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微生物与环境保护（转帖课件） 22/?

微生物学－十一章微生物与环境保护

内容提要：

本章介绍微生物本身作为病原菌和其代谢产物甲烷、硫化氢、氧化亚氮等对大气、水域和土壤的污染和富营养化等的问题及其控制方法；介绍了利用微生物来监测各种环境的污染的方法，如沙门氏菌 /Ames 法检测污染物的致突变性、发光细菌检测水域的污染程度；介绍了利用微生物对污染环境的治理与生物修复。利用好氧和厌氧微生物的各种方法生物处理有机废水和城市生活垃圾。

环境是人和一切生物赖以生存和发展的物质基础。保护环境是我们国家的一项基本国策，也是每个公民义不容辞的神圣职责。在自然界中，微生物扮演着污染者和净化者的双重角色。了解和掌握微生物与环境的相互关系，对防污治污、改善环境具有极为重要的意义。

内容提要

微生物对大气的污染及其防治
微生物对水体的污染
微生物对土壤的污染
微生物对食品的污染

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1楼

第一节 微生物与环境污染

环境污染主要是指人类活动所引起的环境质量下降而有害于人类及其他生物的正常生存和发展的现象。在导致环境质量恶化的诸因子中，微生物是一个不容忽视的污染因子。

一、微生物对大气的污染及其防治

大气是由多种气体组成的混合物，营养物质贫乏，理化条件多变，并非是微生物的天然生境。存在于大气中的微生物主要来自各种污染源。例如，① 寄生在人和动物体内的微生物，可以从呼吸道排出直接污染大气，也可以随排泄物（唾液、痰液、脓汁、粪便等）排至地面，然后随飞扬的灰尘进入大气。 ② 土壤里的微生物，可附着在细小的土壤颗粒上，并被风悬浮于大气中。③ 水体内的微生物，则可被水面吹起的小水滴和气溶胶携带至大气。污染大气的微生物种类较多。其中，八叠球菌、细球菌、枯草杆菌以及霉菌的孢子等对外界环境有很强的适应能力，可在大气中长期停留。

室外空气中的微生物数量与许多因素（人口密度、植物数量、土壤和地面的铺垫情况、以及气流、气温、湿度、日照等）有关。一般的垂直分布规律为：近地面空气中的微生物含量较大，随高度上升逐渐减少，至大气上层完全消失。室内空气中的微生物数量通常高于室外。在通风不良、人员拥挤时，菌体密度更高。在未经消毒的医院病房里，甚至可能出现大量的病原微生物，如结核杆菌、白喉杆菌、葡萄球菌、溶血链球菌、麻疹病毒、流行性感冒病毒等。空气的传播能力很强，一旦病原菌进人其中，便有可能使空气成为传播媒介，造成这些传染病流行。 2003 春 SARS 病毒即是主要通过空气飞沫近距离传播的。

某些微生物代谢产物，尤其是某些气态产物如甲烷、硫化氢和氮氧化物等，也可污染大气。由分布于沼泽、水稻田、江河海洋湖泊沉积物等厌氧生境中的产甲烷细菌产生的甲烷，硝化作用和反硝化作用过程中形成的氮氧化物，都是对全球气候变暖有重要贡献的温室效应气体。甲烷是仅次于二氧化碳的第二个重要的温室效应气体，且就单个分子而言，对于温室效应的贡献甲烷要比二氧化碳大好多倍。在富含硫氧化物的厌氧生境中，由硫酸盐还原细菌形成的硫化氢散发入大气，造成局部大气环境的污染，产生令人不愉快的恶臭气味，甚至可引起人类和动物的窒息和中毒。

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2楼

防治大气微生物污染的措施是：① 室内通风，借助气流来稀释和排除室内的微生物。影剧院、礼堂、会议室等人员拥挤的场所，均应采取这一措施。这也是防治非典的一个有效方法。 ② 空气过滤，对空气清洁程度要求高的场所，如手术室、无菌实验室等，可采用过滤器过滤空气，以除去带菌尘埃。③ 空气消毒，用物理法或化学法杀灭空气中的微生物。物理法主要是用紫外线照射。化学法主要是喷洒或熏氯甲醛、乙酸、次氯酸钠（或漂白粉）、三乙烯乙二醇、过氧乙酸、丙二醇等化学药剂。

二、微生物对水体的污染

水是一种良好的溶剂。水中往往溶解着一定量的无机和有机物质，可供微生物生长繁殖。然而，清洁水体的微生物含量并不高，通常每 ml 水中只有几十至几百个细菌。清洁水体的微生物以自养菌为主，对人类无害。常见的化能自养型细菌有硫细菌、铁细菌、鞘细菌。光能自养型细菌有绿细菌、紫细菌和蓝细菌。另外还有无色杆菌属、色杆菌属和微球菌属等腐生性细菌。

然而，清洁水体经常受到土壤、垃圾、人畜粪便、以及各种污水的污染。一旦这些污染物中的病原菌进人水体，或这些污染物引起某些藻类大量繁殖，就可使水质严重恶化，危害人类。

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3楼

（一）可检出的病原菌及其危害

1. 病原性细菌

沙门氏菌属 （ Salmonella ） 在病人粪便、畜栏粪污和屠宰场污水中，均可携带沙门氏菌。将这些废物排入水体，便可能引起沙门氏菌污染。如果排至水产养殖场，还可能污染水产品。沙门氏菌属中的伤寒沙门氏菌（ Salmonella typhi ）和副伤寒沙门氏菌（ Salmonella paratyphi ）分别是伤寒和副伤寒疾病的病原菌。有些沙门氏菌则可引起急性肠胃炎，造成食用者的集体中毒。

志贺氏菌属 (Shigella ) 存在于菌痢患者和短时带菌者的粪便中。水体遭受菌痢患者的粪便污染时，从中捕得的鱼体内可检测到这属细菌。志贺氏菌病主要通过食物或接触传染，假如饮用水源受到污染，极有可能导致水型痢疾的暴发流行。

霍乱弧菌 可引起霍乱病，它是一种通过饮用水传播的烈性传染病。

致病性大肠杆菌 粪便中的某些大肠杆菌能引起水泻、呕吐等病症，称为致病性大肠杆菌。其中，有的大肠杆菌能产生肠毒素而导致强烈腹泻，称为产肠毒素大肠杆菌。因此，携带致病性大肠杆菌的粪便污染水体时，可产生严重的恶果。

2 、钩端螺旋体

存在于已受感染的动物（如猪、马、牛、狗、鼠等）的尿液内、能以水为媒介，通过破损的皮肤或粘膜侵人人体，引起出血性钩端螺旋体病。

3 、病毒

存在于人的肠道里 并能通过粪便污染水体。在水型暴发的病毒性传染病中，研究较多的是传染性肝炎。流行病学调查证明，在世界各地传播的传染性肝炎 主要由水体污染所致。

4 、寄生虫

溶组织阿米巴是阿米巴痢疾的病原体，又称痢疾变形虫。阿米巴痢疾主要通过粪便污染食物和饮用水而传播。

防治水体病原微生物污染的主要措施是：① 加强对污水的处理。对于医院、畜牧场、屠宰场和禽蛋厂等部门的污水，必须处理达标，否则不许排放。 ② 加强对饮用水的处理。饮用水必须符合水质标准。对于农村的分散式给水 应采用煮沸或加漂白粉等方式消毒，以杀死水中可能存在的病原体。

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4楼

（二）富营养化及其危害

所谓富营养化是指含有氮、磷等营养物质的废水大量排入湖泊、河口、海湾等缓流水体，促使藻类以及其他浮游生物迅猛增殖，从而引起水质恶化，导致鱼类及其他生物大量死亡的现象。其指标为：氮含量超过 0.2~0.3mg/L ，生化需氧量超过 10mg/L ，水中的细菌总数超过 10 5 个 /L ，表征藻类数量的叶绿素 a 含量大于 10 μ g/L 。

在一般情况下，受氮、磷含量，特别是磷含量的限制，水体中藻类和浮游生物不致于过度增殖而出现富营养化。然而，当水体受废水污染时，营养物质的增加可导致自养型生物，尤其是藻类的剧增，生物种群也因此而改变。例如，水体中的藻类本来以硅藻为主，受污染后可变为以蓝藻为主。蓝藻的大量出现是水体富营养化的明显征兆。一旦水体达到富营养化指标，即可显示出富营养化带来的危害。

富营养化的危害有：① 造成水体透明度下降，影响水生植物的光合作用。② 某些浮游生物可产生生物毒素（如石房蛤毒素），伤害鱼类。③ 藻类及其他水生生物死亡后，其残体被好氧微生物降解而消耗水中的溶解氧。其残体被厌氧微生物降解则可产生硫化氢等有害气体，它们均可危及水生生物（主要是鱼类）的生存。④ 经过微生物的转化，在富营养化的水中，常常出现亚硝酸盐和硝酸盐，长期饮用这种水，人畜会中毒致病。

防治水体富营养化的措施为：① 严格控制营养物质（主要是氮和磷）进入水体。② 疏浚底泥，除去水草和藻类。③ 引入低营养水稀释。④ 饲养草食性或杂食性鱼类。

三、微生物对土壤的污染

在自然界，土壤是微生物栖息生长的最适环境。土壤中存在着种类繁多、数量巨大的各种微生物，它们构成了一个相对稳定的生态群落。一个或多个有害的微生物种群，从外界侵人土壤并在其中大量繁衍，可以破坏原来的动态平衡，对人类或生态系统产生不良影响。未经处理的粪便、垃圾、城市生活污水、以及饲养场和屠宰场的污物等，均可带入有害的微生物种群，造成土壤污染。其中，以传染病医院来经消毒处理的污水和污物危害最烈。

污染土壤的病原微生物类同于污染水体的微生物。它们不仅危害人类健康，也严重地危害植物，造成农业减产。例如某些植物致病细菌侵入土壤后，能够引起番茄、茄子、辣椒、马铃薯、烟草、颠茄等百余种茄科植物和茄科以外植物的青枯病，也能够引起果树的细菌性溃疡和根癌病。某些致病真菌则能够引起大白菜、油菜、芥菜。萝卜、甘蓝、荠菜等一百余种栽培和野生十字花科蔬菜的根肿病，也能诱发茄子、棉花、黄瓜、西瓜等多种植物的枯萎病，菜豆、豇豆等的根腐病，以及小麦、大麦、燕麦、高梁、玉米、谷子的黑穗病等。

要防治土壤的微生物污染，必须对污染源进行无害处理。并通过研究污染微生物在土壤以及生态系统中的迁移、分布和消长规律，采取相应的控制措施。

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5楼

四、微生物对食品的污染

病毒、细菌、真菌和寄生虫等可通过各种途径污染食品，造成极大的危害，详见 第十二 章微生物与食品。

内容提要

水体污染的微生物监测
微生物毒性的微生物检测

第二节 微生物与环境监测

环境监测是了解环境现状的重要手段，它包括环境化学分析、物理测定和生物监测三个部分。生物监测是一个利用生物对环境污染所发出的各种信息来判断环境污染状况的过程。生物长期生活于自然环境中，不仅能够对多种污染作出综合反映，也能对污染的历史状况作出反映。因此，生物监测取得的结果具有重要的参考价值。微生物监测是生物监测重要组成部分具有其独特的作用。

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6楼

一、水体污染的微生物监测

（一）、粪便污染指示菌

人畜粪便中携带有大量致病性微生物。如果将这类污染物排人水体，就可能引起各种肠道疾病和某些传染病的暴发流行。因此，对水体的粪便污染状况进行监测具有重要意义。

直接检测各种病原菌十分烦琐和耗时耗费。此外，由于水中的致病菌少，直接检测也很困难，即使检测结果阴性，也不能保证水中不含致病微生物。 因此，在水质卫生学检查中，通常采用易检出的肠道细菌作为指示菌，取代对病原菌的直接检测。若水样中检出这类指示菌，即认为水体曾受粪便污染，有可能存在致病菌。检测到的指示菌越多，污染越严重。

肠道细菌中的大肠菌群是普遍采用的粪便指示菌。在水质卫生学检查的结果中，常用“大肠菌群指数”和“大肠菌群值”作指标。大肠菌群指数是指每 L 水中所含的大肠菌群细菌的个数。大肠菌群值则是指检出一个大肠菌群细菌的最少水样量（ ml 数）。两者间的关系可表示为：

大肠菌群值 =1000 ／大肠菌群指数

我国饮用水的质量标准规定，大肠菌群指数不得大于 3 ，大肠菌群值不得小于 333ml 。

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7楼

（二）、有机污染指示菌

自然水体中的腐生细菌数与有机物浓度成正比。因此，测得腐生细菌数或腐生细菌数与细菌总数的比值，即可推断水体的有机污染状况。研究证明，这种推断与实测结果十分吻合。根据水体中腐生细菌的数量，可以将水体划分为多污带、中污带和寡污带（表 11-1 ）。按照腐生细菌数与细菌总数的比值，则可以把水体分为 α - 腐生带、 β - 腐生带和多 - 腐生带（表 11-2 ）。

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8楼

表 11-1 污水带的划分及其特征

污水带、特征

多污带

甲型中污带

乙型中污带

寡污带

腐生细菌数(个 /ml )

10 5 至 10 6

10 5

10 4

10 至 10 4

有机物

含大量有机物，主要是蛋白质和碳水化合物

主要是氨和氨基酸有机物含量少

有机物含量极微

溶解氧

极低或几乎没有，厌氧性

少量，半厌氧性

较多，需氧性

很多，需氧性

BOD 5

非常高

较高

较低

很低

表 11-2 细菌数与腐生带的划分

样点号

细菌总数（ 10 6 个 /ml ）

腐生细菌数（ 10 3 个 /ml ）

腐生菌数 / 总菌数（ % ）

腐生带

波动范围

平均

波动范围

平均

1

1.7~3.3

2.5

0.2~1.9

1.1

0.04

β - 腐生带

2

1.6~3.4

2.4

0.9~3.0

2.0

0.08

β - 腐生带

3

1.9~3.0

2.5

0.2~6.0

2.9

0.11

β - 腐生带

4

4.3~5.0

4.6

9.7~16.5

13.3

0.30

α - 腐生带

5

1.8~3.6

2.6

1.4~6.2

3.0

0.11

β - 腐生带

6

3.5~6.8

4.8

59.2~175.2

116.0

2.42

多 - 腐生带

7

3.1~4.4

3.7

19.2~20.5

20.0

0.54

α - 腐生带

8

2.0~2.7

2.3

10.3~36.2

20.2

0.84

α - 腐生带

9

2.3~6.9

4.0

10.8~147.6

64.9

1.62

多 - 腐生带

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9楼

二、污染物毒性的微生物检测

（一）、致突变物与致癌物的微生物检测

关于人类癌症的起因众说纷纭。一般认为化学物质是主要诱导因素。目前，世界上已有 7 万多种化学物质，而且还在不断迅速增加。对数量如此之大的化学物质逐一进行致癌性检测，采用传统的动物实验法极难做到。为此，一些快速准确的微生物检测法应运而生。沙门氏菌 / 阿姆斯（ Ames ）试验法就是其中应用最广的一种。

沙门氏菌 / 阿姆斯（ Ames ）试验法是由美国阿姆斯（ Ames ）等创立的一种致突变测定法。在该测定方法的设计中，利用了组氨酸营养缺陷型鼠伤寒沙门氏菌（ Salmonella typhimurium ）可发生回复突变的性能。常用的有 5 个菌株。在没有受到致突变物作用时，它们不能在无组氨酸的培养基上生长。受到致突变物作用后，由于细菌 DNA 被损伤，它们可通过基因突变而回复为野生型菌株，从而可在不含组氨酸的培养基上正常生长。野生型与组氨酸营养缺陷型沙门氏菌间的关系如下：

野生型 his +

营养缺陷型 his -

阿姆斯（ Ames ）试验法的准确性很高。有人曾将烷化剂、亚硝胺类、多环芳烃、芳香胺、硝基呋喃类、联苯胺、黄曲霉毒素、氯乙烯、 4- 氨基联苯、抗癌药物等 175 种已知致癌物，进行阿姆斯（ Ames ）试验，结果发现其中 157 种呈阳性反应，吻合率达 90 ％。将 108 种已知非致癌物进行测定，结果其中 94 种呈阴性反应，吻合率为 87 ％。

（二）、发光细菌检测测

发光细菌的发光强度是菌体健康状况的一种反映。在正常情况下，这类细菌在对数生长期的发光能力很强。然而，在环境不良或存在有毒物质时，其发光能力减弱，衰减程度与毒物的毒性和浓度成一定的比例关系。通过灵敏的光电测定装置，检查发光细菌受毒物作用时的发光强度变化，可以评价待测物的毒性大小。这种采用发光细菌检测污染物毒性的方法，称为发光细菌检测法。目前研究和应用最多的发光细菌是明亮发光杆菌（ Photobacterium phosphoreum ）。

美国贝克曼 (Beckman) 公司制造的微量毒性分析仪就是一种发光细菌检测仪，操作极为方便，测定一个样品不到半小时，所得结果与鱼类毒性试验一致。

内容提要

污染环境的自净
污染环境的微生物修复

第三节 污染环境的微生物治理与修复

环境污染是由于进入环境的某种物质的数量超过了环境所能接受的容量或进入的速度在某一时间内超过了环境中物理、化学和生物因素对进入物所能进行的沉淀、吸附、结合、分解、利用的速度而使其积累的现象。如果污染物进入环境的速度和数量都在环境可接受的容量范围内和污染物只是瞬时性地进入环境，环境可通过自己的自净能力逐步消除污染物，不需人为的进行污染环境治理。如果污染物进入环境的速度和数量都大大超出了环境可接受的容量范围和污染物源源不断进入环境，环境则难以通过自己的自净能力逐步消除污染物，必需人为的进行污染环境的治理。

一、污染环境的自净

环境自净是指环境受到污染后，在物理、化学和生物特别是微生物的作用下，污染物被逐步降解、消除并达到自然净化的过程。在环境自净中，微生物具有十分突出的作用。微生物的一大特点是其代谢类型多种多样。自然界中的各种物质，特别是有机化合物，几乎都可被微生物降解或转化。就是许多污染环境的人工合成物，也有微生物“正学着”如何分解。

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10楼

（一）、水体微生物的净化作用

水体微生物的净化作用，也即水体自净作用，是指水体中的微生物氧化分解（包括需氧分解和厌氧分解）有机污染物而使水质得到净化的过程。需氧微生物可将有机污染物氧化分解成简单、稳定的无机物如二氧化碳、水、硝酸盐和磷酸盐等，同时消耗一定量的溶解氧。耗去的溶解氧可通过水体表面的空气扩散和水生植物的产氧型光合作用得以复氧。耗氧和复氧是同时进行的。溶解氧的动态变化反映了水体中有机污染物净化的进程，因而可作为水体自净的标志。溶解氧的动态变化常用氧垂曲线表示。 如图 11-1 所示， A 为有机物分解的耗氧曲线， B 为水体复氧曲线， C 为氧垂曲线，最低点 Cp 为最大缺氧点。若 Cp 点的溶解氧含量大于有关规定的指标值，说明从溶解氧的角度看，污水的排放没有超过水体的自净能力。若排入有机物过多，超过水体的自净能力，则 Cp 点的溶解氧含量就会低于有关规定的下限值，甚至在排放点下游出现无氧区，使氧垂曲线中断，水体失去自净能力。在无氧条件下，有机污染物可被厌氧微生物分解，产生硫化氢、甲烷等，使水质恶化变黑发臭。

图 11-1 水域的氧垂曲线

水体中的生物群也可反映水体自净过程。水体被污染时，由于增加了大量营养物质，可导致耐污性微生物，特别是异养型细菌的大量增殖；对污染敏感的蜉蝣稚虫、鲭鱼、硅藻等则会消失。经过一段时间净化后，以吞食细菌为主的原生动物可在水体中发展。以无机营养物为食的藻类，如某些蓝、绿藻，则只有在污染物被彻底降解，并释放出足量氮、磷后，才能大量增殖，并占优势、通过上述作用，水质恢复洁净，水中的生物群落结构也随之恢复正常。

根据不同水体的自净规律，充分利用水体的自净能力，在保证水体不受污染的前提下，合理安排生产布局，减轻有机污染物人工处理的负担，以最经济的方法控制污染。

（二）、土壤微生物的净化作用

天然土壤具有纯自然属性。人类最初开垦土地，主要是从中索取更多的生物量。在所开垦的土地逐渐变得贫瘠时，人们就向农田补充一些物质——肥料。在获得新肥力的同时，农田也受到了污染。譬如，施用人畜粪尿作肥料，可保持农田良好的生产性能，但病人的病原菌也可引起土壤的微生物污染。随着现代工农业生产的飞跃发展，施入农田的农药和化肥不断增加，土壤的污染程度日趋严重。目前，有杀虫效果的化合物已超过 6 万种，大量使用的农药也有 50 余种。农药对土壤的污染已引起土壤生产力和农产品质量的明显下降。

残留于土壤内的农药，经过生物主要是微生物的作用，经历种种复杂的转化、分解，最后将农药分解为二氧化碳和水。如果将土壤进行高压灭菌或采用抑菌剂处理，农药在土壤中的降解速度就会降低，甚至完全停止。研究表明，在未经消毒的土壤中，除草剂“敌草隆”的降解速度明显高于用氯化苦熏蒸消毒的土壤。前者， 6 周内敌草隆降解近半；而后者仅降解 1/10 。

微生物降解许多结构复杂的农药是借助共代谢作用进行的。所谓共代谢是指微生物在其他因子的协同作用下降解某些污染物的现象。其具体表现为：① 依靠环境提供营养物质。例如，只有在蛋白脂类物质存在时，直肠梭菌（ Clostridium rectum ）才能降解丙体 666 。 ② 依靠其他微生物协同作用。例如，链霉菌 ( Streptomyces ) 和节杆菌（ Arthrobacter ）可协作降解农药二嗪农的嘧啶环，两菌单独存在则均不能作用。③ 需有诱导物存在。例如，只有经正庚烷诱导后，铜绿假单胞菌（ Pseudomonas aeruginosa ）才能产生羟基化酶，使链烷羟基化为相应的醇。

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11楼

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12楼

微生物对有机氯农药 2,4-D 和有机磷农药对硫磷的降解，已有较多的研究报道。 2,4-D 是农业上广泛应用的具有高度选择性的内吸性除草剂。在高浓度下， 2,4-D 具有良好的除草效果，常用于杀除阔叶的双子叶植物；但低浓度 (1mg/L) 时则对植物有刺激生长作用，常用于促进早熟和生根，防治落花落果和倒伏等。 2,4-D 的微生物降解过程如图 11-2 所示。由于初期的微生物数量不多，降解十分缓慢，经过延缓期后，降解速度加快。至一个月左右， 2,4-D 完全消失。对硫磷是一类有机磷杀虫剂。微生物对这类杀虫剂降解明显快于有机氯农药。常见的反应机制是酯酶水解。对硫磷的降解途径为：

图 11-2 2,4- D 的微生物降解过程

二、污染环境的微生物修复

污染环境的生物修复（ bioremediation ）早在上一世纪 80 年代就开始了。生物修复也曾称生物恢复 (biorestoration) 、生物清除 (bioelimination) 、生物再生 (bioeclamation) 和生物净化 (biopurification) 等。即是人为地利用和加强生物的代谢活动和其代谢产物降解和富集有毒有害污染物，从而恢复被污染环境的生产价值或景观价值的一个受控和自发进行的生物学过程。可利用于污染环境生物修复的生物可以有植物、动物和微生物。如利用芦苇发达的根系分解芳香族化合物，利用某些能富集重金属的植物来处理重金属污染土壤。利用蚯蚓分解农药污染土壤等。但微生物是污染环境自净和修复的主要贡献者。

污染环境生物修复可用原位 ( in situ ) 和异位（ ex situ ）或离位 ( off situ ) 两种不同方式进行。原位方式即是在污染环境原地进行技术性生物治理，不需将污染的土壤或水体转移。而异位方式是将污染土壤或水体转移至指定地点进行集中处理。生物修复的基本方法：一是进行生物扩增，即种植或接种具有降解和富集功能的植物或微生物；二是进行生物性刺激，即施加生物活性物质，刺激和促进土著微生物的生长和增殖，发挥其分解作用。

第一种方法是针对污染环境的主要污染物，选择具有降解这种污染物的微生物，通过发酵工程获得大量活性微生物，直接投加入污染土壤和水体，使污染环境中能降解这种污染物的微生物种群在数量上有极大的人为增强，促使污染物在较短时间内能得到有效降解乃至完全消除。第二种方法是运用给污染环境添加有针对性的营养物、电子受体和表面活性剂等物质，给污染环境中的有关微生物种群创造提高生物活性的条件，有利于微生物对污染物的降解和转化。在某些污染环境中由于污染物的不同，可能缺乏氮源物质，如原油污染环境；或者缺乏碳源物质和能源物质，如高氮施用环境。也有可能污染环境中缺乏微生物所需要的电子供体，如在厌氧环境中缺乏氧气，或 NO 3 - ， SO 4 2- ， CO 2 ， Fe 3 ＋ 等。许多污染物是非水溶性物质如石油、 PCBs 、 PABs 等，微生物难以接触污染物因而难以快速降解这些污染物。在生物修复过程中，如能有针对性的加入营养物或电子供体或表面活性剂，必将极大的有利于微生物的生长与降解污染物能力的提高。原位修复和异位修复都可通过这两种方法加速污染环境污染物的降解和消除。在大面积污染情况下，利用原位修复方法进行生物修复，如可用投加活菌，投加各种有效物质刺激微生物大量增殖，改善污染土壤和水体的通气条件，促进相关微生物的大量增殖与快速降解。在污染环境是一种少量可转移的情况时，可利用异位修复方式进行生物修复，如利用生物反应器法 (bioreactor) 、预制床法 (prepared bed) 、堆制法 (composting) 、生物堆层法 (biopiles) 等不同的方法。

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13楼

第四节 微生物与有机废水好氧生物处理

废水生物处理是指通过微生物的代谢作用，使废水中呈溶液、胶体以及微细悬浮状态的有机污染物，转化为稳定无害的物质的废水处理法。根据微生物对氧的要求不同，废水生物处理可分为好氧生物处理和厌氧生物处理两种类型。好氧生物处理的使用极为普遍。按照微生物在反应器中的生长状态，好氧生物处理又可细分为活性污泥法和生物膜法。

一、活性污泥法

活性污泥法又称曝气法，是以废水中的有机污染物作为培养基（底物），在人工曝气充氧的条件下，对各种微生物群体进行混合连续培养，使之形成活性污泥。并利用活性污泥在水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀等作用，去除废水中的有机污染物的废水处理方法。活性污泥法是人们所常用的废水生物处理法。

1 、活性污泥法的基本流程

活性污泥法的基本流程如图 11-3 所示。它是英国最初采用的传统活性污泥法流程。流程中，活性污泥通过回流，与废水一起进人曝气池，彼此相互混合和接触，有机物质由活性污泥内的微生物去除。

图 11-3 活性污泥法的基本流程

2 ．活性污泥及其生物相

活性污泥是栖息着具有生命活力的微生物群体的絮绒状污泥。它是活性污泥法系统去除有机污染物的主体。活性污泥中的生物相十分丰富，有细菌、真菌、原生动物和后生动物等。细菌是使活性污泥具有净化功能的主要微生物，其数量约 l0 8 ~10 9 个 /ml 。活性污泥中常见的细菌有动胶杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌、小球菌、黄杆菌、产碱杆菌、无色杆菌、产气杆菌等。哪些细菌占优势，取决于有机污染物的种类。这些细菌多以菌胶团的形式存在，呈游离状态的较少。菌胶团是由细菌分泌的蛋白质、多糖和核酸等胞外聚合物包埋胶结而成的细菌团块。它赋予细菌抵御外界不利因素的能力，并使活性污泥自身具有良好的凝聚沉淀性能。菌胶团的形状各异，有分枝状、片状、垂丝状和蘑菇状等。

在活性污泥中，经常出现丝状菌，如球衣菌、白硫菌和丝硫菌等。球衣菌对有机物有较强的分解能力，但如果繁殖过多会诱发“污泥膨胀”，影响污泥沉淀，降低处理效果。

活性污泥中的原生动物有鞭毛虫、根足虫、纤毛虫和吸管虫等，总数可达 5x10 4 个 /ml 。它们多以游离细菌为食。如水质和运行条件发生变化，它们的种属也会随之改变。在一定程度上，出现的原生动物反映了水质状况或处理效果，因此称为指示生物。例如，初期往往鞭毛虫类占优势，然后，纤毛虫类取而代之，渐居优势。当活性污泥成熟，且处理效果良好时，匍匐型或附着型的红毛虫将成为优势种群。

活性污泥中有时也出现以轮虫为主的多细胞后生动物。轮虫一般生活于有机质含量很低的水中，因此，轮虫的出现说明污水处理效果良好。反之，轮虫数量过多则是活性污泥老化的反映。

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14楼

二、生物膜法

生物膜法又称生物过滤法，是指使废水流过生长在固定支承物表面上的生物膜，并通过生物氧化和各相间的物质交换作用，去除废水中有机污染物的废水处理法。生物膜法是人们模拟土壤自净过程而创造的。现生物膜法得到了很大发展，已成为颇受欢迎的废水处理方法。

（一）、生物膜法的基本流程

生物膜法处理有机废水的基本流程如图 11-4 所示。废水先流入初沉池，以除去废水中可能出现的悬浮固体，保证生物膜法的反应器——生物滤池不受堵塞，并减轻其处理负荷。

（二）、生物膜及生物相

图 11-4 生物膜法处理有机废水的基本流程

1 、生物膜的形成、脱落和更新

生物膜是指附着在滤料表面的一层充满微生物的粘膜（图 11-5 ）。废水有机物的降解和去除主要依靠生物膜。在生物滤池的运行中，废水经布水器均匀地洒到滤料表面，并呈涓滴状向下流动。此时，一部分废水被吸附于滤料四周，成为滤料的附着水层（薄膜），另一部分废水则可在附着水层表面滑过。滤料间隙内持有空气，可溶入水层而供作溶解氧。由于条件适宜，附着水层中的需氧微生物即利用废水中的有机物质而大量繁殖。此外，滤料表面也可吸附胶体物质和截留悬浮物质，从而在滤料表面逐渐形成一层充满微生物的“生物膜”。

图 11-5 生物膜及其对有机物的去除作用

由于可以源源不断地从废水中获得营养，生物膜上的微生物不断增殖，膜逐步增厚。当生物膜超过一定厚度时，膜内层就难以得到足够的氧，并由此使需氧分解转变为厌氧分解，导致需氧微生物逐渐衰老死亡，最终使生物膜从滤料表面脱落，随水流至二沉池。脱膜的滤料表面又可重新形成生物膜，并如此不断更新。

2 、生物膜的生物相

生物膜的生物相十分丰富，所包含的微生物种类很多，有细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物、以及肉眼可见的微型动物。

细菌和真菌 细菌是生物膜的主要微生物，有假单胞菌属、芽孢杆菌属、产碱杆菌属、动胶杆菌属和球衣菌属。其中球衣菌属是一种丝状菌，对有机物具有很强的降解能力。在生物滤池纵向的各层生物膜中，细菌的种类和数量均有差异。滤池顶层，生物膜内的菌数一般较多，底层则较少。顶层多为异养菌，底层则多为自养菌。真菌也普遍存在于生物膜中，主要有镰刀霉属、地霉属和浆霉属等。真菌对某些人工合成的有机物（如腈）有一定的降解能力。

原生动物和后生动物 原生动物和后生动物都属微型动物，栖息于滤池底部生物膜的好氧表层。出现微型动物表明生物膜已经培养成熟。在生物滤池运行初期，多出现豆形虫一类的游泳型纤毛虫。运行良好时，则以钟虫、独缩虫、等枝虫、盖纤虫等固着型纤毛虫为主。原生动物能吞食细菌，特别是游离细菌，对改善生物滤器的出水水质具有积极而重要的作用。当溶解氧十分充足时生物滤器内常见有后生动物线虫，它们以细菌、原生动物为食料。

生物滤器中的微生物生态分布是：从顶部到底部，微生物种类由少到多，微生物系统由低级到高级。顶部生物膜以细菌为主，多为菌胶团，不见或少见原生动物。中部生物膜除大量细菌外，豆形虫、滴虫、变形虫等原生动物的数量逐渐增多。底部生物膜中原生动物数量更多，种类有钟虫、芽枝虫、盖纤虫等，细菌数量则少。

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15楼

第五节 微生物与有机废水厌氧生物处理

废水厌氧生物处理是利用厌氧微生物降解废水中的有机污染物，使之得到净化的废水处 理法。由于它有运行能耗低、剩余污泥量少，且可回收沼气等显著优点，现已逐步在有机废水，特别是高浓度有机废水处理中推广应用。

一、废水厌氧生物处理的微生物学原理

废水厌氧生物处理实际上是利用沼气发酵的微生物学原理和特定装置，将废水中的有机物质转化为甲烷的过程。在厌氧生物处理中，产甲烷细菌位于食物链的末端，非产甲烷细菌只能将复杂有机物降解转化为乙酸，而乙酸依然溶解于水中，不能脱离水体，不能达到净化废水的目的。只有产甲烷细菌参与作用，将累积在废水中的中间代谢产物转化为甲烷，并利用甲烷极难溶于水的特性而离开水体，废水才能得以净化。因此产甲烷细菌对有机污染物最终从水中除去起着关键作用。

二、两种代表性的厌氧生物处理工艺

与好氧生物处理一样，厌氧生物处理也可区分为厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法两类。上流式厌氧污泥床工艺和厌氧滤池工艺分别是它们的典型代表。

（一）、上流式厌氧污泥床工艺

上流式厌氧污泥床工艺是由荷兰莱丁格（ G. Lettinga ）教授于 1974~1978 年首创的高效厌氧生物处理工艺。目前，已在许多国家的废水生物处理中实际应用，现规模最大的装置容积高达几千甚至上万 m 3 。

1 、上流式厌氧污泥床工艺的基本流程

上流式厌氧污泥床工艺的基本流程如图 11-6 所示。废水先进入初沉池中，沉降除去砂和大部分悬浮固体。经初沉池预处理的废水引人厌氧污泥床反应器，并通过其中厌氧颗粒活性污泥的作用，降解转化为沼气。然后再经上部三相分离器的作用，使气、液、固三相分离。气体接入贮气柜，上清液排至二沉池，经沉淀处理后排出处理系统。污泥回流至反应器内，重新使用。

图 11-6 厌氧污泥床工艺的基本流程

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2 、上流式厌氧污泥床反应器的结构和性能

小型上流式厌氧污泥床反应器的关键结构是装置上部的三相分离器。三相分离器的工作原理是：让附有气泡而上升的颗粒污泥重新返回装置中。其工作过程如图 11-7 所示。反应器中含有沼气、活性污泥及废水的混合液上流至三相分离器时，通过与分离器外部结构的撞击，部分附着至颗粒污泥上的气泡可被分离，未被分离的混合液则继续流进三相分离器。在分离器内，来自各个方向的混合液可以相互撞击至液 - 气界面时，颗粒上残留的沼气因膨胀而释放。此时，污泥大部分返回反应器，仅小部分随水流进沉淀室，由于该部位水流平缓，这些污泥也会在重力作用下沉淀而与出水分离，最后经浓缩回到反应器中。通过三相分离器的有效分离，厌氧污泥床反应器底部可出现一个浓度高于 80g/L 的污泥层，其上部的悬浮污泥层浓度也可高达 20~40g/L 。这样就为厌氧污泥床工艺的高效运行奠定了基础。

图 11-7 三相分离器的结构和工作原理

厌氧污泥床底部的高浓度污泥层，具有很强的吸附能力。当废水从反应器底部进人污泥 床、且与其混合后，废水中的有机物可迅速被厌氧颗粒污泥吸附。尔后摄入微生物体内，经各种细菌生理群的协同代谢，最终转化为沼气。沼气以微小气泡的形式不断上逸，并在此过程中相互合并，逐渐形成较大的气泡，最后经集气室而引出反应器。废水得到净化。

（二）、厌氧生物滤池工艺

厌氧生物滤池工艺是世界上最早使用的废水生物处理方法之一，近年来的研究和应用都并取得显著成果，逐步推广应用。

1 、厌氧生物滤池工艺的基本流程

厌氧生物滤池工艺的基本流程如图 11-8 所示。由于厌氧滤池内充有填料，对废水中的悬浮物反应敏感，因此在废水进入滤池前，应通过初沉池将其大部分沉淀去除。废水流入厌氧生物滤池后，逐层上流，并被附着在滤料表面的厌氧生物膜降解转化为沼气，使废水得以净化。滤池出水中会夹带一些生物膜，为保证出水质量，应通过二沉池分离去除。

图 11-8 厌氧生物滤池工艺的基本流程

2 、厌氧生物滤池的结构和性能

厌氧滤池常设计成圆柱形。下部设有布水器，使进水均匀地分布在整个滤池截面。上部设有集气室，有机物转化产生的沼气可在此收集。中间大部分空间充以填料。填料的种类很 多，碎石、煤渣、塑料制品均可采用。所应用的填料应有较大的比表面积，以便为厌氧微生物提供较大的附着生长场所。

在厌氧生物滤池中，关键结构是填料。为了使厌氧生物滤池取得运行的高效，填料表面必须生长起足够数量的生物膜。填料还有机械截留作用，可将游离于发酵液中的微生物持留在填料缝隙中，以增加整个厌氧生物滤池中的微生物总量。填料的有效作用，可使滤池获得很高的污泥浓度，从而保证其高效运行。

3 、厌氧生物滤池对有机污染物的去除过程与效率

附着在厌氧滤池料上的生物膜，具有很强的吸附和代谢能力。当废水经布水器均匀地分布 在整个滤池断面，并由下向上流动时，一部分被滤料四周的厌氧生物膜吸附成为附着水层，另一部分则可在附着水层表面流过。生物膜中的厌氧微生物能够协同代谢，优先将附着水层中的有机物降解、转化成甲烷、二氧化碳、水等。经过传递，这些产物可以离开附着水层。在此情况下，附着水层内的有机物浓度迅速下降。当流动水经过附着水层表面时，由于彼此间存在浓度差，流动水中的有机物就可扩散传递给附着水层，并由此维持废水净化过程的不断进行。