微生物膜净化污水机理

一、微生物膜中的生物相及参与净化的微生物群

生物膜中生物相的种类与分布
(1)生物相的作用；生物膜中的微生物是以生物膜形态附着在固体滤料表面上，因此种类繁多的微生物是生物膜法的工作主体。处理后出水水质的好坏与微生物生物相密切相关，在生物膜反应器各个位置：都有特定的生物相。生物相的组成与性质特点，在生物膜法处理工艺中起着重要作用，对生物相的研究与分析可以从微生物角度考虑工艺设计的条件和参数，并为工艺合理化运行管理及技术革新提供依据。通过控制环境条件来控制池中的优势菌群，可做到增加或减少某一菌种类型的数目。
(2)生物相的分析；曝气生物滤池的生物膜是由滤料表面和滤料空隙之间截留的悬浮物、吸附胶体和繁殖的微生物所形成的。生物膜主要足由细菌组成的。1g生物膜有10^12个细菌，其表面积1200㎡。生物膜的菌种组成取决于污水中的污染物。曝气生物滤池中的生物膜是在明显的好气氧化过程中形成的，除了异氧菌外，在其中有大量的自氧菌，如亚硝化菌、硝化菌。除单细胞细菌外。生物膜中还生长着少量的丝状菌、酵母和个别的霉菌菌丝体。生物膜中的微型动物大部分是单细胞的原生动物，如肉足虫、鞭毛虫、纤毛虫和吸管虫。但在生物膜中还有构造比较复杂的后生动物，如轮虫、圆形蠕虫。
生物膜的所有微生物都积极参与有机物的矿化作用。细菌是有机物主要的矿化微生物。肉足虫吞食污泥颗粒，把一系列复杂的物质转化为简单的、方便其他种类微生物食用的物质。纤毛虫和其他原生动物起着细菌发展调节者的作用，从而为矿化过程造就有利条件，依靠往介质中分泌黏液，有助于细颗粒分散悬浮物的絮凝作用。
由于各种类型微生物的不同生理特性，它们之间形成了相互关联和互相制约的动态平衡体系，而这个体系直接影响、决定着处理效率。在曝气生物滤池中挂膜过程中，先出现新生指状菌胶团和丝状菌，出水COD去除率40%左右。外观有浊度，随着时间的延续，先后出现原生动物，出水CODcr、NH3-N去除率分别为80%、90%左右。出水外观清澈，镜检可观察黄色生物膜。周围有浅色菌胶团、丝状菌和固着型纤毛虫，生物膜成熟，系统运行稳定。
①原生动物的指示与代谢作用；由于原生动物对环境的要求不同，一种生物体在环境适宜的情况下，就大量繁殖，所以可以利用原生动物的种类、数量及形态上的变化，来判断污水处理系统内运行状况。
从曝气生物滤池运行初期到运行一段时间观察，生物膜上的生物均是由低等向高等演化的，其原因是低等生物对环境适应性强。因此，系统刚刚运行时，只见到大量的细菌，其他微生物很少或不出现。系统正常运行和生物膜降解良好时，相应地出现许多较高等的微生物。生物相中占优势的原生动物以固着型的纤毛虫为主。如钟虫、小口钟虫、等枝虫等，其次还有游泳性纤毛虫(如豆形虫)和匍匐性纤毛虫(如盾纤虫)等。系统运行稳定后，生物膜上的生物相也相对稳定，细菌与原生动物之间存在着制约关系，这是因为原生动物吞噬细菌群体的蔓延，而细菌被破坏又要不断生长，需要以水源中的有机物为食料，进而达到净化水质的目的。如果进水的营养状况有较大的改变，即系统非正常运行时，则原生动物中的游动型纤毛虫突然增加，固着型纤毛虫减少，或表现不正常(尾柄脱落，虫体消失)，伴随着丝状菌稀少和菌胶团松散，此时出水水质变差。
②微型后生动物的指示与代谢作用；在曝气生物滤他中的生物膜上存在着大量后生动物，如轮虫、线虫、瓢体虫等。这些以食肉为主的动物，能软化生物腆，促使生物膜脱落，从而经常保持生物膜的活性和良好的净化功能。生物膜是由低等向高等演化的，其原因是低等生物对环境适应性强，细菌最先出现，随着生物膜逐渐成熟。出现原生动物(如纤毛虫)，当系统运行更趋稳定时会出现后生动物。一方面它们对溶解氧和毒性特别敏感，可以作为监测处理系统稳定运行的标志。另一方面它们的捕食关系，可以维持处理系统的生态平衡，保证处理出水水质稳定。
③特殊动物的指示与代谢作用；菌胶团是指能凝聚呈绒粒的细菌，由低等细菌建立的胶黏物。菌胶团具有很强的吸附能力和分解能力，使有机物无机化。它对有机物的吸附和分解为原生动物和微型后生动物提供了良好的生存环境和附着场所。新生菌胶团颜色浅、透明、结构紧密、生命力旺盛、吸附和氧化能力强，而老化的菌胶团则与之相反。通过镜检观察菌胶团的颜色、透明度等外观情况可以判断生物膜中微生物的生长情况。
累枝虫对毒性的耐受力较一般钟虫强，通过镜检观察累枝虫和钟虫的数量、比例和活跃状况可以判断曝气生物滤池处理系统毒性物质情况。
有肋盾纤虫对缺氧非常敏感，它的存在说明生物体供氧良好，狭缩盖虫、铃兰钟虫、钟兰钟虫、吸针虫对缺氧也较敏感，同样是曝气生物滤池处理系统供氧良好的标志。而豆形虫和油鲽钟虫只有在高负荷缺氧情况下才大量出现，它们可作为供氧缺乏的标志。
线虫对氧不是非常敏感，而对有机质比较敏感。生物膜内层缺氧、外层好氧，在生物膜的中部可以为线虫提供良好的生存条件，间时，它的存在可以为内层提供更多的氧，因此线虫成为生物膜特有的代表。在曝气生物滤池中出现线虫，说明有机质已大量降解，生物膜也成熟了，但大量出现线虫.标志生物膜过厚，滤料堵塞，要反冲洗。
轮虫是好气动物，对缺氧和有机质非常敏感，只有当溶解性有机质基本分解为无机物，即BOD极低，H2S、CO2含量也很低，氮元素转化为硝酸盐。溶解氧正常时，才会出现一些轮虫，如玫瑰旋轮虫。因此轮虫可以作为曝气生物滤池系统处理出水水质稳定的标志性指示动物。
生物膜中参与净化的微生物群
如前所述，生物膜主要是由微生物及其胞外多聚物所组成，这些只有在光学显微镜下才能观察到其体形态的微生物，形态迥异，种类繁多，但归纳起来主要有细菌、真菌、藻类(在有光条件下)、原生动物和后生动物等，此外还有病毒。这些微生物群体，有的细胞结构简单(如原核生物)，有的细胞结构则较复杂(如真核生物)，而病毒只是非细胞的组织结构。

生物膜中的生物群与活性污泥中的生物群几乎没有大的差别，图2-5所示是活性污泥和生物膜食物链的比较。从图中可以看出，生物膜中微生物的食物链比活性污泥的长而且复杂。
(1)细菌、真菌类、藻类
①细菌；细菌是微生物胶的主体，而其产生的胞外多聚物为生物膜结构的形成奠定了基础。生物膜上细菌的种类取决于其生长速率和微生物膜所处的环境，诸如水中营养状况、附着生长状况、细菌在生物膜中所处的位置和温度等环境条件。根据所需营养的不同，细菌可分为无机营养型的自养菌和有机营养型的异养菌，其中异养菌是生物膜中的主要细菌类型，能够从流经生物膜表面的水中获得足够的营养底物。
按服细菌的生存是否需要和有无氧气，异养菌又可分为好氧异氧菌、厌氧呼吸型异养菌、厌氧异养菌和兼性厌氧菌四类。好权异养菌只能在有氧气存在的条件下生长，它们在呼吸过程中分解复杂的有机分子并从中获得能量，将电子通过一系列电子受体最终传给氧气，氧气便形成水。化学能以这种形式被转化成三磷酸腺苷(ATP)形式，以便用于微生物合成，在呼吸过程中，每个分子葡萄糖约形成38个分子的ATP (Brock等，1984)。呼吸是最为有效的能量代谢过程，底物中的C除了用于细胞自身合成外，其余的C均以CO2的形式释放出来。厌氧呼吸型异养菌是在厌氧条件下用氧以外的物质作为电子受体，如硝酸盐等。
电子通过电子传递系统转移给硝酸盐并使硝酸盐还原成N2。尽管每摩尔葡萄糖释放出的ATP少于有氧的情况，但厌氧呼吸仍是一个有效的能量产生过程。厌氧异养菌仅在没有氧气的条件下生长，这些细菌从发酵反应中获得能量，使有机化合物部分分解成低分子的化合物(如乙醇、乳糖、乙酸、琥珀酸等)并释放一些CO2。与好氧呼吸相比，发酵反应是不完全的，每分子的葡萄糖仅产生2个分子的ATP(Brock等，1984)。其他厌氧菌还能进一步发酵分解低分子的有机物，如硫酸盐还原菌。在更低氧化还原电位和没有硫酸盐存在的条件下，甲烷菌可以利用这些低分子产物(包括CO2和H2)并从中获得能量，最终产生甲烷。兼性厌氧菌既能在厌氧条件下进行发酵反应，也能在有氧条件下利用电子传递链将电子传递给氧，这类细菌的数量亦相当大。
细菌类中有生枝动胶菌、浮游球衣菌、白色贝氏硫细菌大量存在，而且在显微镜下都能观察到，在生物滤池生物膜调查报告中记录了属名的种类有：球衣菌、动胶菌、硫杆菌属、无色杆菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属、假单胞菌属、诺卡菌属、色杆菌属、八叠球菌属、粪链球菌、大肠埃希杆菌、副大肠杆菌属、亚硝化草胞菌菌属、硝化杆菌属等。
②真菌类；真菌是具有明显细胞核而没有叶绿素的真核生物，大多数具有丝状形态，包括单细胞的酵母菌(在一定条件下亦形成菌丝)和多细胞的酶菌。真菌可利用的有机物范围很广，特别是多碳类有机物，故有些真菌可降解木质素等难降解有机物。当污水中有机物的成分变化、负荷增加、温度降低、pH值降低和溶解氧水平下降时，很容易滋生丝状菌。
生物膜上的真菌类和活性污泥不同，繁殖很快，在营养和生物环境方面和细菌有竞争关系。如真菌类过分地占有优势。生物膜得以较快增殖并变厚。其菌类占优势的条件是温度、pH值、废水的性质、负荷等因素。一般来说，生物膜中还是以细菌占优势为宜。
生物滤池在冬季一般多见于真菌类大量增长而生物膜增厚现象，这是因为在真菌类中也有比其他微生物繁殖的最适温度低的种属，而且在低温时原生动物和后生动物的捕食活力也随之下降。
生物膜中常出现的丝状菌有：瘤胞属、灿烂微重真菌、红色浆酶、水镰刀霉、白地酶、皮状丝胞酵母等。此外，有时也出现茎点霉属、乳节水霉、纤细腐霉、红酵母属、毛霉属和水霉属等。
③藻类；藻类是受阳光照射下的生物膜中的主要成分，如在明渠和溪流的岩石上就经常发现有藻类，普通生物滤池表层滤料的生物膜中及附着生长污水稳定塘的填料上亦有大量的藻类。一些藻类(如海藻)是肉眼可见的，但绝大多数却只有在显微镜下才能观察到，有的只是单细胞，而有的则是多细胞结构。由于藻类含有叶绿素，故藻类能够进行光合成，亦即能将光能转化成化学能。尽管藻类不是生物膜主要的微生物类群，但其却作为水环境中的生产者。是受阳光照射下水体中的生物膜
微生物的主要构成部分。由于出现藻类的地方只限于生物膜反应器中表层很小部分，因而对污水净化不起很大作用。
生物膜中常出现的藻类有：小球藻属、绿球藻属、席藻属、颤藻属、毛枝藻属和环丝藻属等。
(2)原生动物；原生动物是动物界中最低等的单细胞动物，在成熟的生物膜中它们不断捕食生物膜表面的细菌，因而在保待生物膜细菌处于活性物理状态方面起着积极作用。原生动物或者以胞饮方式(一部分细饱壁凹入摄取外部环境中大分子并夹紧形成其体内液泡)摄取有机物质，或者以噬菌的方式吞噬细菌、藻类和其他粒子并消化作为它们的营养物质。在诸如滴滤池的污水处理生物膜反应器中经常可以观察到原生动物捕食并因此而影晌生物膜累计和性能的情况。从微视角度上讲，浮游的原生动物甚至通过在生物膜内运动产生紊动而影响到生物膜的深处的传质情况。原生动物主要包括鞭毛类、肉足类、纤毛类和孢子类。
生物膜中常出现的原生动物有：鞭毛类，气球屋滴虫、圆珠背钩虫、粗袋鞭虫、尾波豆虫、粗尾波虫、侧弹跳虫和活拨锥滴虫等。肉足类，变形虫属、简便虫属和表壳虫属等；纤毛虫类，侧盘盖虫、螅状独缩虫、沟钟虫、沟刺料管虫、集盖虫、巧盖虫、八条纹钟虫、有肋盾纤虫和珍珠映毛虫等。在1mL的生物滤池的生物膜污泥中通常可见肉足类100-4600个，鞭毛虫类200-13000个，纤毛虫类500-10000个，在种属和个数方面纤毛虫类都占有很大比例。
(3)后生动物；后生动物是由多个细胞组成的多细胞动物，属无脊椎型。生物膜中经常出现的后生动物有轮虫类(旋轮虫和蛭型轮虫等)、线虫类(如双胃线虫和杆线虫属)、寡毛类(爱胜蚓、颤蚓属和水丝蚓属)和昆虫(如毛蜢属)及其幼虫类。
①轮虫类；生物膜中出现的轮虫类的种属大体上和活性污泥相同，但个体数比活性污泥中的轮虫多得多。旋轮虫、轮虫属等的蛭型轮虫可以获得能够活动的场所，所以有时比原生动物增长得还快，而成为优势菌属。
②线虫类；生物膜中出现的线虫类的种属远比活性污泥中为多，在生物膜中经常都可以见到。生物膜中出现比较多的线虫有：小杆属、Pelodera、似杆线虫属、Mesorhabditis、Rhabditonema、Mononrhoides、双胃(线虫)属、杆线虫属等。
综上述可见，生物膜上的微生物相十分丰富，形成了由细菌，真菌和藻类到原生动物和后生动物的复杂的生态体系。这些微生物的出现与是否占优势常与污水水质和生物膜所处的环境条件相关，如负荷适当时常出现独缩虫属、聚缩虫属、累枝虫属、集盖虫属和钟虫等；负荷过高，真菌类增加，纤毛虫在绝大多数情况下消失，可以见到的有屋滴虫属、波豆虫属、尾波虫属等鞭毛类；负荷较低时可观察到盾纤虫属、尖毛虫属、表壳虫属和鳞壳虫属。后生动物如轮虫等大量出现时，能使生物膜快速更新，生物膜中的厌氧层减少，不会引起生物膜增厚，且生物膜脱落量也少；如果扭头虫属、新态虫属和贝日阿托菌属出现时，表明生物膜中的厌氧层增厚等。可见，微生物膜上的生物相可以起到指标生物的作用，由此可以检查、判断生物膜反应器的运转情况和污水处理效果。
在实际应用中，由于生物膜反应器所处理污水的组成通常不是单一的组分，故生物膜的生物相是相当丰富的，形成了由细菌、真菌等一系列微生物群体所组成的较为稳定的生态体系。这些不同菌种随生物膜厚度的变化有一定的分布，例如上层多为异养菌，而下层多为各种自氧菌。毫无疑问，细菌是生物膜中对有机物氧化分解起重要作用的微生物，在生物膜中所观察到的细菌种类基本有：硝酸盐还原菌，蛋白质H2S生成菌，白阮分解菌，硫酸还原菌，硫细菌，氨氧化菌，硝化细菌等。除细菌外，在生物膜中发现真菌也是较为普遍的，其中主要有：镰刀霉属，地霉属等。真菌对某些细菌难于降解的人工合成有机物有一定的降解能力。与活性污泥系统相比，在生物膜反应器中原生动物及后生动物的出现与否与反应器类型密切相关的。通常，原生动物及后生动物在生物滤池及生物接触氧化法中载体表面存在，然而对于三相流化床或是生物扰动床这类生物膜反应器，生物相中原生动物及后生动物量非常少。

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