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污泥篇:污水厂的活性污泥的微生物

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治污者说 发表于 2019-8-4 18:16 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
在日常的污水厂运营管理中,我们一线的操作人员往往喜欢利用工程的观念来管理污水处理的,喜欢用比如调整曝气量,调整回流量等的参数调节来做污水厂的管理工作。希望把污水厂管理归纳到一些工程性的指标中去,依靠这些完成一个污水厂的调节。而把微生物只作为一个镜检时的观察,或者只是一个很模糊的概念来谈。
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8 M- R8 W" p7 }今天我想从另一个角度来解释污水厂的运行管理,那就是微生物的角度。为什么要从微生物的角度来谈这个问题,我们来回顾一下污水处理的来源是什么。* _" Q+ `$ ]/ }

' F9 F5 V$ q' g! ?1 f8 }; T4 l" q2 A污水处理厂的概念,那就是污水处理厂来源于自然界的水体自净原理,那就是我们原来的环境状况良好的时候,江河上游的人在洗东西,下游的人还可以再使用这条江的水。不是说下游的人就受到了多么严重的污染,而是在环境容量容许的情况下,上游的很小的污染能够被江河自净掉,到达下游时,水体已经完全干净达到再用的标准,而污水厂正是这种自然界水体自净的人工强化过程。污水厂通过工程技术手段,在短的时间内,在小的空间里完成了自然界需要漫长的自净过程才能达到的效果。
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自然界的水体自净能力来源于自然界水体中的各种微生物,这些微生物的共同作用下,污水中的有机物得到了分解和转化,变成CO2和水,氮气等等。但是这些微生物零星的散落在整个自然水体中,没有聚集在一起。污水厂的人工强化原理是把这些散落在自然水体中零星的微生物聚集到我们指定的水池中,让污水通过这个池子达到处理的效果。
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0 L# W6 ?2 U$ F* a% m* S2 T( B' d9 s既然污水处理厂的核心是一个微生物高度密集的处理水池,这个处理水池一定会和自然水体一样具有生态系统的特点。也可以这么说,污水处理厂也是一个人工的生态系统。虽然是一个人工的生态系统,但是一定要符合生态系统的各种特征,只有这个生态系统是一个完整的体系,污水处理的核心系统才会稳定的运行,也就能够满足我们污水处理的日常所需。
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我们来看看生态系统的含义,生态系统其实就是在一定的空间范围内由生物和它所处的环境共同构成的一个自然体。生物在这个环境中发生一系列的能量交换,完成能量的流动。这是一个生态系统的概念,通俗的说,就是一群生物在一个房间里吃喝拉撒睡,有酒有肉的活的很开心,并且有完善的措施能够让房间环境保持良好。自然界存在着各种各样的生态系统,一个池塘,一条河流,一块稻田,一座山峰,一片森林都是一个生态系统,而整个自然界就是由这样一个个生态系统组成的。而污水厂是一个人工的生态系统,是人工创造出来的一个污水的生态系统。在现阶段,整个世界都在喊生态友好,其实对于一个污水厂的管理,是真正要从一个生态友好的角度来进行的。
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通过一些可观察的生态系统,比如池塘,可以简单的了解生态系统。有句话是这样说的:大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米,虾米吃水草。。。。这个其实是在说一个池塘生态系统的构成,一个完整的生态系统里会存在一个完成的生物链,而且这个生态系统越强壮生物链就会越长,环境越好,生物链越长。生物链在不断地升高的过程中,完成了能量的传递和转化,保证了一个生态系统内的生态平衡,那么在一个污水处理厂的人工生态系统里,回到显微镜下,我们如何来理解污水厂的生态系统的生物链呢?
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污水厂既然是一个生态系统,他一定具有生态系统所有的特征,生态系统其实是可以分成生物群落和环境条件两部分组成的。对于污水处理厂这个人工的生态系统其实相对应自然界的生态系统是大大简化了的一个生态系统,它的生物群落仅局限在微生物形态的生物,它的环境条件也只是生活污水或者工业废水的单一环境。从污水厂的角度来考察生态系统的基本组成,首先由无机环境,是污水厂内所有的人为工艺处理构筑物构成了污水处理的生态系统的有氧无氧缺氧的无机环境;而生物群落部分主要是异养型微生物群落,原生动物系微型动物承担了对污水中污染物质的分解和转化功能。从这个人工生态系统的基本构成就能够看到一个污水处理厂的人工生态系统的管理是围绕微生物群落进行的。% S& E& d# G5 o( k6 _# T! m7 k
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污水厂的各种微生物的综合体以及一些有机和无机的颗粒物质混合在一起,形成的絮状物,我们称之为活性污泥。活性污泥在各种教科书上都有详尽的解释,就不再详细的展开说明了。这次重点从活性污泥的微生物群落的角度来说明活性污泥,对于任何一个活性污泥絮体来说,它的中心是有细菌所形成的菌胶团,然后在菌胶团的集合体上又生长了其他种类的微生物,比如一些菌类,还有原生动物和某些后生动物等。这些细菌主要来自于自然界的土壤,空气和水体中,而污水厂所有的处理构筑物的建造理念,其实就是为这些微生物提供营养,供氧,温度和PH值等最适合其生长的条件。(今天主要谈活性污泥法,对于生物膜的一些概念就不在这里细说了,是有一定的区别,但是生态原理是很接近的。)
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* E1 U: M( \7 \; {了解了基本的组成以后,我们来看污水厂这个人工生态系统的食物链或者是一个演化体系。我们知道整个生物界是一个从低等到高等的演化过程,处于最低端的微生物对环境适应性强,对环境因素的改变不敏感。低端的微生物因为进化不完整,没有复杂的器官分化,基本都是处于最低级的生物形态,它们会随着环境的变化而调整自身变化来适应环境的变化。但是高等动物由于进化的更完善,反而对外界环境的变化适应性极差,环境的变化往往对这些高等的生物影响更为敏感。: P) b- T2 {/ D. f/ T" @

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+ A- a% }: U) s* Y% E+ Q一个污水厂的人工生态里面的微生物种群的演化过程,或者说食物链是这样的:细菌—肉足虫(变形虫)—植物性鞭毛虫—动物性鞭毛虫--游泳型纤毛虫—固着型纤毛虫—轮虫。
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对于任何一个生态系统来说,细菌一定是最底层的生物群落,它们一般是来自于污水管网,存在于排污口,污水厂的进水部分等,承担着对初期污水做最基本的生物降解功能,对有机污染物,有机大分子物质进行分解和转化。它们是直接接触污水中污染物质的微生物,它们的结构简单,营养方式变化多样,适应性极强,是污水处理厂的最基础的微生物,它们的形体大小在几微米之间,在显微镜下需要油镜和革兰氏染色法才能看到,一般的镜检法看不到,因此不作为污水厂的主要镜检对象。! A% x4 k- M! {) j

$ M! W% e: o$ B- z在污水的生物处理过程中,最主要作用是细菌,其次就是原生动物。我们主要关注的水体里的原生动物是动物界中最低等的单细胞动物。它们有一些共同的特征,个体很小,长度在100~300微米,有自己独立完善的生理有机体,能完成营养,呼吸,排泄,生殖等机能。下面把原生动物的几种类型做一介绍。
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, C3 V# L/ M# A+ U肉足虫也称为变型虫,它们没有固定的形态,大多数为球形,常见的有太阳虫,阿米巴虫,在自然界分布很广,中污带水体分布最广。但在污水厂中,主要存在于培养初期,后期随着其他类的原生动物出现,变形虫逐渐不再占主导地位。- @0 T6 H, x  j: R
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鞭毛虫是一个略高于细菌的原生动物,分为植物性和动物性这就是说明鞭毛虫还是具备了很多细菌的特性,由于更接近低等生物,它们甚至可以针对环境变化来回改变自身的营养方式,能够具有自养和异养型的一些特征,可以靠吃别的微生物为食,也可以自己供养自己,因此它处于食物链的第二层次,鞭毛虫的的形体在几微米到几十微米之间,需要高倍数的显微镜才能看到,一般很难判别,因此在实际工作中鞭毛虫也不做为镜检的微生物。
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0 a/ ]4 A3 D2 i5 K0 ?, k纤毛虫分为游泳型和固着型两种,纤毛虫是原生动物中最高级的一类,有固定的,结构细致的摄食胞器。游泳型的纤毛虫主要有草履虫,肾形虫,豆型虫,漫游虫,盾纤虫等。固着型的主要是钟虫类,钟虫类又分为单体钟虫和群体钟虫,单体钟虫有小口钟虫,沟钟虫,领钟虫等。群体钟虫有等枝虫(累枝虫)和盖纤虫。等枝虫的各个钟形体的尾柄一般互相连接呈等枝状。纤毛虫能吞食大量的细菌,促进生物絮凝作用,并且个体较大,通过低倍的显微镜就可以观察到,因此纤毛虫是作为主要的镜检微生物的。, u% n( C. o' k7 Z# ?

- x+ a% e8 L3 \) f在原生动物之上还有后生动物,在活性污泥中,最常见的后生动物主要是轮虫,线虫等。
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. p, V0 w/ l) P微生物的食物链是这样的一个组成,其实从形体上也很容易区分开,越大的微生物等级越高,越处于食物链的顶端。但是由于它们处于顶端,营养方式或者说食料开始单一化,受到冲击负荷的影响也就越大,对外界环境的变化也越敏感,所以我们做镜检观察微生物就会选择形体比较大的,食物链上游的一些微生物,比如钟虫,累枝虫,楯纤虫等作为重点的观察对象,利用它们的变化来考察处理环境的变化,推测出水水质的变化,我们把通过显微镜的物镜在10和40倍之间看到的比较明显的这些微生物统称为指示性微生物,一个污水厂通过长期的显微观测这些指示性微生物,基本能够粗略的判断出曝气环境的变化和进水水质的变化,并能够预测出水水质的变化。
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另外我们做实际运营的常常会发现一些肉眼可见的更大体积的生物出现在曝气池或者二沉池以及以后的水池中,这个严格意义上已经不是微生物了,它们属于水生小动物了,这些小动物相对于我们污水厂里的微生物已经是庞然大物了,这些动物的出现一般是整个污水厂生态系统进化到很高等级的产物,这些小动物无法寄居在活性污泥里,只能在水体里浮游,所以出现这些也就是说水体在污水厂停留时间过长,浮游的小动物有了良好的生存空间,能够繁殖生长了。8 N: c1 o2 v9 G+ [9 s1 b- ?$ J

! }/ B4 c2 R+ X6 Z6 I在日常的镜检中,我们也存在一些对于某次出现的个别微生物特别关注,其实这些微生物突然出现,没有什么代表意义的,不能把个体的出现作为群体代表性的特征来考察水质的变化。特别是一些特殊的微生物,可能存在于污水管网里带入到污水厂内,这些微生物不作为主要的判断对象。$ C* V/ k: B0 @# F" E3 z
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精彩评论1

 楼主| 治污者说 发表于 2019-8-4 18:19 | 显示全部楼层
活性污泥中的微生物是以各种方式大量存在的,这些微生物依靠污水里的有机物和营养物质来生存繁殖。微生物作为一种生物体,它和我们人类一样,也具有生老病死的过程,为了更好的研究微生物在污水厂的作用,对污水厂里面的微生物进行全过程的一个观察,对它们的生长的变化进行曲线绘制。得出微生物的生长曲线图:
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, l- q! L0 U$ B/ {在某种意义上说,微生物和我们人类一样,都是有机生命体,都会有一生的变化,我们可以通过这个变化的曲线图,来了解微生物的一生的变化。9 n2 T& @4 y% d+ Q7 a: c! E

, {5 v$ n. a; q! w1 Z, V9 h微生物在整个阶段分为四个阶段,第一个阶段是微生物对进水的适应期,在适应期里,微生物数量极少,有机物基本没有降解的情况。这个阶段很类似人类的婴儿期,对外界的营养源吸收很少,自己的增长也很慢,是从母体分离以后,对母体外界生活适应的过程,这个过程的微生物和婴儿一样,非常弱小,极易受到环境变化的影响。而这个阶段对应污水厂里的活性污泥培养阶段,这个阶段活性污泥处于一个较为弱小的地步,所以在培养初期,营养物质和溶解氧都要进行严格的控制,以免对适应期的微生物造成大的干扰和影响。
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" L6 F% M) |) z; [+ t! r/ ^第二阶段是在微生物适应了进水的有机物环境以后,微生物开始大量繁殖,这个阶段的微生物繁殖的数量变化以对数形式来变化,而这个阶段的污水中的有机物也开始出现了下降趋势。这个阶段是微生物和有机营养物开始产生变化,并开始朝不同的趋势发展下去。对比人类来说,这个阶段是青少年阶段,人类身体快速发育,需要的食品营养物质量很大,而且消耗的很快。在污水厂里,这个阶段就是培养后期,微生物渡过了对污水环境的适应期,开始大量繁殖并生长起来,也是活性污泥絮凝体逐步形成的阶段。
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第三阶段开始以后,微生物的繁殖开始进入到减速增殖期,在这个阶段,微生物还处于一个繁殖阶段,数量还在增加,但是增殖的速度开始放缓,曲线的变化从上升变为平缓,数量会保持在稳定的数量。而污水中的有机物也保持下降的趋势,但是下降的趋势也放缓了,直到有机物基本被消耗完,曲线成为平缓的直线。减速增殖期内,微生物和有机物的变化都开始放缓,这种放缓是微生物也是微生物逐步变成熟的时期。类比的人类在这个阶段开始变得成熟,身体的变化不大,对外界食物营养的需要相对青少年来说大大减少,但是对社会的贡献开始增大。在污水厂里,这个阶段对应污水厂的活性污泥逐步成熟,活性污泥里的微生物开始凝聚成大的絮凝体,活性污泥的沉降性能良好,污水厂的工艺管理开始趋于稳定的阶段。
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第四阶段的微生物进入内源呼吸期,这个阶段,外界的营养物质已经被微生物吸收完,微生物开始内部消耗,在这个阶段微生物出现了下降的拐点,微生物整体呈现一个老化的状态。而此刻的营养物质已经在前三个阶段被消耗完,这个阶段的变化基本没有,营养物质的曲线呈现直线变化状态。相对于人类来说,这个阶段就是老龄阶段,这个阶段对外界的消耗基本下降到最低点,而数量随着岁数的增加也在一点点的减少。在污水厂这个阶段对应的就是污泥开始出现老化情况,活性污泥的凝聚性能变差,沉淀池出水带有细碎的浮泥,同时这个阶段,活性污泥容易出现各种异常工况,比如污泥膨胀和污泥泡沫等情况。/ Z, ]) o% f+ Z4 c% V9 \

+ L' X) j% L, F9 f) G这就是我们通常所说的微生物的生长曲线,这个曲线不仅仅代表单个的微生物的生老病死,其实也反应了污水厂里的活性污泥的变化情况,而作为我们污水厂的运行管理人员来说,我们需要把这条曲线控制在减速增长期的后半期和内源呼吸期的前半期,这个阶段有机物基本都被消耗完毕,活性污泥的絮凝沉降性能良好,污水厂的工艺管理也在一个稳定的范围内。但是这个范围对于我们运行管理人员来说,是非常难以把握的,因为曲线的变化是微观和宏观相结合的,要把这个曲线稳定在一个平稳的阶段,我们需要怎么样判断管理的污水厂的微生物活性污泥在这个阶段。在微生物的上一篇文章和之前的公众号的镜检的文章中,我们介绍了什么指示性微生物,那么工艺管理人员通过这些指示性微生物能不能判断出微生物的处于的阶段呢?
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这张图,对在污水厂的镜检中出现的生物进行了阶段的归类,对于活性污泥的SVI变化,F/M变化,污泥龄变化中的各个阶段的出现的优势微生物种群,这些种群是我们在镜检中能够发现的微生物。这些微生物在前面的文章中都有相关的介绍,大家可以回顾一下前面的文章。把这些优势微生物种群和变化曲线拟合以后的图形如下:; O7 t) j- @) X5 ~. r7 z- r

! V& t, I( ?, Z4 U3 g+ A可以看到,我们在观察到活性污泥有良好的沉降性能,出现以固着型纤毛虫为优势种群的阶段,是微生物生长曲线处于一个平稳阶段,也就是减速增殖期的后期和内源呼吸期的前期的一个时期。这样我们就能够通过污水厂内日常的化验镜检工作,了解和判断出微生物的变化曲线,从而采取相应的工艺调控手段,把微生物的曲线控制在一个平稳的区域,而把水中的有机污染物吸收处理到最低。
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对于活性污泥的管理,前面的文章介绍的一系列的参数,是从化验手段来从不同的侧面来描述和定义一个污水厂里系统的活性污泥性质的好与坏,而通过镜检的主要的优势种群微生物,是最直观的反应活性污泥好与坏的方式。因此对于一个污水厂来说,做好每日的镜检是控制系统活性污泥的重要项目。  i8 `% q1 H6 {8 w$ W* m
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