微生物技术在污水处理中的应用

1. 前言

 随着人类社会化程度的不断提高和社会经济活动的日益频繁，环境污染问题也越来越严重，其中水体的污染尤为突出。工业废水和生活污水的排放，是造成水体污染的主要因素。日益加剧的水污染，对人类的生存安全构成了极大威胁，成为人类健康、经济、可持续发展的重大阻碍。如何应用现代科学技术手段对这些污水进行处理，使之成为人类可放心利用的水资源，同时从根本上遏制水污染，减少水污染，净化我们的生态环境，成为当务之急。

2. 水污染物的类型及来源

污水因其来源不同，大体上可分为生活污水、工业废水和农业废水，工业污水的可生化性较差，通常只能采甩化学方法来处理。而生活污水可生化性相对较高，所以采用生化法处理效果比较好。大多数城市污水处理厂的原水主要是生活污水，其中掺杂的工业污水只占相当小的一部分，所以生化法一直是城市污水处理厂的首选工艺。

（1）生活污水 生活污水是一大污染源。生活污水中含有大量的无机物和有机物。无机物如氯化物、硫酸盐、磷酸盐和钠、钾、钙、铁等碳酸盐，有机物有纤维素、淀粉、脂肪、蛋白质和尿素等。排放入环境中促使浮游植物生长和大量繁殖，形成赤潮和水华。

（2）工业废水 工业废水是水体污染的主要污染源，包括钢铁工业废水，食品工业废水，化工废水等。

（3）农业废水 农业废水主要是农业上使用的化肥、农药进入水体造成的污染水，它面广而量大且易分散，易造成水体富营养化。

3. 微生物处理污水的原理

利用微生物处理污水实际就是通过微生物的新陈代谢活动,将污水中的有机物分解,从而达到净化污水的目的。微生物能从污水中摄取糖，蛋白质，脂肪，淀粉及其它有机化合物作为微生物的营养物质，经过一系列的酶促反应，这些有机物在微生物体内得到分解利用，有些合成微生物自身的结构和功能物质，有些则为微生物提供所需的能量。微生物新陈代谢类型有需氧型和厌氧型两种,因此,污水生物处理方法分为好氧生物处理和厌氧生物处理.

3.1 好氧生物处理

好氧生物处理是在水中有溶解氧存在的条件下，借好氧和兼性厌氧微生物(其中主要是好氧菌)的作用来进行的。在处理过程中，绝大多数的有机物都能被相应的微生物氧化分解。用好氧法处理污水，基本上没有臭气，处理所需的时间比较短，如果条件适宜，—般可去除BOD5 80 ～ 90 ％以上 。

3.2 厌氧生物处理

厌氧生物处理是在无氧的条件下，借厌氧和兼性厌氧微生物(其中主要是厌氧菌)的作用来分解污水中有机物的，也称厌氧消化或厌氧发酵。厌氧生物处理主要应用于有机污泥和高浓度有机污水的处理。由于是密闭发酵，所以在处理过程中不影响周围环境；同时隔绝空气又加以高温发酵，可以钉死寄生虫卵和致病菌；并且可以产生生物能源甲烷。因此厌氧消化法近年来渐渐受到重视，但由于所需时间长，对设备要求严格，因而影响其迅速推广。

3.3 生化需氧量

在污水处理中，通常是以有机物在氧化过程中所消耗的氧量这一综合性指标来表示有机污染物的浓度，如生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)。生化需氧量是指在特定的温度和时间（通常在20^oC、5d下，）微生物分解污水中有机物所消耗的氧量，称为BOD5。BOD5约占生化需氧总量的2/3，故采用BOD5来表示污水中可降解有机物的浓度是比较合适的。但污水中有机物并不是都能较快降解的，在工业废水中，可以结合COD等指标表示有机污染物的浓度。

只有BOD高的废水才适宜采用生物处理，COD很高但BOD不高的废水不宜采用生物处理。对于有毒的废水，只要毒物能降解，就可用生物法处理，关键是控制毒物浓度和驯化微生物。

4. 污水生物处理方法

4.1活性污泥法

活性污泥法是目前使用最广泛的一种利用微生物处理水污染的方法。活性污泥法是指利用活性污泥在废水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀等作用，去除废水中有机污染物的一种废水处理方法。

活性污泥是指由细菌、微型动物为主的微生物与胶体物质、悬浮物质等混杂在一起形成的，具有很强吸附分解有机物的能力和良好沉降性能的绒絮状颗粒。活性污泥中生存着各种微生物，构成了复杂的微生物群落。其中主要的微生物是细菌（以好氧性异养菌为主）和原生动物，此外尚有酵母菌、丝状霉菌、单胞藻类、轮虫线虫等。

活性污泥中微生物作用：

一提高出水水质方面的作用

1.通过某些原生动物的分泌物 ,在沉降过程中促进游离细菌的絮凝作用 ,提高细菌的沉降效率和去除率 。

2.原生动物捕食细菌 ,提高细菌活动能力 ,提高对可溶性有 机物的摄取能力 。

3.原生动物和细菌一起 ,共同摄食病原微生物。

二在活性污泥系统中的指示作用

1.当活性污泥性能良好时 ,活性污泥表现为絮凝体较大 ,沉降 性好 ,镜检观察出现的生物有钟虫属 、盖虫属 、有肋木盾纤虫属 、独缩虫属、聚缩虫属 、各类吸管虫属 、轮虫类 、累枝虫属 、寡毛类等固 着型种属或匍匐型种属 。

2.活性污泥恶化时 ,絮凝体较小 ,出现的生物有豆形虫属 、滴虫 属和聚屋滴虫属等快速游泳型的生物 。当污泥严重恶化时,微型动物大面积死亡或几乎不出现 ,污泥沉降性下降 ,处理水质能力差。

3.活性污泥从恶化恢复到正常 ,在这段过渡期内出现的生物有 漫游虫属 、管叶虫属等慢速游泳型或匍匐型的生物 。

4.活性污泥膨胀时丝状菌是导致污泥膨胀的主要生物,由于丝状菌大量繁殖 , 活性污泥呈棉絮状 ,颗粒细碎且颜色相对较浅。 3.活性污泥从恶化恢复到正常 ,在这段过渡期内出现的生物有漫游虫属 、管叶虫属等慢速游泳型或匍匐型的生物 。

优点：BOD和SS去除率高，可达90%－95%，适于处理要求高、水质稳的废水。
缺点：对水质变化适应差；实际需氧前大后小，使前段氧少、后段氧余；曝气池容积负荷低、占地面积大、基建费高；产生大量剩余污泥。

4.2 生物膜法

生物膜法是利用固着在惰性材料表面的膜状生物群落处理污水的方法。生物膜的功能和活性污泥法中的活性污泥相同，其微生物的组成也类似。净化污水的主要原理是附着在载体表面的生物膜对污水中有机物的吸附与氧化分解作用。生物膜法根据介质与水接触方式不同，有生物滤池、生物转盘法、塔式生物滤池法等。其处理原理基本相同，都是依靠着生于固体介质表面的微生物来净化有机物的，因此，又称生物过滤法。处理过程中的物质转移:空气中的氧→废水→生物膜，此法比活性污泥法产生的剩余污泥少。

生物膜是由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统，其附着的固体介质称为滤料或载体。生物膜自滤料向外可分为庆气层、好气层、附着水层、运动水层。生物膜法的原理是，生物膜首先吸附附着水层有机物，由好气层的好气菌将其分解，再进入厌气层进行厌气分解，流动水层则将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜，如此往复以达到净化污水的目的。

优点：
（1）生物膜对水质、水量变化适应性强，稳定性好；
（2）无污泥膨胀，运转管理方便；
（3）生物膜中生物相丰富，生物种群呈一定分布； 
（4）有高营养级别微生物存在，产能多，剩余污泥少；
（5）自然通风供氧，省能耗。
缺点：
（1）运行灵活性差，难以人为控制；
（2）载体比表面积小，设备容积负荷小，空间效率低；
（3）处理效率差，BOD去除率约80%左右。

4.3 生物接触氧化法

生物接触氧化法是从生物膜法派生出来的一种废水生物处理法，即在生物接触氧化池内内装填一定数量的填料，利用栖附在填料上的生物膜和充分供应的氧气,通过生物氧化作用,将废水中的有机物氧化分解,达到净化目的。生物接触氧化法是以附着在载体（俗称填料）上的生物膜为主，净化有机废水的一种高效水处理工艺。具有活性污泥法特点的生物膜法，兼有活性污泥法和生物膜法的优点。在可生化条件下，不论应用于工业废水还是养殖污水、生活污水的处理，都取得了良好的经济效益。

优点：

(1) 微生物浓度高，处理效率高；
(2)生物膜内微生物种类、数量多，呈一稳定的生态系统；
(3)氧利用率高（10%±）；
(4)比生物膜法能耗高（增加了人工曝气），投资较高；
缺点：布气、布水不易均匀，填料易堵塞。（用维纶软性纤维填料可避免堵塞，且价廉、耐用、加工方便。）

4.4 厌氧生物化学法

厌氧处理法，是在无氧条件下由兼性厌氧菌和专性厌氧菌来降解有机污染物的处理方法。对于高浓度有机废水及污泥，不宜直接采用好氧生物法处理，而用厌氧消化法预处理。在厌氧条件下，由兼性菌和厌氧菌分解有机物，产物主要是甲烷，可燃烧。副产物有硫化氢、臭气大，有硫化铁、呈黑色。废水停留时间长，设备容积要求大。

厌氧生物处理一般分为四个阶段:水解，发酵，产乙酸，产甲烷。这些无机物质主要是大量的生物气体即沼气。沼气的主要成分是CH₄和CO₂。

优点：

（1）适于高浓度废水和好氧难降解的有机废水。(好氧:中、低浓度) 
（2）能耗低：为ASP的1/10 。
（3）负荷高：好氧2—4KgBOD/M3?d，厌氧2—10，可高达50。
（4）剩余污泥少：易浓缩、易脱水，污泥量为ASP的5%—20%。
（5）N、P需要少：好氧BOD:N:P为100:5:1，厌氧100:2.5:0.5，对N、P缺乏的工业废水需投加的营养盐少。
（6）有一定杀菌作用（废水、污泥中的寄生虫卵、细菌、病毒等）。
（7）生产灵活、适应性强：可季节性、间歇性运转。
（8）可产生有价值的副产物：如沼气。

缺点：
（1）厌氧微生物生长繁殖慢，设备启动、处理时间长。
（2）出水水质达不到排放标准，需进一步好氧处理。
（3）操作控制因素比较复杂。

4.5 固定化微生物法

固定化微生物技术是用化学的或者物理的手段和方法将游离微生物限制或定位在某一特定空间范围内，保留其固有的催化活性，且能够被重复和连续使用的现代生物工程技术。这种技术应用于污水处理有利于提高生物反应器内的微生物浓度，利于反应后的固液分离，缩短处理的时间。固定化微生物方法多种多样，但主要有结合固定化，交联固定化，包埋固定化和系指微生物吸附在载体表面而固定化的方法。

优点：

(1)微生物固定化可以保持反应器内微生物的高浓度和高活性，有助于提高污染物的处理负荷和去除效率；

(2)采用固定化微生物技术的工艺，污泥产量低，减轻了后续污泥处置的负担；

(3)微生物固定化形成颗粒态，利于沉淀过程的泥水分离；

(4)将具有降解某些难降解有机物特性的微生物固定化，可有效处理某些行业废水；

(5)微生物固定化对有毒物质的承受能力强，稳定性好；

5 污水处理生物对水质的要求

5.1 pH值

 好氧生物处理，pH应保持在6～9范围内。厌氧生物处理，pH应保持在6．5～8之间。在运行期问，pH不能突然变化太大，以防微生物生长繁殖受到抑制或死亡，影响处理效果。

5.2 温度

一般好氧生物处理要求水温在20 ～40^oC之间。污泥的厌氧消化需利用高温微生物进行厌氧发酵,温度应提高至 50～60^oC 之间 。

5.3 营养

微生物的生长繁殖需要各种营养。城市生活污水能满足活性污泥的营养要求 ，但工业废水除有机物外一般缺乏某些养料，特别是N和P，故这类污水进行生物处理时，需要投加生活污水、粪尿、或氮、磷化合物。但如果工业废水不缺营养，切勿添加上述物质，否则会导致反驯化。

5.4 有毒物质

工业废水中往往含有许多有毒物质,如重金属、H₂S、氰、酚等。虽然所有初次接种到某种废水中的微生物群体(活性污泥或生物膜)在培养驯化中都已经历了自然筛选过程，剩下的细菌中绝大部分都是以该种废水中污染物质为主要营养的降解菌，但当污水中的有毒物质超过一定浓度时，仍能破坏微生物的正常代谢，影响污水生物处理效果。因此，对某种污水进行生物处理必须根据具体情况确定处理方法，必要时需经过试验，以确定生物处理中毒物的容许浓度。同时加强微生物驯化以提高对毒物的承受力。

5.5 溶解氧

好氧生物处理要保证供应充足的氧气，否则会使处理效果明显下降，甚至造成局部厌氧分解，使曝气池污泥上浮，生物滤池或生物转盘上的生物膜大量脱落。 但溶解氧过多，也不利于生物处理。

6. 微生物处理污水的优点

1.节约水资源，降低能耗和成本;

2.利用有益菌群原液比一般净化槽处理污水，大大缩短曝气时间，提高工效;

3.治污效果显著，如有机氮、金属离子、混浊度、COD(化学需氧量)、BOD(生化需氧量)、55(浮游生物)等均下降至国标以下标准，而DO(溶解氧)上升，水质得到改善;

4.处理污水中的重金属等，消除毒害;

5.抑制病原菌，消除异味，改善空气质量;

6.可以清除粪尿恶臭，净化生态环境，最大限度地减少畜禽的臭味，明显地抑制了蚊蝇滋生。

7. 结语及展望

污水生物处理方法与传统的物理化学方法相比，前者有着许多不可替代的优势。微生物形体微小，种类繁多，代谢旺盛，易变异，适应性强，几乎能够利用自然界中所有的天然物质，是处理污水的理想工具。随着人类对环境保护问题的日益重视，微生物技术的发展也会得到越来越多的关注，如何完善现有的技术，使之更加符合人类的需求，同时开发出新的微生物技术以更好地解决污水处理中的问题，是我们要关注的方向。