废水好氧处理的微生物及构筑物(使用水处理微生物学)

7.6.1.1　废水的好氧生物处理

好氧生物处理是在有氧的情况下，借好氧微生物（主要是好氧菌）的作用来进行的。在处理过程中，废水中的溶解性有机物质透过细菌的细胞壁和细胞膜而被细菌吸收；固体的和胶体的有机物先附着在细菌体外，由细菌所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，再通过细胞膜渗入细胞内部。细菌通过自身的生命活动一一氧化、还原、合成等过程，把一部分被吸收的有机物氧化分解成简单的无机物，并放出能量以维持自身正常的生命活动，而把另一部分有机物转化为生物体所必需的营养物质，组成新的体细胞，于是细菌不断地生长繁殖、形成更多的细菌。其他微生物摄取营养后，在它们体内也发生与细菌相似的生物化学反应。图7.20可以简单地说明这个过程。

图7.19　生物滤池和活性污泥法的食物金字塔的对比

（a）生物滤池；（b）活性污泥

图7.20　有机物的好氧分解

应当指出，在细菌的生长过程中，除了吸收到体内的一部分有机物被氧化分解并释放能量外，还有一部分细菌本身的细胞物质也在进行氧化分解，同时释放出能量。这种细胞物质的氧化称为内源呼吸。当有机物（养料）充足时，细胞质大量合成，内源呼吸是不显著的，所以在图7.20中未表示细胞质的氧化分解过程。但当有机物几乎耗尽时，内源呼吸则会成为提供能量的主要方式，最后细菌由于缺乏能量而死亡。

下列方程式表示有机物（CxHyOz）的氧化和合成的过程：

（1）有机物的氧化：

（2）细胞物质的合成（包括有机物的氧化，并以NH3作氮源）：

反应式中的C5H7NO2为细菌的细胞物质（在正常情况下，各类微生物细胞的成分是相当稳定的，一般可用下列化学式表示：细菌——C5H7NO2；真菌——C16H17NO6；藻类——C5H8NO2；原生动物——C7H14NO3）。

（3）细胞物质的氧化：

如果在式（7.38）中的有机物含有N、S或P，则N、S或P将分别被氧化并与水中碱性物质作用而形成相应的盐类。式（7.39）中的NH3可以是细菌所吸入的含N有机物的分解产物或吸入的NH+4盐。如果没有含N物质的参与，则不可能有细胞物质的合成。

1.新生长细胞物质的计算

生物处理构筑物内，在微生物的代谢作用下，废水中的有机污染物质会得到一定的降解、去除。但是，废水中所含各种有机物氧化或合成的比例随有机物的性质、微生物的种类等而有所不同。一般情况下，生物处理构筑物内新生长的细胞物质（微生物的净增殖）等于所合成的细胞物质减去内源呼吸而消耗的细胞物质，可用下式计算：

式中　ΔS——新生长的细胞物质，即生物处理构筑物中微生物的净增殖量，kg/d；

Lr——所利用的食料，即在微生物作用下，污水中被降解、去除的有机污染物质（BOD5）量，kg/d；

Sa——生物处理构筑物中原有的细胞物质，kg；

a——合成系数，即合成的细胞物质/去除的BOD5；

b——微生物（细胞物质）内源代谢的自身氧化率，1/d。

a和b的值可通过试验确定如下：

将式（7.41）两边同除以Sa，得：

以ΔS/Sa为纵坐标，Lr/Sa为横坐标作图，可得斜率为a，纵轴上的截距为b的一条直线。

就活性污泥法来说，可用其挥发性部分代表微生物，曝气池（活性污泥法的主要处理构筑物）内挥发性污泥量可作为Sa代入式（7.43）中；此外，曝气池内所增加的微生物细胞的量（ΔS）可假定大约等于所排放的剩余污泥挥发性部分的量。

图7.21　是某漂染厂废水活性污泥法处理试验求a和b值的实例。

图7.21　漂染废水与的关系

对于生活污水和性质与之相近的工业废水，a一般可取0.5～0.7，b可取0.05～0.1；污泥龄（微生物固体在曝气池内的平均停留时间）长，a值可取小，b值可取大；污泥龄短，a值可取大，b值可取小。如表7.2所示几种a、b废水的值。

表7.2　某些污（废）水a、b值

2.有机物生物氧化需氧量的计算

有机物生物氧化所需要的氧量，包括微生物生长活动和自身氧化过程中所需的全部氧量，可用下列关系式表示：

式中　O2——微生物需氧量，kg/d；

Lr——微生物降解、去除的BOD5，kg/d；

Sa——微生物重量，即生物处理构筑物中原有的细胞物质，kg；

a′——去除单位BOD5所需的氧量，kg/kg；

b′——微生物自身氧化需氧率，1/d。

就活性污泥法来说，已如上述，可用其挥发性部分代表微生物，曝气池内挥发性污泥量可作为代入式（7.43）中，在选择鼓风系统或曝气装置时，应留有一定的余地。

a′和b′的值可通过试验确定如下：

将式（7.43）两边同除以Sa，得：

以为横坐标，为纵坐标，可得到一条斜率为a′、纵轴上的截距为b′的直线。

对于生活污水和性质与之相近的工业废水，a′一般可取0.4～0.55，b′可取0.2～0.1。如表7.3所示几种工业废水a′和b′的值。

表7.3　几种工业废水的a′、b′值

在进行活性污泥法曝气系统设计时，如果缺乏资料，有机物被生物氧化所需的氧量可按每降解、去除1kgBOD5需要的氧为1kg，并留一定的余地进行估计。于是可根据氧气的密度为1.43kg/m3，空气中含氧的百分率为21%（体积比），算出所需的空气量。

除少数物质外，几乎所有的有机物都能被相应的微生物氧化分解，所以目前生物处理法被广泛地应用于处理各种含有机物的废水。

通过好氧处理，废水中一部分有机物的确无机化了，一部分有机物则被合成为微生物的细胞物质。当废水中的有机物较多时（超过微生物生活所需时），合成部分增大，微生物总量增加较快；当废水中有机物不足时，一部分微生物就会因饥饿而死亡，它们的尸体将成为另一部分微生物的“食料”，微生物的总量将减少。微生物的细胞物质虽然也是有机物质，但微生物是以悬浮状态存在于水中的。一般来说，个体大一点的微生物也比较容易凝聚，可以同废水中的一些其他物质（包括一些被吸附的有机物和某些无机的氧化产物以及菌体的排泄物等）通过凝聚作用在沉淀池中一起沉淀下来。

由此可见，好氧生物处理法特别适用于处理溶解状态的和胶体状态的有机物，因为这部分有机物不能直接利用简单的沉淀法把它们除去，而利用生物处理法可把它们的一部分转化成无机物，另一部分转化成微生物的细胞物质从而与废水分离。但必须注意，沉淀下来的污泥（生物处理法的副产品，也是必然产品，其中含有大量微生物）在缺氧的情况下容易腐化变质、影响环境卫生，在排放前应作适当的处理。

用好氧生物处理法处理废水基本上没有臭气，处理所需的时间也比较短，如果条件适宜，BOD5的去除率可达80%～90%，有的甚至可达95%以上，可达到污水排入水体的排放标准。

除上面所提到的活性污泥法外，生物膜法、生物塘等也都是废水好氧生物处理的方法。

【例题】某城市混合废水用活性污泥法处理。其曝气池的有效容积为340m3，进水流量为1500m3/h，进水BOD5为200mg/L，出水BOD5为20mg/L，曝气池内污泥浓度为4g/L（其中挥发性部分占75%）。试计算剩余污泥量和需氧量。

【解】

（1）剩余污泥量的计算。

按式（7.42）

取(www.xing528.com)

所以

所以剩余污泥量为：

如果剩余污泥的含水率（P）为99.2%，则剩余污泥的体积为：

（2）需氧量的计算。

按式（7.44）

O2=a′Lr+b′Sa

取

a′=0.5，b′=0.15

所以

Lr=648，Sa=1020

所以需氧量为：

O2=0.5×648+0.15×1020=477（kg/d）

7.6.1.2　好氧生物处理构筑物

1.活性污泥法中的微生物

（1）活性污泥生态学及常见微生物。栖息在活性污泥上的微生物以好氧细菌为主，同时也生活着真菌、放线菌、酵母菌以及原生动物和微型后生动物等，这些微生物群体在活性污泥上组成了一个相对稳定的微小生态系。

与所有生物处理过程一样，活性污泥系统具有混合培养、主要起氧化分解有机物作用的细菌和其他较高级的水生生物，形成了一个具有不同营养水平的完整的生态系统。由于不断的人工充氧和污泥回流，使曝气池不适于某些水生生物生存，特别是那些比轮虫和线虫更大型的种群和那些长生命周期的微生物。活性污泥反应器（曝气池）中主要生物种群是细菌、原生动物和线虫。其他种群如剑水蚤属，甚至某些双翅目的幼虫也偶尔可见。在混合液中也可见藻类，但很难生长。传统活性污泥法过程的食物金字塔如图7.22所示。

图7.22　活性污泥法过程的食物金字塔

曝气池中的异养型细菌构成了活性污泥絮状体（生物絮状体）的主体，它们具有很强的吸附、氧化分解有机物的能力，是个体细菌的凝聚或者由于丝状菌促使它们聚集在一起。絮体的生物条件决定了基质的去除率，其物理结构又决定了它们在二沉池中的沉降效果。

原生动物是活性污泥的经常组成部分，其个数可达5000个/L，可占混合液干重的5%～12%。完全混合活性污泥反应器（曝气池）内的原生动物的种类在空间上观察不到什么差别（但在生物膜法反应器——生物滤池中纵向是有差别的）。随着活性污泥的逐渐成熟，混合液中的原生动物的优势种类也会有顺序变化，从肉足类、鞭毛类开始，依次出现游动型纤毛虫、爬行型纤毛虫、附着型纤毛虫。爬行型纤毛虫和附着型纤毛虫与活性污泥絮状体紧密结合，一旦达到一定密度时，就会随着二沉池中沉淀的回流污泥返回到曝气池。当活性污泥达到成熟期，其原生动物发展到一定数量后，出水水质则会得到明显的改善。

新运行的或运行得不好的曝气池，池中主要含有鞭毛类原生动物和根足虫类。只有少量纤毛虫；相反地，出水水质好的曝气池混合液中，主要含纤毛虫，只有少量鞭毛型原生动物和变形虫。

这种污泥状态、出水水质和微生物种类的连带关系导致了用原生动物去指示活性污泥法污水处理厂的出水水质。如学者Curds和Cockburn根据大量实测数据，找出了原生动物种类与出水水质的相互关系。他们根据出水BOD5判定水质优劣，将出水水质分为4类：优（BOD5为0～10mg/L）、良（BOD5为11～20mg/L）、中（BOD5为21～30mg/L）、差（BOD5大于30mg/L）。

（2）活性污泥法运行中微生物造成的问题。活性污泥在运行中最常见的故障是在二沉池中泥水分离的问题。造成污泥沉降问题的原因是：污泥膨胀、微小絮体、不絮凝、起泡沫和反硝化等。这只是从效果上分类，实际上不是很精确，而且有些重叠。所有的活性污泥沉降性问题，基本上都是污泥絮体结构的不正常造成的。

絮体结构一般被分为两类：微观结构与宏观结构。微观结构是球形、较密实、相对的较容易破裂的较小絮体（直径d＜75μm）。此类絮体多由“絮体形成菌”组成。它们在曝气池紊流条件下易被剪切成小颗粒。这种絮体虽然能很快沉淀，但从大絮凝体被剪切下来的小颗粒的沉淀需较长的时间，可能随沉淀池出水排出，使最终出水的BOD5上升，同时使得浊度也大幅度上升。当丝状微生物出现时，即出现宏观结构絮体，微生物凝聚在丝状微生物的周围，形成较大的不规则絮体，这种絮体具有较强的抗剪切强度。

下面将重点说明污泥膨胀的形成原因及对策，并简要说明其他造成污泥沉降问题的原因：

1）丝状菌污泥膨胀。正常的活性污泥沉降性能良好，含水率在99%左右。当污泥变质时，结构松散和体积膨胀，含水率上升，澄清液稀少，不易沉淀，且颜色也有异变。这就是所谓的“污泥膨胀”。

污泥膨胀是一种丝状菌在絮体中大量生长以致影响沉降的现象。开始时，尽管膨胀污泥比正常活性污泥的沉速慢，但出水水质仍然很好。即使污泥膨胀已比较严重，仍能有清澈的上清液，因为延伸的丝状菌会过滤形成浊度很小的细小颗粒。只有当沉降性能很差，泥面上升，以致大的絮体也溢出沉淀池，最终导致出水中的SS（悬浮固体）和BOD升高。主要原因是污泥膨胀使得污泥压缩性能变差，其结构是很多稀薄污泥回流到曝气池，使曝气池中的MLSS（混合液悬浮固体）下降，进而造成出水水质满足不了要求而使曝气池的运行失败。

从污泥结构角度看，膨胀是由于絮体具有坚固的宏观结构，以致丝状微生物的数量猛增。理想的絮体沉降性能好，最终出水中的SS（悬浮固体）和浊度极低，丝状菌与絮体形成菌保持平衡，丝状菌都留在絮体中，从而使絮体强度增加并保护固定的结构。即使有少量丝状菌伸出污泥絮体，它们皆能使长度缩得非常短小而不会影响污泥沉降。与此相反，膨胀污泥有大量丝状菌伸出絮体。可辨别的膨胀污泥絮体有两种类型：第一类是具有长丝状菌从絮体伸出，此类丝状菌将各个絮体连接（或称架桥），形成丝状菌和絮体网；第二类是具有更开放的结构，由细菌沿丝状菌凝聚，形成相当长的絮体。

根据研究结果，大约有25种丝状菌可造成活性污泥膨胀，尚未发现在活性污泥中藻类能造成污泥膨胀。

造成膨胀的主要原因是低浓度的溶解氧（DO）、低污泥负荷率、曝气池进水含较多的化粪池出水、营养不足和低pH值（＜6.5）。

即使已知丝状微生物的种属，目前也找不到控制优势种属的实用方法。因此，污水处理操作人员一般需根据指示性丝状微生物的出现，采用控制运行条件来运转曝气池，直至问题的解决。主要的方法如下：

A.控制污泥负荷率。污水处理厂的一般处理系统的正常负荷是（0.2～0.45）kg-BOD5/（kgMLSS·d），如果污泥负荷率超出此范围，就有可能发生污泥膨胀。为了防止污泥膨胀，应经常将污泥负荷率控制在正常负荷的范围以内。

图7.23　控制活性污泥膨胀的最低DO浓度与F/M的关系

B.控制溶解氧（DO）浓度。为防止丝状微生物的猛增，一般应将池中溶解氧（DO）浓度控制在大于2.0mg/L。因为防止污泥膨胀的最低溶解氧浓度是污泥负荷（F/M）的函数，因此当F/M增加时，应相应地增加最低溶解氧浓度。如图7.23所示。

C.控制营养比例。一般曝气池正常的营养比例为BOD∶N∶P=100∶5∶1。当BOD∶P偏高时，丝状微生物能将多余部分储存在体内。当营养浓度不足时，丝状微生物仍有储存，这就增强了丝状微生物对絮体形成菌的竞争性。

D.投加混凝剂。可投加三氯化铁、石灰或高分子絮凝剂以改善污泥的絮凝结构，同时也能增加絮体的强度。

E.加氯（Cl2）、臭氧（O3）或过氧化氢（H2O2），这些化学药剂的目的用于有选择地控制丝状微生物的过量增长。

2）非丝状菌引起的污泥膨胀。有时在不出现丝状微生物的条件下也会出现污泥膨胀。这种膨胀与散凝作用有关，当游离细菌产生菌胶团基质时就会导致污泥膨胀，人们称这种膨胀为菌胶团或粘性膨胀。这种失败是由于絮体微结构中产生了大量胞外多聚物，它具有糊状或果冻样的外观，可以用印度墨水反染色法进行与正常絮体的区分。正常絮体染色后，墨水会深深贯入絮体，而具有胞外多聚物的絮体则能抗拒墨水的贯穿。

3）不凝聚。不凝聚是一种微结构絮体造成的现象。这是因为微絮体变得不稳定而容易破碎，或者因为过度曝气形成的紊流将絮体剪切成碎块而造成的运行问题。也可能是细菌不能凝聚成絮体，微生物成为游离个体或非常小的丛生块，它们在沉淀池中呈悬浮状态，并随出水连续流出。一般认为不凝聚是由于溶解氧（DO）浓度低、或冲击式的污泥负荷、或pH值低。一般地，污泥负荷应大于0.4 kgBOD5/（kgMLSS·d），否则将产生不凝聚问题。若污泥为微型结构，则高污泥负荷时可能出现不凝聚。

4）微小絮体。含微小絮体的污泥不会在出水中形成高浓度，因为其颗粒比不凝聚污泥要大得多。微小絮体一般由于长污泥龄（大于5～6d）和低污泥负荷率[小于0.2kgBOD5/（kgMLSS·d）]而形成的。因此这种问题往往发生在延时曝气系统。

5）起泡沫。自从使用了难以降解的合成洗涤剂以来，常常在曝气池中出现很厚的白色泡沫。而微生物造成的泡沫是另外一种很密实的、棕色的泡沫，有时在曝气池中出现。此类型的泡沫是由于某些丝状微生物（如诺卡氏菌属）的超量生长，曝气系统的气泡又进入其群体而形成的。这种泡沫以一种密实稳定的泡沫或一层较厚的浮渣浮在池面上。

气泡附着于诺卡氏菌属的机理是相当复杂的。在有些情况下，虽然这种丝状微生物在混合液中的种群密度也很高，但不会造成污泥沉降的质量问题。其原因是诺卡氏菌属易产生许多分枝，使絮体成为很坚固的宏观结构，生成一种大而牢固、且容易沉降的絮体。

6）反硝化。气泡使污泥上浮还可能是反硝化造成的。污泥在二沉池呈块状上浮的现象，并不是由于腐败所造成的，而是由于在曝气池内污泥龄过长，硝化进程较高（一般硝酸铵达5mg/L），在沉淀池底部产生反硝化，硝酸盐的氧被利用，氮即呈气体脱出附于污泥上，从而使污泥比重降低，整块上浮。所谓反硝化，是指硝酸盐被反硝化菌还原成氨和氮的作用。反硝化作用一般在溶解氧（DO）浓度低于0.5mg/L时发生，并在实验室静沉30～90min后发生。所以为了防止这一异常现象发生，应增加污泥流量或及时排除剩余污泥，在脱氮之前就将污泥排除；或降低混合液污泥浓度，缩短污泥龄或降低溶解氧浓度等，使之不进行到消化阶段。

2.生物膜法中的微生物

污水的生物膜处理法是与活性污泥法并列的一种污水好氧生物处理技术。这种处理法的实质是使细菌和菌类一类的微生物和原生动物、后生动物一类的微型动物附在滤料或某些载体上生长发育，并在其上形成生物污泥——生物膜。污水与生物膜接触，污水中的有机污染物作为营养物质，为生物膜上的微生物所摄取，污水得到了净化，同时微生物自身也得到繁衍增殖。

生物膜处理法的各种工艺，都具有适于微生物生长栖息、繁衍的安静稳定环境，生物膜上的微生物勿需像活性污泥那样承受强烈的搅拌冲击，易于生长繁殖。

生物滤池为附着型或固定膜型反应器。在这种反应器内微生物形成了生物膜附着在滤料上，用以处理废水。早期的生物滤池的处理负荷低，即所谓低负荷生物滤池。后来提高了负荷就称为高负荷生物滤池，也简称生物滤池。近年来又发展了若干改进型固定膜反应器，例如生物转盘、生物流化床等。各种固定膜反应器在微生物的种类及作用方面有类似之处。下面以生物滤池为代表，说明各种微生物的作用及生物滤池的生态学。

（1）生物滤池中的微生物及其作用。生物滤池建成后，就开始进水，不需要接种，因为污水中含有滤池生物膜需要的各种微生物。在夏天约3～4周就可在滤料上生长成正常的生物膜；在冬天约需2个月就可长成正常的生物膜。生物膜上生长着一个含有多种微生物的复杂生物群体。

一般说，生长在生物滤池中的细菌大多是革兰氏阴性菌，例如黄杆菌、无色杆菌、极毛杆菌、产碱杆菌等。其中很多都能形成菌胶团。真菌有镰刀霉、青霉、毛霉、地霉、分枝孢属等以及多种酵母菌。丝状细菌则有球衣细菌、贝氏硫细菌等。在生物滤池下层，主要是硝化细菌。藻类仅生长在滤池表面（有日光照射的地方），主要有小球藻、蓝藻、绿藻等。原生动物最常见的有钟虫、等枝虫、盖纤虫、草履虫等纤毛类原生动物。此外，还有其他生物如轮虫、蠕虫、昆虫的幼虫，甚至灰蝇等小动物也会在滤池（特别是低负荷滤池）内生长繁殖。总之，在生物膜上生长发育的生物类型广泛、种属繁多，食物链长且较为复杂。

废水中的有机物主要被好氧的异养微生物所降解。生物膜的结构似海绵状，很像活性污泥的絮体，生物膜被生长在膜内的驯养动物连续不停地挖洞，使膜变得更加多孔（见图7.27）。废水可穿过膜表面直至相当的深度，其能穿透的限度取决于膜厚和滤池的水力负荷。

图7.24　中左侧为滤料，右侧为生物膜。生物膜由两部分组成：接触滤料的附着生物体和最右侧吸附在生物体上的液膜，最外侧是空气。外部空气中的氧气一般可以穿过液膜传递给生物体部分。生物膜成熟后，由于微生物的不断繁殖增长，生物膜的厚度不断增加，在增厚到一定程度后，在氧不能透入的内侧深部即转变为厌氧状态。这样，生物膜便由好氧层和厌氧层两层组成。生物膜的表面与污水直接接触，由于吸收营养和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖迅速，形成了由好氧微生物和兼性微生物组成的好氧层；其内部和载体接触的部分，由于营养物质和溶解氧的不足，微生物生长繁殖受到限制，从而形成了由厌氧微生物和兼性微生物组成的厌氧层。厌氧层在生物膜达到一定厚度时才出现，随着生物膜的增厚和外伸，厌氧层也随着增厚。但有机物的降解主要是在好氧层内进行。

图7.24　膜结构示意图

图7.25　生物滤池的生物膜食物网

（2）生物滤池微生物的生态学。活性污泥提供了纯水生生物的生长环境，而生物滤池中的生物环境既适宜于水生生物也适宜于陆生生物。生物滤池的食物链比活性污泥的生物链在营养水平上多好几种。水质净化的最基本部分是异养性生物膜，它将水中溶解的和悬浮的有机物转化成细菌和菌类生物膜，动物性原生动物主要栖息在生物膜上，有的与游离细菌在一起，还有一些靠捕食其他原生动物或腐生植物生存。其他生活在生物膜上的还有线虫和轮虫。驯养动物主要是真蝇类幼虫和寡毛纲蠕虫。它们的关系如图7.25所示。