水微生物學(終稿)

1、污水生物處理微生物種群介紹武漢理工大學土木工程與建筑學院主講：劉小英主要內容（一）緒論（二）幾種常見生物的特性（三）微生物營養(yǎng)（四）污染控制微生物應用了解在自然環(huán)境、受污染環(huán)境和人工處理系統(tǒng)中的微生物生態(tài)、環(huán)境的自凈作用、環(huán)境污染及其生物處理工程中的微生物學原理。緒 論通過水生生物的生命活動，使水體中污染物總量和濃度降低，其中最主要的是微生物對有機污染物的降解作用，以及對有機污染物的轉化作用。給水處理傳統(tǒng)工藝及生物預處理沉砂池消毒源水給水管網(wǎng)藥劑混凝沉淀池砂慮生物預處理投藥廢水進行脫碳、脫氮、除磷處理及給水生物預處理。除此之外，微生物也可以用于土壤生物修復及廢氣處理廢氣的微生物處理具有設備簡單

2、、能耗低、不消耗有用原料、安全可靠、無二次污染等優(yōu)點，受到高度重視。土地處理投菌法生物培養(yǎng)法生物反應器法土壤（生物）堆積堆肥式處理農(nóng)耕法生物通風及生物噴霧法植物修復（光修復）特制生物床反應器泥漿反應器生物過濾反應器固定化膜與固定化細胞反應器厭氧反應器微生物除病毒外都具有細胞結構，而具有細胞結構的微生物，分為真核微生物和原核微生物。細菌、放線菌、立克次氏體、支原體、衣原體、藍細菌屬原核生物（procaryote）。真菌、單細胞藻類和原生動物以及后生動物屬真核生物（eucaryote）。這兩類微生物在細胞結構上，特別在細胞核上有顯著區(qū)別。幾種常見生物的作用（1）細菌細菌個體均為單細胞生物，其基本形

3、態(tài)有三種：球狀、桿狀和螺旋狀，分別稱為球菌、桿菌和螺旋菌(包括弧菌)。此外，一些細菌具有較為特殊的形態(tài)，如分叉、具柄、具附器等。細菌基本形態(tài)細菌基本形態(tài)v 菌膠團（Zoogloea）是活性污泥中細菌的主要存在形式v 有較強的吸附和氧化有機物的能力v 活性污泥性能好壞與菌膠團數(shù)量、大小及結構有關v 結構緊密有利于獲得良好的吸附沉降性v 遇到不適宜的環(huán)境時，菌膠團就發(fā)生松散動膠菌屬菌膠團與污水活性污泥（AS）處理系統(tǒng)處理水污水曝氣池二沉池回流污泥剩余污泥初沉池污水活性污法的工藝流程 13活性污泥（activated sludge）: 一種絨絮狀小泥粒，由細菌為主體的微型生物群以及膠體、懸浮物等組成

4、。 （2）放線菌 常存在于含水量低、有機物豐富呈堿性的土壤中。 土壤的“泥腥味泥腥味”由放線菌產(chǎn)生的。（三）放線菌的應用 產(chǎn)生抗生素、酶和維生素。 分解纖維素、石蠟、瓊脂、角蛋白、橡膠的能力。 有些菌能氧化分解氰化物、在水處理上有重要意義。15工程上常把菌體細胞能相連而形成絲狀的微生物統(tǒng)稱絲狀菌，如絲狀細菌、放線菌、絲狀真菌和絲狀藻類（如藍細菌）等。 （3） 絲狀菌常見的絲狀細菌鐵細菌（一般是自養(yǎng)型絲狀細菌 ）硫磺細菌（一般是自養(yǎng)型絲狀細菌 ）球衣細菌吞食消化沉沒的泰坦尼克號殘骸的食鐵細菌20112011十大奇特新物種十大奇特新物種硫磺細菌球衣細菌絲狀細菌與污泥膨脹在正常運行的廢水生物處理系統(tǒng)

5、中，絲狀細菌是生物膜的骨架，其上附著菌膠團，絲狀細菌與菌膠團形成互惠關系。可維持廢水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高抗沖擊負荷能力。但過度繁殖會使污泥結構松散、上浮，引起“污泥膨脹”現(xiàn)象，從而影響處理效果和出水水質。（4）藍細菌 藍細菌（Cyanobacteria）舊名藍藻（blue algae）或藍綠藻（blue-green algae）， 藍細菌與會導致典型的水華藻類 巢湖藍藻爆發(fā)真核微生物的主要類群水處理相關真核微生物藻類真菌酵母菌霉菌原生動物微型后生動物肉足類鞭毛類纖毛類真菌界植物界動物界真菌真菌生活在富含有機物質的環(huán)境中，尤其是多糖類有機化合物。真菌代謝強度高，可用于有機污染物的生物處理，它能

6、分解諸如纖維素、果膠質等很復雜的有機化合物，甚至還能破壞某些殺菌劑。23酵母菌一般以單細胞狀態(tài)存在能發(fā)酵糖類產(chǎn)能適于在含糖量高、酸度較大的環(huán)境（5）酵母菌酵母菌（yeast）是一個通俗名稱，一般泛指能發(fā)酵糖類的各種單細胞真菌。酵母菌的形態(tài)與結構光學和電子顯微鏡下的酵母菌（6）霉菌 主要指某些霉菌代謝產(chǎn)生的一些毒素對其它生物造成危害。 霉菌對有機物具有較強的降解能力，但是引起污泥膨脹的潛在因素，所以一般應控制霉菌在活性污泥系統(tǒng)中的發(fā)展；在活性污泥系統(tǒng)中，霉菌在營養(yǎng)競爭上受細菌的限制，一般不會大量增殖。霉菌霉菌（mould，mold）為絲狀真菌（filamentous fungi）的俗稱，意為“能

7、使物體發(fā)霉的真菌”青霉曲霉霉菌分布廣泛污水處理中數(shù)量比細菌少大量繁殖會引起污泥膨脹水處理：在生物膜和活性污泥中起到網(wǎng)架作用 藻類（algae）是具有光合作用色素，并能獨立生活的自養(yǎng)低等植物（7）藻類藻類為真核生物，具有真核細胞的一般特征無機營養(yǎng)型，能進行光合作用。生長pH范圍：410，適宜pH值為68。（富營養(yǎng)化的湖泊的pH往往7 ）水源水體中的藻類（包括藍細菌即藍藻）對給水工程有一定危害。（異味、濾池堵塞、藻毒素毒性大難去除、增加藥劑消耗）。富營養(yǎng)化水體的“水華”爆發(fā)，嚴重影響水環(huán)境質量。幾種綠藻柵列藻小球藻盤星藻在廢水處理中的應用：（1）在污水處理中可利用藻類形成菌藻共生體系，藻類可以為微

8、生物提供氧（氧化塘）；（2）微藻生物柴油、微藻生物質能；（3）利用具有光合特性的藻類進行污水生物處理，如紅螺菌屬的微生物可在有氧黑暗和無氧光照條件下都能很好的生長，對廢水中的污染物有較好的去除效果。（8）原生動物 原生動物易于觀察，可以用作廢水生物處理系統(tǒng)運行狀態(tài)的指示生物。如：梨波豆蟲、滴蟲等動物性鞭毛蟲的大量出現(xiàn)，是系統(tǒng)處理效果欠佳的表征；鐘蟲、輪蟲等原生動物的出現(xiàn)，是系統(tǒng)處理效果良好的表現(xiàn)。微生物營養(yǎng)在廢水生物處理中，需滿足廢水中C、N、P等營養(yǎng)元素平衡：對于好氧生物處理，C（BOD5）:N:P=100:5:1，對于厭氧生物處理， C（COD Cr ）:N:P=200300:5:1較為適

9、宜。（1）碳源（carbonsource）碳源用于產(chǎn)生能量細胞合成。不同的微生物利用碳源的能力也存在很大差異。氮是細胞的一種主要組成元素，微生物氮源物質主要用于合成細胞內各種氨基酸和堿基，進而合成蛋白質和核酸等細胞成分。（2）氮源（Nitrogen source）自然界中的氮源物質有分子態(tài)氮、無機氮化物、簡單有機氮化物（氨基酸等）和復雜含氮有機物（如蛋白質）。無機氮源有氨、尿素、銨鹽、硝酸鹽等。礦質元素是微生物生長必不可少的一類營養(yǎng)物質，其主要作用是構成細胞的組成成份、參與酶的組成、維持酶的活性、調節(jié)和維持細胞的滲透壓平衡、控制細胞pH值和氧化還原電位等。（3）礦物元素大量元素有P、S、K、M

10、g、Ca、Na 等，沒有它們微生物就無法生長。微量元素有Cu、Zn、Mn、Mo、Co等，主要是一些酶的輔助因子。微生物生長所需要的微量元素一定要控制在正常的濃度范圍內。新陳代謝同化作用: 物質合成，能量轉化與儲存異化作用: 物質分解代謝，能量轉化、釋放與利用同化作用為異化作用提供物質基礎，異化作用為同化作用提供能量來源，兩者因物質與能量的聯(lián)系而無法分離，構成一個辨證統(tǒng)一體。污染控制微生物應用（1）生物氧化有機物質在生物體細胞內的氧化作用稱為生物氧化，它是能量代謝與物質代謝的耦聯(lián)。 在活性污泥中有70%左右，甚至90以上微生物為兼性微生物。因而，對于好氧活性污泥法，即使處理構筑物短時甚至長時間呈

11、現(xiàn)缺氧狀態(tài)，亦不致造成大量微生物死亡。有氧呼吸微生物將無機鹽進行還原，不需要氧作為電子受體。無氧呼吸微生物將利用氧作為電子受體。好氧微生物無氧微生物兼性微生物在有氧條件下進行好氧呼吸，在厭氧條件下進行無氧呼吸或發(fā)酵。（2）有機廢水生物脫氮有機氮脫氨作用氨氮亞硝酸菌亞硝酸鹽氮硝酸菌硝酸鹽氮好氧條件傳統(tǒng)生物脫氮：短程反硝化理論：N2或N2O反硝化細菌亞硝酸鹽氮厭氧條件硝化作用：氨態(tài)氮在微生物作用下氧化為硝態(tài)氮的過程稱為硝化作用；參與硝化作用的微生物稱為硝化細菌；硝化細菌具有高度專一性，分為亞硝酸菌和硝酸菌，均為專性好氧微生物，硝化作用有它們共同完成； 反硝化作用：厭氧條件下， NO3 在硝酸鹽還原

12、菌作用下轉化為NO2 ，并進一步被還原為N2 或 N2O的過程，稱為反硝化作用，反硝化菌為兼性菌。 工藝技術廢水生物脫氮工藝必須包含好氧工藝段和厭氧工藝段的交替有機廢水厭氧段出水好氧段有機廢水厭氧段出水好氧段部分廢水回流這就形成了典型的A/O工藝，該工藝對除磷也有很好的效果。（3）生物除磷的基本原理與工藝技術（1）生物除磷的微生物學原理體內集磷（）細胞增殖釋磷釋磷體內集磷（）體內集磷（）：在營養(yǎng)相對豐富，條件適宜的環(huán)境中，微生物大量增殖，細胞從外界吸收大量可溶性PO 4 3 ，并在體內合成多聚磷酸鹽而積累起來。體內集磷（）：在靜止期（內源呼吸階段），各種營養(yǎng)消耗殆盡，仍具有一定生物活性的微生物

13、就從環(huán)境中大量吸收磷，并以多聚磷酸鹽的形式積累在細胞內，作為能量儲備形式。釋磷：條件不利環(huán)境中時，細菌會將積累在體內的多聚磷酸鹽分解，以獲取生命活動所需要的能量，同時將分解的磷PO4 3 的形式釋放到環(huán)境中去。廢水生物除磷的基本工藝廢水好氧生物處理二沉池污泥厭氧釋磷含PO43的上清液物化處理處置剩余污泥出水泥渣污水常用測試指標：（1）有機物：CODcr，BOD5（2）氮類物質：TN，氨氮，硝酸鹽氮，亞硝酸鹽氮（3）磷類物質：磷酸鹽，TP，溶解性TP（4）污泥性質：MLSS，MLVSS，SV，SVI（5）懸浮物性質：SS化學需氧量（COD：Chemical Oxygen Demand用化學方法氧

14、化分解廢水水樣中有機物過程中所消耗的氧化劑量折合成氧量（O2）（mg/L）常用的氧化劑主要是重鉻酸鉀(K2Cr2O7) 稱CODCr酸性條件下，硫酸銀作為催化劑，氧化性最強；廢水中還原性物質同樣被氧化；2-1實驗原理： 化學需氧量是在強酸性溶液中用一定量過量的重鉻酸鉀氧化水中還原性無機和有機物，過量的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵銨回滴。根據(jù)重鉻酸鉀的用量計算出水中還原性物質消耗氧的量。 硫酸銀：催化劑，可使直鏈脂肪族完全氧化。 硫酸汞：掩蔽劑，可絡合氯離子以消除干擾。2-3 (1) 回流：取20mL水樣于250mL回流錐形瓶中，加0.4g硫酸汞和10mL重鉻酸鉀標準溶液及幾粒玻璃珠。連接磨口冷凝管，打開

15、冷凝水。從冷凝管口慢慢加入30mL濃硫酸硫酸銀溶液。加熱回流2h。 (2) 返滴定：溶液冷卻后取90mL水從冷凝管口慢慢到下，取下錐形瓶。再度冷卻后滴加3滴試亞鐵靈指示劑，用硫酸亞鐵銨溶液滴定至紅褐色即為終點。記下硫酸亞鐵銨的用量為V1。2-4水樣VFeCVVLmgOCODoCr10008)()()/,(212如果廢水中有機物的組成相對穩(wěn)定，則化學需氧量和生化需氧量之間應有一定的比例關系：生活污水通常在0.40.5。 (3) 空白試驗：在測水樣的同時，用20mL蒸餾水按(1)和(2)同樣步驟作空白試驗。記錄硫酸亞鐵銨的用量為Vo。生化需氧量（BOD, Biological Oxygen Dem

16、and）在規(guī)定條件下微生物氧化分解污水或受污染天然水樣中有機物所需要氧量（20，5天）污水的生化需氧量通常只指有機物生物氧化所需的氧量，全部生物氧化需要20天100天完成。實際中，常以5天作為測定生化需氧量的標準時間，稱五日生化需氧量（BOD5）通常以20為測定的標準溫度。3-1目前國內外普遍規(guī)定于201培養(yǎng)5d。培養(yǎng)前后的溶解氧之差即為BOD5值。儀器法 測定BOD5 水樣置于培養(yǎng)瓶中在一起放大器上恒溫20連續(xù)攪拌，待水樣恒溫后進行五日培養(yǎng)。在培養(yǎng)過程中，水樣中的有機物經(jīng)好氧微生物氧化分解為無機物，生成的二氧化碳被密封杯中的固體氫氧化鈉吸收，微生物消耗的氧氣使瓶中壓力降低且呈正比。因此，BO

17、D5的值可以由瓶中空氣的壓力減少值來確定。 瓶中空氣壓力的變化經(jīng)處理后直接顯示各水樣BOD5值。實驗結束后，每2小時打印出一組數(shù)據(jù)，最終獲得完整的生化反應曲線5-1氨氮測定 氨氮（NH3N）以NH3或NH4+的形式存在于水中，主要來源于生活污水中含氮有機物受微生物作用的分解產(chǎn)物和某些工業(yè)廢水及農(nóng)田排水。 納氏試劑是KI和HgI2的堿性溶液，與氨反應生成淡紅棕色膠態(tài)化合物 Hg2ONH2I，在波長410425nm范圍內有強烈吸收。 用氯化銨做標準曲線，在波長420nm處測吸光度A。 4-2 標準曲線的繪制 分別吸取氯化銨標液(10.0g NH3N/mL)：0、2.0、4.0、7.0、10.0mL

18、于5支50mL比色管中，加水至約25mL，加1.0mL酒石酸鉀鈉溶液，混勻。加1.5mL納氏試劑，混勻。稀釋至50mL標線。10min后在波長420nm處，用1cm比色皿，以零管為參比測吸光度A。以吸光度A為縱坐標，以NH3N的量（mg）為橫坐標作標準曲線。水樣的測定 取濾后適量水樣于50mL的比色管中，同標準溶液一樣步驟顯色、稀釋，測吸光度。由A值在標準曲線上查到氨氮的含量m(g)。5-3三三. . 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 )()()/,(mlVgmLmgN水樣氨氮AN (g)標標1標標2標標3標標4標標5水樣水樣V(ml)02.04.07.010.03.0N(g)020.040.070.0100

19、.0A06-1TN 實驗原理 在堿性介質下，過硫酸鉀在120124時能將水中氨氮、亞硝酸鹽氮及大部分有機氮化合物氧化為硝酸鹽： 硝酸鉀雖是無色化合物，但在紫外區(qū)220nm處有吸收。某些有機物在220nm處也有吸收，若有機物沒有被消解完全，會在此處產(chǎn)生干擾。有機物在275nm處也有吸收，而硝酸鉀無吸收。故在275nm處也測吸光度，然后從220nm處的吸光度中扣除： A=A220 2A275 用硝酸鉀配制標準溶液，用校正吸光度做標準曲線。3C124120OSK23NONONHo822、有機氮化合物、6-2實驗內容標準曲線的繪制 分別取0、1.0、3.0、5.0、8.0 mL硝酸鉀標液（N,10g/

20、ml)于25ml比色管中，用無氨水稀釋至10mL標線。加入5mL堿性過硫酸鉀溶液，塞上磨口塞，罩上紗布，用紗線捆緊。 將比色管放在壓力蒸汽滅菌鍋中，120124加熱30min。冷后取出。每支比色管中加入1mL(1+9)鹽酸，用無氨水稀釋至25mL標線。 利用紫外分光光度計，以無氨水做參比，用1cm石英比色皿分別在220nm和275nm處測定吸光度。6-3標1標2標3標4標5水樣V(ml)01.03.05.08.05.0N(g)010305080A2200A2750A0)mlV)g(N)L/mg(TN（水水樣樣水水樣樣 AN (g)N水樣A水樣A=A220 2A275亞硝酸氮的測定： 在磷酸介質

21、中，pH值為1.80.3時，亞硝酸鹽與對氨基苯磺酰胺(簡稱磺胺)反應，生成重氮鹽，再與N(1萘基)乙二胺偶聯(lián)生成紅色染料，在波長540nm處有最大吸收。 （4）微生物生長量的測定 微生物群體在生長過程中，個體細胞體積和重量變化不易被察覺，因此，常以細胞數(shù)量的增加或以細胞群體重量的增加作為生長繁殖指標。稱重法，是測定生物量較為直接而可靠的方法，但只適用于菌體濃度較高的樣品，而且要求樣品中不含菌體以外的其他干物質 。一般情況下， MLVSS/MLSS的比值比較固定，對于生活污水，約為 0.75。這一參數(shù)可以作為判斷活性污泥可生化性的一個重要指標。 總不可濾殘渣（懸浮物）是指不能通過濾器的固體物。當用濾紙法或石棉坩堝法測定時，濾孔大小對測定結果影響較大。 濾膜法方法原理： 用0.45um濾膜過濾水樣經(jīng)103105烘干后得到總不可濾殘渣(懸浮物)含量。 SV測定 取100mL污泥混合液于100mL量筒中，靜沉30min