第十章 污水生物处理系统中的主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及其主要微生物 第十章 污水生物处理系统中的主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及其主要微生物 第二节 有机污染物厌氧生物处理的基本原理及其主要微生物 第三节 无机污染物生物处理的基本原理及其主要微生物 第四节 生物处理法对污水水质的要求 1

有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 一、污水好氧生物处理的基本原理 在有氧的情况下，借好氧微生物的作用来进行，污水中的溶解性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜而被吸收；固体的和胶体的有机物先附着在细菌细胞体外，由细菌所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞，微生物通过物理凝聚作用在沉淀池中沉淀，与水体分离，从而达到净化污水的效果。 污水好氧生物处理方法： 活性污泥法、生物滤池、生物转盘、污水灌溉和生物塘等。 2

有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 二、活性污泥法中的微生物 1. 活性污泥中常见的微生物 活性污泥的生物相十分复杂，除大量细菌以外，还有真菌、单胞藻类、原生动物、还可见到后生动物如轮虫、线虫等。 3

有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 细菌：活性污泥中有多种细菌，随污水性质、构筑物运转条件不同而出现不同的优势菌群。曾经报道的有：动胶菌属(Zoogloea)、微球菌属、假单胞菌属、黄杆菌属、芽孢杆菌属、螺菌属等。 真菌：主要为霉菌。已报道的有毛霉属、根霉属、曲霉属、 青霉属、镰孢霉属、枝孢霉属、木霉属、地霉属等。 原生动物：曾发现225种以上，其中以纤毛虫为主，占160多种。原生动物是好氧性的生物，主要附聚在活性污泥的表面，数量约在5000-20000个/ml。 4

有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 原生动物在活性污泥中的作用： (a)促进絮凝∶有的原生动物能分泌粘液，促进生物絮凝，从 而改善活性污泥的泥水分离特性。 (b)净化作用∶大部分原生动物是动物性营养，能吞食游离细 菌和微小污泥，有利于改善水质。腐生性营养 的鞭毛虫等可吸收污水中的有机物。 (c)指示作用∶根据出现的原生动物的种类可以判断活性污泥 的状态和处理水质的好坏。 水质好（BOD<10～20）：纤毛虫、钟虫 水质坏（BOD>20～30）：鞭毛类原生动物、根足虫、变形虫 5

有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 2. 微生物造成的问题 问题：二沉池中泥水的分离问题 原因：污泥絮体结构不正常 不凝聚；微小絮体；起泡沫；污泥膨胀 絮 体 微结构<75μm：球形、密实、较易破裂（絮体形成菌） 宏结构：大而不规则，抗剪切能力较强（丝状菌） 6

有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 ①不絮凝（微结构絮体） 絮体本身不稳定而碎裂（DO低、pH低、污泥负荷过低） 过度曝气，剪切力过大而被切成碎块 原因： ②微小絮体 原因：曝气过度；长泥龄（>5~6 d）；低有机负荷 ③起泡沫 由诺卡氏丝状菌的异样增殖引起，曝气产生的气泡进入丝状菌群体中，浮在水面上，形成泡沫或一层浮渣。 原因：高温（>18℃）；高负荷；长泥龄（利于丝状菌生长） 7

有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 ④污泥膨胀—由丝状菌的异常增殖引起 污泥结构松散，沉降性能恶化，随水漂浮，溢出池外的异 常现象。 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，形成絮体网（搭桥） 细菌沿丝状菌凝聚，形成细长絮体 25种丝状菌 原因：低DO，污泥负荷低，营养不足（比例失调），低pH （丝状菌适宜pH为4.5~6.5，菌胶团为6~8） 8

污泥膨胀现象 9

有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 污泥膨胀的控制方法： 控制污泥负荷：0.2～0.45 kg/(kg•d) 控制营养比例：BOD：N：P＝100：5：1，P不足时有利于 丝状菌的竞争 控制DO比例：>2 mg/L 加氧化剂（Cl2、H2O2、O3 ）：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：1. 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-cellular polymer） 2. 在二沉池中因为反硝化作用产生氮气也会引起污泥膨胀 10

有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 ⑤非丝状菌引起的污泥膨胀 菌胶团膨胀 游离细菌产生菌胶团基质时絮体微结构中产生了大量胞外多聚物（ECP, extra-cellular polymer），导致污泥膨胀。 二沉池中因为反硝化作用产生氮气也会引起污泥膨胀 11

有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 三、 生物滤池中的微生物（生物膜法） 生物膜是由好氧微生物、兼性微生物和部分厌氧微生物附着在载体表面而形成的一层带粘性、薄膜状的微生物混合群体。包括细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物。 12

有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 细菌：与活性污泥类似；硝化菌生活在膜内 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 13

生物滤池剖面结构 14

有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 第一节 有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物 生物膜法与活性污泥的比较（滤池可提供陆生条件） ①食物链比活性污泥长，原生动物、后生动物的量多 ②微生物种类多，多样性指数大 增长速度慢的微生物也可以生长 抗冲击性弱的微小动物也可以生长 生态系统稳定 ③硝化菌含量相对较多 15

Concentration Depth (m) H2S O2 NO3- 16

有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 第二节 有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 厌氧生物处理是在无氧条件下是利用厌氧微生物的代谢作用将水中有机污染物分解转化的过程。 一、厌氧生物处理的基本原理 二阶段论：酸性发酵阶段+碱性发酵阶段（产甲烷阶段） 三阶段论：产酸阶段+产氢产乙酸阶段+产甲烷阶段 四阶段论：产酸阶段+产氢产乙酸阶段+同型产乙酸阶段+产甲烷阶段 17

有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 第二节 有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 18

有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 第二节 有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 三阶段理论： 1、水解、发酵阶段：发酵产酸细菌 2、产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等 脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2 3、产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2 产生CH4 四阶段理论： 在上述三阶段理论的基础上，增加了一类细菌—同型产乙酸菌，其主要功能是将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2 合成为乙酸。 19

有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 第二节 有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 二、厌氧生物处理中的微生物 初级发酵细菌 产氢产乙酸细菌 同型产乙酸细菌 产甲烷细菌 其它厌氧细菌群：硫酸盐还原菌、三价铁还原菌，与产甲烷菌竞争底物。 20

有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 第二节 有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 1. 初级发酵细菌 功能： 水解：在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物 酸化：将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等 水解过程较缓慢，并受多种因素的影响，是厌氧反应的限速步骤；产酸反应速率较快 发酵产酸细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真杆菌属、双歧杆菌属等 按功能来分类：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌 、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等 21

有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 第二节 有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 2. 产氢产乙酸细菌 主要功能：将高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2 主要反应： 该类菌产氢及乙酸，可供产甲烷菌利用，其生长过程需要吸收大量能量，有赖于产甲烷细菌同化H2释放能量供其利用，因此二者形成共生关系。 主要细菌：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属等。 22

有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 第二节 有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 3. 同型产乙酸细菌 功能：将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2 合成为乙酸 这类细菌不论利用何种基质，其厌氧呼吸的唯一产物为乙酸，故称之为同型产乙酸细菌。 实际上这一部分由H2/CO2 合成而来的乙酸的量较少，只占厌氧体系中总乙酸量的5%左右。 主要细菌：伍氏醋酸杆菌、威氏醋酸杆菌、热自养梭菌等。 23

有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 第二节 有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 4.产甲烷菌 产甲烷菌是一类十分特别的古细菌（Archea），其最主要的特点是：产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2 等，两碳物质中只有乙酸，而不能利用其它含两碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类。 主要功能：将产氢产乙酸菌的产物—乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程顺利进行； 包括两类细菌，利用氢的产甲烷菌和利用乙酸的产甲烷菌，产生甲烷的反应分别如下： 4H2 + CO2  CH4 + 2H2O CH3COOH  CH4 + CO2 24

有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 第二节 有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 种类：种类多、形态多样，包 括孙氏甲烷丝菌、马氏甲烷八 叠球菌、巴氏甲烷八叠球菌 利用乙酸的产甲烷菌的种类较 少，只有产甲烷八叠球菌和产甲 烷丝状菌，但在厌氧反应器中这 两种菌居多，70%左右的甲烷是 来自乙酸的氧化分解。 25

有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 第二节 有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物 产甲烷菌的一般特性： 属于古细菌 严格厌氧菌，对温度和pH变化敏感 中温菌：25－40°C；高温菌：50－60 °C 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，因此在实际操作中应特别注意 pH的控制。 一般认为栖息于一些极端环境中，但实际上分布极为广泛，如污泥，瘤胃，昆虫肠道，湿树林，厌氧反应器等。 26

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第三节 无机污染物生物处理 生物脱氮及参与的主要微生物 生物除磷及参与的主要微生物 含硫废水的生物处理 含金属离子废水的生物处理 28

第三节 无机污染物生物处理 生物脱氮及参与的主要微生物： 氮是水体富营养化的主要诱因，必须加以严格控制。 生物脱氮是利用硝化细菌和反硝化细菌的生理特性而在处理工艺创造好氧－厌氧条件使水中的氨氮经亚硝化、硝化作用形成硝态氮，再经过反硝化作用还原为氮气，从而从水中去除的过程。 利用的微生物主要是硝化细菌和反硝化细菌 生物脱氮的工艺类型 1）A-O工艺；2）A2-O工艺；3）倒置A2-O工艺 29

第三节 无机污染物生物处理 传统脱氮工艺 30

第三节 无机污染物生物处理 两级脱氮工艺 31

第三节 无机污染物生物处理 A-O工艺 32

第三节 无机污染物生物处理 生物除磷及参与的微生物 磷是水体富营养化的主要诱因，必须加以严格控制； 生物除磷是根据一些聚磷菌可在好氧－厌氧条件下分别超量吸磷和放磷的生理特性来创造厌氧－缺氧－好氧工艺条件，最后通过排出富磷污泥来去除水中磷的过程； 生物脱氮除磷通常合并进行，具有处理效果好、运行稳定的特点。 33

第三节 无机污染物生物处理 原理与过程示意 I——PHB（聚β羟基丁酸） S——聚合磷酸盐 好氧条件下， 除磷菌过量 摄取磷 厌氧条件下，除磷菌将磷释放 高含磷污泥的排出 I——PHB（聚β羟基丁酸） S——聚合磷酸盐 34

第三节 无机污染物生物处理 生物除磷的基本生化过程示意图 35

第三节 无机污染物生物处理 PHB 及PO43- 36

第三节 无机污染物生物处理 曾报道的聚磷菌：不动杆菌、假单胞杆菌、气单胞菌、诺卡 氏菌、深红红螺菌、着色菌属、囊硫菌属、 贝日阿托氏菌属、蜡状芽孢杆菌属等。 聚磷菌的一般特点： 1）生长较慢，但因能积累和分解聚磷酸和PHB（聚-β-羟基 丁酸），所以更能适应厌氧和好氧交替的环境而成为优势种。 2）大多数聚磷菌一般只能利用低级脂肪酸等小分子的有机 质，不能直接利用和分解大分子有机质。 37

第三节 无机污染物生物处理 生物除磷过程的影响因素 ①溶解氧： 厌氧池内：绝对的厌氧； 好氧池内：充足的溶解氧； ②污泥龄： 泥龄短的系统产生的剩余污泥多，可以取得较好的除 磷效果； 有报道称：污泥龄为30d，除磷率为40%；污泥龄为 17d，除磷率为50%；而污泥龄为5d时，除磷率高达 87%。 ③温度： 5~30℃； 38

第三节 无机污染物生物处理 ④pH值： 6~8。 ⑤BOD5负荷： BOD/TP>20； 小分子易降解的有机物诱导磷的释放的能力更强； 磷的释放越充分，磷的摄取量也越大。 ⑥硝酸盐： 会进行反硝化反应，会抑制有机物的发酵产酸作用， 从而影响聚磷菌的释磷和合成PHB的能力。 ⑦氧化还原电位 39

第三节 无机污染物生物处理 生物除磷的工艺类型 40

第三节 无机污染物生物处理 同步脱氮除磷工艺 巴颠甫（Bardenpho）脱氮除磷工艺 41

第三节 无机污染物生物处理 A-A-O（Anaerobic－Anoxic－Oxic）脱氮除磷工艺 好氧池后置的 原因？ 使得厌氧池及缺氧池的溶解氧等容易控制 厌氧细菌的酸化水解反应 为好氧池减轻处理负荷 聚磷菌先在厌氧条件放磷，后好氧条件下聚磷 好氧池后置的 原因？ 42

第三节 无机污染物生物处理 生物转盘脱氮除磷工艺 43

硫酸盐还原菌(sulfate reducing bacteria，SRB) 第三节 无机污染物生物处理 含硫废水的生物处理 含硫酸根废水的厌氧生物处理 硫酸盐还原菌(sulfate reducing bacteria，SRB) 含硫化氢废水的好氧生物处理 将硫化物氧化成单质硫(S0)或SO42-的菌：无色硫细菌等。 44

生物沉淀处理法（biological precipitation） 第三节 无机污染物生物处理 含金属例子废水的生物处理 生物沉淀处理法（biological precipitation） 如：硫酸盐还原菌在厌氧条件下把SO42-还原成硫化氢，废水中的金属离子与硫化氢生成金属硫化物沉淀而被去除。 生物还原处理法 如：六价铬(Cr6+)：厌氧条件下把Cr6+还原成无毒性的Cr3+，Cr3+在碱性条件下生成Cr(OH)3沉淀。 45

如：铁细菌在酸性条件下(pH=2)可以将Fe2+氧化 成Fe3+，该性质已经成功地应用于矿山废水 的生物氧化处理。 第三节 无机污染物生物处理 生物氧化处理法 如：铁细菌在酸性条件下(pH=2)可以将Fe2+氧化 成Fe3+，该性质已经成功地应用于矿山废水 的生物氧化处理。 生物吸附处理法 利用微生物细胞作为吸附剂处理废水中的金属。 46