环境工程微生物学-污水生物处理.ppt

第9章 污水生物处理,我国的水资源形势： 城市和农业缺水十分严重; 全国80水域，45地下水，90以上的城市水域受到不同程度的污染。,第一节 概 述,一、污水处理过程的五个阶段： 预处理(preliminary treatment) 一级处理(primary treatment) 二级处理(secondary treatment) 三级处理(tertiary ) 污泥处理(sludge treatment),预处理(preliminary treatment) 去除粗砂粒、大的固体物、漂浮物和油污。,一级处理(primary treatment)又称沉淀处理(sedimentation) 悬浮固体以污泥的形式去除; 去除7080的悬浮固体、2540的BOD5， 减轻后续处理的负荷、提高处理效果。,二级处理(secondary treatment) 又称生物处理(biological treatment) 主要利用构筑物内或特定外境中的微生物去除水中溶解的或胶体状态的有机物; 去除8095的BOD5，使城市污水BOD5下降到30mg/L以下。,三级处理(tertiary ) 又称高级处理(advanced treatment) 通过活性炭吸附、臭氧消毒和生物脱除等物理、化学和生物学方法去除氮磷营养盐、难降解物质、病原体等污染物。,污泥处理(sludge treatment) 将处理过程中产生的污泥经过脱水、稳定和处置。,二、生物处理的优点和基本类型,1、生物处理的优点 效率高 普通活性污泥水处理厂， 每立方米曝气池每天可转换12kg干有机物，100倍于森林。 效果好 BOD去除率90%95%，COD去除率60%70%。,生物处理的优点,含酚废水：,萃取法：残留量100mg/L,生物法：残留量1mg/L,适用范围广（微生物多样性特点决定） 成本低、运行费用少； 可处理的水量大，方法成熟 生物处理是废水二级处理的首选方法,生物处理的优点,2、生物处理的基本类型,生物处理的方法很多,好氧处理,厌氧处理,活性污泥法,生物膜法,微生物在构筑物中的状态,微生物与氧的关系,三、生物处理的作用机理,1、吸附作用(absorption) 微生物生态系统中可能起着主要作用。 微生物吸附去除废水中的一些不可降解的污染物，如合成有机物、金属盐类以及一些放射性物质。,2生物氧化和细胞合成作用 微生物酶的作用完成生物氧化和细胞合成作用,CHON十O2 C5H7O2N (有机物) (新细胞),C5H7O2N 十5 O2 5CO2十NH3十2H2O十 能量 (细胞) (维持能),一、活性污泥法的特点 （一）活性污泥概念 以好氧性细菌为主体的微生物和水中的悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的肉眼可见的絮状颗粒。,第二节 活性污泥法,颗粒大小约0.050.5mm，表面积为20100 cm2/mL，比重约1.0021.006，静置时能立即凝聚成较大绒粒而沉降。 絮状体一般呈黄褐色，也有呈深灰、灰褐，灰白等色，与水质不同有关。,通过以活性污泥或生物膜形式存在的微生物旺盛的代谢活动，氧化分解有机污染物，使污水净化。,（二）活性污泥法作用特点,微生物的代谢活动，包括分解、合成、氧化、还原、转移和异构等各种酶促反应，分解和转化污泥所吸附的有机物，同时合成新的微生物细胞。,活性污泥具有良好的沉降性能，使处理水与污泥分开，达到净化的目的。,初级曝气池,SECONDARY CLARIFIER,（三）活性污泥的特征,吸附能力强 活性污泥的比表面积小、菌胶团表面有丰富的粘液物质。 研究表明，1030min内，活性污泥可去除生活污水中BOD的85%90%。,氧化分解有机物能力强 活性污泥是多种微生物和有机物颗粒的聚集体，分解、 氧化有机物的能力 pH缓冲性强 活性污泥中有机物含量高，表面基团多，有很强的pH缓冲性能。,沉降性能好 在污水处理过程中，活性污泥能将一些金属离子吸附，胶体电荷被破坏，凝集成团，在重力作用下快速沉淀。,（四）活性污泥法处理的类型,1）推流式曝气处理：废水与活性污泥同时进 入长方形曝气池 2）完全混合曝气：回流污泥直接进入曝气池 3）接触氧化稳定法。 4）分段布水推流式活性污泥法。 5）氧化沟式活性污泥法。,污水处理厂分布图,（五）活性污泥中的生物组分,1、细 菌 起主导作用，活性污泥中有多种细菌； 主要的优势种有：产碱杆菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属、微球菌属、假单胞菌属和动胶菌属以及球衣菌属等。,富养罗尔斯通氏菌,动胶菌属,球衣菌属,活性污泥中，细菌大多数以菌胶团的形式存在，呈游离状态的较少； 生枝动胶菌是最早发现的菌胶团形成菌; 埃希氏菌属、假单胞菌属、产碱杆菌属、芽孢杆菌属的一些菌株均可以产生菌胶团。,在活性污泥中的一些丝状细菌，如球衣菌属、贝日阿托氏菌属和硫发菌属等，附着在菌胶团上或与之交织在一起，成为活性污泥的骨架。,贝日阿托氏菌属,2、真菌类,青霉属(Penicillium) 头孢霉属 (Cephalosporium) 枝孢属(Cladosporium) 镰孢霉(Fusarium) 地霉属(Geotrichum) 假丝酵母屑(Candida) 红酵母属(Rhodotorula),3、原生动物,纤毛虫类 ：游泳型和固着型 鞭毛虫类 肉足虫类,原生动物,4、后生动物,轮虫类(rotifers) 线虫类(nematodes),线虫,（五）活性污泥微生物演替和指示生物,1、异养细菌和原生动物的演替,异养细菌和原生动物两次盛衰： 异养细菌大量繁殖，接着原生动物大量繁殖，由于细菌数量下降原生动物衰落，异养菌再次大量繁殖，又造成次生原生动物成为优势群，最后原生动物死亡。,2、活性污泥系统中原生动物的演替,植鞭毛虫 肉足虫 动鞭毛虫 小型游泳型纤毛虫 大型游泳型纤毛虫 固着型纤毛虫 匍匐型纤毛虫 轮虫。,3、指示生物,（六）活性污泥法的影响因素,水中溶解氧(DO) 溶解氧过低，活性污泥微生物正常代谢受影响，净化功能下降，易于出现丝状菌性污泥膨胀。 溶解氧越高越好么？,浪费动力 引起絮凝体分散。,DO保持在2.04.0 mg/L 供氧方式： 鼓风曝气 机械曝气 射流曝气,温度和pH,适宜温度为1530。 30都会影响处理效果。 最适pH值介于6.08.0。 pH9.0，微生物的代谢速率降低。,思考：冬天如何提高污水处理处理效果 ？,营养盐浓度和平衡,活性污泥的生物合成，取决于能源物质的性质、浓度、氮和磷等的平衡，及少量无机盐。 适宜 BOD:N:P比例=100:5:1,食料微生物比（污泥负荷）,F/M比 F/M比既影响微生物的生长和代谢活动，又影响活性污泥系统的效率。 通常以污泥负荷BOD/MLSS之比来表示,污泥负荷和容积负荷,污泥负荷(sludge loading) 每日每千克混合液中的悬浮固体所能承受的BOD千克数，其单位是kg BOD(kgMLSSd)。 容积负荷(volume loading)， 每立方米曝气池体积每日所承受的BODkg数，其单位是kg BOD(m3d)。,污泥龄,污泥龄 c (sludge age) 指曝气池中微生物细胞的停留时间。有回流的活性污泥法，污泥龄就是曝气池全池污泥平均更新一次所需要时间(以天计)。 普通活性污泥法般 c 为515d，延时限气法 c为2030d，高负荷活性污泥法 c为0.32.5d。,有毒物质,无机物和有机物两类 无机物有重金属、硫化氢、卤族元素及其化合物，有机物有酚、醇、醛等。 重金属及其盐类是蛋白质沉淀剂，其离子易与细胞蛋白质结合，使之变性。,（七）活性污泥的膨胀及其控制,正常的活性污泥：具有絮凝作用的菌胶团细菌占优势，同时有少量丝状细菌穿插其中，上面附有钟虫、楯纤虫和轮虫一类低等动物。 当活性污泥性质发生变化时，不易沉降，絮凝物随水漂流，致使出水BOD增高。这一现象称为污泥膨胀(sludge bulking)，,1、活性污泥的膨胀,2、引起污泥膨胀的原因和条件,（1）污泥膨胀类型 有丝状菌性膨胀和非丝状菌性膨胀两种 非丝状菌膨胀 因高黏性物质大量积累而引起的膨胀。 低温季节容易产生，出现这种污泥膨胀时，废水净化效果良好，上清液清澈，但污泥难于沉淀。,丝状菌性膨胀,丝状菌性膨胀是由于丝状菌异常增长而引起的； 活性污泥呈棉絮状，沉降性能变差。通常所说的膨胀是指丝状菌性膨胀(filamentous bulking)。,Microscopic view of a highly filamentous bulking sludge from an industrial wastewater treatment plant BEFORE (left) and AFTER (right) treatment with Settle-on. The additive clearly has repressed the filamentous bacteria and given rise to stable active sludge performance.,导致产生丝状菌性膨胀的微生物,球衣菌(Sphaerotilus) 贝日阿托氏菌(Beggiatoa) 硫发菌(Thiothrix) 诺卡氏菌(Nocardia) 芽孢杆菌(Bacillus),假单胞菌(Pseudomonas) 黄杆菌(Flavobacterium) 地霉(Geotrichum) 木霉(Tricboderma) 丝状的酵母,污水处理厂常见的污泥膨胀,(1)缺氮和缺磷的废水：如造纸废水、含酚废水和印染废水，污泥膨胀比较严重。 (2)温度过高：夏秋季膨胀现象频繁。有时低水温也会有问题。,(3)污泥负荷过低或高： 污泥负荷超过0.35kgBOD/(kgMLSSd)就会膨胀。 (4)废水中悬浮物低，低分子糖类多； (5)有毒金属、硫化物等毒物流入。,解决办法,(1) 改进污水处理工艺 推流式一般不容易发生膨胀， 完全混合法易发生膨胀，采用间歇式进水可抑制膨胀发生。 活性污泥饥饿可抑制丝状菌的增长：菌胶团形成菌贮存能力高，丝状菌贮存能力低。,解决办法,(2) 分析污泥膨胀原因，改变运行条件 废水中含硫化物较高引起硫发菌繁衍造成的，预曝气氧化除去硫化物，降低了硫发菌的含量，可消除膨胀； 提高溶氧浓度，溶氧21mg/L以上； 降低污泥负荷，控制BOD负荷为0.20.3kg(kg.MLSSd)。,解决办法,(3)投加絮凝剂 在原因不明的情况下，投入絮凝剂可起到明显的效果。 如投加铁盐(三氯化铁550mg/L) 铝盐(按矾土计10100 mg/L) 高分子絮凝剂,解决办法,(4)投加氧化剂 丝状细菌膨胀加氯气或加过氧化氢 有效氯浓度为1020 mg/L (20 mg/L污泥解絮)；过氧化氢浓度为100200 mg/L。 球衣菌对氧化剂较敏感，而菌胶团形成菌不敏感。浓度不能过高，避免污泥解絮。,第三节 好氧生物膜法,利用固着在惰性材料表面的膜状生物群落处理污水的方法称为生物膜法(biofilm process)，是一种重要的生物处理方法。 亦称固着膜法(fixed-film process)，主要结构是生物滤池 (biological filter) 英国称为溶滤池(percolating filter)，美国称为滴滤池(trickling filter)。,生物滤池,生物滤池,一、基本特点和类型,生物滤池的优缺点： 优点：耗能少、维持费用低、运转管理方便，抗毒物冲击能力强，污泥量少。 缺点：规模较小，占地多 如果建立生物滤池污水处理厂的处理能力超过5万人污水的规模，占地太多，不适于城市和土地紧缺地区使用,生物膜法类型,生物滤池 生物滤池分普通生物滤池(conventional biological filter)和高负荷生物滤池(high rate biological filter)。 长方形或圆形池子(钢筋混凝土或砖石结构)，池内装有滤料(石子、炉渣或塑料滤料等)，滤料层上有布水装置，下有排水系统。,塔式生物滤池(biological tower) 塔高724m，采用塑料滤料(聚氯乙烯和聚丙烯)，内部通风良好，水流紊动剧烈，水力冲刷较强。 生物转盘(biological disc) 1960年德国斯图加特工业大学设计的一种方法，在废水池子中安装转盘，像水车一样旋转，转盘浸入水中吸附有机物获得营养，转盘离开水后获得氧气。,塔式生物滤池,塔式生物滤池,生物转盘,生物接触氧化(biological contact oxidation) 池中装填一定数量的填料，附着在填料上的微生物依靠机械充氧获氧，氧化分解有机物，又称淹没式生物滤池，是介于活性污泥法和生物滤池法之间的处理工艺。 停留时间为0.5h15h，BOD负荷16 BODkg /(m3d)，去除效率8090(BOD5)。,生物流化床(biological fluidized bed) 以砂、焦炭或活性炭等细小惰性材料作为生物膜载体，废水(先经充氧或床内充氧)自下向上流过滤床使载体层呈流动状态，加大了生物膜表面积与废水和氧的接触，提高了处理效率 。 MLSS为840mg/L，有机负荷16 BODkg /(m3d)。停留时间1545min，BOD和氮去除率90。,生物流化床,The biological fluidized bed reactor is an important part of breaking down perchlorate contamination. (Photo courtesy of Tulsa District),二、生物膜的净化原理,污水从上部均匀喷洒到生物滤池表面， 薄膜状吸附于滤料周围形成附着水(adhesive water)，沿薄膜流过滤料即流动水(flowing water)。 滤料表面微生物迅速繁殖，形成一层充满微生物的生物膜。 革兰氏阴性菌 丝状细菌，并有糖萼的形成，有助于生物膜微生物黏结在滤料表面。,生物膜的净化原理,生物膜具有强烈的吸附、吸收、分解作用，微生物合成新细胞，膜不断加厚。 生物膜达到一定厚度时，生物膜内层形成厌氧层，厌氧层逐渐扩大增厚，随后造成生物膜整块脱落。 滤料表面又生成新的生物膜，如此循环往复不断更新。,三、生物膜中的微生物 普通滤池内生物膜的微生物群落有： 生物膜生物：起净化和稳定污、废水水质的功能。菌胶团为主要组分，辅以浮游球衣菌、藻类等。,生物膜面生物：促进滤池净化速度，提高滤池整体的处理效率的功能。固着型纤毛虫(例如钟虫、累（等)枝虫、独缩虫等)及游泳型纤毛虫(例如楯纤虫、斜管虫、尖毛虫、豆形虫等， 滤池扫除生物：去除滤池内的污泥、防止污泥积聚堵塞的功能。有轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、顠体虫等，,具体来说，生物膜由细菌、真菌、藻类、原生动物和其它动物构成的食物链，对有效地去除水中有机物起着十分重要的作用。 同活性污泥相比，生物膜的食物链长而复杂，还有环节动物、昆虫幼虫等,1、细 菌,细菌在数目上和生物量上占优势，种类和活性污泥的细菌种类相似 好氧菌(专性或兼性的)主要有动胶菌、假单胞菌、产碱杆菌和黄杆菌，硝化细菌、亚硝化单细菌和硝化杆菌， 专性厌氧菌有脱硫弧菌和产甲烷菌等。 丝状细菌如浮游球衣菌、贝日阿托氏菌等，但很少占优势，其数量直接与滤池的有机负荷有关，但不会引起污泥膨胀。,2、真 菌,真菌在生物膜中比在活性污泥中多，首先定殖在基质上 主要的真菌有白地霉、水生镰孢、瘤孢、红浆霉和多胞丝胞酵母。 丝状生长有助于氧向生物膜深处扩散。,3、藻 类,生物滤池、生物转盘等受到阳光照射的部分会有藻类生长。如果藻类过度生长覆盖滤池表面，可引起滤池堵塞。 常见藻类：小球藻、绿球藻、裸藻、丝藻、席藻、毛枝藻以及颤蓝菌等。,4、原生动物,大量原生动物存在，其种类比活性污泥多 1mL生物滤池污泥中：肉足类1004600个，鞭毛虫类20013000个，纤毛虫50010000个。 纤毛虫类在生物滤池中占很大比例，但比活性污泥法少。 出现频率最高有植鞭毛虫类屋滴虫，肉足虫类变形虫、简便虫、表壳虫，纤毛虫类独缩虫、盖虫、斜管虫等。,不同的构筑物类型、不同的废水和不同的季节，原生动物的优势种不同。 通常，植鞭毛虫常存在于上层； 纤毛虫在各部位均分布，游泳型纤毛虫在上，柄纤毛虫在下。,5、后生动物,轮虫类、线虫类、环节动物、昆虫类、甲壳类等，旋轮虫较多，有时比原生动物生长还快而成为优势种属。 后生动物在生物膜中的运动和觅食，导致生物膜松动，控制生物膜厚度，促进了物质交换和氧的供应。,线虫，占全部生物的210，数量与季节变化没有多大关系。 环节动物主要是寡毛类，如爱胜蚓、颤蚓、水丝蚓等。 昆虫类中最多的是毛蠓，在滤池中很普遍，可达3万个/m2以上，幼虫吞食生物膜，可抑制生物膜的过度发展，并使生物膜疏松。,第四节 氧化塘法,被世界广泛采用的主要处理方法。规模可从处理小于1000人的污水到大于10万人的污水。 美国约有3500个氧化塘，约占人口的7。 我国从1950年初开始应用氧化塘处理城市污水和工业废水。 1950年代西安利用古运河建立了污水库， 70年代武汉修建了鸭儿湖氧化塘处理化工废水， 到90年代初发展到100多座。,特殊的活性污泥法。 氧化塘是人工的、接近自然水生生态系统，在氧化塘(或氧化沟)内，各种生物共存于同一环境中，保持互生关系。其食物链与自然水体基本相同。,氧化塘(或氧化沟),一、氧化塘的特点和类型,1、氧化塘和活性污泥法的不同点 停留时间很长， 负荷较低， 微生物量较低， 不需要曝气， 下层有厌氧分解， 生物以藻菌共生为主，并起主要的净化作用。,2、氧化塘的基本形式,厌氧塘、好氧塘、兼性塘和曝气塘 厌氧塘(anaerobic pond) 一般表面积小、深度大(可达4.5m)，使池塘处于厌氧状态，主要反应是酸化和甲烷发酵，一般作为高温高负荷污水的预处理，停留2050d。,氧化塘的基本形式,好氧塘(oxidation pond) 完全依靠藻类化合作用供氧，池很浅，塘深3040cm，水力停留时间35d。 可分为高速率好氧塘(high rate oxidation pond)及深度处理塘(polished pond)或熟化塘(maturation pond)。,氧化塘的基本形式,兼性塘(facultative pond) 最常见的塘型，塘深1.22.5m，上层为好氧层，下层为厌氧层。停留时间530d。 曝气塘(aerated pond) 由超负荷的兼性塘演化而来，塘深一般26m，停留时间 310d，采用人工曝气，所需土地面积较少。,二、氧化塘净化污水的原理,1、表层好氧菌或兼性厌氧菌氧化分解有机物，释放出氮、磷和CO2。 表层的藻类利用氮、磷和CO2，光合作用，释放出氧气。 溶解氧又为好氧菌所利用，这样构成藻菌“共生”体系。 2、塘下层和污泥层进行厌氧过程，形成CH4、CO2、NH3，和H2S，还有多种可溶性降解产物。,三、氧化塘中的生物类群,1细 菌 好氧生物处理系统的优势种相似，主要有假单胞菌、黄杆菌、微球菌等。 藻类生长层以下和厌氧层以上区域生活着大量的光合紫色硫细菌，将产生的硫颗粒沉积在细胞中。降低塘中硫化氢的浓度，减弱臭味 ； 在塘底层进行厌氧过程。梭菌、假单胞菌、脱硫弧菌、脱硫菌、甲烷八叠球菌和甲烷丝菌等。,2、藻类,稳定塘中另一类重要微生物 常见的藻类有：小球藻、栅藻、衣藻、纤维藻、实球藻、空星藻、裸藻、扁裸藻以及颤蓝菌和微囊蓝菌等。 藻类的主要功能是产氧，维持塘的好氧条件。 藻类另一个主要功能是去除植物营养盐氮和磷。,3、原生动物,占优势，以顺序出现下列原生动物： 植鞭毛虫如眼虫； 游泳型纤毛虫如豆形虫、草履虫和游仆虫等。 有柄纤毛虫如钟虫和累枝虫等出现。 甲壳类蚤和轮虫出现。,4水生维管束植物,凤眼莲、水浮洼、水鳖、绿荫等漂浮植物有很强的耐污能力， 芦苇、水葱、香蒲等挺水植物有中等耐污能力， 眼子菜、茨藻和金鱼藻等沉水植物适于生长在寡污带水中。,浮叶眼子菜,凤眼莲,芦 苇,金鱼藻,第五节 厌氧处理法,一、厌氧处理法的特点和类型,厌氧处理法是在缺氧条件下利用厌氧微生物(包括兼性厌氧微生物)分解污水中有机物的方法，也称厌氧消化法。其代谢产物沼气主要成分是甲烷，故又称作沼气发酵法或甲烷发酵法。,人工沼气发酵研究已有100多年的历史，从19世纪末到20世纪初，许多微生物工作者对纤维素发酵进行了研究。 前苏联微生物学者奥梅梁斯基发现奥氏甲烷杆菌，提出沼气发酵理论，并为开辟沼气应用的途径奠定了基础。 产甲烷菌抗菌作用强，可致痢疾杆菌、伤寒杆菌、霍乱弧菌等致病菌无法存活,1主要优缺点,有机负荷高，去除率高。 可以直接处理高浓度有机废水，不需要大量水稀释。 BOD去除率可达90%以上，COD去除率约为7090。 能降解许多在好氧条件下难以降解的合成化学品。如原配类染料、偶氮染料、含氯农药等。,2主要类型：有四种,常规消化池或普通消化池(Conventional Digester) 污水间歇地或连续地进入消化池，上部排水，顶部排沼气，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，无污泥回流。 活性污泥浓度不高，一般5。停留时间2530d。,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， 污泥浓度增至10甚至20左右，效率较高，停留时间约为110d。,厌氧滤池(anaerobic filter, AF) 反应器内全部或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隙度。 上升式，在过滤器后设沉淀分离装置分离生物膜。 停留时间一般约0.53d。,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，运行时污水以一定流速自下进入反应器，通过一个悬浮的污泥层，料液和污泥菌体接触反应并产生沼气小气泡，气泡托起使污泥上升，在上部有一个关键装置气液固三相分离器，使污泥下沉，气水分离。 折流式厌氧反应器(ABR)，效率更高。,二、甲烷发酵理论与机制,甲烷发酵理论先后提出了二阶段、三阶段和四阶段发酵理论。 布赖恩特(Bryant)于1979年提出的四阶段的发酵理论：,水解和发酵性细菌群将复杂有机物转化成有机酸： 纤维素、淀粉等水解为单糖，再酵解为丙酮酸； 将蛋白质水解为氨基酸，脱氨基成有机酸和氨； 脂类水解为各种低级脂肪酸和醇，例如乙酸、丙酸、丁酸、长链脂肪酸、乙醇、二氧化碳、氢、氨和硫化氢等。,第一阶段：有机酸的产生,微生物群落为水解发酵性细菌 有专性厌氧的: 梭菌属(Clostridium) 拟杆菌属(Bacteriodes) 丁酸弧菌属(Butyrivibrio) 真细菌(Eubacterium) 双歧杆菌属(Bifidobacterium) 革兰氏阴性杆菌 兼性厌氧的有: 链球菌 肠道菌,研究表明，水解发酵性细菌数量为： 每毫升污水有108109cfu个，每克挥发性固体含10101011个， 其中，蛋白质水解菌有107个， 纤维素水解菌105个左右。,微生物群落： 微生物群落为产氢、产乙酸细菌； 只有少数被分离出来。 硫酸还原菌和其他产乙酸和氢气的细菌；,第二阶段：乙酸和氢气的产生,产生过程 产氢和产乙酸细菌群进一步把第一阶段的产物分解为乙酸和氢气； 硫酸还原菌和其他产乙酸和氢气的细菌将第一阶段发酵的三碳以上的有机酸、长链脂肪酸、芳香族酸及醇等分解为乙酸和氢气。,第二阶段：乙酸