微生物在污水處理中的應(yīng)用

【專(zhuān)家解說(shuō)】：微生物在污水生物處理中的作用 一、污水生物處理的特征 （一）、污水與污水生物處理 污水中的污染物質(zhì)成分極其復(fù)雜。一般生活污水的主要成分是代謝廢物和食物殘?jiān)?。工業(yè)廢水可能含有較多的金屬、酚類(lèi)、甲醛等化學(xué)物質(zhì)。此外污水中還含有大量非病原微生物和少量病原菌及病毒。污水的生物處理就是以污水中的混合微生物群體作為工作主體，對(duì)污水中的各種有機(jī)污染物進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)化，同時(shí)通過(guò)擴(kuò)散、吸附、凝聚、氧化分解、沉淀等作用，以去除水中的污染物。因此，污水生物處理實(shí)際上是水體自?xún)舻膹?qiáng)化，不同的是，在去除了污水中的污染物后，必須將微生物從出水中分離出來(lái)，這種分離主要是通過(guò)微生物本身的絮凝和原生動(dòng)物、輪蟲(chóng)等的吞食作用完成的。 （二）、生化需氧量及生物處理的應(yīng)用 在污水處理中，通常是以有機(jī)物在氧化過(guò)程中所消耗的氧量這一綜合性指標(biāo)來(lái)表示有機(jī)污染物的濃度，如生化需氧量（BOD）和化學(xué)需氧量（COD）。生化需氧量是指在特定的溫度和時(shí)間（通常這5 d、20℃下，微生物分解污水中有機(jī)物所消耗的氧量，稱(chēng)為BOD5。BOD5約占生化需氧總量的2/3，故采用BOD5來(lái)表示污水中可降解有機(jī)物的濃度是比較合適的。但污水中有機(jī)物并不是都能較快降解的，在工業(yè)廢水中，可以結(jié)合COD等指標(biāo)表示有機(jī)污染物的濃度。 只有BOD高的廢水才適宜采用生物處理，COD很高但BOD不高的廢水不宜采用生物處理。對(duì)于有毒的廢水，只要毒物能降解，就可用生物法處理，關(guān)鍵是控制毒物濃度和馴化微生物。 （三）、污水生物處理的效果 污水經(jīng)過(guò)生物處理后，其中的雜質(zhì)和污染物質(zhì)能以某種形式（如生物絮凝作用）被分離除去，或被轉(zhuǎn)為無(wú)害的物質(zhì)。例如，城市生活污水經(jīng)生物處理后，活性污泥法的BOD和SS（懸浮性固體）去除率都在90%左右；生物濾池法BOD去除率在80%、SS去除率在90%左右。 生物處理還能減少城市污水中的病原微生物和病毒，但濃度仍然較高，因此，出水和剩余污泥都要消毒。 二、污水生物處理方法 根據(jù)微生物對(duì)O2的需求不同，污水生物處理可分為好氧處理和厭氧處理兩大類(lèi)。根據(jù)構(gòu)筑物的不同類(lèi)型以可分為多種方法（表10-1）。 （一）、好氧生物處理 好氧生物處理是在水中有溶解氧存在的條件下，借好氧和兼性厭氧微生物（其中主要是好氧菌）的作用來(lái)進(jìn)行的。在處理過(guò)程中，絕大多數(shù)的有機(jī)物都能被相應(yīng)的微生物氧化分解。整個(gè)好氧分解過(guò)程可分為兩個(gè)階段。第一階段，主要是有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、NH3等；第二階段，主要是NH3轉(zhuǎn)化為NO2和NO3。 用好氧法處理污水，基本上沒(méi)有臭氣，處理所需的時(shí)間比較短，如果條件適宜，一般可去除BOD580～90%以上。 根據(jù)處理構(gòu)筑物的不同，好氧生物處理的方法可分為活性污泥法、生物膜法、氧化塘等。其中活性污泥法和生物膜法應(yīng)用最廣泛。 （二）厭氧生物處理 套氧生物處理是在無(wú)氧的條件下，借厭氧和兼性厭氧微生物（其中主要是厭氧菌）的作用來(lái)分解污水中有機(jī)物的，也稱(chēng)厭氧消化或厭氧發(fā)酵。 有機(jī)物厭氧分解的錢(qián)過(guò)程是由三類(lèi)生理上完全不同的細(xì)菌分三個(gè)階段完成的（圖10-4）。第一階段，復(fù)雜有機(jī)物如纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等在微生物作用下降解為簡(jiǎn)單的有機(jī)物如糧類(lèi)、有機(jī)酸、醇等，是水解、發(fā)酵階段；第二階段，由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌群將有機(jī)酸等轉(zhuǎn)化成乙酸、H2及CO2，為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段；第三階段，在產(chǎn)甲烷細(xì)菌作用下將乙酸（包括甲酸）、CO2、H2轉(zhuǎn)化為CH4，是產(chǎn)甲烷階段。 厭氧生物處理主要應(yīng)用于有機(jī)污泥和高濃度有機(jī)污水的處理。由于是密閉發(fā)酵，所以在處理過(guò)程中不影響周?chē)h(huán)境；同時(shí)隔絕空氣又加以高溫發(fā)酵，可以釘死寄生蟲(chóng)卵和致病菌；并且可以產(chǎn)生生物能源甲烷。因此厭氧消化法近年來(lái)漸漸受到重視，但由于所需時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)格，因而影響其迅速推廣。 三、污水生物處理中的微生物群落及其作用 （一）、活性污泥微生物群落及其作用 活性污泥是指由細(xì)菌、微型動(dòng)物為主的微生物與膠體物質(zhì)、懸浮物質(zhì)等混雜在一起形成的，具有很強(qiáng)吸附分解有機(jī)物的能力和良好沉降性能的絨絮狀顆粒?；钚晕勰嘀猩嬷鞣N微生物，構(gòu)成了復(fù)雜的微生物群落。其中主要的微生物是細(xì)菌（以好氧性異養(yǎng)菌為主）和原生動(dòng)物，此外尚有酵母菌、絲狀霉菌、單胞藻類(lèi)、輪蟲(chóng)線蟲(chóng)等。 1、活性污泥中的細(xì)菌及其作用 活性污泥中細(xì)菌的數(shù)量約為108～109 個(gè)/ mL，它們是去除水中有機(jī)污染物的主力軍。最常出現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)種群是：產(chǎn)堿桿菌屬、芽孢桿菌屬、黃桿菌屬、假單孢菌屬、動(dòng)膠菌屬，其次尚有無(wú)色桿菌、諾卡氏菌、蛭弧菌、分枝蒜苗、硝化細(xì)菌、大腸埃希氏菌等。它們?nèi)渴腔墚愷B(yǎng)菌，多數(shù)為革蘭氏陰性菌，可以有效地分解廢水中的有機(jī)污染物。 在活性污泥形成初期，細(xì)菌多以游離態(tài)存在，隨著活性污泥的成熟，菌膠團(tuán)細(xì)菌分泌胞外聚合物（蛋白質(zhì)、核酸、多糧等）形成細(xì)纖維狀的胞間物質(zhì)，然后通過(guò)它們相互糾纏作用而形成菌膠團(tuán)絮狀物，隨后絲狀細(xì)菌、霉菌、原生動(dòng)物等交織附著其上，形成活性污泥絨絮狀顆粒，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為生物絮凝作用。因此，菌膠團(tuán)是活性污泥的結(jié)構(gòu)和功能中心，由于其巨大的表面積和粘性，使活性污泥具有魏吸附和分解有機(jī)物的能力，同時(shí)菌體包埋在絮狀體中，可避免原生動(dòng)物的吞噬；絮狀體的形成，又為固著生長(zhǎng)的微生物提供了附著和棲息的場(chǎng)所，這就為水處理微生物的自下而上和發(fā)展提供了方便；更重要的是，絮凝使活性污泥具有了良好的沉降性能，利于二沉池中泥水分離。 活性污泥中的絲狀細(xì)菌，如球衣細(xì)菌、貝氏硫菌、線硫菌，它們附著于污泥或與菌膠團(tuán)交織而構(gòu)成活性污泥的骨架。但若污水中含有大量碳水化合物，低氧和有機(jī)物濃度過(guò)高低時(shí)，都會(huì)引起絲狀細(xì)菌大量繁殖而造成污泥結(jié)構(gòu)極度松散，污泥因浮力增加而上浮，產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象，降低處理效果。 2、活性污泥中的原生動(dòng)物及其作用 活性污泥中原生動(dòng)物在數(shù)量和種類(lèi)上僅次于細(xì)菌，常見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)種是纖毛類(lèi)。它們主要附聚在污泥表面。其作用在于。（1）有些原生動(dòng)物（如變形蟲(chóng)）能吞噬水中有機(jī)顆粒，對(duì)污水有直接凈化作用；（2）某些原生動(dòng)物（如纖毛蟲(chóng)）能分泌糧類(lèi)物質(zhì)，可促進(jìn)生物絮凝作用；（3）吞食游離細(xì)菌，有利于改善出水水質(zhì)；（4）可作為污水凈化的指生物。 在活性污泥的培養(yǎng)和馴化階段中，原生動(dòng)物按一定的順序出現(xiàn)。在運(yùn)行初期曝氣池中常出現(xiàn)鞭毛蟲(chóng)和肉足蟲(chóng)。若鐘蟲(chóng)出現(xiàn)且數(shù)量較多，剛說(shuō)明活性污泥已成熟，充氧正常。若固著型纖毛蟲(chóng)減少，游泳型纖毛蟲(chóng)突然增加，說(shuō)明污水處理運(yùn)轉(zhuǎn)不正常。因此，根據(jù)污水中微生物的活動(dòng)規(guī)律就可以判斷水質(zhì)和污（廢）水處理程度，因?yàn)殡S著水質(zhì)條件（營(yíng)養(yǎng)、溫度、pH值、溶解氧）的變化，細(xì)菌與佩型動(dòng)物的種類(lèi)和數(shù)量出發(fā)生一定的變化并遵循一定的演替規(guī)律（圖10-5）：細(xì)菌→植鞭蟲(chóng)→動(dòng)鞭蟲(chóng)→變形蟲(chóng)→游泳型纖毛蟲(chóng)、吸管蟲(chóng)→固著型纖毛蟲(chóng)→輪蟲(chóng)。 （二）生物膜中的微生物群落及其作用 當(dāng)污水通過(guò)濾料時(shí)，在濾料表面逐漸形成一層粘膜，粘膜中生長(zhǎng)著各種微生物，這層粘膜就是生物膜。生物膜有巨大的表面積，能吸附污水中呈各種狀態(tài)的有機(jī)物，具有非常強(qiáng)的氧化能力。 生物膜中常見(jiàn)的微生物：主要組成菌有好氧的芽孢桿菌、不動(dòng)桿菌、專(zhuān)性厭氧的脫硫弧菌以及假單孢菌、產(chǎn)堿桿菌、黃桿菌、無(wú)色桿菌、微球菌和動(dòng)膠菌等兼性菌，這些細(xì)菌互相粘連構(gòu)成菌膠團(tuán)，擔(dān)負(fù)著主要的氧化分解有機(jī)物的任務(wù)，生物膜上的絲狀細(xì)菌有球衣細(xì)菌、貝氏硫菌等，它們降解有機(jī)物的能力極強(qiáng)，在量生長(zhǎng)的菌絲體交織粘輻形成層層的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)水水具有過(guò)濾作用，被處理水中的懸浮物被絲狀菌網(wǎng)吸附截留，出水變得澄清，同時(shí)菌絲的交織作用又可使膜塊的機(jī)械強(qiáng)度增加，不易脫落更新，但絲狀細(xì)菌過(guò)速生長(zhǎng)會(huì)堵塞濾池，影響凈化過(guò)程的正常進(jìn)行；生物膜中出現(xiàn)較多的真菌是鐮刀霉、曲霉、地霉、枝孢霉、青霉及酵母菌、霉菌可形成類(lèi)似絲狀細(xì)菌的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；藻類(lèi)僅生長(zhǎng)在生物膜表面見(jiàn)光處，主要有小球藻、席藻、絲藻等過(guò)度生長(zhǎng)，會(huì)覆蓋濾池表面，影響水流暢通；原生動(dòng)物主要是鐘蟲(chóng)、累枝蟲(chóng)、蓋纖蟲(chóng)和草履蟲(chóng)等纖毛蟲(chóng)，它們能提高生物濾池的凈化程度和效率；此外尚有輪蟲(chóng)、線蟲(chóng)、沙蠶等后生動(dòng)物去除池內(nèi)污泥，能防止污泥積聚、抑制生物膜過(guò)速生長(zhǎng)，保持生物膜的好氧狀態(tài)，對(duì)廢水凈化有良好作用。 生物膜上微生物的生態(tài)演替主要受溶解氧和營(yíng)養(yǎng)的制約。從膜面到膜內(nèi)，微生物按好氧化發(fā)發(fā)→ 兼性→厭氧的順序出現(xiàn)；從濾池的上層到下層，有機(jī)物濃度逐漸降低，優(yōu)勢(shì)種以菌膠團(tuán)細(xì)菌→絲狀細(xì)菌、鞭毛蟲(chóng)、游泳型纖毛蟲(chóng)→固著型纖毛蟲(chóng)、輪蟲(chóng)的序列出現(xiàn)。因此，通過(guò)觀察各區(qū)段微生物種類(lèi)的演替情況，有可能判斷出廢水濃度的變化或污泥負(fù)荷的變化。 四、污水處理的菌種培養(yǎng)及其對(duì)水質(zhì)要求 （一）菌種培養(yǎng)方法 1、生物膜 的培養(yǎng)和馴化 生物濾池投入運(yùn)轉(zhuǎn)初期，必須培養(yǎng)和馴化生物膜。這個(gè)過(guò)程一方面是使微生物在濾料表面生長(zhǎng)繁殖，掛上生物膜；另一方面是使生物膜上的微生物產(chǎn)生一定的變異，能逐漸適應(yīng)處理的污（廢）水的水質(zhì)，也就是訓(xùn)化。培養(yǎng)與馴化的方法有以下幾種： （1）先將生活污水送入濾池，生物膜在濾料上形成后，逐漸投加準(zhǔn)備處理的工業(yè)廢水，對(duì)生物膜加以馴化。 （2）將生活污水與待處理的工業(yè)廢水混合送入濾池，工業(yè)廢水混入比例逐漸增大，使掛膜與馴化結(jié)合起來(lái)同時(shí)進(jìn)行。 （3）用其他污水處理廠的活性污泥或生物膜進(jìn)行接種培養(yǎng)，并以逐漸增大準(zhǔn)備處理的工業(yè)廢水投量的方式加以馴化。 2、活性污泥的培養(yǎng)與馴化 活性污泥法處理污水的首要問(wèn)題是要在曝氣池運(yùn)行投產(chǎn)前，準(zhǔn)備好足夠數(shù)量具有處理某種污水能力的活性污泥。培養(yǎng)與馴化方法如下： （1）將附近同類(lèi)型污水處理廠成熟的活性污泥取來(lái)直接使用。該方法最簡(jiǎn)便。 （2）采用生活污水和糞便水曝氣培養(yǎng)，再用需處理的廢水馴化。該法較常用但所需時(shí)間長(zhǎng)。 （3）在用生活污水、糞便水培養(yǎng)活性污泥的同時(shí)，逐漸加入待處理的工業(yè)廢水，使培養(yǎng)與馴化同時(shí)進(jìn)行，縮短馴化時(shí)間。 活性污泥培養(yǎng)成熟的標(biāo)志是：具有良好的凝聚、沉淀性能；污泥中有大量的菌膠團(tuán)和纖毛類(lèi)原生動(dòng)物；菌膠團(tuán)顏色較淺、無(wú)色透明、結(jié)構(gòu)緊密，游離細(xì)菌少，固著型纖毛類(lèi)占優(yōu)勢(shì)；可使BOD5去除率達(dá)到底0%左右。 （二）污水生物處理對(duì)水質(zhì)的要求 污水生物處理是利用微生物的作用來(lái)完成的，因此要給微生物的生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件。在污水生物處理中，水質(zhì)條件極重要。 1、pH值 好氧生物處理，pH應(yīng)保持在6～9范圍內(nèi)。厭氧生物處理，pH應(yīng)保持在6.5～8之間。PH過(guò)低、過(guò)高的污水在進(jìn)入處理裝置時(shí)應(yīng)先行調(diào)整pH值。在運(yùn)行期間，pH不能突然變化太大，以防微生物生長(zhǎng)繁殖受到抑制或死亡，影響處理效果。 2、溫度 一般好氧生物處理要求水溫在20～40℃之間。污泥的厭氧消化需利用高溫微生物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，溫度應(yīng)提高至50～60℃之間。 3、營(yíng)養(yǎng) 微生物的生長(zhǎng)繁殖需要各種營(yíng)養(yǎng)。好氧微生物群體要求BOD5（C）：N：P=100：5：1，厭氧微生物群體要求BOD5（C）：N：P=100：6：1。城市生活污水能滿足活性污泥的營(yíng)養(yǎng)要求，但工業(yè)廢水除有機(jī)物外一般缺乏某些養(yǎng)料，特別是N和P，故這類(lèi)污水進(jìn)行生物處理時(shí)，需要投加生活污水、糞尿、或氮、磷化合物。但如果工業(yè)廢水不缺營(yíng)養(yǎng)，切勿添加上述物質(zhì)，否則會(huì)導(dǎo)致反馴化。 此外，尚需要考慮污水所含的有機(jī)物濃度過(guò)高過(guò)低皆不宜。一般來(lái)說(shuō)，好氧生物處理法進(jìn)水有機(jī)質(zhì)濃度不宜超過(guò)BOD5500～1000mg/L，不低于50～100mg/L；厭氧生物處理高濃度有機(jī)污水，BOD5可高達(dá)5000～10000mg/L甚至20000 mg/L。 4、有毒物質(zhì) 工業(yè)廢水中往往含有許多有毒物質(zhì)，如重金屬、H2S、氰、酚等。雖然所有初次接種到某種廢水中的微生物群體（活性污泥或生物膜）在培養(yǎng)馴化中都已經(jīng)歷了自然篩選過(guò)程，剩下的細(xì)菌中絕大部分都是以該種廢水中污染物質(zhì)為主要營(yíng)養(yǎng)的降解菌，但當(dāng)污水中的有毒物質(zhì)超過(guò)一定濃度時(shí)，仍能破壞微生物的正常代謝。影響污水生物處理效果。因此，對(duì)某種污水進(jìn)行生物處理是，必須根據(jù)具體情況確定處理方法，必要時(shí)通過(guò)試驗(yàn)，以確定生物處理中毒物的容許濃度（表10-2所列數(shù)字公供參考）。同時(shí)，加強(qiáng)微生物馴化以提高對(duì)毒物的碉受力。 5、溶解氧 好氧生物處理要保證供應(yīng)充足的氧氣。否則會(huì)使處理效果明顯下降，甚至造成局部厭氧分解，使曝氣池污泥上浮，生物濾池或生物轉(zhuǎn)盤(pán)上的生物膜大量脫落。但溶解氧過(guò)多，也不利于生物處理。