污水處理中的微生物原理編輯說明：此章在很多書上都有涉及，但深層次講解的少，編寫此章的目標是，使入門者真正理解各類微生物特點和會用生物相分析系統環境，使本章作為中控室、化驗室觀測生物相的必要知識。編寫時要注意多涉獵專業書籍，結合微生物學和一些論文，力圖達到不僅知道結論，還要深究原因。我們在第三章已經說過:生物處理方法的核心（或者說城鎮污水處理廠的運行核心）是，使用設施、設備，控制曝氣量、水量、污泥量、營養物質等，創造出適宜微生物存活和生長的環境，并有意的引導微生物的生長向我們需要去除的污染物性質方向發展，最終達到污水處理的目的。所以，凡是采用了微生物處理方法的城鎮污水處理廠，微生物原理是污水處理的核心知識，一個好的運營師，可以通過微生物的狀態和變化就可判斷外部環境、內部環境的各種變化，并提前采取措施將出現的問題苗頭消滅。在活性污泥法中，微生物生活于活性污泥中，在生物膜法中，微生物生活于生物膜中，存在地方雖不一樣，但生物種群是基本一致的。另：微生物種群非常多，按世代期（可理解為生長周期）分，從幾個小時長一代到幾十天長一代不等，活性污泥是由人為控制泥齡的，一般在10?25天之間，不會超過30天，所以種群是人為遴選優化過的，具有去除污染物針對性更強，但難以降解的污染物去除效果不好的特點；而生物膜法的污泥變化是由生物自行生長脫落決定的，所以各種世代期不同的種群在理論上均有存在，具有去除污染物更徹底，但處理量有限制的特點。在微生物學領域里，習慣將動膠菌屬形成的細菌團塊稱為菌膠團。在水處理工程領域內，則將所有具有莢膜或粘液或明膠質的絮凝性細菌互相絮凝聚集成的菌膠團塊也稱為菌膠團，這是廣義的菌膠團。如上所述，菌膠團是活性污泥（絨粒）的結構和功能的中心，表現在數量上占絕對優勢（絲狀膨脹的活性污泥除外），是活性污泥的基本組分。它的作用表現在：1、有很強的生物吸附能力和氧化分解有機物的能力。一旦菌膠團受到各種因素的影響和破壞，則對有機物去除率明顯下降，甚至無去除能力。2、菌膠團對有機物的吸附和分解，為原生動物和微型后生動物提供了良好的生存環境，例如去除毒物、提供食料、溶解氧升高。3、為原生動物、微型后生動物提供附著場所。4、具有指示作用：通過菌膠團的顏色、透明度、數量、顆粒大小及結構的松緊程度可衡量好氧活性污泥的性能。例如新生菌膠團顏色淺、無色透明、結構緊密，則說明菌膠團生命力旺盛，吸附和氧化能力強，即再生能力強。老化的菌膠團，顏色深，結構松散，活性不強，吸附和氧化能力差。第一節活性污泥中的微生物（要求化驗室強記，中控室熟悉）在污水處理中，活性污泥中的微生物形成了一個類似于社會的環境，各個種

群的微生物均在生長，并在污水處理的過程中各自發揮著作用，這是一個奇妙的屬于微物的世界。有偏好，有的喜歡氮、有的喜歡磷；有特點，有的對污水處理發揮巨大作用，有的反起到了破壞作用；有等級，根據食物鏈的規律形成了食物鏈的金字塔。了解這些特點、規律，能為技術人員的工藝控制起到舉足輕重的作用。一、微生物類別f非細胞形態的微生物一一病毒水中微生物廠原核生物廠細菌放線菌藍rm.（處理水體的主要微生物）＜細胞形態的微生物氣水中微生物廠原核生物廠細菌放線菌藍rm.（處理水體的主要微生物）＜細胞形態的微生物氣廠真菌

藻J真核生物彳原生動物酵母菌霉菌肉足類鞭毛類纖毛類線蟲圖4-1水中微生物分類活性污泥是城市污水在活性污泥處理系統的反應主體，是由細菌、微生物與懸浮物質、膠體物質混雜在一起所組成的絮狀體顆粒，是微生物生存和展開生命活動的基地。良好的活性污泥具有很強的吸附分解有機物的能力和良好的沉降性能，絮體的大小約為0.02?0.2mm，茶褐色，微具土壤味，密度1.005kg/m3含水率99%。活性污泥中生存著各種微生物，構成了復雜的生物相。在多數情況下，活性污泥中的主要微生物是細菌、原生動物構成其基本營養層次，然后是以細菌為食的掠食性后生動物。營養級III營養級II營養級I二、具有指示作用的微生物具有指示作用的微生物（后生動物）屬于高級食物鏈層級，也是我們所說的生物相重點觀察的目標。我們知道，在污水處理中，微生物中起到污染物處理的最大作用的是細菌，但細菌的數量繁多、個頭太小，觀測起來存在很多難度。但細菌的生活狀態直接影響了上層食物鏈的微生物，通過觀測后生動物，即可判斷細菌的生活狀態，生物相觀測即是這項的工作。1、變形蟲（肉足類）圖4-32、太陽蟲（肉足類）圖4-43、草履蟲（纖毛類）圖4-54、櫛毛蟲（纖毛類）圖4-6顧名思義，變形蟲是能變形的，不過這種變形也是有限度的。一些種類的變形蟲能向四外伸出假足，以探查水中的化學成分，決定移動方向。而有些種類根本沒有假足。他們獵食時覆蓋它的獵物，把獵物裹起來，這樣就產生了一個食物泡，食物泡可以消化吸收獵物。2、太陽蟲（肉足類）圖4-43、草履蟲（纖毛類）圖4-54、櫛毛蟲（纖毛類）圖4-6變形蟲食性廣，單細胞藻類、細菌、小原生動物、真菌、有機碎片等皆是它們的食物.變形蟲生命力強，在條件不好時，可以形成一個包囊（休眠體）度過難關。太陽蟲身體圓球狀，原生質包在一個光滑的、膜狀的外包中。外質有許多空泡，內質較少。內質常有共生綠藻。1個細胞核，位于中央。1個伸縮泡，位于一側。偽足內有硬的軸絲，故而偽足十分挺直。軸絲自細胞核輻射伸出，偽足長而細，常為身體直徑的1?2倍。以纖毛蟲和小的輪蟲為食。草履蟲屬體大，履狀，有十分發達的口溝，口溝引入口腔。口腔內右邊有1片口側膜、2片波動咽膜和1片四分膜。體纖毛均勻，外質有刺絲泡。大核1個，伸縮泡通常2個，其周圍有輻射管。在一般高負荷的活性污泥系統中，草履蟲將占優勢，此時活性污泥發育正常，沉降性能及生物活性良好，出水水質較好，處理效果較好。櫛毛蟲體桶形，前端中央有一短的圓錐形“吻”突。胞口在“吻”突的頂端。胞咽有長的刺桿支撐。體纖毛退化，僅有1圈或數圈由排列整齊的梳狀纖毛櫛形成的纖毛環圍繞。大核1個，腎形或馬蹄形。伸縮泡1個，在后端中央，常有輔助泡。攝食草履蟲等其他纖毛蟲。

5、輪蟲（輪蟲）圖4-76、線蟲（線蟲）圖4-87、鐘蟲（纖毛類）圖4-9輪蟲是重要的生物相觀測對象。5、輪蟲（輪蟲）圖4-76、線蟲（線蟲）圖4-87、鐘蟲（纖毛類）圖4-9輪蟲形體微小，長度約4?4000um，多數在500um左右。身體為長形，分頭部、軀干和尾部。頭部有一個由1?2圈纖毛組成的能轉動的輪盤，形如車輪。咽內有一個幾丁質的咀嚼器。軀干呈圓筒形，背腹扁寬，具刺或棘，外面有透明的角質甲膜，尾部末端有分叉的趾，內有腺體分泌的黏液，借以固著在其他物體上。大多數輪蟲以細菌、霉菌、藻類、原生動物及有機顆粒為食，輪蟲要求較高的溶解氧量。在污水生物處理系統中常在運行正常、水質較好、有機物含量較低時出現。但當污泥老化解絮、污泥碎屑過多時，會刺激輪蟲大量增殖，數量可多至10000個/ml，這是污泥老化解絮的標志。線蟲的蟲體為長線形，在水中的長度一般0.25?2mm，斷面為圓形，線蟲前端口上有感覺器官，體內有神經系統，消化道為直管，食道由輻射肌組成。線蟲有寄生的和自由生活的，自由生活的線蟲體兩側的縱肌可交替收縮，使蟲體做蛇狀的拱曲運動。在污水生物處理中的線蟲多是自由生活的，常生活在水中有機淤泥和生物膜上，它們以細菌、藻類、輪蟲和其他線蟲為食，在缺氧時會大量繁殖，是污水生物處理中凈化程度差的指示生物。鐘蟲是重要的生物相觀測對象。單體，多呈倒置的鐘形（少數呈球形、梨形等），多用柄附著它物上（游泳鐘蟲除外），柄內有肌絲，遇刺激能強烈的收縮。蟲體前緣纖毛口緣區上長有2列纖毛，并按反時針方向旋轉入胞口，鐘蟲其它部位纖毛退化。大多數種類以細菌、藻類等為食，所以水體中細菌等數量的多少，直接影響著鐘蟲的數量。鐘蟲對水質要求范圍較寬，水溫0?30°C，pH6.5?9.5,DO和NH4濃度分別為1?12和2?20mg/l都能生存，再加上其它原生動物與細菌的共同作用，使污染物去除率能達到77.8%?92.3%的好效果。

8、吸管蟲（纖毛類）圖4-109、纖毛蟲（纖毛類）圖4-1110、鞭毛蟲（鞭毛類）圖4-12固著足吸管蟲的成體為圓球形，蟲體約200微米，身體的一端有一長柄，個體即借此柄附著在其他物體上。體表長有許多輻射狀排列的觸手，觸手為中空的管狀，末端膨大成球狀吸盤,故名吸管蟲。觸手可自由伸縮。身體內部有一個卵圓形的大核和數個小核，伸縮泡2—8個，食物泡若干個。幼體卵圓形，表面有纖毛，營自由生活，體內一個大核及數個小核。以原生動物為食,尤其嗜食纖毛蟲類。在獵物豐富的情況下，一只吸管蟲可同時對付3—6只草履蟲。嚴格的說，固著足吸管蟲是營附著生活的。8、吸管蟲（纖毛類）圖4-109、纖毛蟲（纖毛類）圖4-1110、鞭毛蟲（鞭毛類）圖4-12纖毛蟲是重要的生物相觀測對象。纖毛蟲屬纖毛門，大多數纖毛蟲在生活史的各個階段都有纖毛，以纖毛作為運動細胞器。纖毛在蟲體表面有節律地順序擺動，形成波狀運動，加之纖毛在排列上稍有傾斜，因而推動蟲體以螺旋形旋轉的方式向前運動。蟲體也可依靠纖毛逆向擺動而改變運動方向，向后移動等。游泳型和固著型的纖毛蟲在活性污泥中的處理效果來看，游泳型纖毛蟲在活性污泥中數量較多時，對出水的COD值有很大的影響，數量增多時出水COD增大；固著型纖毛蟲出現數量較少時，出水水質較好。固著型纖毛蟲本身有沉降性能，加上和細菌形成絮體，可以更加完善二沉池的泥水分享作用。鞭毛蟲是重要的生物相觀測對象。具有一根或一根以上的鞭毛。鞭毛長度與其體長大致相等或更長些，是運動器官，鞭毛蟲又可分為植物性鞭毛蟲和動物性鞭毛蟲，常見的植物性鞭毛蟲有滴蟲屬、屋滴蟲屬和眼蟲屬等，常見的動物性鞭毛蟲有波豆蟲屬、尾波蟲屬等。植物性鞭毛蟲在中、多污水體中多見；動物性鞭毛蟲在有機物較多的水體或曝氣池進口會出現。在超高負荷的活性污泥系統中，鞭毛蟲將占優勢，出水質量很差。但在活性污泥的培養過程中，鞭毛蟲出現并占居優勢，則說明活性污泥已經出現，正向良性方向發展。11、累枝蟲（纖毛類）圖4-13累枝蟲與鐘蟲相似，前端有膨大的圍口唇。群體，柄無肌絲而不收縮。著生在各種水生動植物體上。個別種為浮游生活。第二節厭氧、好氧環境中微生物原理根據微生物與分子氧的關系，將微生物分為好氧微生物（包括專性好氧微生物和微量好氧微生物）、兼性厭氧（或叫兼性好氧）微生物及厭氧微生物。專性好氧微生物是指在氧分壓為0.2*101kPa的條件下生長繁殖良好的微生物。微量好氧微生物是指在氧分壓為（0.003?0.2）*lOlkPa的條件下生長繁殖良好的微生物。厭氧微生物包括專性厭氧微生物和耐氧厭氧微生物。專性厭氧微生物是指只能在氧分壓小于0.005*101kPa的瓊脂表面生長的微生物。而兼性厭氧微生物是指既可在有氧條件下，又可在無氧條件下生長的微生物。這三種類型微生物對氧的反應不同。根據微生物在構筑物中處于懸浮狀態或固著狀態，分為活性污泥法和生物膜法。污水的各種生物處理構筑物為活性污泥或生物膜提供一個環境（有氧環境和無氧環境），構筑物中充滿活性污泥或生物膜，或活性污泥與生物膜的混合體。有氧環境或無氧環境與其中的活性污泥和生物膜就構成一個生態系。活性污泥和生物膜是凈化污水的工作主體。一、厭氧環境中的生物群落處理原理厭氧環境下的微生物群落與有氧環境中的不同，它們是由分解蛋白質、脂肪、淀粉、纖維素等的專性厭氧菌和兼性厭氧菌及專性厭氧的產甲烷菌等組成，在出流處附近，有少量厭氧或兼性厭氧的游泳型纖毛蟲，例如扭頭蟲、草履蟲等。1、厭氧活性污泥的組成和性質圖4-14專性厭氧污泥

厭氧活性污泥是由兼性厭氧菌和專性厭氧菌與廢水中的有機雜質交織在一起形成的顆粒污泥。厭氧活性污泥中的微生物的組成有五種：①將大分子水解為小分子的水解細菌②將小分子的單糖、氨基酸等發酵為氫和乙酸的發酵細菌③氫營養型和乙酸營養型的古菌④利用氫氣和二氧化碳合成甲烷的古菌⑤厭氧的原生動物。厭氧活性污泥（顆粒狀）一般厭氧的活性污泥沒有處在激烈運動中，所以，它的微生物群落分布與生物膜相似，有分層現象，但不及好氧生物膜明顯。發發廢水或污泥r「蛋白質酵氨基酸酵中不溶態大十多糖發發廢水或污泥r「蛋白質酵氨基酸酵中不溶態大十多糖?'CH0612(菌分子有機物一脂類甘油脂肪酸I「甲酸類產醇胺甲甲■1甲「烷通過不同物1乙酸等|i/yu■.菌-■途徑轉化111為ch4、II丙酸產氫產乙1114C02等類丁酸-酸菌.C02、［H丄1產乳酸和乙酸物i乙醇等,水解階段/酸化階段氣化階段酸化I酸化酸化Ij不完全厭氧消化（酸發酵）圖4-15厭氧微生物處理原理圖厭氧處理的原理稱為厭氧消化，也叫做甲烷發酵，該理論曾有過二階段、三階段和四階段發酵理論。現在用得比較普遍的是四階段發酵理論：（1）第一階段：水解。以下幾類污染物消解同步進行①水解和發酵性細菌群將復雜有機物（如纖維素、淀粉等）分解為單糖后，再酵解為丙酮酸；②蛋白質水解為氨基酸，脫氨基成有機酸和氨；③脂類水解為各種低級脂肪酸和醇（如乙酸等，酸化I）。第一階段的微生物群落是水解、發酵性細菌群。（2）第二階段：酸化II,酸化產氫和產乙酸細菌群把第一階段的產物進一步分解為乙酸和氫氣。第二階段的微生物群落為產氫、產乙酸細菌。

（3）第三階段：氣化，第三階段的微生物是兩組生理不同的專性厭氧的產甲烷菌群。一組是將氫氣和二氧化碳合成甲烷或一氧化碳和氫氣合成甲烷；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。（4）第四階段：是與上述階段同步進行的逆向反應，為同型產乙酸階段，是同型產乙酸細菌將氫氣和二氧化碳轉化為乙酸的過程。第四階段在厭氧消化中的作用目前仍在研究中。生化階段IIIIII物態變化液化（水解）酸化（1）酸化（2）氣化生化過程大分子不溶態有機物轉化為小分子溶解態有機物小分子溶解態有機物轉化為（H2+C02）及人、B兩類產物B類產物轉化為（H2+CO2）及乙酸等CH4、CO2等菌群發酵細菌產氫產乙酸細菌甲烷細菌發酵工藝甲烷發酵■■■??—酸發酵?—*—圖4-16有機物厭氧消化過程二、好氧環境中的生物群落及其處理特點氧對好氧微生物有兩個作用：①作為微生物好氧呼吸的最終電子受體；②參與甾醇類和不飽和脂肪酸的生物合成。好氧活性污泥（絨粒）的結構和功能的中心是能起絮凝作用的細菌形成的細菌團塊，稱菌膠團。在其上生長著其他微生物，如酵母菌、霉菌、放線菌、藻類、原生動物和某些微型后生動物（輪蟲及線蟲等）。因此，曝氣池內的活性污泥在不同的營養、供氧、溫度及pH等條件下，形成由最適宜增殖的絮凝細菌為中心，與多種多樣的其他微生物集居所組成的一個生態系。好氧活性污泥的細菌能迅速穩定廢水中有機污染物，有良好的自我凝聚能力和沉降性能。好氧活性污泥的凈化作用有類似于水處理工程中混凝劑的作用，同時又能吸收和分解水中溶解性污染物。因為它是由有生命的微生物組成，能自我繁殖，有生物“活性”，可以連續反復使用，而化學混凝劑只能一次使用，故活性污泥比化學混凝劑優越。好氧活性污泥的凈化作用見圖4-17。I氧化攝食合成活性污泥絨粒CO、H0、NH、SO2-、POI氧化攝食合成活性污泥絨粒CO、H0、NH、SO2-、PO3-22344新活性污泥絨粒:處理水:活性污泥生物氧化合成新生物體CO、H0、NH、SO2-、PO3-22344圖4-17好氧活性污泥的凈化作用機理示意圖好氧活性污泥絨粒吸附和生物降解有機物的過程像接力賽，其過程分三步：第1步在有氧的條件下，活性污泥絨粒中的絮凝性微生物吸附廢水中的有機物；第2步是活性污泥絨粒中的水解性細菌水解大分子有機物為小分子有機物，同時，微生物合成自身細胞。廢水中的溶解性有機物直接被細菌吸收,在細菌體內氧化分解，其中間代謝產物被另一群細菌吸收，進而無機化；第3步是其他的微生物吸收或吞食未分解徹底的有機物。第二節微生物對工藝調控的指示作用（要求中控室強記，化驗室熟悉）活性污泥中出現的微型動物的數量，往往和污水處理系統的運轉情況有著直接或間接的關系，進水水質的變化、充氧量的變化等都可以引起活性污泥組成的變化，微型動物體積比細菌要大很多，比較容易觀察和發現其微型動物的變化，因而可以作為污水處理的指示生物，在一些特殊情況發生時（如水質突變、污泥中毒等），即可根據生物相的變化，及時發現問題并采取必要的措施。生物是由低等向高等演化的，低等生物對環境適應性強，對環境因素的改變不甚敏感。較高等生物則相反，例如鐘蟲對溶解氧和毒物特別敏感。所以，水體中的排污口、廢水生物處理的初期或推流系統的進水處，生長大量的細菌，其他微生物很少或不出現。著污（廢）水凈化和水體自凈程度增高，相應出現許多較高級的微生物。原生動物及微型后生動物出現的先后次序是：細菌一植物性鞭毛蟲一肉足類（變形蟲）-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為以下三點。一、可根據上述原生動物和微型后生動物的演替，根據它們的活動規律判斷水質和污（廢）水處理程度。還可判斷活性污泥培養成熟程度。表4-1原生動物和微型后生動物在活性污泥培養過程中的指示作用活性污泥培養初期活性污泥培養中期活性污泥培養成熟期鞭毛蟲、變形蟲游泳型纖毛蟲、鞭毛蟲鐘蟲等固著型纖毛蟲、楯纖蟲、輪蟲二、根據原生動物種類判斷活性污泥和處理水質的好壞。如固著型纖毛蟲的鐘蟲屬、累枝蟲屬、蓋纖蟲屬、聚縮蟲屬、獨縮蟲屬、楯纖蟲屬、吸管蟲屬、漫游蟲屬、內管蟲屬、輪蟲等出現，說明活性污泥正常，出水水質好。當豆形蟲屬、草履蟲屬、四膜蟲屬、屋滴蟲屬、眼蟲屬等出現。說明活性污泥結構松散，出水水質差。線蟲出現則說明缺氧。表4-2指示生物種類變化與污泥狀態的關系污泥性質/操作活性污泥性質原生動物狀態污泥惡化洗性污泥絮體較小，在0.1?0.2mm以下豆形蟲、草履蟲、滴蟲屬等快速游泳型污泥分散解絮活性污泥絮體細小，有些似針狀分散變形蟲、簡便蟲等肉足類污泥膨脹活性污泥沉降性能高，SVI值高，鐘蟲漸減纖毛蟲、漫游蟲等大量繁殖，裸口旋毛蟲、全毛類、擬輪蟲等污泥恢復期活性污泥從惡化狀態逐漸恢復，沉降性能逐漸變好漫游蟲、斜葉蟲、管葉蟲等慢速游泳型活性污泥良好易成絮體，污泥活性易沉降鐘蟲、累枝蟲、蓋纖蟲、纖蟲、吸管蟲；出現輪蟲類等后生動物曝氣過量肉足類纖毛蟲、輪蟲類后生動物大量曝氣不足線蟲出現負荷咼裸變形蟲、鞭毛蟲；負荷很低游仆蟲屬、旋口蟲屬、輪蟲屬等水力停留時間短游泳型纖毛蟲；有毒物質進入纖蟲、鐘蟲數量急劇減少；水質突然惡化固著型纖毛數量銳減，游泳型纖毛蟲增加；水質趨于變好固著型纖毛蟲；處理效果良好鐘蟲等固著型纖毛蟲；輪蟲等后生動物出現三、根據原生動物遇惡劣環境改變個體形態及變化過程判斷進水水質變化和運行中出現的問題。在污水（廢）水生物處理正常運