1、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0.52微米（1微米1000毫米），杆菌长15微米，宽0.51.0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
2、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。 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
3、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13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2030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
4、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
5、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）。 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
6、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
7、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。 （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）
8、。 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）。 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
9、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
10、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。 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
11、，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15微米，长810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
12、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）H2OO2 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
13、。 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（
14、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
15、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。 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：C6H12O66O26CO26H2O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
16、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8085的水分，其余是干物质，而在
17、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。 RCHNH2COOHO2RCOOHCO2NH3 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。 2NH33O22HNO22H2O 2HNO2O22HNO3 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
18、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
19、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
20、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 温度
21、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2045，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3545；后者约为2035。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2040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
22、；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12108.611.06154715l12146.57.86753764612289.0685547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
23、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69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
24、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911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，处理效果显着下降（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3-2pH高锰酸钾耗氧量COD色度去除率（）进水出水去除率（）42310.77.4722342412.58.58
25、5194256.799306983 （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
26、、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。 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
27、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、
