1、微生物作为生物界的主要降解类群，在水体污染、固体废弃物污染、重金属污染、 化合物污染、石油及大气污染等治理过程中，均取得显著效果。如在污水处理过 程中，微生物可有效去除污水中的有机物。微生物在污水中能繁衍生长，并通过 氧化还原发酵等途径分解氧化有机物，把有害有毒物质转化为无害无毒的有机 物，从而在污水治理中发挥作用。目前，污水的微生物处理主要有活性污泥法、 生物膜法、厌氧处理法、氧化塘法等。又如，在受重金属污染土壤的修复中，微 生物可以对土壤的重金属进行固定、移动或转化，改变它们在土壤中的环境化学 行为，可促进有毒、有害物质解读或降低毒性，从而达到生物修复的目的。从目前来看，微生物修复是最具发
2、展和应用前景的生物修复法，值得人们关注。微生物技术在污水治理中的应用水源的污染是危害最大、最广的环境污染。污水的种类很多，包括生活污水、 农牧业污水、工业有机废水和有毒污水等。这些污水必须先经处理，除去其杂质 与污染物，待水质达到一定标准后，才能排入自然水体或直接供给生产和生活重 复使用 1.活性污泥法向生活污水中注入空气进行曝气，并持续一段时间后，污水中即形成一种絮 凝体。这种絮凝体主要是有大量繁殖的微生物群体构成的，它易于沉淀分离并使 污水得到澄清，这就是“活性污泥”。活性污泥法 又称曝气法，是利用含有好氧微生物的活性污泥，在通气的条 件下，是污水净化的生物学方法。在污水处理过程中它具有很
3、强的媳妇、氧化分 解有机物或毒物的能力。在静止时，又具有良好的沉降性能。活性污泥根据曝气方式不同，分多钟方法，一般有两种基本形式。一种是传 统的推流式（plug flow），采用长方形曝气池，分成多个廊道。曝气池中细菌经 历了整个生长周期，处理效果良好而稳定，去除率可达90%-95%适合于处理程 度和处理稳定度都高的污水。另一种是完全混合曝气法（complete mixing），通 常采用圆形曝气池，废水和活性污泥充分混合，充氧充分，高浓度废水得到充分 稀释，但是由于污水停留时间短，细菌始终处在指数生长期，处理效果一般比推 流式差 。目前最常用的是完全混合曝气法。基本工艺流程图如下： 活性污泥
4、法处理系统，实质上市自然界水体自净的人工模拟，是对水体自净 能力的强化。因此，活性污泥法不仅要为微生物生长繁殖提供适宜的环境条件， 更要为它们设置能够高效发挥其吸附、吸收和氧化污染物能力的场所。活性污泥的组成活性污泥是活性污泥处理系统中的主体作用物质。在活性污泥上栖息着具有强大 生命力的微生物群体。除了微生物以外，活性污泥中还夹杂着有污水带入的有机 和无机固体物质，在有机固体物质中，包括某些惰性的难为细菌摄取、利用的所 谓难降解物质。综合而言，活性污泥由4 部分物质所组成： 具有活性的微生物群体； 微生物自身氧化的残留物； 原污水挟入的不能为微生物降解的惰性有机物质； 空气 出水 进水 二次沉
5、淀池 曝气池 回流活性污泥 剩余污泥 活性污泥中的微生物活性污泥中的微生物，以好养细菌为主，同时也生活着真菌、放线菌、酶母菌以 及原生动物和微型后生动物 。这些微生物群体在活性污泥上形成了一个相对稳定的微小生态系统。菌胶团细菌。能形成活性污泥絮状体（floc）的细菌称为菌胶团细菌。它们构成 活性污泥絮状体的主要成分，有很强的吸附、氧化有机物的能力。可在活性污泥 上占据优势的细菌种属有：动胶杆菌属（zoogloea）、假单胞菌属（pseudomrmas）、 产碱杆菌属（alcaliganes ）、黄杆菌属（flavobacterium）及大肠埃希菌属 （escherichia coil）等。丝状
6、细菌。丝状细菌也是活性污泥微生物的重要组成成分。丝状细菌在活性污泥 中交叉穿织于菌胶团内，或附着生长于絮状体表面，少数种类也可以游离于污泥 絮状体之间。常见的种类有：球衣均属（sphaerotilus）、贝氏硫菌属（beggiatoa）、 发硫细菌属（thiothrix）、透明颤菌科（vitreoseillaceae）、亮发菌属（leucothrix） 和线丝菌属（lineola）等。丝状细菌具有很强的氧化分解有机物的能力，在污水 净化中起着一定的作用。但在某些情况下会出现过量繁殖，导致污泥絮状体结构 松散，沉降性能变差，引起活性污泥膨胀（sludge bulking），造成出水水质下降。真菌
7、。活性污泥中的真菌主要是腐生或寄生的丝状菌。例如，毛霉属（mucor）、 青霉属（penicllium）、镰刀霉（fusarium）、曲霉属（aspergillus）、和头孢霉属 （cephalosporium）等。这些真菌具有分解碳水化合物、脂肪、蛋白质及其它含 氮化合物的功能。原生动物。原生动物对废水的净化也起着重要作用，而且可作为处理系统运转管 理的一种指标。在活性污泥系统刚启动的初期，活性污泥尚未得到良好的培育， 混合液中游离细菌居多，处理水水质欠佳，此时出现的原生动物，最初为肉足虫 类（如变形虫）占优势，继之出现的则是游泳型的纤毛虫，如豆形虫、草履虫等 为主。原生动物还不断的摄取水松
8、的游离细菌，起到了进一步净化水质的作用。2.生物膜法 污水的生物膜处理法是与 活性污泥并列的以后总污 水好氧处理技术，其实质 是使细菌和真菌一类的微 生物和原生动物、后生动 物一类的微型动物附着在 涂料或某些载体上生长繁 殖，并在其上形成膜状生 污泥生物膜。该法是以生物膜为净化的 生物处理法。生物膜是扶 着在载体表面，以菌胶团 为主体所形成的黏膜状 物。生物膜的功能与活性 污泥法中活性污泥相同， 生物膜 cobod nhbod bodbod 奇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。右图为附着在生物滤池涂料上的生物膜的结 生物膜有好氧层
9、和厌氧层两个生物层面组成，有机物的降解主要是在好氧层内进行的，好氧层的厚度一般为2mm 左右。生物膜中的微生物 生物膜中的微生物主要有细菌（包括好养、厌氧及兼氧细菌）、真菌、放线 菌、原生动物（主要是纤毛虫）和微型后生动物，其中藻类和微型后生动物比活 性污泥中多。在生物膜的好氧层专性好氧的芽孢菌属（bacillus）的细菌占有优势；在厌氧层 有诸如脱硫化孤菌属（desulfovibrio）一类的专性厌氧细菌存在于膜和滤料的界 面上。滤膜上数量最多的细菌是兼氧性细菌，在生物膜上海经常能见到丝状微生 物，后两者往往存在于膜的厌氧层。在普通生物滤池、生物转盘等生物膜中，出现频率高的原生动物为纤毛虫类
10、和肉 足类，尤以纤毛虫类最多。与活性污泥不同的是呈分枝状增殖的种类如独缩虫 （carchesium）、累枝虫（epistylis）、盖虫（opercularia）等占优势，有时可见到 由这些种的数百个细胞组成的群体。在一个生物滤池中，上层常有植鞭毛虫分布， 那里有足够的有机物课供它们与细菌竞争。纤毛虫则在滤膜好氧层的各个部位均 能找到，不过在滤膜的表层是游动纤毛虫占优势，较下层为有柄纤毛虫占优势。在生物膜中出现的后生动物有轮虫类、线虫类、昆虫类、腹足类、寡毛类等。生 物膜上出现的飘体虫属（aeolosoma）、仙女虫属（nais）、吻盲虫属（pristina） 等刮毛种类，在每毫克干生物膜中有
11、时可达到1000 个以上。b.生物膜的主要特征 生物多样性高。能存活世代时间较长的微生物。生物膜处理法的各种工艺，都具有适于微生物生长栖息。繁衍的环境条件，生物膜上的微生物不会受到想活性污 泥那样强烈的搅拌冲击，易于生长增殖。食物链长。在生物膜上生长繁育的生物中，营养性动物的种类所占比例较大，微 型动物的存活率高。早生物膜上能够栖息高营养级水平的生物，在捕食性纤毛虫、 轮虫类、线虫类之上栖息着寡毛类和昆虫。具有较强的脱氮能力。硝化细菌和亚硝化细菌的世代时间都比较长，增殖速度较 小。生物污泥的生物固体平均停留时间与污水的停留时间无关，硝化细菌和亚硝 化细菌得意繁衍、增殖。生物膜处理法的各项处理工
12、艺都具有一定的硝化功能。优势菌群随水处理程度呈现规律性分布。生物膜处理法多分段进行，在正常运行 的条件下，每段都繁衍与进水本段污水水质相适应的微生物，并形成优势种属。操作运行稳定。生物膜处理法的各种工艺，对流入原污水水质、水量的变化都具 有较强的适应性。污泥沉降性好，宜于固液分离。有生物膜上脱落下的生物污泥，所含动物成分较 多，相对密度较大，而且污泥颗粒个体较大，沉降性能良好，宜于固液分离。能够处理低浓度有机废水，易维护，能耗低。活性污泥法与生物膜法比较 活性污泥法生物膜法 运行技术要求 高，需连续监视 低，不需连续监视 天气影响 受低温影响小 冬季易积水结冰 废水性质 对毒物冲击，负荷变化和
13、 废水种类敏感，有污泥膨 胀问题 抗冲击负荷和有毒物质， 适于多种污水，无膨胀问 出水水质悬浮固体低 悬浮固体较高 二次污泥 体积大，含水量高，难于 脱水，稳定性能低 体积小，含水低，高度稳 能量要求高，需要曝气混合，污泥 回流 低，自然通风，重力过流 公害 气味小，无蚊蝇，会有噪 耐久性不耐久，维护要求低 不耐久，维护要求高 c.生物膜法的种类 生物滤池。生物滤池分普通生物滤池（conventionalbiological filter）和高负荷生 物滤池（high rate biological filter）。塔式生物滤池（biological tower）。内部通风好，水流紊动剧烈，水
14、力冲刷较强。生物转盘（biological disc）。转盘浸入水中吸附有机物获得营养，转盘离开水面 后获得氧气。生物接触氧化（biological contact oxidation）。附着在填料上的微生物药靠机械充 氧获得氧气，氧化分解有机物。3.厌氧处理法 厌氧生物法是一种及节能有产能的废水生物处理工艺。因能源短缺和生产发展的 要求，促使废水厌氧生物处理技术在近几十年来有了迅速发展，新开发的现代废 水厌氧生物处理反应器不仅是高效能的，并可在常温下进行，不仅可处理高浓度 游记废水，而且可以吃力中低浓度有机废水。同好氧处理法相比，厌氧处理法具有许多明显的有点： 有机负荷高，去除率高。能降解许
15、多在好氧条件下难以降解的合成化学品。能源动力消耗少，且产能。剩余污泥量少。厌氧污泥可长期贮存，为季节性或间歇式运行提供方便。但是厌氧处理法也有很多的缺点： 污泥增加缓慢，对毒物敏感，启动时间长。出水水质一般达不到排放标准 厌氧处理系统在缺氧的条件下，利用厌氧菌（包括兼性厌氧菌）分解污水中有机 污染物的方法，又称厌氧消化或厌氧发酵法。厌氧消化器的一般构造图： 混合 气体 活性消化 热交换器 原生污水 污水厌氧发酵是一个极为复杂的生态系统，它涉及多种交替作用的菌群，各要求不同的基质和条件，形成复杂的生态体系。1979 年，m.p.bryant 提出三阶段理论。第一阶段为水解发酵阶段。在这阶段中，复
16、杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下， 首先分解成简单的有机物，经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪 酸和醇类。参与该阶段的水解发酵菌主要有厌氧菌和兼性厌氧菌。第二阶段为产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物 转化为乙酸和氢气，并有 co产生。第三阶段为产甲烷阶段。在这阶段中，产甲烷菌把第一阶段和第二阶段产生的乙 co等转化为甲烷。三阶段及甲烷产生的三阶段，示意图如下： a.参与厌氧消化过程的微生物 厌氧生物处理过程是一个连续的微生物学过程，参与厌氧消化的微生物类群总体 上可以分为两大类，既包括发酵细菌、产氢产乙酸菌及同型产乙酸菌在内的非甲 烷菌和产甲烷菌。非产甲烷
17、细菌 非产甲烷细菌（non methanogens）常称为产酸菌（acidogens），它们能将有机物 通过发酵作用产生挥发性有机酸（vfa）和醇类。发酵细菌群。发酵细菌群（fermentative bacteria，fb）种类很多，主要包括梭杆 菌属（fusobacterium）、拟杆菌属（bacteroides）、丙酸杆菌（propionibacterium）、 气杆菌属（aerobacter）等，主要参与复杂有机物的水解，并通过丁酸发酵、丙 酸发酵、混合酸发酵、乳酸发酵和乙酸发酵等将水解产物转化为乙酸、丙酸、丁 酸、戊酸、乳酸等挥发性有机酸及乙醇、 producingacetogens，
18、hpa）可将发酵细菌 产生的挥发性有机酸和醇转化为乙酸、 co。这类细菌大多为发酵性细菌， 已有专性产氢产乙酸菌（obligated producingacetogens，ohpa）。同型产乙酸菌。同型产乙酸菌（homoacetogens，homa）可将 co生物量： 多糖 蛋白质 脂肪 丙酸丁酸 产氢产乙酸细菌（厌氧） 乙酸 通过还原过程转化为乙酸。2.产甲烷细菌 常见的产甲烷细菌主要有：甲烷杆菌（methanobacterium），甲烷八叠球杆菌 （methanospirillum）。产甲烷的生理特性： 生长缓慢对环境变非常敏感 产甲烷细菌属古细菌 产甲烷细菌分离培养比较困难 3.硫酸盐还
19、原细菌 在含有硫酸盐的有机废水厌氧处理系统中，会有硫酸盐还原菌的生存。硫酸盐还 原菌（srb）是对具有硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等硫化物以及单质硫还原 形成硫化氢这一生理特性细菌的统称。如脱硫孤菌属（desulfovibrio）、脱硫杆菌 属（desulfobacter ）、脱硫球菌属（dersulflurococcus ）、脱硫肠状菌属 （desulfotomaculum）等。b.非产甲烷细菌与产甲烷细菌之间的关系 非产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物。非产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位。非产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质。产甲烷细菌为非产甲烷细菌的生化反应解除了反
20、馈抑制。非产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持适宜的酸碱环境。c.废水厌氧生物处理的工艺条件及其控制 严格厌氧条件。必须修建严格密闭的构筑物或反应器，以保证厌氧消化过程的正 常进行。营养条件。给微生物提供生长必须的营养条件，任何一种营养的不足，都会严重 影响微生物的生长，威胁系统的正常运行。温度。水温的变化对微生物细胞的增殖、内源代谢过程和群体组成的变化，以及 污泥沉降性能都有很大的影响。ph 值。产甲烷的最适ph 值是6.57.5，ph 大于8.2 或小于6 都将影响产甲烷菌 的活性。搅拌。搅拌对于厌氧反应器功能的政策市非常重要的。如果不搅拌，池内会明显 的呈现分层，出现浮渣层、液体层、污泥层。污
21、泥接种。由于产甲烷细菌繁殖速度慢，自然条件下，产生足量的产甲烷细菌虚 实较长。为了加速厌氧反应器，一般认为接种微生物，主要是接种产甲烷细菌。d.主要厌氧消化装置类型 常规消化池或普通消化池（convention digester），污水间歇地或连续的进入消化 池，出水由上部排出，沼气有顶部排出，设水力或机械搅拌装置充分混合，水力 停留时间等于固体停留时间，且无污泥回流。厌氧接触消化池（anaerobic contact digester）在常规消化池的基础上增设了污泥 回流装置，是消化池内的污泥浓度增至10%20%，效率较高，一般睡停留时间 约为110d。厌氧滤池（anaerobic filt
22、er,af）反应器内部会部分填充填料供微生物附着生长。填料有较大的比表面积和较高的孔密度。一般为上升式，需要早过滤后设沉淀池分离装置分离生物膜。升流式厌氧污泥床（upflow anaerobic sludge blanket，uasb）反应器是一个无填 料的空容器，运行时污水以一定的流速自下进入反应器，通过一个悬浮的污泥层， 料层和污泥菌体接触反应产生沼气气泡，气泡托起污泥使其上升，在上部有一个 气、液、固三相分离器，使污泥下沉，气水分离。二微生物在城市固体废物处理中的应用 国体废物是指人们丢弃的固体和泥状的污染物质。处理的方法有焚烧、填埋、综 合利用、生物法等。其中生物法主要利用微生物分解有
23、机物，制作有机肥料和沼 气，可分为好氧性堆肥和厌氧发酵法两大类。堆肥 堆肥法就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，有控制的促进 可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。堆肥可以分为好养 堆肥（高温堆肥）和厌氧堆肥两种。好氧堆肥 好氧堆肥法是在有氧的条件下，通过好氧微生物的作用是有机废物达到稳定化、 转变为有利于作物吸收生长的有机物的方法。堆肥的微生物学过程： （1）发热阶段：堆肥初期，主要由中温好氧的细菌和真菌，利用堆肥中容易 分解的有机物，如淀粉、糖类等迅速增殖，释放出热量，是堆肥温度不断升高。（2）高温阶段：堆肥的温度上升到 50以上，是进入了高温阶段。由于温
24、度上升和易分解的物质减少，好热性的纤维素分解菌逐渐戴特了中温微生物，这 是堆肥中除残余的或新形成的可溶性有机物继续被分解转化外，一些复杂的有机 物如纤维素，半纤维素等也开始迅速分解。（3）高温和腐热保肥接阶段：当高温持续一段时间以后，易于分解货较易分 解的有机物（包括纤维素等）已大部分分解。嗜热性微生物活动减弱，产热量减 少，温度逐渐下降，嗜热性微生物又逐渐成为了优势菌群，残余物质进一步分解， 腐殖质继续不断积累，堆肥进入腐热阶段。由于各种嗜热性微生物的最适温度各有不同，因此随着堆肥的变化，嗜热性微生 物的种类。、数量也逐渐发生着变化。在 50左右，主要是嗜热性真菌和放线菌， 如嗜热真菌属、嗜
25、热褐色放线菌、普通小单细胞菌等。温度在 60时，真菌几 乎完全停止活动，仅有嗜热性能放线菌与细菌在继续活动，分解着有机物。温度 升至 70时，大多数嗜热微生物已不适应，相继大量死亡，或进入休眠状态 b.厌氧堆肥法厌氧堆肥法是指在不通气的条件下，将有有机废弃物（包括城市垃圾、人畜粪便、 植物秸秆、污水处理厂的剩余污泥等）进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废 弃物无害化的过程。堆肥方式与好氧堆肥法相同，但堆内不设通气系统，堆温低， 腐热及无害化所需时间较长。厌氧堆肥要求封堆后一个月左右翻堆一次，以利于 微生物活动使堆料腐热。卫生填埋卫生填埋主要又分为厌氧、好氧、半好氧三种。目前，厌氧填埋因操作简单
26、，施 工费用低，同时还可以回收甲烷气体，而被广泛采用。好氧和半好氧填埋分解速 度快、垃圾稳定化时间短。填埋坑中微生物的活动过程 （1）好氧分解阶段：随着垃圾填埋，垃圾空隙中存在着大量的空气也同时被埋 入其中，因此开始阶段，垃圾只是好氧分解，此阶段时间的长短取决于垃圾分解 速度，可以由几天到几个月，好氧分解将填埋层中的氧耗尽以后便进入第二阶段。（2）厌氧分解不产生甲烷阶段：在此阶段，微生物利用硝酸根作为氧源，产生 硫化物、氨气和二氧化碳，硫酸盐还原菌和反消化细菌的繁殖速度大于甲烷菌。当还原状态达到一定程度以后，才能产甲烷，还原状态的建立于环境因素有关， 潮湿而温暖的填埋坑迅速完成这一阶段而进入下一阶段。（3）厌氧分解产甲烷阶段：在这一阶段，甲烷气的产量逐渐增加，当坑内温度 达到 55左右时，便进入稳定阶段。（4）稳定产气阶段：此阶段稳定的产生二氧化碳和甲烷。b.填埋厂气体利用 垃圾填埋以后，由于微生物的厌氧发酵，产生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、 氢气、硫化氢、氦气等气体，统称填埋气（lfg）。填埋场气体经过处理以后可 以作为能源加以利用。垃圾沼气燃烧供热或发电 垃圾沼气作民用燃料 垃
