活性污泥微生物学(实际经验总结,绝对实用)

活性污泥微生物学卓祥和编写二〇〇八年九月 活性污泥微生物学工业废水或城市污水排入水体后，使水体受到有机污染。有机污染是当前水体污染的普遍倾向，因此有机污染的治理是保护水资源的重要措施。如果被有机污染的水体是河流，在流径一段距离后，水中有机物在微生物的作用下，逐渐被氧化、分解，最后恢复到原来的清洁程度，这一过程称为水体的自挣。微生物在氧化、分解有机物的过程中，不断消耗河流中的溶解氧，而溶解氧则可在流动的河流表面从大气中得到补充。我国古代，就有“流水不腐，户枢不蠹”的谚语。这种利用溶解氧氧化、分解有机物的微生物称作好氧微生物。排入水体的污水，一部分以悬浮状态的有机物沉淀至水底，无法不断获得溶解氧。此时，另一种称为厌氧微生物发生作用。厌氧微生物是自养性的，以发酵方式分解有机物和合成微生物机体。厌氧分解能产生有机酸、醇、硫化氢、二氧化碳、沼气和热能。所以受有机污染的水体常发生底泥冒气泡现象。民间的沼气池和堆肥是厌氧微生物作用的例子。我国现行国家标准规定，污水处理工程中，水中溶解氧≥2mg/L为好氧区（OxicZone），主要功能是降解有机物和进行硝化反应（又称碳化和硝化）；0.2～0.5mg/L为缺氧区（AnoxicZone），在兼氧微生物作用下能起到脱氮的反硝化反应；＜0.2mg/L的称为厌氧区（AnaerobicZone），微生物能吸附有机物并释放磷，以便在好氧区吸收磷从剩余污泥排出而起到除磷功能。水中溶解氧在0.5～2mg/L属于有氧区范围，有相应的微生物菌种存在，起到相应的有机物氧化、氨氮硝化和硝酸盐反硝化的作用。利用好氧微生物、兼氧微生物和厌氧微生物清除水中有机物的技术，被称作生物处理技术。污水生物处理技术，按处理设施的载体不同，分为生物膜法和活性污泥法两种。如以填料和膜片作为载体的各种生物滤池和生物转盘等处理设备属于生物膜法；以水为载体的各类曝气池、氧化沟等属于活性污泥法。也有两者结合，在水中设置填料载体的接触氧化法等。活性污泥法以好氧微生物处理为主。在活性污泥法生物处理设施中需不断充入空气，即曝气。从而加速微生物分解污水中有机物的速度，随之有大量絮状的泥粒产生，这就是活性污泥。它是由大量的细菌、原生动物等微生物，以及一些无机物所组成。活性污泥按照污水水质的不同而有不同的颜色，一般为黄褐色。20 为了提高污水生物处理的效果，我们必须对构成活性污泥的主要生物类群、它们在生物处理中的作用、环境对微生物的影响等等有一定的认识，以掌握其规律性，从而去指导活性污泥法及其他方法处理污水的工作。一、活性污泥中的主要生物类群活性污泥中的主要生物类群有细菌和原生动物，还有其它一些生物。(一)细菌在活性污泥中细菌数量最多，由于其体积微小、表面积很大，因此具有很强的吸附和氧化分解有机物的能力。在污水生物处理中，细菌起着主要的作用。细菌是单细胞微生物，整个菌体只是一个细胞。细菌从外形上看有球形的(球菌)、杆形的(杆菌)和螺旋形的(螺旋菌)。这三种形状的细菌在活性污泥中都可以看到，其中以杆菌为主(图1-1)。细菌的体积微小，球菌的直径是0.5～2微米(1微米＝1000毫米)，杆菌长1～5微米，宽0.5～1.0微米。细菌的体积虽然很小，但具有一定的构造(图1-2)。在细菌细胞的最外层有细胞壁。细胞壁无色透明，坚硬而有弹性。细胞壁使细菌具有一定的形状，并对细菌具有保护作用。细胞质膜紧贴于细胞壁内层，这是一种半渗透性膜，在调节物质出入细胞方面起着重要的作用。在细胞质膜里面的是细胞质。细胞质主要是由蛋白质和核酸组成，在细胞质里含有核糖体和贮藏物质，主要的贮藏物质有聚β羟基丁酸、糖元或淀粉以及异染粒、硫等。在细菌体内还有细胞核。细菌的细胞核构造比较原始、无核膜。20 细胞壁、细胞质膜。细胞质和细胞核是每一个细菌都有的，是细菌的基本构造。细菌除了基本构造外，还有荚膜、鞭毛、芽孢等特殊构造。每个细菌在细胞壁外面都有一层粘液层。有些细菌粘液层增厚就形成荚膜。荚膜对细菌具有保护作用。有些细菌有鞭毛。鞭毛是细菌的运动器官，细菌通过鞭毛的摆动能在水中游动。由于鞭毛的直径更为微小，因此要用特殊染色法或用电子显微镜才能看到。有些细菌，主要是杆菌在一定的生活周期能在菌体内产生芽孢。芽孢由细胞质和细胞核失水凝聚形成。每个细菌只能形成一个芽孢，因此芽孢没有繁殖作用。芽孢由于含水量少(一般细菌含水量约为80％，而芽孢为60％)，外面又有很厚的壁，因此对外界的不良环境有很强的抵抗力，例如一般细菌在60℃下，经半小时就要死亡，而有些芽孢要在100℃以上经过1～3小时的沸煮才会死亡。芽孢能在缺水的条件下，保持生活能力多年，并且一旦环境条件适宜，能萌发成菌体。芽孢的折光性强，不易着色，在显微镜下看到的是一个透明体。细菌在环境条件适宜时分裂速度很快，一般每隔20～30分钟分裂一次。因此细菌在固体培养基上生长繁殖时，到了一定时期就能形成肉眼所能见到的群体，这就是菌落。在活性污泥中经常出现的细菌有菌胶团属、假单孢菌属、芽孢杆菌属、小球菌属、黄杆菌属、杆菌属、产碱杆菌属、无色杆菌属、产气杆菌属、棒状杆菌属、八迭球菌属、螺菌属、诺卡氏菌属等等。这些细菌中的大多数具有形成菌胶团的能力。活性污泥中的细菌通常以菌胶团的形式存在。只有少数以游离状态存在。所谓菌胶团，是由细菌以及细菌分泌的胶质组成的细小颗粒。生产中经常提到的污泥性能和结构的好坏—即污泥吸附、氧化分解有机物的能力，以及污泥凝聚沉降性能，与菌胶团有十分密切的关系。菌胶团是活性污泥的主体，是一种粘性的菌胶团块，能使污水中有机物粘附在颗粒—上，然后加以分解利用。在活性污泥中菌胶团能提供固定生活的原生动物和丝状细菌栖息和附着生长的场所，它也是活性污泥絮状化的基本成分。菌胶团细菌具有较强的分解有机物质的能力。菌胶团细菌由于菌体都包埋在胶质中，就不致被原生动物所吞噬，并有利于沉降。菌胶团细菌除了在营养上对碳源和氮源都有一定要求外，并具有较高的好气性，菌胶团的形状很多，有垂丝状的，分枝状的、蘑菇形的、球形的、椭圆形的、片状的等等(图1-3)。20 在活性污泥中，有些种类的细菌还以丝状的形式存在，这就是一些丝状细菌。常见的丝状细菌有球衣细菌、白硫细菌和硫丝细菌(图1-4)。球衣细菌的细胞圆柱形，排列成链状，外面有一层衣鞘。用结晶紫染料染色时，可以清楚地看到衣鞘里圆柱形的细胞。有时还可以看到缺位现象和假分枝。活体观察时，可以看到尖端有轻微摆动现象。球衣细菌往往附着在菌胶团上或与菌胶团交织在一起。成为活性污泥的骨架。球衣细菌一般在有机物含量较低的污水中出现。球衣细菌对有机物的分解、氧化能力很强，但是当球衣细菌繁殖过多时，往往引起污泥膨胀，使污水处理效果下降。白硫细菌又名贝氏硫细菌。这类细菌也是由许多圆柱形细胞组成，菌体的大小和长短相差较大。白硫细菌与球衣细菌不同，外面没有衣鞘，并且能在水中自由游动。游动时，有时前进，有时后退；有时伸直，有时弯曲。硫丝细菌的基部具有固着器，附着在菌胶团上，但是没有假分枝。白硫细菌和硫丝细菌都是属于硫磺细菌。这类细菌在夏季，在生活污水处理厂的普通曝气池里，在充氧不足时，能将水中的硫化氢氧化为硫，并以硫粒的形式存在于体内(可用低倍显微镜看到)，而当溶解氧较高(大于1毫克／升)时，体内的硫粒，因被氧化而消失。因此通过对硫磺细菌体内硫粒的观察，可以间接地推测水中溶解氧的状况。20 (二)原生动物在污水生物处理中，原生动物一方面由于具有吞食污水中有机物颗粒和游离细菌的能力，对污水的净化起着一定的作用：另一方面能在一定程度上反映出污水水质和处理效果，因而必须予以重视。原生动物是单细胞动物，体积根小，但在构造上却较复杂。除了有细胞质膜、细胞质、细胞核等构造外，还有在细胞里执行一定机能的构—细胞器。在活性污泥中可以看到的原生动物有以下四大类：纤毛虫类、鞭毛虫类、肉足虫类和吸管虫类，其中以纤毛虫类较为常见（图1-5）。纤毛虫类的特征是具有纤毛。在污水生物处理正常运转期间，在活性污泥中常见的纤毛虫类是钟虫，钟虫的种类很多，现以大口钟虫为例进行说明(图1-6)。20 大口钟虫的外形似钟。虫体前端有一个由许多纤毛构成的纤毛带。由于纤毛带上的纤毛由外向内螺旋状排列，并且朝着一个方向摆动，因此当纤毛活动时，虫体前端的水就会形成一个旋涡。其中的有机物颗粒和游离细菌就会作为食物，通过口而进入虫体，并在虫体内形成食物泡。食物泡随着细胞质的流动而在体内移动。在这个过程中，食物泡中的食物逐渐被消化、吸收。不能被利用的残渣，最后排出体外。由于钟虫能吞食污水中的有机物颗粒和游离细菌，因而对污水的净化有一定的作用。在大口钟虫体内除了有较多的食物泡外，还有一个较大的伸缩泡。伸缩泡在维持钟虫体内水分平衡起着很大的作用。因为钟虫生活在水中，体内外的渗压不同，水分不断地渗透进入体内。钟虫体外没有细胞壁，这些水分如果不及时排除，到一定时候虫体就会破裂。因此钟虫体内多余水分以及代谢产物不断进入伸缩泡，并通过伸缩泡的收缩把里面的水分排出体外。在正常情况下，伸缩泡能定期收缩和舒张，但是当污水中的溶解氧降低(小于1毫克／升)时，伸缩泡就不活动而处于舒张状态。因此通过对伸缩泡的观察也可以间接地推测污水中的充氧状况。大口钟虫有尾柄，并通过尾柄固着在菌胶团上，因此大口钟虫是一种固着型的纤毛虫。在活性污泥中常见的钟虫，除大口钟虫外，还有小口钟虫，有时还可以看到无柄钟虫(图1-7)。无柄钟虫，无尾柄，并用纤毛带在水中捕食和游动。因此是一种游泳型纤毛虫。上述这三种钟虫都是以个体形式存在。20 在活性污泥中，除了以个体形式存在的钟虫外，还有以群体形式存在的钟虫，这就是等枝虫（又名累枝虫）盖纤虫、聚缩虫、独缩虫（图1-5）。这些钟虫由于尾柄相连而构成群体。活性污泥中的纤毛虫除钟虫外，还有草履虫、肾形虫、豆形虫、裂口虫、漫游虫、尖毛虫、循线虫等（图1-8）。在上述纤毛虫中，在污水生物处理正常运转期间，较常出现的是漫游虫和循线虫，其余的纤毛虫一般在活性污泥培养初期出现。或在塔式滤池下层的生物膜中出现。(三)酵母菌、霉菌和藻类在活性污泥中，除了细菌和原生动物外，还有酵母菌、霉菌和藻类。(1)酵母菌：酵母菌有时也能在活性污泥中看到，酵母菌也是单细胞微生物，一般为椭圆形，体积较细菌大，—般1～5微米，长8～10微米，因此容易与细菌区别。酵母菌的菌落与细菌相似，但较大较厚，早白色，少数呈红色。根据报导，有些酵母菌具有脱酚或脱氰作用。与酵母菌同类的白地霉有时也可以在活性污泥中看到(图1-9)。(2)霉菌，霉菌较多地存在于生物滤池中，而在活性污泥中较少存在。霉菌的菌体由菌丝组成。菌丝较粗，用低倍显微镜就可以看得很清楚。霉菌中的镰刀霉的特点是具有多细胞的镰刀形大型孢子。镰刀霉中的茄病镰刀霉己被证明具有较强的脱氰能力，但是由于霉菌对营养的要求较高，在曝气池容易处于饥饿状态，而被细菌作为食料，因此不易生长，并且又是一种植物病原菌。因此这种霉菌是否适合人工接种方法来处理含氰污水，需要进一步试验。图1-10是白地霉与镰刀霉。(3)藻类：藻类较多地存在氧化塘中，而在活性污泥中较为少见。藻类与上述细菌、酵母菌、霉菌不同的地方，是具有叶绿素或类似的色素，能利用光能从水、二氧化碳和无机盐类制造有机物作为营养物质，与此同时，放出氧。CO2十2H2O光→(H2O)＋H2O＋O2根据藻类的这一特性，近年来有入试验在污水出水中培养藻类，进行污水的深度净化处理，使污水出水中的无机盐含量减少，溶解氧增加，并可以从中收获营养物质丰富的藻类以作为家畜的饲料。20 在氧化塘中常见的藻类有小球藻和栅列藻。此外还可以看到衣藻和眼虫藻(在动物学上分别称为衣滴虫和眼虫)。在活性污泥中还可以看到颤藻等(图1-11)。(四)轮虫和线虫在活性污泥和生物膜中除了有单细胞的原生动物外，还有多细胞的后生动物，主要的有轮虫和线虫(图1-12)。轮虫的前端有纤毛环，纤毛环上的纤毛在摆动时象轮子那样在转动，因此把这类动物称为轮虫。纤毛环是轮虫的运动和捕食器官。在活性污泥中，常见的轮虫有旋轮虫和猪吻轮虫。猪吻轮虫善于游泳，并且常常把消化道中的咀嚼器伸出来捕食。轮虫往往在有机物含量较低的水中出现，因此在活性污泥中出现，往往表明污水处理效果较好。但是在曝气池中轮虫出现过多(一滴水含有轮虫一、二千条)，往往会破坏污泥结构，并把细小的污泥颗粒吞食下去，因此轮虫过多，往往是污泥老化的反映。线虫一般也在污水处理运转正常期间出现。二、细菌在污水生物处理中的作用污水生物处理中主要是利用了细菌对有机物的吸咐、分解、氧化作用。细菌具有根强的吸附能力，能在较短时间内吸附污水中的大部分有机物。被吸附在细菌表面的分子量小、溶于水的有机物能直接被细菌吸收，而一些分于量大、不溶于水的有机物需经细菌分泌的酶(称力外酶)的作用，分解成为分子量小能溶于水的有机物才能被细菌吸收。存在于印染、造纸、纺织、食品加工等工业废水中的纤维素和淀粉就是些分于量大、不溶于水的有机物。纤维素和淀粉都是属于多糖类，在细菌外酶的作用下，淀粉和纤维素最后都能分解为葡萄糖。由于葡萄糖分子量小，能溶于水，因此能被细菌所吸收。20 葡萄糖在进入细菌的菌体后，除了一部分用于合成细胞物质外，大部分被用于产生能量。在生物体内，葡萄糖是一种较为重要的用于产生能量的有机物。葡萄糖是通过氧化产生能量的。这个过程一般可概括地用以下的反应式表示：C6H12O6＋6O2→6CO2＋6H2O＋能量葡萄糖＋氧→二氧化碳＋水＋能量但是葡萄糖在生物体内氧化产生能量的过程和在生物外不同。在生物体内，葡萄糖的氧化是逐步完成的。在这个过程中产生的能量除了一小部分是热能外，大部分是化学能，且在能量释放的同时，还存在着能量的吸收过程。这些被吸收的能量是生物体进行生理活动所必不可缺的。葡萄糖在生物体内的氧化主要通过脱氢。脱下的氢最后如果被氧接受，就是有氧呼吸；如果被无机盐接受，就是无氧呼吸。如果被有机物接受，就是发酵。在污水生物处理中，以有氧呼吸类型的细菌较为重要。存在于食品加工、皮革制品等工业废水中，蛋白质是一类分子量很大的含氮有机物。蛋白质是由氨基酸组成的。污水中的蛋白质经细菌外酶的作用，最后能分解成分子量小并溶于水的氨基酸，而被细菌吸收。进入细菌体内的氨基酸有些被合成蛋白质。这些新合成的蛋白质，已不是原来的蛋白质，而是细菌特有的蛋白质。蛋白质是细菌细胞物质的重要组成部分。根据分析，细菌体内约含有80～85％的水分，其余是干物质，而在这些干物质中有80％是蛋白质。随着细菌体内蛋白质的增多，细菌就生长繁殖，在数量上不断增多。进入细菌体内的另一些氨基酸能分解氧化生成有机酸、二氧化碳和氨。RCHNH2COOH＋O2→RCOOH＋CO2＋NH3氨基酸＋氧→有机酸＋二氧化碳＋氨这种由有机态氮变为氨态氮的过程称为氨化作用，参与氨化作用的细菌称为氨化细菌。氨化作用产生的氨除了一部分被用于合成细胞质外，也就是与细菌体内的有机酸结合生成氨基酸外，还有一部分被亚硝酸细菌氧化为亚硝酸：亚硝酸再进一步被硝酸细菌氧化为硝酸。2NH3＋3O2→2HNO2＋2H2O2HNO2＋O2→2HNO320 由氨转化为硝酸的过程称为硝化作用。在硝化作用的同时，还存在反硝化作用。所谓反硝化作用就是由硝酸还原为亚硝酸，由亚硝酸进一步还原为氨、氮。参与反硝化作用的细菌称为反硝化细菌。存在碳源的情况下，在反硝化细菌作用后将发生反硝化反应。例如葡萄糖或乙酸与硝酸根作用：　　C6H12O6+12NO3-→6H2O+6CO2+12NO2-+能量　　CH3COOH+8NO3-→6H2O+10CO2+4N2+8OH-+能量污水中的有机物有些能被细菌分解、氧化，有些则不能。污水中能被细菌分解、氧化的有机物含量，可用生物需氧量(BOD)表示。生化需氧量高，表示污水中能被细菌分解、氧化的有机物含量多。细菌对污水中有机物的分解、氧化是在细菌的酶参与下进行的，所谓酶就是生物催化剂。有许多化学反应，例如淀粉分解麦芽糖、葡萄糖，在生物体外要在高温和强酸或强碱条件下经过一段较长的时间才能完成；而在生物体内，在体温和中性或弱酸、弱碱条件—卜很快就能完成，这是由于生物体内存在着酶。酶是蛋白质并且具有以下的一些特性：(1)专一性。也就是说，一种酶只能对某种或某几种化学反应起催化作用。不同生物含有不同种类的酶。有些细菌具有脱氰、脱酚能力是和这些细菌体内含有分解、氧化氰或酚的酶有关，因此在工业废水的生物处理中，菌种筛选具有较大的意义。(2)对温度和酸碱度变化的敏感性。也就是说，温度和酸碱度对酶的活力影响很大(酶的活力是指单位时间内酶对底物的作用速度，而底物是指酶所催化的物质)。污水水温过高或过低，水质过酸或过碱都会降低酶的活力或甚至使活力消失。因此为了提高污水生物处理效率，对污水水温和酸碱度应妥善控制。(3)有些化学物质，例如镁离子、钾离子等对酶有激活作用(加强酶的活力)；而有些化学物质，特别是一些重金属离子对酶有抑制作用。(4)底物浓度对酶也有一定的影响。在一定限度内，酶的活力随着底物浓度的增加而提高。三、外界环境因素对活性污泥中微生物的影响活性污泥中的微生物，主要是细菌，生活在污水中，对污水发生着影响，同时污水中的一些因素对活性污泥中的细菌发生着影响。在这些因素中，主要的有温度、酸碱度、营养物质、毒物浓度和溶解氧。此外，活性污泥中的微生物，相互之间也有着影响。(一)温度20 温度主要是水温对活性污泥中的细菌，有着较大的影响(图3-1)。不同细菌对水温的反应不同。根据细菌对温度的反应，一般把细菌分为中温性、好热性和好冷性三种类型，在污水生物处理中，以中温性细菌比较重要。中温性细菌的最适生长温度为20～45℃，所谓最适生长温度指的是细菌生长繁殖最快的温度。中温性细菌中有寄生的和腐生的。前者最适生长温度较高，约为35～45℃；后者约为20～35℃。活性污泥中的细菌以后者较为重要。根据上述原理和污水生物处理实际经验，一般认为在污水生物处理时，水温以保持20～40℃较为合适。各种细菌除有最适生长温度外，还有最低生长温度和最高生长温度。所谓最低生长温度就是低于这个温度时这种细菌的生长就停止；最高生长温度就是高于这个温度，细菌生长停止。一般说来，水温在细菌最低生长温度和最适生长温度范围内，污水生物处理的效果，随水温的上升而提高；随着水温的下降而减小。因此，生活污水处理厂冬天的处理效果往往稍差。在处理工业废水时也存在同样情况(见表3-1)。水温对处理效果的影响(某棉纺厂实测资料)表3-1日期 气温(℃) 池温(℃) 耗氧量(COD)去除率(％) 色度去除率(％) 降温前 降温后 降温前降温后 12／10 8.6 11.0 61 54 71 5l 12／146.5 7.8 67 53 76 46 12／28 11.0 9.0 68 55 71 47水温低于最低生长温度会对细菌起抑制作用，而高于最高生长温度会导致细菌的死亡。当水温超过50℃时就有可能使细菌体内的蛋白质和核酸发生影响，使蛋白质变性，使酶失活，从而引起细菌的死亡。水温超过60℃，细菌就会在半小时内死亡。水温超过70℃细菌的死亡就更快些。因此在污水生物处理过程中，要防止高温污水进入污水处理构筑物。此外，水温的波动太大也会影响处理效果。由图3-1可见，当水温低于15℃，球衣菌几乎停止生长，笔者在水温12℃时，就无法培养活性污泥。(二)酸碱度污水的酸碱度对活性污泥和生物膜中细菌也有较大的影响(图20 3-2)。不同生物对酸碱度的要求也很不相同。根据污水生物处理的实际经验，一般认为pH在6—9之间较为适宜，因此细菌对酸碱度的适应范围是较广的。这是由于外界环境中的氢离子和氢氧根离于不易透过细菌的细胞质膜，因此外界环境中虽然可能存在着较多的氢离子或氢氧根离子，而细菌菌体环境中的酸碱度仍能保持中性或中性偏碱、偏酸。此外，活性污泥和生物膜中的细菌经驯化后，对酸碱度适应范围能进一步提高，例如某棉纺厂污水进水的酸碱度一般在9～11之间，而处理效果仍旧十分良好。但是这决不是说，对于污水进水的酸碱度可以不加控制。根据某棉纺厂的经验，进水的酸碱度如果超过12，活性污泥就会被破坏，处理效果显著下降(参阅表3-2)。污水进水的酸碱度突然变化过大，也会引起处理效果急剧下降。pH对处理效果的影响(某棉纺厂实测资料)表3-2日期pH高锰酸钾耗氧量COD色度去除率(％)进水出水进水出水去除率(％)4／2310.77.4722368764／2412.58.5854646194／259.06.799306983(三)营养物质在污水生物处理过程中，活性污泥中的细菌所需的主要营养物质有水、碳源、氮源、无机盐类等。下面分别进行说明。(1)水：水是组成细菌的主要成分。细菌体内约含有80％的水，细菌体内的化学反应都是在水里进行的。由于活性污泥中的细菌生活在水中，因此在一般情况下是不会缺水的。但是对于塔式滤池和生物转盘来说，如果停止进水或者转盘停止转动，则生物膜中的细菌就会停止生长或死亡。(2)碳源：碳是构成细菌体的重要元素。细菌体里的各种有机物含有碳的成分，含碳的有机物也是细菌体所需的重要能源。污水中的有机物种类很多，如淀粉、纤维素、糖类、蛋白质、有机酸、醇类、醛类、烃类(包括芳香烃)等都含有碳元素，凡在污水中能被活性污泥中细菌利用的都能成为细菌的碳源。我们把那些以有机物作为碳源的细菌称为异养细菌，在污水生物处理中这类细菌较为重要。20 在细菌中除了异养细菌外，还有自养细菌。自养细菌以无机碳源、主要是二氧化碳作为唯一碳源，并从二氧化碳、硫化氢或硫合成有机物。自养细菌又分为光能自养细菌和化能自养细菌。前者在合成有机物时利用光能，后者利用化能。在一般污水中都含有细菌所能利用的碳源。但是不同污水，碳源的种类和含量很不相同。由于活性污泥和生物膜中的细菌对碳源的需要较大(以BOD计算不应少于100)，因此对于有些含碳量不足的工业废水，在进行生物处理时，应投加一定量的碳源，以进行补充，例如可以投加生活污水，米泔水、淀份浆料、工业葡萄糖等等。(3)氮源：氮也是构成生物体的重要元素。在细菌的蛋白质、核酸等分子中都含有氮元素。污水中一般都含有含氮的有机物或无机物。但是不同水质的污水含氮物的种类和数量有很大的不同。细菌比较容易利用的是氨态氮，这是由于氨态氮容易与细菌体内的有机酸(代谢中间产物)结合生成细菌所需的氨基酸。在处理生活污水时，由于水中含有粪便，而粪便中的含氮量较高，因此微生物不会缺少氮源，但是在处理工业废水时，由于有些污水合氮量过低，在进行生物处理时需要投加一定量的含氮物例如粪便、尿素、硫酸铵等。微生物对氮源和碳源的需要量有一定的比例。如果污水中的碳源过多，氮源不足会引起球衣细菌大量繁殖，容易造成污泥膨胀，而碳源不足，氮源过多，会造成污泥松散，粘性不足。4．无机盐类：在细菌体内的蛋白质和酶中除了含有碳、氢、氧、氮等元素外，还含有少量的硫和磷。此外磷也是核酸的重要组成部分。因此活性污泥和生物膜中的细菌对硫和磷也有一定的要求。活性污泥中的细菌主要是通过吸收污水中磷酸盐和硫酸盐获得所需的磷和硫。活性污泥中的细菌还需要钾、锰、镁、钙、铁、钴等元素。在这些元素中有些是酶的激活剂例如钾、镁等离子，有些是酶的组成部分。此外，细菌还需要含量极微的锌、铜、铝等元素(称为微量元素)，这些元素也是有些酶的组成部分。污泥中细菌对无机盐类的需要量是不多的，污水中无机盐的含量基本上可以满足细菌的需要。但是细菌对磷的需要量较多。在生活污水中由于含有粪便，而粪便中含磷量较高，因此可以不必投加磷盐，在工业废水中，投加生活污水后，一般可以不投加磷盐。其余的污水，经分析缺磷的，都应投加磷盐，通常是投加磷酸钾盐或钠盐。在污水的出水中应保持含磷量不少于0.6～1毫克／升。(四)毒物浓度20 凡在污水中存在的对活性污泥中的细菌具有抑制和杀害作用的化学物质都是毒物。有些化学物质例如酚、氰等在浓度低时，可以作为微生物的营养物质，而在浓度高时就成为毒物。毒物对细菌的影响是破坏细菌的结构，其中主要破坏的是细菌的细胞质膜和细菌体内的酶，这样细菌体外的代谢产物容易进入细菌体内，而细菌体内的物质也容易流出。污水中的毒物有上面提到过的重金属离子。重金属离子能与蛋白质结合，使蛋白质沉淀和变性，使酶失活。因而是毒物。因此在污水的进水中对重金属离子的浓度应严格控制。此外，污水中的有机物酚、氰等对细菌也有较强的毒害作用。酚对细菌的毒害，首先是对细菌的细胞质膜有损伤作用，进一步可以使细菌体内的蛋白质变性或沉淀并抑制某些酶的活性。氰对细菌的毒害是抑制体内的呼吸酶。细菌经驯化后，对酚和氰的忍受能力大大提高，例如一般细菌对酚和氰的忍受力分别为50毫克／升和1～2毫／升，而经驯化后能分别提高到300～500毫克／升和20～30毫克／L。此外，细菌对氰的忍受力还因构筑物的不同而不同。例如根据某焦化厂的试验，曝气池中的细菌对氰的忍受力约为30毫克／升，超过这一浓度，处理效果显著下降。而塔式滤池在进水氰浓度接近40毫克／升时，处理效果仍旧很好，对生膜也没有发生损害作用（表3-3)。某焦化厂塔式滤池试验情况表表3-3日期水力负荷酚(毫克／升)氰(毫克／升)生化需氧量BOD氨氮进水出水去除率％进水出水去除率％进水出水去除率％进水出水12/148.527.00.199.635.41.097.21230.199.8718.712/158.535.02.194.140.02.294.512/2410.519.10.498.026.20.897.0728.088.85．315.712/2510.526.5010035.81.197.06．418.712/2610.525.0010035.21.396.315616.496.16．420.712/2710.519.1010034.81.097.23．917.912/2810.530.51.295.134.82.9591.511419.082.31．98.6但是塔式滤池中的细菌对酚和氰的忍受力也有一定的限度，因此当酚、氰浓度超过一定限度时，处理效果就会显著下降，生物膜破坏，并且较难恢复(表3-4)。某焦化厂塔式滤地试验情况表表4日期水力负荷酚(毫克／升)氰(毫克／升)生化需氧量BOD氨氮进水出水去除率％进水出水去除率％进水出水去除率％进水出水1/710.597.034.065.0204.042.021.865.81/810.543.514.766.271.816.077.5270.0152.843.51/910.570.529.857.0107.038.063.811.536.720 (五)溶解氧不同细菌对氧有不同的反应。根据细菌与氧的关系我们可以把细菌分为好气性细菌（好氧菌）、嫌气性细菌（厌氧菌）和兼性嫌气性细菌（兼氧菌）三大类。在污水生物处理中，以好气性细菌较为重要。因此在曝气池的污水处理中应保持足够的溶解氧。如果污水中的溶解氧不足，污水生物处理的效果就明显下降，甚至会导致活性污泥的腐化和上浮。但是溶解氧又不宜过高，否则会引起污水中的有机物分解，消耗过快，从而使细菌缺乏营养而导致污泥老化，结构松散。曝气区的溶解氧一般以保持2～4毫克／升较为合适。污水出水的溶解氧不宜低于1毫克／升。而在其他方式处理时，溶解氧不完全一样，例如在传统曝气处理时溶解氧可低些，但好氧处理的溶解氧不应低于0.5mg/L。(六)活性污泥中微生物的互相关系活性污泥中微生物除了受上述物理因素和化学因素的影响外，微生物间也有着一定的互相影响。这种影响除了表现在原生动物吞食细菌外，还表现在细菌与细菌间的互生和拮抗的关系上。所谓互生就是一种细菌由于另一种细菌的存在而存在，例如活性污泥和生物膜中的某些细菌由于分泌不同的维生素而互相存在。所谓拮抗关系就是有些细菌能分泌抗菌素抑制或甚至杀死其他细菌。细菌间的互生和拮抗关系存在于土壤中，也存在于活性污泥中，但是有关这方面的问题还有侍于进一步认识。四、细菌的生长曲线及其在污水生物处理中的应用细菌在环境条件适宜时，生长繁殖的速度是十分惊人的。一般细菌每隔，20～30分钟就能分裂一次。如果把少量细菌接种到适宜的液体培养基中进行培养，每隔一定时间取样进行细菌数目的测定，以细菌数目的对数为纵坐标，以培养时间为横坐标，就何以得到如图4-1所示的细菌生长曲线。从细菌生长曲线可以看出，随着时间的不同，细菌的繁殖速度亦不同，可以区分以下四个时期：(1)停滞期：这是细菌适应新的环境时期，在这个时期细菌数目基本上20 没有增加。(2)对数期：在这个时期，细菌的分裂速度很快，细菌的数目以几何级数增加着，细菌的新陈代偷也十分旺盛。(3)静止期：随着培养基中营养物质逐渐消耗，代谢产物逐渐累积，并对细菌产生一定的毒害，有些细菌死亡。因此在这个时期，虽然有新的细菌产生，细菌总数基本仍保持不变。(4)衰老期：在这个时期，培养基中的营养物质已经用完，代谢产物越积越多，对细菌的毒害也越来越大，大量细菌死亡或产生自身氧化(或称内源呼吸)。根据细菌生长繁殖的规律，如果在细菌的生长对数期，在培养基内连续投入养料，与此同时，以同样的流量排出废液(包括细菌本身和代谢产物)，就能使细菌稳定在对数期。污水的表面曝气池就是根据这一原理设计的。在这个时期，细菌的代谢旺盛，用于处理污水具有处理速度快、设备投资少，占地面积小等的优点。但是也存在处理效果稍差的缺点。因为要维持细菌的对数期，必然要提供细菌较多的营养物质，进水的有机物含量较高，因而出水也带有一定量的有机物。如果采用延时曝气处理，使细菌稳定在静止期，由于细菌在这个时期对营养物质的要求较低，因而效果较好。但是也存在占地面积较大，耗电量较多的缺点。在利用细菌静止期处理污水时，如果营养不足而供氧仍较充足，就有可能使细菌由静止期进入衰老期，这时污泥粒子细碎，不呈絮状。这时如果有较高浓度的污水进入，处理效果就很差。但是在这种情况下，如果有较长的时期进入较高浓度的污水，提供细菌较多的营养，情况将会好转，也就是说细菌将由衰老期恢复到静止期。在利用细菌对数期处理污水时，如果营养不足也会出现同样情况。此外，在利用细菌对数期处理污水时，由于细菌在这一时期，分裂速度很快，污泥的增长也很快，这时如果叶轮提升和排泥跟不上，也有产生污泥腐化现象。五、活性污泥的培养和驯化(一)活性污泥的培养(培菌)所谓活性污泥的培养，就是为形成活性污泥的微生物，主要是细菌提供一定的生长繁殖条件。培养活性污泥的过程大致是这样，在水温高于15℃的20 温暖季节，先在曝与池中投入一定量的粪便，并用生活污水进行稀释，必要时还可加入一定量的米泔水，以补充碳源，使BOD达到200～300mg/L，经过一定时期的曝气(在这个过程中，需要不断投入养料，并排出废液)，就会有活性污泥形成，并在数量上下断增长。在这个过程中，粪便不仅是培养活性污泥的基本营养物质，并且也是形成活性污泥的生物基础。因为在粪便中不仅含有碳源、氮源、无机盐类和生长因素，并且含有大量的种类繁多的细菌。在培养污泥过程中，污泥中的生物有些是从空气中落入曝气池的。在空气中除了含有一定数量的细菌和其他微生物外，还含有动物的孢囊和卵，动物的孢囊和卵在环境条件适宜时，能萌发并生长、繁殖，成为以后在污泥中可以看到的原生动物以及后生动物的来源。在活性污泥培养过程中。为了使活性污泥中细菌的种类能更多一些，以利于驯化，还可以在培养活性污泥的曝气池里投入一定量的肥沃土壤或从污水流过的下水道里捞取上来的污泥，对于一些含有有毒物质的工业废水还可以投入一定量的筛选所得的菌种。在活性污泥培养过程中，如果不断地用显微镜对活性污泥进行观察，就可以看到这个过程基本上是一个游离细菌逐渐由多到少，活性污泥逐渐形成并由少到多的过程。随着活性污泥中菌胶团的形成，球衣细菌等丝状细菌也开始出现，并增多。污泥中的原生动物也发生着如图6-1所示那样的变化。这种变化是原生动物和外界环境关系的表现。(二)活性污泥的驯化活性污泥无论是来自其他厂或自己培养，在运转前一般都要经过驯化。污泥的驯化过程基本上是营养物质投加量逐渐减少，污水投加量逐渐增加，最后全部进入污水的过程。在污泥驯化过程中，不适应污水的生物逐渐淘汰死亡，适应污水的生物逐渐增长。与此同时，适应污水的微生物在污水的诱发下，能在体内产生适应酶。20 什么叫做适应酶呢?细菌在某种化学物质的诱发下，能产生一定数量的对这种化学物质有催化作用的酶，这就是所谓适应酶。一般说来污泥的培养和驯化的时间各需十天到半个月。但是污泥的培养和驯化是不可分开的。在污泥培养开始阶段就可对污泥进行驯化，当然，在培养开始阶段，由于污泥尚未成熟，不宜投入过多或过浓的污水。活性污泥经过一定时间的培养和驯化，当污泥浓度逐渐增多，匍匐型纤毛虫和固着型纤毛虫逐渐增多，并趋于稳定，处理效果也逐渐提高并趋于稳定时，说明污泥的培养和驯化已告完成。(三)活性污泥的镜检污水生物处理起主要作用的是活性污泥中的细菌，即微生物。这些细菌以菌胶团形式存在。显微镜检查首先观察菌胶团的结构、形态和数量。100倍级镜检应见到数十至上百的菌胶团；500倍级镜检，所见的几个菌胶团应均匀透明、边界清晰、相互连接和新生菌胶团多为正常。以分散、疏松、相互不连接，新生少而老化多为不正常。其次观察杂菌生长情况，如混合液营养不全会生长丝状菌，丝状菌的繁殖，会导致污泥膨胀。第三要观察原生动物和后生动物的各类数量和其活动情况。可观察到的原生动物有纤毛虫类、鞭毛虫类、肉足虫类和吸管虫类四类，但常见的是钟虫、豆形虫、漫游虫等纤毛虫类。活跃的原生动物说明活性污泥性能良好，镜检中如发现有少量的后生动物线虫和轮虫是正常的。原生动物和后生动物的活跃，需要保持一定的溶解氧。为控制处理操作条件，调试期间应经常作显微镜检查。在污水生物处理过程中，对活性污泥性质的测定和镜检是十分必要的。这里仅就细菌的变化情况来判断污水处理效果的基本概念作一简介。在观察原生动物、菌胶团、酵母菌和霉菌时，一般用低倍镜；在观察原生动物的纤毛，食物泡，伸缩泡，细胞核等细小结构时，在观察细菌时用高倍镜。在观察细菌时，有时为了看得更清楚些，还需要对活性污泥进行染色。当外界环境条件(如进水成分、酸碱度、溶解氧、温度、有毒物质等)变化时，活性污泥和生物膜中的生物种类也发生相应的变化。在生产实践中，要定时对活性污泥进行观察，以便指导运转管理工作。对话性污泥的观察主要抓住：1.生物种类的变化情况20 在活性污泥的培养阶段，随着活性污泥的逐渐生成，出水由混浊变清，污泥中生物的种类亦发生急剧的变化，并趋于稳定。这种生物的演替是活性污泥培养过程的正常现象。在运转阶段，污泥中生物的种类突然变化时，表明污泥性质亦在发生变化。例如游动纤毛虫的大量出现，就表明在污泥结构松散转差时或当污泥因缺乏营养结构松散时，经投加营养物质后，污泥情况有所好转。2．同一种生物数量增减的情况在污泥的培养阶段出现钟虫，即标志污泥已经形成。当污泥膨胀时，丝状菌剧增，钟虫逐渐减少，而当膨胀得到控制后，钟虫数量又上升。3.生物活动的状态当进水成分发生变化时，如pH突然升高，或有毒物浓度突然增加时，马上能见到原生动物呈不活跃状态，钟虫的纤毛环停止摆动，伸缩泡停止收缩，轮虫缩入被甲内，进而能见污泥结构松散，出水效果转差，应及时采取措施。在环境条件长期不利时(如水温过高过低、缺氧、营养不足等)，原生动物一般都能形成胞囊(孢子)。这时身体变圆，鞭毛、纤毛或伪足等运动细胞器缩人体内或消失，同时体内的水分陆续由伸缩泡排出，以致体积逐渐缩小，最后伸缩泡也消失。然后从体内分泌出一种胶状物质至身体表面，凝固而形成孢壳。胞囊是原生动物对不良生活环境的一种适应方式，一旦环境适宜，胞囊即破裂，动物体重新恢复原来的生活状态。环境条件的变化对不同的生物能引起不同的反应。例如在污泥膨胀而采取措施投加氯和浓碱水来抑制丝状细菌时，如控制得当，能使丝状菌断裂并从污泥上脱落下来，而对菌胶团影响较小。对菌胶团的观察除了注意其数量的变化外，还要注意其胶质的厚薄，新牛的菌胶团较透明，杂质少，吸附能力强。老化的污泥结构松散、胶质薄。丝状菌可用染色制片观察。其数量的增多，会导致污泥膨胀，这一点已为实践所反复证实。对于污泥膨胀，须在丝状菌恶性繁殖的初期采取抑制措施，因此观察丝状菌数量的变化有很大实践意义。当进水中碳源较多而引起丝状茵的恶性繁殖时，可以发现菌体内含聚β羟基丁酸增多，这是一种脂类物质，对一般碱性染料亲和力较弱。用结晶紫染色后，菌体染色不均匀。这一情况是否能作为丝状菌恶性繁殖的指标，有待进一步观察。在采取抑制丝状菌的措施时，也可通过染色片的观察，从菌体缺位、菌丝体断裂的情况来判断其效果。4．活性污泥的理化测定⑴沉降比(SV)20 取混合液1000mL于1000mL量筒中，静置30分钟，污泥体积的毫升数的百分值即为SV值，％；⑵混合液悬浮固体浓度(MLSS)把量筒中沉降的污泥用滤纸过滤后烘干称重的克数，克／升：⑶污泥容积指数(SVI)沉降比与混合液悬浮固体浓度之比称污泥容积指数，即SVI＝SV／MLSS，毫升／克。在沉降比测定过程中同时观察活性污泥状态。正常的活性污泥絮状结构好，明显观察到絮凝进程，颗粒大，色泽黄褐，沉降性能好、5分钟沉降50％以上，SV约20～40％。MLSS＝1～4克／升。SVI＝110～250毫升／克。活性污泥系统的回流率为100％时，污泥容积指数与混合液悬浮固体大致应有表5的关系。SVI与MLSS大致关系表表5-1指标代号单位123456MLSS克／升1.52.03.04.05.06.0SVI毫克／升200180]40110908020