第十章 微生物與環(huán)境污染控制與治理

1、第十章 微生物與環(huán)境污染控制與治理 第一節(jié) 污（廢）水生物處理中的微生物生態(tài)系統(tǒng) 廢水的生物處理的方法很多，根據(jù)微生物與氧的關(guān)系可分為好氧處理和厭氧處理。根據(jù)微生物在構(gòu)筑物中處于懸浮狀態(tài)或固著狀態(tài)，可分為活性污泥法和生物膜法。 活性污泥和生物膜是凈化污（廢）水的工作主體。,一、好氧活性污泥法 1、好氧活性污泥中的微生物 （1）好氧活性污泥的組成和性質(zhì) 好氧活性污泥是由多種多樣的好氧微生物和兼性厭氧微生物（兼有少量厭氧微生物）與污（廢）水中的有機(jī)和無機(jī)固體物混凝交織在一起所形成的絮狀體。,組成： 微生物（好氧、兼性及少量厭氧） + 固體雜質(zhì)（有機(jī)和無機(jī)） 性質(zhì)：絮狀，大小為0.020.2mm，比

2、表面積在20 100cm2/ml；含水率在99%，比重1.002 1.006，具有沉降性能；pH在6 7，弱酸性，具一定的緩沖能力；處理生活污水的活性污泥一般為黃褐色，工業(yè)污水則與水質(zhì)有關(guān)；具有生物活性，能吸附氧化有機(jī)物。,（2）好氧活性污泥的存在狀態(tài) 懸浮狀態(tài) （3）好氧活性污泥的微生物群落 好氧活性污泥的結(jié)構(gòu)和功能的中心是菌膠團(tuán)。在其上面生長有其他微生物，如酵母菌、霉菌、放線菌、藻類、原生動物及微型后生動物等。,活性污泥的主體細(xì)菌（優(yōu)勢菌）來源于土壤、水和空氣。它們多數(shù)是革蘭氏陰性菌，如動膠菌屬和叢毛單胞菌屬，還有其他的革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌。好氧活性污泥的細(xì)菌能迅速穩(wěn)定廢水中有機(jī)污染

3、物，有良好的自我絮凝能力和沉降性能。 構(gòu)成活性污泥的微生物種群相對穩(wěn)定，但當(dāng)營養(yǎng)條件、溫度、供氧、pH等環(huán)境條件改變，會導(dǎo)致優(yōu)勢種群的改變。,（4）好氧活性污泥中微生物的濃度和數(shù)量 常用MLSS（混合液懸浮固體）或MLVSS（混合液揮發(fā)性懸浮固體）來表示活性污泥中微生物的濃度，即1L活性污泥混合液中所含的固體或揮發(fā)性固體物質(zhì)的量。 一般城市污水處理中，MLSS在2000-3000mg/L，工業(yè)廢水在3000 mg/L左右，高濃度工業(yè)廢水在3000-5000 mg/L。 1ml好氧活性污泥中的細(xì)菌數(shù)在107-108個(gè)。,顯微鏡下的活性污泥,2、 好氧活性污泥凈化廢水的作用機(jī)理 好氧活性污泥吸附和

4、降解有機(jī)物的過程： （1）在有氧的條件下，活性污泥絨粒中的絮凝性微生物吸附廢水中的有機(jī)物； （2）活性污泥絨粒中的水解性細(xì)菌水解大分子有機(jī)物為小分子有機(jī)物，同時(shí)微生物合成自身細(xì)胞。污（廢）水中的溶解性有機(jī)物直接被細(xì)菌吸收，在細(xì)菌體內(nèi)氧化分解，其中間代謝產(chǎn)物被另一群細(xì)菌吸收，進(jìn)而無機(jī)化。 （3）原生動物和微型后生動物吸收或吞食未分解徹底的有機(jī)物和游離細(xì)菌。,3、好氧活性污泥法的幾種處理工藝流程,4、菌膠團(tuán)的作用 菌膠團(tuán)：所有具有莢膜或粘液或明膠質(zhì)的絮凝性細(xì)菌互相絮凝聚集成的細(xì)菌團(tuán)塊。 （1）具有有機(jī)物強(qiáng)烈的生物吸附能力和氧化分解的能力。 （2）為原生動物和微型后生動物提供了良好的生存環(huán)境。 （3

5、）為原生動物和微型后生動物提供附著場所。 （4）具有指示作用：菌膠團(tuán)的顏色、透明度、數(shù)量、顆粒大小及結(jié)構(gòu)的松緊程度可反映好氧活性污泥的性能。,5、原生動物及微型后生動物的作用 （1）指示作用 有機(jī)廢水凈化過程中微生物的演變： 細(xì)菌植物性鞭毛蟲肉足蟲動物性鞭毛蟲游泳型纖毛蟲、吸管蟲固著型纖毛蟲輪蟲,原生動物及微型后生動物的指示作用表現(xiàn)為以下三個(gè)方面： 可根據(jù)上述原生動物和微型后生動物的演替，根據(jù)它們的活動規(guī)律判水質(zhì)和污、廢水處理程度，還可判斷活性污泥培養(yǎng)成熟程度。,活性污泥培養(yǎng)初期：鞭毛蟲、變形蟲 活性污泥培養(yǎng)中期：游泳型纖毛蟲、鞭毛蟲 活性污泥培養(yǎng)成熟期：鐘蟲等固著型纖毛蟲、 楯纖蟲、輪蟲,

6、根據(jù)原生動物種類判斷活性污泥和處理水質(zhì)的好與壞。 如固著型纖毛蟲中的鐘蟲屬、累枝蟲屬、蓋纖蟲屬、聚縮蟲屬、獨(dú)縮蟲屬、楯纖蟲屬、吸管蟲屬、漫游蟲屬內(nèi)管蟲屬及輪蟲等出現(xiàn)，說明活性污泥正常，出水水質(zhì)好。 當(dāng)豆形蟲屬、草履蟲屬、四膜蟲屬、屋滴蟲屬、眼蟲屬等出現(xiàn)，說明活性污泥結(jié)構(gòu)松散，出水水質(zhì)差。, 可根據(jù)原生動物遇惡劣環(huán)境改變個(gè)體形態(tài)及其變化過程判斷進(jìn)水水質(zhì)變化和運(yùn)行中出現(xiàn)的問題。 以鐘蟲為例，當(dāng)溶解氧不足或其他環(huán)境條件惡劣時(shí)，則出現(xiàn)由正常蟲體向胞囊演變的一系列變態(tài)變化。,（2）凈化作用 1ml正常好氧活性污泥的混合液中有5000-20000個(gè)原生動物，70-80%是纖毛蟲，尤其是小口鐘蟲、溝鐘蟲、有

7、肋楯纖蟲、漫游蟲出現(xiàn)頻率高，起重要作用，輪蟲則有100-200個(gè)，有旋輪蟲屬、輪蟲屬、椎輪蟲屬等。 原生動物營養(yǎng)類型多樣，腐生性營養(yǎng)的鞭毛蟲通過滲透作用吸收污、廢水中的有機(jī)物。動物性營養(yǎng)的原生動物可吞食有機(jī)顆粒、游離細(xì)菌和其他微小生物，對凈化水質(zhì)起積極作用。,（3）促進(jìn)絮凝和沉淀作用 污、廢水生物處理中主要靠細(xì)菌起凈化作用和絮凝作用。然而有的細(xì)菌需要一定濃度的原生動物存在，由于原生動物分泌一定的粘液協(xié)同和促使細(xì)菌發(fā)生絮凝作用。 如彎豆形蟲量低時(shí)，細(xì)菌不起絮凝作用，4mg/L時(shí)細(xì)菌產(chǎn)生絮凝作用， 10mg/L時(shí)形成很大的細(xì)菌絮凝體。,6、好氧活性污泥的培養(yǎng)和馴化 菌種來源：生活污水、糞便污水、污

8、水處理廠的活性污泥；本廠集水池或沉淀池的下腳污泥，本廠污水長期流經(jīng)的河流淤泥經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)后也可備用。 活性污泥的馴化和培養(yǎng)有間歇式曝氣培養(yǎng)和連續(xù)曝氣培養(yǎng)。一般可先在較低廢水濃度下曝氣，以后逐漸提高廢水濃度，一直到原廢水濃度。同時(shí)應(yīng)對活性污泥的生物相進(jìn)行鏡檢，并進(jìn)行化學(xué)測定分析，以確定活性污泥的成熟程度。,7、活性污泥絲狀膨脹及其控制 用活性污泥法處理廢水，曝氣池中的活性污泥，正常情況下是由許多具有絮凝作用的絮凝細(xì)菌菌膠團(tuán)細(xì)菌占優(yōu)勢，輔以少量的絲狀細(xì)菌，大量鐘蟲類的固著型纖毛蟲、旋轉(zhuǎn)蟲等組成。,某些環(huán)境條件的變化使污泥會發(fā)生膨脹現(xiàn)象 活性污泥的沉降可用污泥體積指數(shù)SVI（Sludge Volume

9、 Index）表示。 SVI在200mL/g以下為正常活性污泥，一般在50-150mL/g，最好在100mL/g左右 當(dāng)SVI在200mL/g以上時(shí)說明出現(xiàn)了污泥的膨脹。 可分為由絲狀細(xì)菌引起的絲狀膨脹污泥和由非絲狀細(xì)菌引起的菌膠團(tuán)膨脹污泥，而又以絲狀膨脹污泥較為普遍。,（1）活性污泥絲狀膨脹的原因 由于絲狀細(xì)菌極度生長引起的活性污泥膨脹稱活性污泥絲狀膨脹。 致因微生物：經(jīng)常出現(xiàn)的有諾卡氏菌屬、浮游球衣菌、微絲菌屬、發(fā)硫菌屬、貝日阿托氏菌屬、亮發(fā)菌屬、纖發(fā)菌屬等。,絲狀菌生長占優(yōu)勢的活性污泥,活性污泥絲狀膨脹的成因有環(huán)境因素和微生物因素。主導(dǎo)因素是絲狀微生物過度生長，環(huán)境因素促進(jìn)絲狀微生物過度

10、生長。,溫度 構(gòu)成活性污泥的各種細(xì)菌最適生長溫度在30左右。菌膠團(tuán)細(xì)菌如動膠菌屬的最適生長溫度在2830。浮游球衣菌最適溫度在25 30。兩者最適溫度盡管差別不大，但浮游球衣菌是好氧和微好氧菌，由于溫度影響氧的溶解度，因此，在低溶解氧的條件下，浮游球衣菌競爭氧的能力遠(yuǎn)強(qiáng)于菌膠團(tuán)細(xì)菌而優(yōu)勢生長。,溶解氧 菌膠團(tuán)細(xì)菌和浮游球衣菌等絲狀菌對溶解氧的需要量差別很大。菌膠團(tuán)細(xì)菌是嚴(yán)格的好氧菌，浮游球衣菌是好氧菌，但在微好氧條件下仍能正常生長。貝日阿托氏菌、發(fā)硫菌是微好氧菌。溫度適宜而有機(jī)廢水中溶解氧匱乏時(shí)，絲狀細(xì)菌優(yōu)勢生長，易引起活性污泥絲狀膨脹。,可溶性有機(jī)物及其種類 當(dāng)廢水中可溶性有機(jī)物，尤其是低分

11、子的糖類和有機(jī)酸較多時(shí)，絲狀細(xì)菌呈優(yōu)勢生長。,有機(jī)物濃度 浮游球衣菌在低濃度培養(yǎng)基中呈絲狀生長。在生活污水和食品類等有機(jī)廢水中，BOD5在100-200mg/L，浮游球衣菌數(shù)量超過菌膠團(tuán)細(xì)菌時(shí)，可導(dǎo)致活性污泥絲狀膨脹。水中C/N和C/P失調(diào)時(shí)也可出現(xiàn)污泥膨脹。, pH 曝氣池的pH保持在6.58.0范圍內(nèi)，活性污泥正常發(fā)育。 如pH低于6.0，有利于絲狀細(xì)菌生長，菌膠團(tuán)細(xì)菌生長受到抑制；如pH低于4.0，真菌占優(yōu)勢，原生動物大部分消失；若pH超過11，活性污泥被破壞。,（2）控制活性污泥絲狀膨脹的對策 控制溶解氧 在2mg/L以上 控制有機(jī)負(fù)荷 BOD污泥負(fù)荷在0.20.3kg/kg MLSS

12、d為宜。 改革工藝 將活性污泥改為生物膜法，如在曝氣池中加填料改為生物接觸氧化法。 工藝：A-B法（吸附-生物降解工藝）、A/O系統(tǒng)、A2/O系統(tǒng)、A2/O2系統(tǒng)、及SBR（序批式間歇曝氣反應(yīng)器）法等。,二、好氧生物膜法 好氧生物膜法構(gòu)筑物有普通生物濾池、高負(fù)荷生物濾池、塔式生物濾池，還有生物轉(zhuǎn)盤、接觸氧化法等。,1、好氧生物膜中的微生物 好氧生物膜是由多種多樣的好氧微生物和兼性厭氧微生物粘附在生物濾池濾料上或粘附在生物轉(zhuǎn)盤盤片上的一層帶粘性、薄膜狀的微生物混合群體。 它是生物膜凈化污（廢）水工作的主體。成熟的生物膜厚度可達(dá)23mm。 微生物量通常以每m2濾料上干燥生物膜的重量表示，或以每m3

13、濾料上的生物膜重量表示。,生物濾池內(nèi)生物膜的微生物群落及其功能：生物膜生物是以菌膠團(tuán)為主要組分，輔以浮游球衣菌、藻類等，它們起凈化和穩(wěn)定污、廢水水質(zhì)的功能。 生物膜面生物是固著型纖毛蟲及游泳型纖毛蟲，它們起促進(jìn)濾池凈化速度，提高濾池整體處理效率的功能。 濾池掃除生物有輪蟲、線蟲、寡毛類的沙蠶等，它們起去除濾池內(nèi)的污泥、防止污泥積聚和堵塞的功能。,3.好氧生物膜的結(jié)構(gòu),生物濾池不同層次的生物膜所得到的營養(yǎng)不同，致使微生物的種群和數(shù)量不同。 生物濾池分上、中、下三層，上層營養(yǎng)物濃度高，生長的多為細(xì)菌及少量鞭毛蟲。中層營養(yǎng)物質(zhì)減少，微生物種類增加，有菌膠團(tuán)、浮游球衣菌、鞭毛蟲、變形蟲、豆形蟲、腎形蟲

14、等。下層有機(jī)物濃度低，低分子有機(jī)物較多，微生物種類更多，除有菌膠團(tuán)、浮游球衣菌外，有以鐘蟲為主的固著型纖毛蟲和少數(shù)游泳型纖毛蟲，還有輪蟲等。,2、好氧生物膜凈化廢水的作用機(jī)理,生物膜在濾池中是分層的，上層生物膜中的生物膜生物（絮凝性細(xì)菌及其他微生物）和生物膜面生物（固著型纖毛蟲、游動性纖毛蟲）及微型后生動物吸附廢水中的大分子有機(jī)物，將其水解為小分子有機(jī)物。同時(shí)生物膜生物吸收溶解性有機(jī)物和經(jīng)水解的小分子有機(jī)物進(jìn)入體內(nèi)，并進(jìn)行氧化分解，微生物利用吸收的營養(yǎng)構(gòu)建自身細(xì)胞。上一層生物膜的代謝產(chǎn)物流向下層，被下一層生物膜生物吸收，進(jìn)一步被氧化分解為CO2和H2O。老化的生物膜和游離細(xì)菌被濾池掃除生物（輪

15、蟲、線蟲等）吞食，通過以上微生物化學(xué)和吞食作用，廢水得到凈化。,3、好氧生物膜的培養(yǎng) 好氧生物膜的培養(yǎng)有自然掛膜法、活性污泥掛膜法和優(yōu)勢菌種掛膜法。 自然掛膜法用的是帶有自然菌種的廢水； 活性污泥掛膜法用的是活性污泥，與本廠廢水混合后進(jìn)入生物濾池； 優(yōu)勢菌種掛膜法的優(yōu)勢菌種為從自然環(huán)境或廢水處理中篩選獲得的菌株，或通過遺傳育種獲得的優(yōu)良菌種，甚至是通過基因工程構(gòu)建的超級菌，它們對某種廢水有強(qiáng)降解能力。,在掛膜過程中，用泵慢速將污水或混合液通入濾池內(nèi)，循環(huán)運(yùn)行3-7d，濾料上會逐漸形成一層生物膜。當(dāng)進(jìn)水流量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，濾池自上而下形成正常的分層微生物相，濾池出水的生化指標(biāo)接近排放標(biāo)準(zhǔn)，即完成生

16、物膜的培養(yǎng)工作，進(jìn)入正式運(yùn)行。,三、氧化塘 氧化塘是一種利用天然或人工修整的池塘處理廢水的構(gòu)筑物。 1、氧化塘的微生物群落 藻類、細(xì)菌共存于氧化塘中，保持互生關(guān)系。還有霉菌、放線菌、原生動物、輪蟲、線蟲、浮游甲殼動物、寡毛類、軟體動物、水生植物。,2、氧化塘處理廢水的機(jī)理 有機(jī)廢水流入氧化塘，其中的細(xì)菌吸收水中溶解氧，將有機(jī)物氧化分解為H2O、CO2、NH3等無機(jī)物。細(xì)菌利用自身分解含氮有機(jī)物產(chǎn)生的NH3和環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)合成細(xì)胞物質(zhì)。在光照條件下，藻類利用H2O和CO2進(jìn)行光合作用合成糖類和產(chǎn)生氧氣，再吸收NH3和SO42-合成蛋白質(zhì)、吸收PO43-合成核酸，并繁殖新藻體。廢水中的可沉固體和

17、塘中生物的尸體沉積于塘底，構(gòu)成污泥，它們在產(chǎn)酸細(xì)菌作用下分解成低分子有機(jī)酸和醇等，其中一部分進(jìn)入好氧層被氧化分解，另一部分則被污泥中的產(chǎn)甲烷細(xì)菌分解成甲烷。,第二節(jié) 厭氧生物處理中的微生物,高濃度有機(jī)廢水或剩余活性污泥多用厭氧消化法處理。高濃度有機(jī)廢水還可用有機(jī)光合細(xì)菌處理。 一、厭氧消化甲烷發(fā)酵 沼氣發(fā)酵，已有多年的研究歷史，常用于將城市的垃圾、糞便、污水、工業(yè)廢水及生物處理的剩余污泥等的處理，并從中獲得可燃性氣體沼氣（甲烷，CH4）。常用的構(gòu)筑物為發(fā)酵罐或消化池。,1、甲烷發(fā)酵的基本原理 甲烷發(fā)酵也有活性污泥法和生物膜法。但微生物群落與有氧環(huán)境不同，它們是由分解蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、纖維素的

18、專性厭氧菌和兼性厭氧菌及專性厭氧的產(chǎn)甲烷菌等組成，在出水處附近，有少數(shù)厭氧或兼性厭氧的游泳型纖毛蟲。,甲烷發(fā)酵理論與機(jī)制： （1）水解階段 在水解或發(fā)酵性細(xì)菌作用下，有機(jī)物（糖類、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)）被解聚，轉(zhuǎn)化成脂肪酸、乙醇、CO2、H2和NH3等。 參與本階段的細(xì)菌有專性厭氧菌如梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、真桿菌屬和雙歧桿菌屬和兼性厭氧菌如鏈球菌屬和一些腸道菌。,（2）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段 由厭氧的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌把乙醇和脂肪酸轉(zhuǎn)化成乙酸H2和CO2 。 1967年Bryant從奧氏甲烷桿菌分離出S菌株和布氏甲烷桿菌。 S菌株是厭氧的革蘭氏陰性桿菌，它發(fā)酵乙醇產(chǎn)生乙酸和氫。布氏甲烷桿菌將乙酸裂解為甲烷

19、和二氧化碳，將氫和二氧化碳合成甲烷?？梢?，奧氏甲烷桿菌實(shí)際上是S菌株和布氏甲烷桿菌的共生體。,（3）產(chǎn)甲烷階段 參與這一階段的微生物是兩組生理不同的專性厭氧的產(chǎn)甲烷菌群。一組是將氫氣和二氧化碳合成甲烷或一氧化碳合成甲烷；另一組是將乙酸脫羧生成甲烷和二氧化碳，或利用甲酸、甲醇及甲基胺裂解為甲烷。,2、厭氧活性污泥的培養(yǎng) 厭氧活性污泥：由兼性厭氧菌和專性厭氧菌與廢水中的有機(jī)雜質(zhì)交織在一起形成的顆粒污泥。 厭氧活性污泥的微生物種類、組成、結(jié)構(gòu)及污泥顆粒等性質(zhì)，與厭氧消化處理的效果好壞有很大關(guān)系。 厭氧活性污泥的菌種來源有同類水質(zhì)處理廠的厭氧活性污泥、污水處理廠的濃縮污泥及禽畜糞便等。菌種先經(jīng)馴化后培

20、養(yǎng)，進(jìn)水量逐漸增加，直至形成顆?；某墒靺捬跣晕勰唷?3、厭氧生物處理工藝 高濃度有機(jī)廢水厭氧甲烷發(fā)酵的消化池：單級低效消化池，單級高效消化池，兩級消化池。 按反應(yīng)器工藝厭氧生物處理可分為：厭氧接觸消化池，厭氧生物濾池，上流式厭氧污泥床（UASB），厭氧流化床，厭氧膨脹床等。,二、光合細(xì)菌處理高濃度有機(jī)廢水 BOD5在10000mg/L以上的高濃度有機(jī)廢水（濃糞便水、豆制品廢水、食品加工廢水、屠宰廢水等）可用有機(jī)光合細(xì)菌（PSB）處理。因有機(jī)光合細(xì)菌只能利用脂肪酸等低分子化合物，所以，先要用水解性細(xì)菌將糖類、蛋白質(zhì)和脂肪水解為脂肪酸、氨基酸、氨等物質(zhì)。利用光合細(xì)菌處理的BOD5 去除效果可達(dá)9

21、5%，甚至達(dá)98%。 常用的有機(jī)光合細(xì)菌有：紅螺菌屬、紅假單胞菌屬和紅微菌屬。,三、含硫酸鹽廢水的厭氧生物處理 在發(fā)酵工業(yè)的廢水，如味精（即谷氨酸）廢水和賴氨酸廢水中含的硫酸根（SO42-）有200-30000mg/L。低濃度的SO42-可作為好氧微生物的無機(jī)營養(yǎng)，但高濃度的SO42-對微生物有毒害作用。 在甲烷發(fā)酵中，當(dāng)有SO42-存在時(shí)，硫酸鹽還原菌會與產(chǎn)甲烷菌爭奪氫，使產(chǎn)甲烷菌得不到H2，無法還原CO2為CH4。因此，在甲烷發(fā)酵之前，需要將SO42-的濃度降低。,微生物對含硫酸鹽廢水的厭氧處理過程稱為SRB法，利用在厭氧條件下，硫酸鹽還原菌發(fā)生反硫化作用，以SO42-為最終電子受體，利用

22、有機(jī)物為供氫體，將SO42-還原成H2S從水中溢出。 硫酸鹽還原菌：脫硫腸狀菌屬、脫硫葉菌屬等15屬。嚴(yán)格厭氧菌。棲息在厭氧的淡水和海洋底部沉積物和水中。,第三節(jié) 廢水的生物脫氮和除磷,一、廢水脫氮除磷的目的意義 污、廢水二級處理產(chǎn)生NH3-N、NO3-N、PO43-、SO42- ，部分用于合成微生物細(xì)胞，通過排泥得到去除，但出水中的氮和磷仍未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。水體中氮、磷含量過多會引起水體富營養(yǎng)化。因此，廢水的除磷脫氮十分重要，尤其是當(dāng)廢水處理后被排入一些湖泊、海灣等敏感水體時(shí)。,二、廢水生物脫氮原理及工藝 1、生物脫氮原理 生物脫氮首先是利用好氧過程，由亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌將廢水中的NH3轉(zhuǎn)化

23、成NO3- - N，再利用缺氧段經(jīng)反硝化作用，將NO3- - N還原成氮?dú)猓∟2），溢出水面釋放到大氣中，參與自然界氮的循環(huán)。,2、參與生物脫氮的微生物 (1) 硝化作用段微生物 亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌是革蘭氏陰性菌，其生長速率受基質(zhì)濃度（NH3和HNO2）、溫度、pH、氧濃度控制，全部是好氧菌，絕大多數(shù)營化能無機(jī)營養(yǎng)，個(gè)別的可營化能有機(jī)營養(yǎng)。,氧化氨的細(xì)菌 A、好氧氨氧化細(xì)菌 即亞硝化細(xì)菌 以NH3作為供氫體，O2作為最終電子受體，產(chǎn)生HNO2 。生長溫度范圍230，最適為25 30。pH范圍5.8 8.5，最適7.5 8.0。含有黃至淡紅的細(xì)胞色素。,B、厭氧氨氧化細(xì)菌 厭氧氨氧化細(xì)菌為厭氧

24、的、以NH3為供氫體，以NO2-或NO3-為最終電子受體的一類氧化NH3為N2的細(xì)菌。 C、厭氧氨反硫化細(xì)菌 厭氧氨反硫化細(xì)菌是以NH3為供氫體，以SO42-為最終電子受體的一類將NH3氧化為N2的細(xì)菌。,氧化亞硝酸細(xì)菌 即硝化細(xì)菌，大多數(shù)氧化亞硝酸細(xì)菌在pH 7.58.0，溫度25 30，亞硝酸濃度為2 30mmol/L時(shí)化能無機(jī)營養(yǎng)生長最好。硝化桿菌屬既進(jìn)行化能無機(jī)營養(yǎng)又可進(jìn)行化能有機(jī)營養(yǎng)，以酵母膏和蛋白胨為氮源，以丙酮酸或乙酸為碳源。,硝化桿菌屬細(xì)胞內(nèi)貯存物：羧酶體、肝糖、PHB、多聚磷酸鹽，含淡黃至淡紅的細(xì)胞色素的菌株。其他硝化細(xì)菌也有類似的貯存物。250,硝化階段的運(yùn)行操作 運(yùn)行過程

25、中需要掌握好幾個(gè)關(guān)鍵： A、泥齡 （懸浮固體停留時(shí)間SRT，用表示）是重要的控制指標(biāo)，可通過排泥控制泥齡，一般控制在5d以上，泥齡要大于硝化細(xì)菌的比生長速率。否則泥齡過短，硝化細(xì)菌會流失，硝化速率低。,B、要供給足夠的氧 處理生活污水時(shí)，溶解氧一般控制在1.22.0mg/L為宜。工業(yè)廢水依據(jù)其有機(jī)物濃度和NH4+含量的高低，適當(dāng)提高溶解氧。 C、控制適度的曝氣時(shí)間 普通的活性污泥法的曝氣時(shí)間為46h甚至8h （SBR法）。,D、維持適宜的堿度 在硝化過程中，消耗了堿性物質(zhì)NH4+ ，生成HNO3 ，水中pH下降成酸性，對硝化細(xì)菌生長不利?？赏都覰aHCO3維持堿度。 E、溫度 雖然大多數(shù)硝化細(xì)

26、菌的最適生長溫度為2530，實(shí)際上它們的生長溫度范圍是較廣的，為-560 。,(2)反硝化作用段微生物 反硝化細(xì)菌 是所有能以NO3-為最終電子受體，利用低分子有機(jī)物作供氫體，將NO3-還原為N2的細(xì)菌總稱。,反硝化階段運(yùn)行操作 關(guān)鍵指標(biāo)：碳源、pH、最終電子受體NO3-和NO2-、溫度和溶解氧等。 葡萄糖、乳酸、丙酮酸、甲醇等可作為反硝化細(xì)菌的供氫體和碳源。H2S和H2也可作反硝化細(xì)菌的供氫體，則其碳源是CO2。能源從氧化有機(jī)物獲得。最終電子受體是NO3-和NO2-等。最適pH為78。在海洋和淡水中溶解氧在0.2mg/L以下有利于反硝化。,3、生物脫氮的工藝 A/O、A2/O、A2O2及SB

27、R等均能取得較好的脫氮效果。經(jīng)過厭氧-好氧或缺氧-好氧的合理組合，既能除去COD和BOD，又能進(jìn)行脫氮，還能除磷。,圖10-13 三種基本脫氮組合工藝,圖10-14 A、B兩種排列的A/O系統(tǒng)示意圖 N-硝化，DN-反硝化，S-沉淀池,圖10-15 SBR脫氮系統(tǒng)及A、B兩種空間時(shí)段分配,處理含NH3-N廢水時(shí)，除了掌握好運(yùn)行操作的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)外，硝化和反硝化的合理組合方式和順序?qū)μ岣逳H3-N的去除率也有很大關(guān)系。 主要依據(jù)CODCr負(fù)荷和NH3-N負(fù)荷高低選擇工藝。 廢水中的BOD5：TN即C：N大于2.86時(shí)反硝化正常。 采用捷徑反硝化，即通過限制充氧量（0.51.0mg/L)和縮短曝氣

28、時(shí)間等條件，抑制硝化細(xì)菌生長，促使亞硝化細(xì)菌生長，迅速將氨氧化為HNO2后，隨即利用有機(jī)物將HNO2還原為N2的過程。 捷徑反硝化不僅可縮短曝氣時(shí)間，減少能耗，還節(jié)省碳源。,三、廢水生物除磷原理及工藝 1、生物除磷原理 某些微生物在好氧時(shí)能大量吸收磷酸鹽合成自身核酸和ATP，并且能逆濃度過量吸磷合成貯能的多磷酸鹽顆粒（異染粒）在體內(nèi)，供其內(nèi)源呼吸用。這些細(xì)菌稱為聚磷菌。,在厭氧條件下，聚磷菌在分解體內(nèi)的聚合磷酸鹽的同時(shí)產(chǎn)生ATP，并利用ATP將廢水中的脂肪酸等有機(jī)物攝入細(xì)胞，以PHB（聚羥基丁酸）及糖原等有機(jī)顆粒的形式貯存于細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)將分解聚磷酸鹽所產(chǎn)生的磷酸排出細(xì)胞。然后轉(zhuǎn)入好氧環(huán)境，聚磷

29、菌又能利用聚羥基丁酸鹽所釋放的能量來攝取廢水中的磷，并合成聚磷酸鹽貯存在細(xì)胞內(nèi)。一般來說，微生物在增殖過程中，好氧攝取的磷比在厭氧條件下所釋放的磷多。 因此，如果能創(chuàng)造厭氧、缺氧和好氧條件的交替，讓聚磷菌首先在厭氧條件下釋放磷，然后在好氧條件下充分過量地吸磷，然后通過排泥，就可以達(dá)到從廢水中去除磷物質(zhì)的目的。,2、參與生物除磷的微生物 具有聚磷能力的微生物目前所知絕大多數(shù)是細(xì)菌。聚磷的活性污泥是由許多好氧異養(yǎng)菌、厭氧異養(yǎng)菌和兼性厭氧菌組成。 從種類上來看，聚磷能力強(qiáng)、數(shù)量占優(yōu)勢的有不動桿菌屬、假單胞菌屬、氣單胞菌屬和黃桿菌屬等60多種。亞硝化桿菌屬、亞硝化球菌屬、亞硝化葉菌屬和硝化桿菌屬、硝化

30、球菌屬等也具有聚磷能力。,3、生物除磷的工藝 常見的生物除磷工藝有：Bardenpho生物除磷工藝、Phoredox工藝、A/O及A2/O、UCT工藝、VIP工藝、旁流除磷的Phostrip工藝、SBR等（圖10-16圖10-20）。 各種工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，它們的工作主體硝化細(xì)菌和除磷細(xì)菌的生理稍有不同，兩者在對碳源的要求上存在競爭。因此，可根據(jù)水質(zhì)選用合適的工藝，即使是同一個(gè)工藝，其排列組合和運(yùn)行條件也要隨著實(shí)際條件而進(jìn)行調(diào)整。,圖10-16 A/O工藝流程示意圖（除磷）,圖10-17 A2/O工藝流程示意圖,第五節(jié)有機(jī)固體廢物處理中的微生物,目前有機(jī)固體廢物（垃圾）處理的方法主要有：堆肥法、

31、填埋法和焚燒法。其中堆肥法和填埋法為生物處理方法，用以處理可生物降解的有機(jī)固體廢棄物。,一、 堆肥法 1、堆肥法、堆肥化和堆肥的概念 堆肥化使依靠自然界廣泛分布的細(xì)菌、放線菌和真菌等微生物，有控制地促進(jìn)可生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程。 堆肥是堆肥化的產(chǎn)品。 堆肥法就是利用堆肥化過程來處理城市的生活垃圾及其他有機(jī)固體廢棄物的方法。,2、好氧堆肥 （1）好氧堆肥的微生物過程 有機(jī)固體廢棄物的主要成分是纖維素、半纖維素、 糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等。好氧堆肥在通氣條件下，利用好氧微生物分解大分子有機(jī)固體廢棄物為小分子有機(jī)物，部分有機(jī)物被礦化成無機(jī)物，并放出大量的熱能，使溫度升高，可達(dá)5065，

32、甚至80 90，最后有機(jī)固體廢棄物被完全腐熟成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。,這期間發(fā)酵微生物不斷地分解有機(jī)物，吸收利用中間代謝產(chǎn)物合成自身細(xì)胞物質(zhì)，生長繁殖。以其更大數(shù)量的微生物群體分解有機(jī)物，最終有機(jī)固體廢棄物完全腐熟成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。267,在整個(gè)堆肥過程中，有微生物的演替，堆肥初期由中溫性的細(xì)菌和真菌，通過分解糖類、蛋白質(zhì)、脂肪等獲得營養(yǎng)生長繁殖，同時(shí)產(chǎn)生大量熱量，使溫度升至50；接著由好熱性的細(xì)菌、放線菌和真菌分解纖維素和半纖維素，微生物數(shù)量不斷增加，溫度升高至60，真菌停止活動；之后，繼續(xù)由好熱的細(xì)菌和放線菌分解纖維素和半纖維素，溫度升至70，致病菌和蟲卵被殺死，此時(shí)，一般的嗜熱高溫細(xì)菌和放線菌也停

33、止活動，堆肥腐熟穩(wěn)定。,（2）堆肥工藝 堆肥工藝有：靜態(tài)堆肥工藝，高溫動態(tài)二次堆肥工藝、立倉式堆肥工藝、滾筒式堆肥工藝等。,靜態(tài)堆肥工藝 條狀堆肥見下圖。工藝簡單，設(shè)備少，處理成本低，發(fā)酵周期50d，操作條件差。人工翻動，第2d、7d、12d各翻動一次，以后的腐熟階段每周翻動一次。,高溫動態(tài)二次堆肥工藝 高溫動態(tài)二次堆肥見下圖。分兩個(gè)階段，前57d為動態(tài)發(fā)酵，機(jī)械攪拌，通入充足空氣，好氧菌活性高，溫度高，快速分解有機(jī)物。7d后將半成品用皮帶輸送到另一車間進(jìn)行靜態(tài)二次發(fā)酵，垃圾進(jìn)一步降解穩(wěn)定，2025d完全腐熟。,（3）立倉式堆肥工藝 立式發(fā)酵倉高1015m，分隔6格，見下圖。,滾筒式堆肥工藝

34、滾筒式堆肥工藝見下圖。滾筒直徑24m，長度1530m，滾筒轉(zhuǎn)速0.42.0r/min。,3、小型化的有機(jī)生活垃圾微生物處理裝置 小型化有機(jī)垃圾微生物處理裝置是好氧裝置，一般可分為好氧處理和除臭兩部分，整個(gè)工藝歷時(shí)24h，完成垃圾發(fā)酵和穩(wěn)定化的過程。 有機(jī)垃圾微生物處理裝置所用的菌種都是經(jīng)人工篩選、培育的多種高效生理功能的微生物。有分解碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等功能的混合微生物群體。有除臭細(xì)菌硝化細(xì)菌和硫細(xì)菌。 菌種一次投入可使用36個(gè)月。,4、厭氧堆肥 厭氧堆肥原理與廢水厭氧消化原理基本相似。不同的是厭氧堆肥是固體發(fā)酵。 有機(jī)固廢物經(jīng)分選和粉碎以后，進(jìn)入?yún)捬跆幚硌b置，在兼性厭氧微生物和厭氧微生

35、物的作用下，大分子被水解為小分子的有機(jī)酸、腐殖質(zhì)、CH4、CO2、NH3、H2S等。其產(chǎn)甲烷過程也分三個(gè)階段。 厭氧分解產(chǎn)物中的有害物質(zhì)需要有除臭裝置加除臭細(xì)菌將其去除。 參與厭氧堆肥的微生物有兼性厭氧的水解產(chǎn)酸菌，厭氧的產(chǎn)甲烷菌，厭氧脫氨菌和脫硫菌等。,二、 衛(wèi)生填埋法及滲濾液 衛(wèi)生填埋法處理原理與厭氧堆肥原理相同，利用好氧微生物、兼性厭氧微生物和厭氧微生物處理。 填埋場通常選在市郊，底部鋪水泥層，有機(jī)固體廢棄物一層一層倒入，壓實(shí)，按一定路徑鋪設(shè)排氣管以收集甲烷氣體。底部鋪設(shè)滲濾液收集管，以便排放到滲濾液處理場處理。填埋的廢物分解速度較慢，一般經(jīng)5年發(fā)酵產(chǎn)氣，被填埋的有機(jī)固體廢物要經(jīng)510年

36、才能完全腐質(zhì)化和穩(wěn)定化。,滲濾液的化學(xué)組分復(fù)雜，含有大量有機(jī)酸、氨氮含量高，還含有重金屬，用厭氧-缺氧-好氧生物處理，再用化學(xué)混凝劑混凝、沉淀等綜合方法處理，可獲得凈化程度較高的出水水質(zhì)。,圖 衛(wèi)生填埋場示意圖,第五節(jié) 廢氣的生物處理,一、 廢氣的處理方法 廢氣的處理方法有物理和化學(xué)的方法，也有生物法，生物法是最經(jīng)濟(jì)有效的方法。 生物凈化有植物凈化法和微生物凈化法。 植物凈化法就是利用植物吸收和轉(zhuǎn)化大氣中的污染物，包括二氧化碳，放出氧氣清潔空氣。 微生物凈化法是利用處理裝置對氣態(tài)污染物進(jìn)行處理，如生物吸收池、生物洗滌池、生物滴濾池和生物過濾池。,二、 含硫惡臭污染物及NH3、CO2的微生物處理

37、 1、含硫惡臭污染物的凈化 含硫惡臭污染物如H2S、甲硫醇（MM）、二甲基硫醚（DMS）、二甲基二硫醚（DMDS）、二甲基亞礬（DMSO）、二硫化碳（CS2等。有許多細(xì)菌能對含硫惡臭污染物進(jìn)行凈化。,2、NH3、CO2的凈化 將NH3溶于水中成NH4+，通入生物滴濾池，利用硝化作用將其氧化成NO2-和NO3- ， CO2被同化、合成細(xì)胞物質(zhì)。,3、揮發(fā)性有機(jī)物的生物處理 包括苯及其衍生物、酚及其衍生物、醇類、醛類、酮類、脂肪酸等。 揮發(fā)性有機(jī)物的生物處理設(shè)備較多采用的是生物滴濾池法。 降解揮發(fā)性有機(jī)污染物的微生物有細(xì)菌、放線菌和真菌。如黃桿菌屬、假單胞菌屬和芽孢桿菌屬的細(xì)菌能降解苯系有機(jī)污染物

38、。,第六節(jié) 環(huán)境監(jiān)測與微生物,利用生物在該環(huán)境中的反映來確定環(huán)境的綜合質(zhì)量，無疑是最理想和最重要的手段。由于微生物的特點(diǎn)，它在生物監(jiān)測中起著十分重要的作用。 生物檢測的優(yōu)越性：長期性；綜合性；直觀性；靈敏性 缺點(diǎn)：定量化程度不夠；需要一定的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)等。,一、 水體污染的生物檢驗(yàn) 1、利用指示生物檢驗(yàn) 如對大腸菌群的檢測 2、利用水生生物群落結(jié)構(gòu)的變化來檢驗(yàn) 如PFU法：應(yīng)用聚氨酯泡沫塑料塊（PFU）作為人工基質(zhì)收集水體中的微型生物群落，測定該群落結(jié)構(gòu)與功能的各種參數(shù)，以評價(jià)水質(zhì)。 3、水污染的生物測試 即利用水生生物受到污染物的毒害所產(chǎn)生的生理機(jī)能的變化，檢驗(yàn)水質(zhì)污染的狀況，這種方法可以

39、檢驗(yàn)水體的單因素污染，對檢驗(yàn)復(fù)合污染也能收到良好的效果。,二、利用微生物檢測環(huán)境毒性的方法 1、 Ames氏法 Ames試驗(yàn)是利用鼠傷寒沙門氏菌的組氨酸營養(yǎng)缺陷型（his-）菌株的回復(fù)突變性能來檢測環(huán)境中是否存在致癌物質(zhì)的簡便有效方法。,原理： his-菌株在不含組氨酸的培養(yǎng)基上不能生長，或只有極少數(shù)自發(fā)回復(fù)突變子生長，如果回復(fù)突變率因某種化學(xué)誘變劑（或待測物）的作用而增加，那么這種化學(xué)物質(zhì)可判斷為具有致癌性。,優(yōu)點(diǎn)：快速、準(zhǔn)確、省費(fèi)用。,實(shí)驗(yàn)材料：氨基酸營養(yǎng)缺陷型菌株，基本培養(yǎng)基， 鼠肝勻漿， 待測樣品 實(shí)驗(yàn)步驟： （1）將待測樣品+鼠肝勻漿保溫 注：“三致”化合物常在肝臟代謝過程中產(chǎn)生毒性 （2）將保溫后的樣品吸入濾紙片中 （3）將濾紙片貼于涂布缺陷型菌株的基本培養(yǎng)基平板上，培養(yǎng)。,結(jié)果觀察： （1）陰性 平板上無大量菌落生成，說明待測物無“三致”作用。 （2）陽性 紙片周圍有抑菌圈，外周有大量菌落生成，待測物中有高濃度誘變劑存在。 （3）陽性 紙片周圍有大量菌落生成，有適宜濃度誘變劑存在。,2、 發(fā)光細(xì)菌檢測法 發(fā)光細(xì)菌在合適培養(yǎng)條件下會發(fā)出藍(lán)色的可見光，當(dāng)它接觸有毒污染物時(shí)，細(xì)菌的新陳代謝受到影響，發(fā)光強(qiáng)度減弱或熄滅，發(fā)光細(xì)菌發(fā)光強(qiáng)度的變化可用發(fā)光檢測儀測定出來。在一定范圍內(nèi)，有毒物濃度大小與發(fā)光細(xì)菌發(fā)光強(qiáng)度變化成一定比例關(guān)系。因此可以通過發(fā)光細(xì)菌來檢