第八章 微生物在环境工程中的应用

第一节 污（废）水生物处理中的生态系统 一、 种类 根据处理系统中优势微生物种类及溶解氧含量，可分为好氧处理和厌氧处理。 第一节 污（废）水生物处理中的生态系统 一、 种类 根据处理系统中优势微生物种类及溶解氧含量，可分为好氧处理和厌氧处理。 （一） 好氧处理和厌氧处理 低浓度有机废水（COD＜1500mg/L）适合用好氧处理。 高浓度有机废水（COD≥1500mg/L）适宜用厌氧处理。

为什么高浓度有机废水不宜用好氧法？ 有机物浓度过高，好氧生物代谢迅速，水中溶解氧供应不足，好氧生物生长受限，很难保证处理质量，而厌氧生物则没有这种限制。

根据微生物在构筑物中处于悬浮或固着状态分为活性污泥法和生物膜法。 （二）活性污泥法和生物膜法 根据微生物在构筑物中处于悬浮或固着状态分为活性污泥法和生物膜法。 活性污泥法——模拟水体自净 微生物在系统中呈悬浮状态，与污（废）水接触使之净化的方法。

生物膜法——模拟土壤自净 微生物附着于物体表面上成薄膜状，与污废水接触使之净化的方法。

活性污泥法 —好氧活性污泥法、厌氧活性污泥法 生物膜法 —好氧生物膜法、厌氧生物膜法。

一、好氧活性污泥法 好氧活性污泥法又叫曝气法，最早由英国人于1914年创建而来，经过近100年的发展已成为处理有机废水最主要的方法。

（一） 好氧活性污泥中的微生物群落 活性污泥的形成是一种自然现象（？）。 （一） 好氧活性污泥中的微生物群落 活性污泥的形成是一种自然现象（？）。 向一桶含粪便污水中不断通入空气，经一段时间，会产生褐色絮花状的泥粒，显微镜可以看到，污泥里充满了各种各样的微生物，这就是典型的好氧活性污泥。

1. 好氧活性污泥的组成和性质 （1）组成 好氧活性污泥是由好氧微生物和兼性厌氧微生物(少量厌氧微生物)与污(废)水中有机和无机固体物混凝交织在一起，形成的絮状体或称绒粒（floc）。 （2）性质 颜色各异 含水率在99％左右 密度为1.002~1.006 大小为0.02~0.2mm 比表面积为20~100cm2／ml之间 弱酸性(pH约为6.7) 对进水pH变化有一定承受能力。

2．好氧活性污泥中的微生物群落 菌胶团？ 好氧活性污泥上的微生物是如何分布的？ 中心是起絮凝作用的细菌形成菌胶团，其上生长着其他微生物。 在微生物学领域里，习惯将动胶菌属形成的细菌团块称为菌胶团。在水处理工程领域内，则将所有具有荚膜或粘液的絮凝性细菌互相絮凝聚集成的菌胶团块都称为菌胶团。

菌胶团的功能 ①吸附和氧化分解有机物 菌胶团是细菌的存在形式，细菌占到活性污泥中微生物总量的99%, 达107~108个/ml，是生物处理的主力军。菌胶团受到各种因素的影响和破坏，则活性污泥法对有机物去除明显下降，甚至无去除能力。 ②菌胶团对有机物的吸附和分解，为原生动物和微型后生动物提供了良好的生存环境 菌胶团本身为原生动物、微型后生动物提供附着场所；菌胶团中的细菌可以去除毒物、自身作为动物食料。 ③具有指示作用 通过菌胶团的颜色、透明度、数量、颗粒大小及结构的松紧程度可衡量好氧活性污泥的性能。新生菌胶团颜色浅、无色透明、结构紧密，则说明菌胶团生命力旺盛，吸附和氧化能力强，再生能力强。老化的菌胶团，颜色深，结构松散，活性不强，吸附和氧化能力差。

菌胶团的形成机理 ① 粘性多糖的粘着作用 很多细菌可分泌粘胶状的多糖物质，附着于细胞壁，形成荚膜，荚膜相互间粘着时就会形成一个由许多细菌共有的大荚膜，当细菌进入老龄后，细菌分泌的的粘稠多糖聚合物增多，更加速了细菌大荚膜的增大，这样就形成了菌胶团的雏形。

② 纤维素性质多糖的勾连作用 纤维素从何而来？ 将菌胶团置于电子显微镜下观察时发现，在大荚膜增大的同时，在其外侧出现了许多类似于纤维素网状的物质，据分析这些物质的成分也是多糖，如图所示 纤维素从何而来？ 既可能是细菌的分泌物，也可能是粘性多糖的演化产物。他们不但具有粘着性，还具有缠绕勾连的作用，在它们的作用下，各种细菌密布在这些网格状纤维之中，随这些纤维素状多糖的数量不断增加，就形成了真正意义上的菌胶团。

活性污泥菌胶团外的纤维丝电镜照片

菌胶团的生物意义 ①形成了一个稳定的细菌共生体性； ②增强细菌抵抗环境变化及微型动物捕食的能力 菌胶团吸附的大分子有机物被表层的细菌首先水解吸收，代谢后的产物降解不完全，又作为了下面细菌的食物 另一方面随着颗粒化由表及里，局部的氧浓度逐渐减少，对氧浓度有不同要求的细菌则可以各自找到最适宜的位置 ②增强细菌抵抗环境变化及微型动物捕食的能力 在层层细菌的屏蔽作用下，菌胶团中的微环境要比溶液中稳定的多 菌胶团的颗粒较大，原生动物只能蚕食很少的一部分表层的细菌，从而提高了大多数细菌抵抗微型动物的捕食能力。

③菌胶团为细菌储备了碳源 菌胶团中的结构多糖，不仅是其骨架，还是细菌的储备碳源。当环境中的营养物匮乏时，这些多糖被细菌作为碳源使用，虽然此时菌胶团逐渐瓦解，但一定程度上延缓了细菌的衰亡。 因此菌胶团的形成是细菌为维护共同利益的共生产物，对于细菌的生存有着重要的生物意义。

菌胶团中的细菌 菌胶团中的细菌来源于土壤、水和空气。它们多数是革兰氏阴性菌，如动胶菌属和丛毛单胞菌属，它们可占70％，生活污水好氧处理时菌胶团中的主要细菌见下表： 工业废水处理中的菌胶团细菌组成与之类似，但优势菌主要是对特定工业废物起主要降解作用的细菌

活性污泥中的其它微生物 在菌胶团上层居住的是放线菌、真菌及原生动物、后生动物。 数量相比较细菌而言要少得多，通常包括少量的球衣菌、诺卡氏菌、发硫菌、头孢霉、地霉菌、酵母菌等，以及原生动物中的钟虫、盖纤虫、等枝虫、草履虫和微型后生动物中的轮虫。 这些微生物与菌胶团细菌构成了稳定的生态体系，它们之间存在着复杂的相互关系，它们的种类、数量随营养条件(废水种类、化学组成、浓度)、温度、供氧、pH等环境条件改变也在发生变化。

3．好氧活性污泥中微生物的浓度和数量 MLSS (混合液悬浮固体) 每L活性污泥混合液（ML）中含有多少毫克恒重的干固体（SS）表示。 在城市污水处理中，MLSS保持在2000~3000mg/L。工业废水生物处理中，MLSS保持在3000mg/L左右。高浓度的工业废水生物处理的MLSS保持在3000~5000mg/L。

(二) 好氧活性污泥净化废水的作用机理 好氧活性污泥的净化作用机理见下图好氧活性污泥吸附和降解 用框图表示见下图

可以看出，活性污泥颗粒中微生物之间的关系是食物链的关系。 好氧活性污泥是由有生命的微生物组成，能自我繁殖，因而可以连续反复使用，而化学药剂只能一次使用，故活性污泥比化学混凝剂优越。 可以降解水中的溶解性有机物，这也是物理化学方法难以做到的。

(三)好氧活性污泥法的几种处理工艺流程 1．普通活性污泥法 好氧活性污泥法的处理工艺很多，最为普遍使用的活性污泥法工艺如下图

请看图说明工艺原理？ 废水先通过初沉池，除掉一些悬浮固体，然后进入一个有曝气装置的构筑物，活性污泥就在这种装置中将废水中的BOD降解，并产生新的活性污泥。设计适当的曝气池尺寸使废水在池中停留足够长的时间，使BOD降到一定程度后，流入二次沉淀池，进行固液分离，上清液排放，沉淀下来的污泥一部分回流到曝气池中，一部分作为剩余污泥而排放。

Inner workings of an activated sludge installation

Aeration tank of an activated sludge installation in a metropolitan sewage treatment plant

A small-scale activated sludge operation used to process dairy waste

2．改进型的活性污泥法 推流式活性污泥法 完全混合式活性污泥法 接触氧化稳定法 分段布水推流式活性污泥法 氧化沟式活性污泥法

推流式活性污泥法——又称阶段曝气法，废水沿一个长条的矩形池，废水从一端进入，水的污染物沿流动方向不断降低，从另一端流出； 分段布水推流式活性污泥法——在长条矩形池的不同部位分别进水； 完全混合式污泥法——废水一进入曝气池就迅速与池中已有的混合液充分混合均匀，曝气池中各处的水质基本相同。 接触稳定氧化活性污泥法——又称吸附再生活性污泥法，曝气池被一分为二，废水在曝气池的第一部分接触池中停留十分钟与活性污泥充分接触，废水中的有机物被活性污泥吸附后进入二沉池，此时出水以达到净化，而二沉池泥水分离后的活性污泥进入曝气池的另一部分稳定池，池中曝气但不仅废水，使污泥中吸附的有机物进一步分解，恢复了活性的污泥随后再次进入接触池进行新的一轮废水降解； 氧化沟——把环形反应池用作生物反应池，污水混合液在该池中以一条闭合式曝气渠道进行连续循环。

3．氧化塘 氧化塘的工艺是特殊的活性污泥法，是一种人工的、接近自然生态系统的活性污泥法。 在氧化塘内，藻类和细菌共存于同一环境中，保持互生关系。

二、好氧生物膜法 生物填料表面附着的生物薄膜进行污染物降解的生物处理法。 于19世纪末，在研究土壤净化污水的过滤田的基础上，开发并应用于生产。由于效果不如后来出现的活性污泥法，一度被长期搁置，60年代以后，由于新型合成材料的大量生产和环境保护对于水要求的进一步提高，生物膜法又获得了新的发展。 好氧生物膜法构筑物有普通滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池、生物转盘、接触氧化法等。

悬浮型生物填料 生物填料

悬挂型填料 弹性立体填料 网片式立体填料

生物填料上的生物膜 软性填料

生物转盘 普通生物滤池

Aerobic sewage treatment processes: trickling filter

(一)好氧生物膜中的微生物群落 根据位置与功能不同——生物膜生物、生物膜面生物及滤池扫除生物。

2~3mm 0.3mm好氧区 膜生物 膜面生物 滤扫生物 横向纵向各不相同

生物滤池（塔）中的分层特征表 相当于多污带 相当于中污带 相当于寡污带

同一类型废水 好氧活性污泥法与生物滤池法处理效果对比 优缺点对比

第二节 活性污泥丝状膨胀的成因及控制对策 本质—污泥密度变小或黏附能力下降。 分非丝状菌污泥膨胀与丝状菌污泥膨胀两类 第二节 活性污泥丝状膨胀的成因及控制对策 提问：什么是活性污泥膨胀？ 正常的活性污泥颗粒体积膨胀，继而分裂为沉降性很差的小颗粒污泥，引起二沉池池面飘泥严重，出水水质急剧变差的现象。 本质—污泥密度变小或黏附能力下降。 分非丝状菌污泥膨胀与丝状菌污泥膨胀两类

1. 非丝状菌污泥膨胀 ① 曝气力度过大，污泥碎裂膨胀 提问：原因？ 气泡夹带，密度降低；气泡机械破碎；细菌处于对数期，多糖分泌减少 1. 非丝状菌污泥膨胀 ① 曝气力度过大，污泥碎裂膨胀 提问：原因？ 气泡夹带，密度降低；气泡机械破碎；细菌处于对数期，多糖分泌减少 ②缺氧、厌氧膨胀漂泥 二沉池底部淤泥厌氧产气（反硝化N2、CH4) ③进水水质有过量的表面活性物质和油脂类化合物； 油及泡沫降低污泥密度

④生物中毒（pH波动大、补碱过量、温度过高、CODcr浓度骤然升高、含酚及其衍生物，醇、醛和某些有机酚、硫化物、重金属及卤化物过高等） 原因？ 细菌——休克死亡、粘液分泌减少 ⑤新污泥膨胀现象 未驯化污泥对新类型废水不适应，不沉降或沉降极慢，长时间曝气驯化后恢复正常； 提问：原因？ 类似中毒

⑥BOD/N过高 原因—高含水率菌胶团占优势 ⑦假菌丝或后生动物钻噬污泥膨胀 大肠埃希氏菌及芽孢杆菌形成暂时性假丝状生长或后生动物钻噬而形成的膨胀污泥。（很少见）

2. 丝状污泥膨胀（95％污泥膨胀） 原因 ——丝状细菌（球衣菌、硫细菌）或真菌优势过度生长 丝状菌优势生长条件： 2. 丝状污泥膨胀（95％污泥膨胀） 原因 ——丝状细菌（球衣菌、硫细菌）或真菌优势过度生长 丝状菌优势生长条件： A. 曝气池DO长期维持在较低（＜0.1~0.2mg/l） B. 水温过高（＞25℃）、pH过低（＜6.5） C. 硫化物过高 硫细菌（丝状菌一种）以硫化氢为食                                                                                

C.营养失衡 废水C/N比高，N少；无机金属离子较少 原因——菌丝体储备营养物稀少、表面积大，在稀溶液中争夺营养物质的能力强，更适合于贫瘠环境（包括溶解氧、各种营养物）的生长； D.毒物冲击 原因—菌丝体耐受能力强

3.污泥膨胀的预防与控制对策 提问：基于上述原理如何预防污泥膨胀？ A.设调节池(及事故池)控制高负荷（BOD、毒物）冲击 B. 控制溶解氧 溶解氧浓度必须控制在3～4mg/L。 C 调节废水的营养配比 尽量逼近BOD5与N和P的比例BOD5：N：P＝100：5：1。 补N——尿素或含氮量高的污泥消化池上清液 补P——磷酸钠

D. 改革工艺 将活性污泥法改为生物膜法 在曝气池中加填料改为生物接触氧化法 SBR(即序批式间歇曝气反应器)法

A．投加次氯酸钠（10~20mg/l内）、H2O2（100~200mg/l内） 提问：发生后如何处理？ A．投加次氯酸钠（10~20mg/l内）、H2O2（100~200mg/l内） 有选择的控制丝状微生物的过渡生长 B．投加混凝剂FeSO4和FeCl3、干污泥或浓缩消化污泥 增加絮体密度、强度，使已膨胀的污泥恢复正常 C.强化补氮（C:N＝100：20～30） D.替换污泥 最直接的方法

4.微生物泡沫及其预防与控制对策 气泡附着于大量丝状菌上 （Nocardia spp. and Microthrix parvicella） 影响？ 飘泥 产生条件—— (1) 高油脂含量; (2) 污泥龄（污泥总量/外排剩余污泥量）过长（>9d); (3) 低溶解氧. 避免—控制方法

第三节 厌氧环境中活性污泥和生物膜的微生物群落 废水的厌氧处理主要用于高浓度有机废水的前处理; 一、厌氧法的优点 提问：优点有哪些？ 1．产生的沼气可用于发电或作为能源 沼气中的主要成分是甲烷，含量50~75%之间，是一种很好的燃料。以日排COD10t的工厂为例，若COD去除率为80%，甲烷产量为理论的80%时，则可日产甲烷2240m3，其热值相当于3.85t原煤，可发电5400度电。

2．对营养物的需求量少 好氧方法BOD：N：P=100：5：1，而厌氧方法为（350~500）：5：1，相比而言对N、P的需求要小的多，因此厌氧处理时可以不添加或少添加营养盐。 3．产生的污泥量少，运行费用低 ? 繁殖慢；不需要曝气 基于这些优点，厌氧处理在食品、酿造、制糖等工业中得到了广泛的应用。但厌氧处理也存在缺点

二、厌氧法的缺点 提问：？ 1．出水的有机物浓度高于好氧处理； 2．对温度变化较为敏感； 3．厌氧微生物对有毒物质较为敏感； 发酵分解有机物不完全； 2．对温度变化较为敏感； 工业中需要设置进水的控温装置，37℃。 3．厌氧微生物对有毒物质较为敏感； 经过毒物驯化处理的厌氧菌对毒物的耐受力常常会极大地提高。

5．处理过程中产生臭气和有色物质 4. 初次启动过程缓慢,处理时间长 提问：是什么？ 好氧处理体系的活性污泥或生物膜通常只需要7天就可以培育成功，而厌氧处理体系的活性污泥或生物膜一般需要8~12周才可以培育成功 5．处理过程中产生臭气和有色物质 提问：是什么？ 臭气主要是SRB（？）形成的具有臭味的硫化氢气体以及硫醇、氨气、有机酸等的臭气。同时硫化氢还会与水中的铁离子等金属离子反应形成黑色的硫化物沉淀，使处理后的废水颜色较深，需要添加后处理设施，进一步脱色脱臭。

三、 厌氧活性污泥法 （一）厌氧活性污泥的性质和组成 微生物的组成主要有六种： 由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质形成的污泥颗粒。 呈灰色至黑色， 有生物吸附作用、生物降解作用和絮凝作用，有一定的沉降性能； 颗粒厌氧活性污泥的直径在0．5mm以上。 微生物的组成主要有六种： 由外到内水解细菌、发酵细菌、氢细菌和乙酸菌、甲烷菌 、硫酸盐还原菌、厌氧原生动物。其中产甲烷菌是厌氧活性污泥的中心骨架

（二）厌氧活性污泥净化废水的作用机理 1．水解阶段 2．发酵阶段 复杂污染物的厌氧降解过程可以分为四个阶段水解阶段、发酵阶段（又称酸化阶段）、 产乙酸阶段、产甲烷阶段 框图表示见下图 1．水解阶段 在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物水解为小分子的有机物。 2．发酵阶段 梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等。

复杂有机物 脂肪酸 H2 + CO2 乙酸 CH4 + CO2 H2S+ CO2 1水解 2发酵 硫酸盐还原 3产乙酸 4产甲烷 硫酸盐还原

3．产乙酸阶段 上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。 4．产甲烷阶段 乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷和以及甲烷菌细胞物质。 经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。

（三）厌氧活性污泥处理的工艺流程 气柜 ↑37℃ 废水 热交换器 调节池 出水 沉淀池 其中厌氧活性污泥反应器是工艺中的核心 厌氧活性 回流污泥 剩余污泥 其中厌氧活性污泥反应器是工艺中的核心

四、厌氧生物膜法 主要指厌氧滤器（AF） 沼气 出水 AF 进水

五、厌氧生物反应器发展 第一代厌氧反应器——化粪池 工作原理 2级(平流沉淀+厌氧污泥消化) 缺点：污泥量少、易被带出，静态消化 全国各地使用广泛，为生活污水的预处理——液固分离处理污泥及厌氧杀寄生虫及病菌

第二代厌氧反应器 UASB反应器 克服了第一代的缺点 effluent 污泥沉降 沼气阻挡收集 Sludge bed influent

工业级UASB装置 钢制圆形结构 混凝土方形结构（便于施工及分离器设置） http://www.biogas.ch/emmi.htm http://www.revaenviro.com/uasb.htm http://www.fkk.co.jp/e/ourbusiness/water-body2-e.html 混凝土方形结构（便于施工及分离器设置）

全世界有几千座UASB反应器，占所有厌氧反应器（第二代以上）总数的64%，应用广泛 64％

(3)Anaerobic fluidized bed biofilm reactor 厌氧流化床生物膜反应器（AFB) ①化工流化床原理 ②炉灰等作生物膜载体，生物颗粒流化 ③出水外回流 (2)Anaerobic Filter 厌氧滤床(AF)

第三代厌氧生物反应器 EGSB IC UBF 填料 厌氧膨胀颗粒污泥床 内循环反应器 升流式污泥床过滤器

以前通常能不用厌氧法处理的就不用，不得已时结合厌氧处理与好氧处理先后处理，现在厌氧反应器发展迅速逐渐成为水处理的新的主力设备。

第四节 生物脱氮和生物除磷 一、污、废水脱氮、除磷的具体指标 一级标准 废水磷含量在≤0．5mg/L 氨氮 ≤15mg／L

？ 二、微生物脱氮工艺、原理及其微生物 (一)微生物脱氮工艺 活性污泥法典型工艺——A/O工艺（缺氧、好氧工艺） 回流 缺氧反硝化 好氧脱碳 好氧硝化 废水 沉淀池 沉淀池1 出水 缺氧活性污泥回流 好氧活性污泥回流 A/O脱氮工艺

(二)脱氮原理 缺氧反硝化 细菌：反硝化细菌（兼性厌氧菌） 反应：NO3-—N反硝化还原为N2，溢出水面释放到大气 碳源：原水中BOD 硝酸盐来源：回流出水中的硝化产物

好氧脱碳硝化 脱碳——氧化去除COD 脱碳菌——好氧有机物呼吸的细菌，以有机物为碳源 硝化菌——好氧氨盐呼吸的细菌，以碳酸盐为碳源（NH4+→NO2-→NO3-) 提问：为什么先脱碳、后脱氮？ 硝化菌的碳源是脱碳菌的代谢产物； 有机碳源丰富时，脱碳菌世代周期短生长迅速 ，硝化菌氧利用不足，生长缓慢；

提问：硝化脱氮时有时需要补碱（Na2CO3或NaOH)? 硝化作用消耗碱（NH4+、CO3-），水pH下降；补充碳源、升高pH 提问：硝化菌世代周期长，容易从活性污泥系统中被洗掉，如何解决？ 挂生物膜或投加悬浮填料 定期投菌

甲醇 利用进水中的BOD 进水 好氧脱碳硝化滤池 厌氧反硝化 滤池 出水 两级滤池法工艺流程 补充反硝化菌的碳源！

三、微生物除磷原理、工艺及其微生物 1．微生物除磷原理 依靠聚磷菌（兼性厌氧菌）聚磷，再从水中除去这些细菌。 （BOD：N：P）100：5：1——微生物除碳的同时吸收磷元素用以合成细胞物质和合成ATP等，但只去除污水中约19％左右的磷。某些高含磷废水中残留的磷还相当高，故需用除磷工艺处理。 1．微生物除磷原理 依靠聚磷菌（兼性厌氧菌）聚磷，再从水中除去这些细菌。

好氧时：大量繁殖（消耗好氧状态能源—聚β-羟基丁二酸） 逆浓度梯度过量吸磷（贮备厌氧状态能源—异染颗粒） 厌氧时：相反—不繁殖，释放磷酸盐于体外（产生能量供其储备消耗好氧状态能源——PHB）。 大部分 （P）去除 水中P 部分回流 做种 聚P

2．工艺简介 常见的脱磷工艺如下图所示 进水 出水 部分污泥回流接种 剩余污泥处理 厌氧放磷 好氧聚磷 沉淀脱磷

四、用生物法处理废水对水质的要求 生物处理的水质要求表 由于生物法中的各种微生物生长与水质关系密切，因而必须控制适宜的水质指标以保证微生物能够正常的生长和工作。 生物处理的水质要求表