筑物小；厌氧法降解速度慢、

处理不彻底，需要的构筑物大

・厌氧法一般需要加热

・好氧法不散发臭气，厌氧法散发臭气

・厌氧法控制条件较难，效果不好

6.5.4生物脱氮除磷中的微生物

1、水体富营养化

定义：当大量含有N、P的废水排入水体后，使得NP营养过剩，促使水体藻

类过渡繁殖，使淡水水体发生“水华”，使海洋发生“赤潮”，称为水体富营养化。

发生条件：T-P>20mg/m3,无机N>300mg/m3

危害：

•由于藻类和异养军代谢作用，耗尽DO,大量藻类覆盖在水面，大气中氧气

不能进入水中，造成水中缺氧，浮游生物鱼类无法生存。

•藻类分泌致臭致毒物，藻类死亡后，腐败，恶化水质

・水休沉积大量藻类有机物，厌氧发酵，散发臭气，水体恶化.

2、生物脱氮的基本原理及微生物

3、缺氧一好氧活性污泥脱氮系统（A—0工艺，Anoxic-Oxic）—又称“前置

式反硝化生物脱氮系统”

硝化反应器内的已进行充分反应的硝化液的•部分回流反硝化反应器，而反硝

化反应器内的脱氮菌以原污水中的有机物作为碳源，以回流液中硝酸盐的氧作为电

子受体，进行呼吸和生命活动，将硝态氮还原为气态但（N2）,不需要外加碳源。

4、生物除磷原理及微生物

磷细菌（也称为聚磷菌、除磷菌），可过量、超出生理需要的摄取磷，以聚合

磷酸盐的形式贮存在细胞体内。从系统中排出这种高磷污泥，就可达到除磷的目的。

生物除磷的原理与过程

何淹污泥

（I）厌氧条件下，聚磷菌释放磷

•厌氧条件下（无溶解氧、无结合氧），聚磷菌利用体内的ATP进行水解，放

出H3P04和能量，形成ADP。

•ATP+H2O——ADP+H3P04+能量

•聚磷菌利用分解获得的能量，吸收污水中的营养物质，合成PHB（羟基丁

酸盐）。

（2）好氧条件下，聚磷菌吸收磷

・好氧条件下，聚磷菌分解体内储存的PHB获得能量，同时通过主动运输的

方式从污水中摄取有机物，氧化分解有机物释放出能量，能量为ADP获得,

结合H3PO4形成ATP。

•ADP+H3Po4+能量——ATP+H20

•H3P04一小部分有娶磷菌分解体内聚磷酸盐取得外，大部分是聚磷菌利用

能量，在透膜酶催化作用下，通过主动输送的方式从污水中的H3P04摄入。

摄入的H3P04一部分由于合成，另一部分用于合成聚磷酸盐。

（3）过量摄取的磷随污泥排出污水处理系统.

厌氧---好氧除磷工艺（A-0工艺，AnaerobioOxic）

A-A―O同步脱氮除磷工艺(Anaerobic-Anoxic-Oxic)

【本讲课程的小结】

本讲介绍了污厌氧生物处理的基本原理、水体富营养化的原因及危害、生物脱

氮除磷的原理及工艺。

【本讲课程的作业与复习】

作业：污水好氧生物处理的基本原理？厌氧生物处理的三阶段和四类群理论？

生物除鳞的基本原理及过程？

课下复习：掌握污水生物处理的基本原理.、好氧生物处理中（活性污泥法和生

物膜法）的微生物、厌氧生物处理的基本原理、水体富营养化的原因及危害、生物

脱氮除磷的原理及工艺。

课程名称：《水处理生物学》第15讲次,总16讲

摘要

第6章废水生物处理中的微生物及水体污染的指

授课题目（章、节）

示生物

第六节水体污染与自净的指示生物及监测方法

本讲目的要求及重点难点；

【目的要求】

•水体自净的原理与过程；

・评价水体自净过程的指标；

•污化系统各带的划分及特点；

•微生物的观察与培养；

・微生物的纯种分离与保存、灭菌；

•谁处理中水生动植物的作用。

【重点】：掌握水体自净的原理与过程、污化系统各个划分带的特点、微生物的纯种分离

与菌种的保存。

【难点】水体自净的原理与过程

内容

【本讲课程的引入】

水体能够自己变清吗？

【本讲课程的内容】

6.6水体污染与自净的指示生物及监测方法

6.6.1水体自净

自然净化（水体中污染物在物理、化学、生物等的作用下，逐渐变清的过程。）

•物理作用：稀释、沉淀（强）

•化学作用：日光、氧气等对污染物的分解（弱）

•生物作用：生物降解（食物链）（强）

水体自净速度有哪些限制因素？

•物理？

・净水流量、流速、污染物物理性质

•化学？

•地域、季节、天气

•生物？

•生物种类、数量（营养物浓度、环境因子）、代谢的极限速度

因此水体的自净速度是芍限的。在正常情况下，水体单位时间内通过正常生物

循环中能够同化有机污染物的最大数曷称为同化容量或自净容量C

被污染的水体都是自净水体！但自净恢当的程度不同，或称污染现状不同。

6.6.2衡量水体污染与自净的指标

用什么指标可以衡量河段水体污染与自净所处的阶段。一一水体外观、化学指

标、生物种类、数量及比例关系、溶解氧等等

A.水体外观

•外观特征：混浊程度、颜色及气味等

•原因：水中细菌种类数量、悬浮物种类数量

污染前污染净化开始持续结束

无色暗灰色灰色继续变清无色

外观很混浊、臭、浊度下降、

澄清透明混浊澄清透明

水面有泡沫泡沫减少

B.化学指标

•B0D5

•COD

•DO

•其它各种有机物（酚）等

C.P/H指数与BIP指数

•P代表光合自养型微生物（如藻类）

•H代表异养型微生物（如细菌等），两者的比即P/H指数。

•P/H=（有叶绿素的微生物数量）/（异养微生物数量）

•BIP=（无叶绿素的微生物数量）/（全部微生物数量）%H/（P+H）X100%

污染前污染净化开始持续结束

P/H外观下降最低点上升高

BIP0-8上升60~100卜降0-8

通常使用的是BIP指数

D.氧浓度昼夜变化幅度

M•也较软封

用-引以-闿-曰-

河流污染中氧浓度昼夜变化示意图

为什么不同的净化程度昼夜变化幅度不同？

氧浓度高低与细菌含量有关，昼夜变幅与藻类数量有美，因此与P/H或BIP有

关。

污染前污染净化开始持续结束

溶氧变化幅

00增大减小0

度

这种指标与B1P从根本上是相同的。但由于溶解氧可•以用溶解氧测定仪随时测

定并迅速地得出结果，而BIP指标需要细菌鉴定、培养、显微镜观察，周期长操作

不便，因此实际操作中溶解氧变化幅度比BIP指标更为实用。

E.指示生物

污染前污染净化开始持续结束

藻类、原生

生物植物、鱼消失鱼虾出现植物、鱼

动物出现

可作为指示生物的生物种类很多，包括细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、

浮游甲壳动物、底栖动物有寡毛类的颤体虫、软体动物和植物和水生昆虫等。

6.6.3水体自净指标综合应用-一污化系统

•较洁净水体（可使用）——国家地表水水质标准化分（共V类）

•劣V类的水体（无使用价值）一用污化系统划分，依据上述判断指标。

污化系统将污染水体划属为不同的污染带类型。分多污带、a中污带、B中污

带、其污带

多污带

类型外观BIP生物特征

11.暗灰色，很浑浊，含大1.种类很少，厌氧菌和

河量有机物，BOD高，兼性厌氧菌种类多，数

溶解氧极低（或无），为量大，每亳升水含有几

流厌氧状态。亿个细菌。有能分解复

92.在有机物分解过程中，杂有机物的菌种，硫酸

多污带60~100

流还原菌、产甲烷菌等。

产生H2S>C02和CH4

等气体。臭味。2.无显化植物，鱼类绝

向

13.水底沉积许多由有机迹。

和无机物形成的淤泥。3.河底淤泥中有大量寡

水面上有气泡。毛类（颤蚯蚓）动物0*

1

注：*颤蚯!fe可属后生动物，与陆地上的蚯蚓从体态和习性上都十分相似，他们也是

环节动物，栖息于水底污泥中，与蚯蚓类似吞食污泥故俗称水蚯蚓，与蚯蚓不同的

是，他们体表多毛。

类型外观RIP