《废水生物处理》(第一章-微生物在环境净化中的作用).ppt

,*,*,*,*,参考教材：,1、须藤隆一 著,俞辉群等 编译.水环境净化及废水处理微生物学.北京：中国建筑出版社,1988.,2、C.P.Leslie Grady.Jr.,Glen T.Daigger,Henry C.Lim 著,张锡辉,刘勇弟 译.废水生物处理（第二版,改编与扩充）.北京：化学工业出版社,2002.,3、许保玖,龙腾锐.当代给水与废水处理原理（第二版）.北京：高等教育出版社,2000.,废水生物处理,东南大学研究生课程,11/18/2025,1,第一章 微生物在环境净化中的作用,1.1 微生物的特征,1,微生物种类,狭义上：微生物包括细菌、真菌、病毒等；,广义上：还包括原生动物和藻类等。,环境微生物学必须把存在于环境中的所有微生物作为研究对象，包括,细菌,、,真菌,、,病毒,、,微型藻类,和,原生动物,，还有一部分小于,1,2mm,的,微小后生动物,，即袋形动物、环节动物、节肢动物也作为微生物加以探讨。,11/18/2025,2,2,微生物形态及与污水处理的关系,（,1,）细菌,1,）细菌在污水处理中的作用,与所有生物一样，细菌从氧化反应中移出电子，获得能量和还原势。废水中本来含有的或是在处理过程中产生的,有机物,和,无机物,是最重要的两类电子供体。,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,3,有些兼性菌具有发酵特性，即在无氧时利用有机化合物作为替代性最终电子受体，产生还原性的最终有机物。其它兼性菌能够进行无氧呼吸，以无机化合物作为电子受体。,最重要的兼性菌是能够完成,反硝化的细菌,，即将NO,3,-,-N还原为N,2,，此时反硝化菌以硝酸盐作为电子受体。,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,6,2）污水处理中的常见细菌,组成活性污泥的细菌中，一般通过显微镜可以确认的细菌有形成,絮凝体,的细菌生枝动胶菌和形成,丝状体,的细菌球衣菌属。,动胶菌属,是活性污泥絮凝体的重要组成，菌体由明胶状物质加以包覆，经常以指状、树枝状和云状方式增长。动胶菌所形成的絮凝体化不仅有利于细菌的淘汰，而且对污泥中的生物相起保护作用。,球衣菌属,是会形成一种杆菌排列在透明鞘内的丝状体，而这种丝状体往往呈假分枝状。,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,7,第一章 微生物在环境净化中的作用,表1-1,气杆菌属具有固氮能力，棒杆菌属没有固氮能力，但却可以在污水处理过程中作为贮存物质而产生大量果聚糖。,11/18/2025,8,3）细菌的形态：体型小（0.2m,80m），缺乏一定的形态特征。分为球菌、双球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌、链球菌、短杆菌、杆菌、梭状杆菌、弧菌、螺旋菌、螺旋体。,经过革兰氏染色法处理以后，呈紫色，则判断为革兰氏阳性菌；被染成淡红色则判断为革兰氏阴性菌。,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,9,第一章 微生物在环境净化中的作用,图1-1：细菌的形状,11/18/2025,10,细胞在核和细胞质发生分化时，其变化最为明显。一般认为，核具有与遗传有关的功能，而细胞质则与代谢活动有关。在这一点，细菌的细胞与高等植物的细胞没有多大差别。不过在细菌的细胞中不存在被膜包围着的,核,和,线粒体,等。,细菌细胞是由含有细胞内颗粒物和细胞内含物的细胞质以及核组成。有些种类的细菌可产生孢子或具有鞭毛。,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,11,第一章 微生物在环境净化中的作用,（2）真菌,1）真菌在污水处理的关系,在正常的活性污泥中，真菌类不占优势。但是在细菌繁殖受到抑制的环境，真菌代替细菌而繁殖。因而，工业废水或者大量接受工业废水的城市生活污水的活性污泥中产生真菌类的情况还是比较多的。,如果,丝状菌,显著增长，则活性污泥的沉降性能恶化，微生物不会凝聚成絮体，出水不能达到清澈排放的程度，出水水质。,11/18/2025,12,第一章 微生物在环境净化中的作用,图1-3：丝状菌大量繁殖的形态,11/18/2025,13,2）真菌形态及分类,真菌是属于低等植物的一个门，即菌藻植物门。包括霉菌、蘑菇和所有的酵母菌，主要以伸长菌丝的方式摄取营养。,通常可分为藻菌纲（,phycomycetes,）、子囊菌纲（,ascomycetes,）和半知菌纲（,deuteromycetes,）。,第一章 微生物在环境净化中的作用,图1-2：真菌的形态,左：毛霉属（,Mucor,），右：白地霉属（,Geotricham,）,孢子囊孢子,孢子囊,中轴,孢子囊柄,分生孢子,11/18/2025,14,2,微生物形态及与污水处理的关系,（,3,）病毒：一般认为是生物与非生物的中间体，普通光学显微镜下无法观察到的最小微生物。只含有,DNA,和,RNA,两者中的一种以及保护这种核酸的蛋白质。因此，病毒几乎不具有独立代谢功能，只能寄生在一般动植物或微生物的细胞内生长繁殖。,寄生在微生物体内并能产生溶菌现象的病毒称为噬菌体（,phage,），而寄生在蓝藻类的病毒叫做蓝藻噬菌体（,cyanophage,）。,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,15,第一章 微生物在环境净化中的作用,2,微生物形态及与污水处理的关系,（,4,）藻类：属于一种水生生物，也可生长在潮湿的土壤、石块、木头等表面上，有时也可以与菌类或动物共生。,藻类具有叶绿素,a,，因而能够利用光和作用产生氧气，是所有水生动物食物链的基础，也是最重要的生产者。水中有机物生产的绝大多数是依靠微小藻类，即浮游植物（,phytoplankton,）。,藻类细胞大小一般在,5,50m,，根据细胞结构和色素体不同而分为蓝藻门（,cyanophyta,）、绿藻门（,chlorophyta,）、硅藻门（,bacillariophyta,）、金藻门（,chrysophyta,）和甲藻门（,dinophyta,）等，有时也将后两个门划为原生动物门鞭毛虫纲。,11/18/2025,16,第一章 微生物在环境净化中的作用,2,微生物形态及与污水处理的关系,（,4,）藻类,蓝藻类：往往形成由单细胞或很多细胞集合而成的丝状体，或者在琼脂膜内形成群体。蓝藻类除了叶绿素,a,和,b,以及藻蓝素外，有时还含有藻红素。正是这些色素使蓝藻呈蓝绿色或蓝紫色。实际上，湖泊中形成的水华的藻类多属于蓝藻。,甲藻类：甲藻类在膜一侧具有长短不一的两根鞭毛，而且多数甲藻类具有坚硬的纤维素壳。在赤潮中经常出现的藻类中以这类藻居多。,11/18/2025,17,第一章 微生物在环境净化中的作用,图1-4：藻类的形态,1：铜锈微囊藻（,Microcystis aeraginosa,）；2：美丽颤藻（,Oscillatoria formosa,）；,3：螺旋鱼腥藻（,Anabaena spiroides,）；4：梅尼小环藻（,Cyclotella meneghiniana,）；,5：被针曲壳藻（,Achnathes lanceolata,）；6：小毛枝藻（,Stigeoclonium lenue,）；,7：项圈新月藻（,Closterium moniliforme,）；8：黄群藻（,Synura uvella,）,1,4,3,2,8,7,5,6,11/18/2025,18,2,微生物形态及与污水处理的关系,（,5,）原生动物,1,）原生动物在污水处理中的作用,原生动物在提高水质方面的作用,a,、促进细菌的絮凝作用，提高细菌的沉淀效率；,b,、特别是固着性原生动物迅速沉降，而且在沉降过程中会把细菌裹起来或黏附在其分泌物上，从而提高了细菌的去除效率；,c,、原生动物捕食细菌，所以游离细菌几乎被去除；,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,19,d、由于原生动物的捕食，细菌密度大为下降，因而不仅提高了细菌的活动能力，而且还提高对可溶有机物的摄取能力；,e、原生动物的分泌物使细菌活化；,f、原生动物本身也摄取可溶性有机物；,g、原生动物和一般细菌一起，共同摄取病原微生物。,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,20,原生动物在降低剩余污泥方面的作用,从细菌到原生动物的转换率约为0.5，所以，只要原生动物捕食细菌便会使生物量减少，减少的部分就等于被氧化。,在活性污泥中看不到由于原生动物捕食细菌而引起的有害影响。实际活性污泥处理设备中也不会发生因原生动物过分增长而使细菌灭绝的现象。换言之，一旦细菌变成絮凝状态后，原生动物就难以加以捕食。所以，一般认为，原生动物和细菌的各自浓度在某一范围内处于平衡状态。,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,21,2）污水处理中常见的原生动物,原生动物不仅是和细菌一起在污水净化中起主要作用的生物，而且是表示处理过程是否良好的一种重要的指示性生物。活性污泥中会出现各种各样的原生动物，但无论在质和量上经常出现的是,纤毛虫类,。1mL正常活性污泥中的混合液中，一般存活着500020000个原生动物，70%90%为纤毛虫类。,表1-2列出了须藤所做实验中最常见的几种原生动物。,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,22,第一章 微生物在环境净化中的作用,表1-2 活性污泥中常见原生动物,表1-2可以看出，活性污泥中最重要的原生动物是,小口钟虫、沟钟虫,和,有肋楯纤冲,等三种。,11/18/2025,23,第一章 微生物在环境净化中的作用,图1-6：钟虫的形状,11/18/2025,24,第一章 微生物在环境净化中的作用,细胞口,食胞,环皮,细胞口的纤毛运动,口缘,大核及小核,收缩胞,10,柄,图1-7：小口钟虫（,Vorticella microstoma,）的形态,11/18/2025,25,图1-8：沟钟虫（,Vorlicella convallarin,）的形态,食胞,纤毛运动,大核,外皮,10,柄,细胞口,第一章 微生物在环境净化中的作用,返回,11/18/2025,26,图1-9：有肋楯纤虫（,Aspidisca costata,）的形态,A：腹面，B：横断面,a：正常个体，b：食物多时的个体，c、食物缺少时的个体,A,收缩胞,棘毛,大核,细胞口,10,a,b,c,（由纤毛变化而成）,B,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,27,第一章 微生物在环境净化中的作用,3）原生动物的分类及形态,亦称原虫，与多细胞的后生动物不同，是一种单细胞动物。最小5m左右，最大甚至可达3mm，一般50m100m者居多。,可分为：,a,、依靠一至几根鞭毛运动的鞭毛虫纲；,b,、依靠伪足运动的肉足虫纲；,c,、没有运动能力但能形成孢子而寄生的孢子虫纲；,d,、借助于纤毛运动并具有大核和小核的纤毛虫纲。,孢子虫纲因为是寄生性的，所以与环境没有直接的关系。,11/18/2025,28,第一章 微生物在环境净化中的作用,图1-5：原生动物的构造（左：尾草履虫（,Paramecium caudatum,），,右：沟钟虫（,Vorticella convallaria,）,1：纤毛；2：胞口；3：胞咽；4：食胞；5：收缩胞,6：大核；7：小核；8：毛胞；9：柄；10：肌丝,1,5,7,2,3,6,8,4,2,4,9,10,11/18/2025,29,第一章 微生物在环境净化中的作用,2,微生物形态及与污水处理的关系,（,6,）微型后生动物,微型后生动物中很多种类是属于袋形动物、环节动物、节肢动物的。袋形动物中有轮虫纲、腹毛虫纲、线形虫纲。其中轮虫纲广泛分布在水和潮湿土壤中，咀嚼器的这种构造是轮虫纲分类的重要依据。,环节动物中属于寡毛纲原始寡毛目者（如水蚯蚓等）多数属于微型后生动物。这种生物是雌雄同体，体长为,0.5,3mm,左右。节肢动物中体形较小的生物（如水溞等）多属于甲壳类，其体长为,1,3,mm,。这些生物多在水中呈浮游方式，所以连同上述的轮虫类一起统称为浮游生物。,11/18/2025,30,活性污泥中出现的后生动物有,轮虫类,和,线虫类,，但是个数不多。有时也偶尔出现,腹虫类,，,寡毛类,和,甲壳类,等。这些后生动物占优势情况很少，但是在低负荷活性污泥，特别是延时曝气法的活性污泥中有时轮虫类和寡毛类能够成为优势种属。,普通活性污泥中轮虫类的个体数，在1mL混合液中约为100200个，只不过是生物总数的5%而已。,第一章 微生物在环境净化中的作用,图1-10：轮虫（,R,otifer,）的形态,11/18/2025,31,第一章 微生物在环境净化中的作用,3,微生物的生长繁殖,微生物除少数有性繁殖外，大多数都是无性繁殖的。细菌和鞭毛虫类按垂直分裂方式进行繁殖，而纤毛虫类则以横分裂方式进行繁殖。,通常微生物的增长速度可用,倍增时间（,doubling time,）,t,d,或,比增长速度（单位增长速度）,表示。各种微生物的增长速度因为培养温度和培养条件的不同而大不相同，一般来说，细胞越小的微生物，其比增长速度越大。细菌和酵母的比增长速度一般是藻类和原生动物的十倍以上，但轮虫类和寡毛虫类的比增长却小得多，约为原生动物的十分之一左右。,11/18/2025,32,微生物名称,增长速度,培养条件,（）,1个细胞干重,（mg）,(d,-1,),t,d,(h),细菌类,巨大芽孢杆菌（,Bacillus megatherium,）,31.3,0.52,30,3.810,-9,大肠埃希氏菌（,Escherichia coli,）,59.1,0.28,37,4.010,-10,球形红假单胞菌,（,Rhodopseudomonas spheroides,）,6.9,2.4,34,藻类,铜锈微囊藻（,Microcystis aeraginosa,）,0.64,25.0,25,羊角月芽藻（,Selenastrum capricornutum,）,1.9,8.7,25,1.910,-9,真菌,低发酵度酿酒酵母,（,Sacaharomyces cerevistae,）,8.3,2.0,30,7.110,-8,原生动物,小口钟虫（,Vorticello microstoma,）,3.3,5.0,20,3.910,-6,弯豆形虫（,Colpidium campylun,）,3.6,4.7,20,1.610,-6,后生动物,轮虫属（,Rotario sp.,）,0.28,59.1,20,仙女虫属,0.12,138,20,第一章 微生物在环境净化中的作用,3,微生物的生长繁殖,表1-3 微生物的增长速度,11/18/2025,33,4,微生物的相互作用,通常，微生物即使是在没有其他种类的微生物存在的情况下，也不是长期处于对数增长期，而是以,S,形达到某一极值后，种群的增长便停止下来。这个曲线称为对数增长曲线。,可用式（,1,）表示。,式（,1,）,式中,N,个体数；,K,饱和密度；,a ,常数；,h ,Verhulst,Pearl,系数。,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,34,第一章 微生物在环境净化中的作用,4,微生物的相互作用,通常，微生物异种之间的相互作用有如下几种关系：,a,、共处关系（,neutralism,）：即使有两种个体群存在，两种种群的生长繁殖都不受任何影响。,b,、竞争关系（,competition,）：不同的微生物种群对食物、营养、空间和其他共同要求的物质存在着竞争，因而相互受到不利影响。,c,、共生关系（,mutualism,）：两种微生物的共存对双方的生长繁殖都有好处，而且在自然条件下如果失去一方，则另一方就不能生存。,11/18/2025,35,第一章 微生物在环境净化中的作用,4,微生物的相互作用,d,、原始共生关系（,protocooperation,）：两种微生物的共存虽然对双方都有利，但共存并非绝不可少的因素。,e,、偏利共生关系（,commnsalism,）：共生对一方微生物有利，但对另一方则没有任何影响。,f,、偏害共生关系（,amensalism,）：共生对一方微生物有不利影响，但对另一方则没有任何影响。,g,、寄生（,parasitism,）或捕食（,predation,）关系：一种微生物直接向另一种微生物发动进攻，所以对另一方产生不利影响。,11/18/2025,36,第一章 微生物在环境净化中的作用,4,微生物的相互作用,自然界中，包括微生物在内的一切生物，根本不存在一种生物单独生存的现象，而总是在某些方面同其他生物保持着某种关系。异养生物依靠自养生物合成的有机物而生存，同样，捕食者依靠被捕食者而生存。,以,活性污泥,为例，腐生性细菌处于最低营养水平，在细菌上面是以细菌为食物的原生动物，而轮虫类和线虫类则处于最高的营养水平，同一营养水平上也存在着多种微生物，而且在它们之间同样存在着营养需求上的竞争关系。当然，还可能存在共生、偏利共生、偏害共生、寄生等相互作用。污水净化就是在这些相互作用下完成的。,11/18/2025,37,第一章 微生物在环境净化中的作用,第一章 微生物在环境净化中的作用,1.2 微生物的代谢,1,微生物的化学作用,（,1,）自然环境中的微生物,我们几乎在自然界的任何地方都可以找到微生物。有生存在,-20,以下的,低温菌（,Psychrophiles,）,，有生存在,100,温泉中的,高温菌（,Thermophiles,）,，有在,pH,为,1,条件下生张繁殖的,硫细菌,和在食盐浓度高达,25%,以上条件下生长繁殖的,耐盐菌（,halophiles,）,。氧分压方面，不仅有生长繁殖时需氧的,好氧细菌（,aerobes,）,，而且也存在着只要有一点氧就不能生长繁殖的,绝对厌氧细菌（,absolute anaerobes,）,。,11/18/2025,38,第一章 微生物在环境净化中的作用,1,微生物的化学作用,（,1,）微生物的作用,1,）氧化作用,a,、醇类的氧化：,CH,2,OH,COOH,b,、醛类的氧化：,CHO COOH,c,、甲基的氧化：甲苯,苯甲酸,d,、氨的氧化：,NH,3,NO,2,（硝化杆菌属，,Nitrobacter,）,e,、亚硝酸的氧化：,NO,2,NO,3,（亚硝化单胞菌属，,Nitrosomonas,）,f,、硫的氧化：,S SO,2,（氧化硫硫杆菌，,Thiobacillus,thiooxidans,）,g,、铁的氧化：,Fe,2+,Fe,3+,（氧化亚铁硫杆菌，,Thiobacillus,ferrooxidans,）,11/18/2025,39,第一章 微生物在环境净化中的作用,1,微生物的化学作用,（,1,）微生物的作用,2,）还原作用,a,、乙烯基的还原：,CH=,CH,CH,2,CH,2,b,、醇类的还原：,CHOH CH,2,c,、硝酸的还原：,NO,3,NH,3,（多种土壤微生物）,d,、硫酸盐的还原：,H,2,SO,4,H,2,S,（脱硫弧菌，,Desulfovibrio,desulfuricans,）,11/18/2025,40,第一章 微生物在环境净化中的作用,1,微生物的化学作用,（,1,）微生物的作用,3,）脱羧作用,羧酸的脱羧作用：,CH,2,COOH,CH,3,4,）脱氨作用,脱氨作用：,CHNH,2,CH,2,5,）水解作用,酯键水解：,RCOOR ROH+ROH,6,）酯化作用：,羧酸与醇类：,COOH+ROH COOR,11/18/2025,41,第一章 微生物在环境净化中的作用,1,微生物的化学作用,（,1,）微生物的作用,7,）脱水作用,脱水作用：,CH,2,COOH,CH=,CH,8,）缩合作用,缩合作用：乙醛,乙酰甲基甲醚（酵母）,9,）氨基化反应,氨基化反应：,C=O CHNH,2,10,）乙酰化作用：,乙酰化作用：,NH,3,NHCCH,3,（克氏梭菌，,Clostridium,kluyveri,）,O,11/18/2025,42,第一章 微生物在环境净化中的作用,2,微生物的能源,（,1,）能量来源,一部分微生物能够以光作为能源进行生长繁殖（,光营养，,phototrophy,），而不能以光作为能源来利用的多数微生物则利用化学能来进行增长（,化学营养，,chemotrophy,）。,多数微生物利用有机化合物进行发酵或呼吸而获得能量（,异养细菌，,heterotrophic bacteria,），然而在自然界中也存在着很多以氧化无机化合物的方式获得能量而进行增长的微生物（,自养细菌，,autotrophic bacteria,）。,11/18/2025,43,第一章 微生物在环境净化中的作用,2,微生物的能源,（,2,）光和作用细菌,藻类和光和作用细菌都是属于以光作为能源的微生物，它们具有把光能转变成,ATP,的功能。藻类是以,H,2,O,作为氢供体还原,CO,2,而合成,糖,的，但光和作用细菌则把已被还原的,无机化合物,作为电子供体。,红色硫细菌利用,H,2,S,、,Na,2,S,2,O,3,和,S,时按下列反应式进行。,CO,2,+2H,2,S,（,CH,2,O,）,+H,2,O+2S,2CO,2,+Na,2,S,2,O,3,+3H,2,O 2,（,CH,2,O,）,+Na,2,SO,4,+H,2,SO,4,CO,2,+3H,2,O+S,（,CH,2,O,）,+H,2,SO,4,+H,2,11/18/2025,44,第一章 微生物在环境净化中的作用,2,微生物的能源,（,2,）光和作用细菌,红色非硫细菌利用有机物时，则按下列反应式进行。,C,3,H,7,COONa,+2H,2,O+2CO,2,5,（,CH,2,O,）,+NaHCO,3,由于红色非硫细菌在厌氧明处，好氧明处和好氧暗处均可增长，因此在废水处理中的应用研究有了很大进展，而且已在豆制品厂废水，罐头厂废水的处理中得到应用。,11/18/2025,45,第一章 微生物在环境净化中的作用,2,微生物的能源,（,3,）氧化无机物的细菌,是利用氧化无机物所产生能量生长繁殖的细菌，列于下表,1-2,，这些细菌都属于自养细菌。亚硝酸菌和硝酸菌统称硝化菌。,11/18/2025,46,表1-4 氧化无机物的细菌,常用,名称,学名,反应式,亚硝,酸菌,亚硝化单胞菌属（,Nitrosomonas,）,2NH,3,+3O,2,2NO,2,-,+2H,+,+2H,2,O,亚硝化球菌属（,Nitrosococcas,）,亚硝化螺菌属（,Nitrosospira,）,硝酸菌,硝化杆菌属（,Nitrobacter,）,2NO,2,-,+O,2,2NO,3,-,氢细菌,氢单胞菌属（,Hydrogenomonas,）,2H,2,+O,2,2H,2,O,铁细菌,氧化亚铁硫杆菌（,Thiobacillus ferrooxidans,）,4Fe,2+,+4H,+,+O,2,4Fe,3+,+2H,2,O,球衣菌属（,Sphaerotilus,）,嘉利翁氏菌属（,Gallionella,）,无色硫细菌,氧化硫硫杆菌（,Thiobacillus thiooxdans,）,2H,2,S+O,2,2S+2H,2,O,排硫硫杆菌（,Thiobacillus thioparas,）,2S+3O,2,+2H,2,O 2SO,4,2-,+4H,+,那不勒斯硫杆菌（,Thiobacillus neapolitanus,）,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,47,第一章 微生物在环境净化中的作用,2,微生物的能源,（,4,）还原无机物的细菌,还原无机物的细菌有硫酸还原细菌和硝酸还原菌。硫酸还原菌存在于生活污水和河流底泥中，属于还原,SO,4,2-,、,SO,3,2-,、,S,2,O,3,2-,而生成,H,2,S,的绝对厌氧细菌，其电子供体为,H,2,和有机酸。,硝酸还原菌中除了脱氮硫杆菌以外都属于厌氧性异养细菌，而且还原,NO,2,时可生成,NO,、,N,、,N,2,O,、,N,2,等。它们大多数在厌氧条件下进行脱氮反应。,11/18/2025,48,第一章 微生物在环境净化中的作用,第一章 微生物在环境净化中的作用,1.3 水的自净作用,1,自净作用,水的自净作用（,Selfpurification,）在解析水污染机理和理解废水的生物处理方面，是一个基本的概念。当有机废水进入河流之后，在废水流入地点的水质就会恶化，但随着河水向下游流动而起水质逐渐变好。而且当河水流经一定距离后，河水水质可以恢复到废水流入之前的状态。,这是因为污染物质在,稀释、扩散、沉淀,及,微生物等生物的吸收和分解,等作用下减少的缘故。稀释、扩散、沉淀等作用只能改变污染物的分布状态，但不能“消灭”污染物质，因此这并不是真正的自净作用。,11/18/2025,49,第一章 微生物在环境净化中的作用,1,自净作用,所谓真正的自净作用，是指,有机物受到氧化作用而变成无机化的过程,。在水中或河床里生存的微生物或生物为了生长繁殖而进行呼吸或者摄取食物等活动，其结果水中有机物受到氧化还原作用而变成稳定的物质。或分散到大气中，或被生物吸收而去除。,各种生物的作用归纳有：,细菌,：对水中污染物质进行氧化或还原并把它变成简单化合物。,藻类,：在通过光和作用释放氧的同时，吸收简单的化合物。,大型植物,：将根扎在河床里并从底泥中摄取各种物质的同时，还具有与藻类相同的作用。,微型动物,：摄取有机物、细菌、藻类等，并把它们变成简单的化合物。,大型动物,：摄取固体有机物和动植物体。如果已达到这个地步，一般可以认为废水得到相当程度的净化并处于稳定状态。,11/18/2025,50,第一章 微生物在环境净化中的作用,1,自净作用,溶解氧,BOD,盐类,悬浮物质,有机废水流入,下游 ,NH,4,+,NO,X,-,PO,4,3-,有机废水流入,下游 ,图1-11、1-12：河流自净作用过程中物理化学变化,溶解氧并不是在有机废水流入之后立即下降的，而是在异养微生物增长最旺盛时最低。,由于有机态氮的分解，最初氨氮会有所增加，但在后来急剧下降。,11/18/2025,51,第一章 微生物在环境净化中的作用,水生昆虫,水蚯蚓,摇蚊,划蟮,有机废水流入,下游 ,耐污性藻类,丝状藻类,藻类,细菌,原生动物,有机废水流入,下游 ,1,自净作用,图1-13：河流自净作用过程中微生物变化,图1-14：河流自净作用过程中大型生物变化,对于微生物，最初是细菌和真菌增长起来，其次是原生动物，到了最后藻类才占优势。,11/18/2025,52,第一章 微生物在环境净化中的作用,2,微生物相的变化,将经过沉淀的污水注入水槽并放置于不受日光直射条件下，,20d,内测定其水质和生物相变化。,BOD：92mg/L,COD：65mg/L,pH：7.0,NH,4,+,-N：8.8mg/L,大肠杆菌：220000个/mL,BOD：17mg/L,COD：26mg/L,pH：8.1,NH,4,+,-N：1.1mg/L,大肠杆菌：1个/mL,开始,20d后,图1-15：20d水质的变化,20d后，水质得到了很大程度的净化，其变化是由在水中增长的各种微生物的作用作产生的，如图1-14。因水中有机氮的分解，NH,4,+,-N在最初会有所增加，但在后来急剧下降，这是由硝化作用和藻类摄取所产生的结果。,11/18/2025,53,第一章 微生物在环境净化中的作用,2,微生物相的变化,BOD（mg/L），鞭毛虫和纤毛虫（mL,-1,）,图1-16：静置沉淀污水时BOD和微生物的变化,（水温2030,）,20d内，共出现纤毛虫类13属，鞭毛虫类10属、肉足虫类1属，绿藻类4属、硅藻类2属、线虫类1属。初期，强腐水性的纤毛虫类草履虫属、豆形虫、鞭毛虫类占优势，但接着斜叶虫属、漫游虫属、长颈虫属、尾棘虫属、尖毛虫属增长起来。还包括捕食其他纤毛虫和鞭毛虫的种属。当藻类占优势时，纤毛虫重新增多起来，这是因为利用藻类生产物的细菌增殖，捕食这种细菌的纤毛虫类和摄取藻类的纤毛虫类增长的缘故。,11/18/2025,54,第一章 微生物在环境净化中的作用,2,微生物相的变化,BOD（mg/L），鞭毛虫和纤毛虫（mL,-1,）,图1-16：静置沉淀污水时BOD和微生物的变化,（水温2030,）,当经过710d时，衣藻属、栅藻属、小球藻属等藻类开始增加，到了20d时可达到2,10,5,/mL。,藻类开始增长的时期与BOD的显著减少时期是同步的。藻类的增长必然促进有机物生产，因而使BOD增加。即使有机物被分解而绝大多数有机物消失了。藻类是进行光和作用的生物，所以仅仅依靠无机物形成藻类本身。,换言之，只要有营养盐存在，藻类就能进行光和作用，因而水中有机物便会增加。,11/18/2025,55,第一章 微生物在环境净化中的作用,2,微生物相的变化,BOD（mg/L），鞭毛虫和纤毛虫（mL,-1,）,图1-16：静置沉淀污水时BOD和微生物的变化,（水温2030,）,由于藻类同时进行着产氧和呼吸两个过程，所以难于用BOD表示。上述过程COD的变化如下。,实验开始时COD为65mg/L，第七天降至28mg/L，但到了藻类增长旺盛的第二十天，COD又提高到103mg/L，比最初还高。,所以，必须认识到，虽然外来性的有机物由于微生物的作用而减少（自净），但只要有大量营养盐的存在，则有有机物重新生产出来。,另外，如果有抑制微生物生长的重金属或化合物的存在，自净作用也会受到抑制。,11/18/2025,56,第一章 微生物在环境净化中的作用,3 BOD,与微生物,BOD,是运用自净作用现象的一种指标。有机污染指标中包括,BOD,、,COD,、,TOC,、,TOD,等，但对微生物可降解的有机物进行评价时，,BOD,是最好的一种指标。,BOD,就是好氧性微生物以水中的有机物作为营养源，通过呼吸所消耗的氧量。,图,1-17,所示为活性污泥处理水（城市污水）经稀释,5,倍后，在,BOD,瓶内培养,5d,（,20,）的结果。,11/18/2025,57,第一章 微生物在环境净化中的作用,3 BOD,与微生物,图1-17：,BOD瓶内溶解氧消耗与微生物浓度的变化,细菌（活菌数）直接摄取有机物，氧化其中一部分而获得能量增长，在1.5d达到高峰。,鞭毛虫类（这时大部分为波豆虫、屋滴虫、侧滴虫）包括直接摄取有机物和摄取细菌的两种，但它们都耗氧。比细菌稍晚些达到高峰。,纤毛虫不能直接摄取水中有机物，而摄取细菌和鞭毛虫以及其他纤毛虫类，达到高峰时间更晚一些。,溶解氧消耗量,（mg/L）,鞭毛虫类、纤毛虫类,（mL,-1,）,活菌数,（mL,-1,）,时间（d）,11/18/2025,58,第一章 微生物在环境净化中的作用,3 BOD,与微生物,图1-17：,BOD瓶内溶解氧消耗与微生物浓度的变化,从图可以看出，23d内氧消耗量很大，但在这以后氧消耗量逐渐减少。,一般认为，最初的氧消耗是由细菌引起的，而后来的持续性氧消耗是由捕食细菌而增长的原生动物的呼吸所引起的。细菌和鞭毛虫类的减少是因为这些生物被纤毛虫类捕食，纤毛虫类的减少是因为捕食其他纤毛虫类的纤毛虫类和漫游虫存在的缘故。,BOD瓶可看成是一个存在自净作用的简单体系。,溶解氧消耗量,（mg/L）,鞭毛虫类、纤毛虫类,（mL,-1,）,活菌数,（mL,-1,）,时间（d）,11/18/2025,59,第一章 微生物在环境净化中的作用,3 BOD,与微生物,自然界中水的自净作用是按照有机物,细菌原生动物轮虫、线虫、浮游生物小鱼这样一种食物链的方式来降低有机物的，而,BOD,则意味着有机物过渡到原生动物所需要的氧量。,11/18/2025,60,第一章 微生物在环境净化中的作用,第一章 微生物在环境净化中的作用,1.4 土壤的自净作用,1,土壤中的微生物,土壤的自净作用是通过土壤中的微生物实现的。土壤中存在着大量的微生物，一般一克的土壤中大约有一亿个微生物。目前虽然人们对在土壤中的氮循环中起着重要作用的硝酸菌、亚硝酸菌和脱氮菌等的形态和生理特征已作了比较清楚的阐述，但这些细菌不过是整个土壤细菌中很小的一部分而已。,11/18/2025,61,1,土壤中的微生物,一般来说，土壤中细菌最多，其次是放线菌，相当于细菌的,1/10,，而丝状菌比放线菌还少一个数量级。,第一章 微生物在环境净化中的作用,表1-5 土壤中各种微生物的数目,微生物,1g土壤中数目,细菌,16900000,放线菌,1340000,厌氧菌,1000000,丝状菌,205000,厌氧性丝状菌,1326,藻类,500,原生动物,40,11/18/2025,62,1,土壤中的微生物,通常，微生物的数量因土壤的种类、深度、营养状况不同而有很大变化。好氧性细菌，即细菌和放线菌在表层多，但土壤越深，细菌与放线菌之比则正好相反。,藻类增长一般都需要光，因而很多藻类分布在表层，但由于表层容易干燥，不易生长，通常藻类的数目要比细菌少的多。,第一章 微生物在环境净化中的作用,表1-6 1g土壤中藻类的数目,深度（cm）,未施肥区,施肥区,02.5,16000,62000,2.55.0,10000,28000,7.510.0,28000,56000,12.515.0,4000,15000,11/18/2025,63,2,土壤的净化能力（去氨作用）,土壤微生物在自然界的碳和氮等元素的循环起着十分重要的作用。如表,1-7,，土壤中存在着大量能分解有机物异养细菌、而且其中也存在硝化菌和脱氮菌。土壤对,NH,4,+,-N,的吸收量由于土壤粘土的粘土矿物种类、胶体颗粒和腐殖质的含量不同而异。,第一章 微生物在环境净化中的作用,表1-7 1g土壤中各种细菌的分布,细菌的种类,Hiltner的,测定结果,Lohnis的,测定结果,分解蛋白胨的异养细菌,3750000,4375000,尿素分解细菌,50000,50000,硝化细菌,7000,5000,脱氮细菌,50000,50000,固氮细菌,25,388,11/18/2025,64,2,土壤的净化能力（去氨作用）,溶解在水中的,NH,4,+,-N,带正电荷，因而逐渐被吸附在土壤表面上，之后被氧化成硝酸。但是因为硝酸带负电荷，土壤颗粒也带负电荷，所以硝酸不为土壤所吸附而向下层移动。土壤下层因缺氧而处于还原状态，因而硝酸被还原脱氮变成氧化氮气体和,N,2,。,但其浓度、,pH,值、盐类种类及浓度很大程度上影响其去氨作用。酸性时吸收量少，碱性时吸收量大；硫酸铵的吸收量比氯化铵大，磷酸铵的吸收量又比硫酸铵大。,第一章 微生物在环境净化中的作用,11/18/2025,65,