水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理.ppt

第九章水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理,第一节污、废水生物处理中的生态系统,城市生活污水和工业废水生物处理的方法很多，根据微生物与氧的关系分为好氧处理和厌氧处理两大类。根据微生物在构筑物中处于悬浮状态或固着状态，分为活性污泥法和生物膜法。,一、好氧活性污泥法,普通活性污泥法是依据水的自净作用原理发展而来的,初次沉淀池,曝气池,二次沉淀池,污泥消化池,（一）好氧活性污泥中的微生物群落1、好氧活性污泥的组成与性质好氧活性污泥是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物与污（废）水中有机的和无机固体物混凝交织在一起，形成的絮状体或称绒粒（floc）。（1）组成：细菌、微型动物为主体的各种好氧、兼性厌氧微生物+悬浮物质、胶体物质形成的絮状体。（2）性质：含水率99%，密度1.002-1.006，pH6.7，绒粒大小0.02-0.2mm，比表面积20-100cm2/ml。,2、好氧活性污泥的存在状态：完全混合式：悬浮状态，均匀分布推流式：不均匀分布，随推流方向微生物种类依次增多,3、好氧活性污泥中微生物群落活性污泥的结构和功能的中心是能起絮凝作用的细菌形成的菌胶团，其上生长着各种类型的微生物，形成一个微生物群落。,（1）细菌：活性污泥主要成分是细菌，来源于土壤、水、空气。某些属出现频率很高，尤其是动胶菌属和假单胞菌属。此外还有一类丝状细菌存在，如球衣菌属、发硫菌、贝氏硫菌属。它们大多数是化能异养菌，以有机质为主要营养源，好氧或兼性厌氧，以G-占优势。许多菌具有荚膜或微荚膜，部分细菌有纤毛，与絮状体形成密切相关。,动胶菌属,球衣菌属,（2）真菌：主要为丝状真菌，有毛霉、根霉、曲霉、青霉、镰刀霉、木霉、地霉等。霉菌常出现在pH低的废水中。真菌在活性污泥中不占重要地位，其作用估计与絮状水体形成及膨胀有关。,（3）微型动物：原生动物和少数多细胞动物，原生动物占总数90%。数量种类与污水的类型不同而不同，生活污水中原生动物量大于工业废水。以纤毛虫纲占优势，多细胞动物有轮虫、颤蚓、线虫等。原生动物在废水净化中的作用仅次于细菌。（4）藻类：较少，有绿藻如小球藻属，蓝细菌颤藻属。,4、好氧活性污泥中微生物浓度和数量浓度常用1升活性污泥混合液中恒重的干固体mg数表示，即MLSSmixedliquorsuspendedsolids混合液悬浮固体。一般生活污水MLSS2000-3000mg/L工业废水MLSS3000mg/L高浓度工业废水MLSS3000-5000mg/L1ml污泥中细菌数107-108个,（二）活性污泥净化废水的作用机理,净化作用过程：1、吸附：废水与活性污泥充分接触，形成悬浊混合液，污染物被比表面积大的絮凝性微生物吸附。2、胞外分解和吸收：呈胶态的大分子有机物被吸附后，首先被微生物分泌的胞外水解酶分解为小分子物质，这些小分子物质与溶解性有机物一起在透膜酶作用下或在浓度梯度推动下选择性吸收入胞。在细菌内氧化分解，中间代谢物被其他细菌吸收无机化为水和二氧化碳。3、其他微生物吸收或吞食未分解的有机物4、凝聚、沉淀：絮状体的作用,（三）好氧活性污泥法的几种处理工艺流程（1）推流式曝气法：采用长方形曝气池，处理时废水与活性污泥从曝气池一端同时进入，经曝气机的推流作用，原污水与活性污泥向前推进到末端。该法BOD和悬浮物的去除率达90-95%，适用于处理水质要求高水质比较稳定的废水。,缺点：对水质变化的适应能力不强；所供氧不能充分利用，前端需氧量大后端相反，但空气是沿池平均分布的；曝气池相对庞大，占地多，能耗高。,（4）分段布水推流式曝气法也称多点进水曝气法。废水沿池多点进入，使有机物在曝气池中分布均匀。,（3）接触氧化稳定法也称吸附再生法。曝气池分为接触氧化池（吸附池）和稳定池（再生池）。废水先进入接触氧化池，充分混合后进入沉淀池，回流污泥进入稳定池，曝气但不加废水，使活性污泥中有机物进一步分解。,（2）完全混合式曝气法原污水、回流污泥进入曝气池后立即与池内原有的混合液充分混合。池内水质均匀，各部分工作情况基本一样。缺点主要是出水水质上往往不及推流式。,（5）氧化沟连续环式反应池，因其构筑物呈封闭的沟渠形而得名。平面上多为椭圆或圆形。具有特殊的水流混合特征，介于推流式和完全混合式之间。适合处理高浓度有机废水。污泥产量少，能耗低。,（四）氧化塘（或氧化沟）的生物群落及其处理废水机制氧化塘就是利用天然池塘、河堤、洼地来治理污染。在塘内形成藻类、好氧性细菌和原生动物组成共生系统，使废水得到净化。,1、微生物群落（1）藻类：表层是藻类，如小球藻、栅列藻、衣藻、裸藻、颤藻等。（2）细菌：存在下层。优势菌群：假单胞菌、黄杆菌、产碱杆菌、芽孢杆菌、光合细菌等，在底部厌氧层有硫酸盐还原菌、产甲烷菌等。（3）微型动物：主要是纤毛虫，一般有钟虫、膜袋虫等种类，最高1000个/ml。还有轮虫、甲壳类、摇蚊幼虫（底泥中）,2、处理机制利用细菌与藻类的互生关系来分解有机污染物的废水处理系统。,（五）菌胶团的作用定义：广义讲，将所有具有荚膜或粘液或明胶质的絮凝性细菌互相絮凝聚集成的菌胶团块都称为菌胶团。形成菌胶团的主要细菌是动胶菌，有的种胞外有荚膜，在污水中可凝聚成肉眼可见的絮状物。此外该菌有胞外小纤毛能将絮状物中的细胞交织在一起，这种交织作用使许多细胞互相粘连形成最初的活性污泥凝聚体。,作用：1、很强的生物吸附和氧化分解有机物的能力2、为原生动物提供良好的生存环境3、为原生动物、微型动物提供附着场所4、具有指示作用,（六）原生动物及微型后生动物的作用,1、指示作用：原因在于原生动物是较高等动物，耐毒力比细菌好，对环境因素改变比较敏感，环境条件改变可引起它们种群、数量及代谢活力的变化；个体大，在低倍镜下可见便于观察。,（1）判断污水处理程度：,（2）指示污泥性质和好坏：正常污泥：钟虫属、累枝虫属、盖虫属等固着性或匍匐性种数污泥恶化：絮凝体0.1-0.2mm以下，优势种属有豆形虫、草履虫、眼虫、波豆虫属等快速游泳型种属。严重恶化时微型动物几乎不出现。污泥膨胀：摄食丝状菌的裸口目旋毛科、全毛类原生动物及拟轮毛虫等。污泥解体：絮凝体细小，针状分解。优势种为变形虫属、简便虫属等肉足类。,（3）指示水质变化和运行中出现的问题形态变化：环境条件恶劣时形成孢囊；pH超过正常范围钟虫纤毛停止摆动，虫体收缩成团生殖方式：出现有性生殖时往往预示环境条件变差或种群处于衰老期。优势种变化：高负荷，曝气不足小鞭毛虫；水停留时间过短小的游泳型纤毛虫；很高负荷及难降解物小裸变形虫和鞭毛虫；溶氧不足阿托氏菌属、扭头虫属和新态虫属过分曝气肉足类及轮虫类。,2、净化作用腐生性营养的某些鞭毛虫通过渗透作用吸收污水中溶解性有机物；动物性营养的原生动物可吞食有机颗粒和游离细菌，利于净化水质。,3、絮凝和沉淀作用原生动物可以分泌一定的粘液协同和促进细菌发生絮凝作用。,（4）指示细菌活力：小口钟虫在细菌生长活跃旺盛的对数期出现，沟钟虫需要细菌的代谢副产物，出现在细菌生长的衰老期,（七）好氧活性污泥的培养,1、间歇式曝气培养（1）菌种来源：污水处理厂的活性污泥；工厂集水池或沉淀池污泥或污水流经的河流淤泥。（2）驯化：,（3）培养：改用连续曝气培养法培养，用镜检和化学测定分析判断活性污泥的成熟度，若菌胶团结构紧密，原生动物以钟虫等固着型纤毛虫为主，沉降性能好，说明进入成熟期。,2、连续曝气培养用现成的与本厂相同水质处理厂的活性污泥做菌种可直接用连续曝气培养。,二、好氧生物膜法,主要类型：生物滤池：普通生物滤池；高负荷生物滤池；塔式生物滤池生物转盘生物接触氧化法（淹没式生物滤池）,生物转盘,（一）生物膜中的微生物群落1、好氧生物膜：由各种微生物组成的，附着在各种支撑体上的一层粘性固定化薄膜。是生物膜法处理系统的工作主体，厚约2-3mm，一般呈蓬松的絮状结构，微孔很多，表面积很大，因此有很强的吸附作用，利于微生物进一步对这些吸附的有机物的分解。,2、好氧生物膜中的微生物群落及其功能（1）生物膜生物：细菌：以动胶菌为主，其他的还有好氧的芽孢杆菌属、不动杆菌属，专性厌氧的脱硫弧菌属等。另一主要的细菌是丝状细菌。在生物膜中丝状细菌不会引起膨胀，特别是球衣细菌降解有机物能力非常强，在净化废水中起重要作用。此外，丝状菌大量生长，菌丝体交叉粘连形成网状结构，对水流起到过滤作用。,真菌：种类和数量都很丰富，约30%是真菌藻类：在生物滤池上部，藻类的主要作用是向生物膜供氧,（2）生物膜面生物固着型纤毛虫：钟虫、独缩虫、累枝虫属；游泳型纤毛虫：豆形虫、尖毛虫等。它们是动物中的主要类群，其优势种随生物膜营养物质和其他环境条件变化而更替，可作为水处理的指示生物。能促进滤池净化速度，提高滤池整体的处理效率。,（3）滤池扫除生物体形较大的无脊椎动物如轮虫、线虫，环节动物门的瓢体虫、沙蚕，节肢动物水螨，软体动物蜗牛等，去除滤池中的污泥，防止污泥积聚和堵塞。,3、好氧生物膜的结构生物滤池中的生物膜分为水层、好氧层、厌氧层上层：营养浓度高，主要是细菌，少数鞭毛虫中层：废水中的营养物，微生物代谢产物，种类较多，有菌胶团、浮游球衣菌、鞭毛虫、变形虫、肾形虫等下层：有机物浓度低，低分子有机物较多。菌胶团、浮游球衣菌、固着型纤毛虫，少数游泳型纤毛虫。,4、净化作用机理,（二）好氧生物膜的培养挂膜1、自然挂膜法将带有自然菌种的工业废水用泵慢速打入空的生物滤池中，循环3-7后改为慢速连续进水。在这过程中，废水中的自然菌种和空气微生物附在滤料上，逐渐形成一层粘性的微生物薄膜，当进水流量达到设计值时，滤池由上而下形成正常分层的微生物相就可以进行正式运行。2、活性污泥挂膜法取处理生活污水或处理工业废水的活性污泥做菌种,3、优势菌种挂膜法从自然环境或废水处理中筛选分离得到对某种工业废水有强降解能力的菌株，还可以是遗传育种或基因工程菌。,第二节活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀控制对策,正常的活性污泥沉降性能很好，但当活性污泥性能发生变化，比重减轻，SVI值增加时，污泥会因结构松散而造成沉降困难，在二次沉淀池中出现池面飘泥现象，污泥随出水排出，使出水有机物浓度增高，这一现象称为污泥膨胀。污泥膨胀有两种：丝状膨胀丝状细菌引起；菌胶团膨胀非丝状细菌引起。都可用SVI（Sludgevolumeindex）衡量，当SVI大于200ml/g时表示发生膨胀，小于200为正常，通常在50-150，最好是100。,一、活性污泥丝状膨胀的成因（一）致因微生物最常出现的有10几种，如诺卡氏菌、微丝菌、浮游球衣菌、发硫菌等。除了常见的丝状细菌外，也包括某些放线菌、丝状真菌以及在一定生活阶段或一定条件下，菌体能集合成链状的芽孢杆菌属、埃希氏菌属、黄杆菌属、假单胞菌属的某些菌株。,（二）活性污泥丝状膨胀的成因1、温度：菌胶团细菌如动胶菌最适生长温度28-30，浮游球衣菌是25-30，两者差别不大，但浮游球衣菌是微量好氧能竞争生长。,2、溶解氧菌胶团细菌是严格好氧的，浮游球衣菌是好氧菌但在微氧条件下也能正常生长。贝日阿托氏菌、发硫菌在0.5mg/L时生长最好。3、可溶性有机物及其种类丝状细菌能吸收可溶性有机物，尤其是低分子的糖类和有机酸，厌氧条件下有机物不彻底分解产生有机酸，使丝状细菌大量生长。,4、有机物浓度（有机负荷）浮游球衣菌较能适应贫营养的生长条件，在C、N含量较低的条件下能良好生长。在生活污水和食品类有机废水中BOD5100-200mg/L，浮游细菌可呈优势生长，数量超过60%，使污泥发生膨胀。动胶菌适于营养较丰富的条件，对碳源利用率高，C：N大于10呈絮状生长，小于10-5则分散生长。,（三）活性污泥丝状膨胀的机理表面积/容积比假设：在单位体积中，丝状细菌的表面积与容积比较菌胶团细菌大，对有限制性的营养和环境条件的争夺占优势，大量生长成为优势菌引起活性污泥膨胀，两者的优势竞争在于以下方面：,1、对溶解氧的竞争：氧充分条件下好氧的动胶菌生长良好。如果曝气池溶解氧长期维持在低水平，利于丝状细菌的优势生长。,2、可溶性有机物的竞争：低分子糖类和有机酸利于丝状细菌的生长,4、有机物冲击负荷的影响如果曝气池中有机物浓度突然增加，供氧量不变，由于好氧生物的呼吸作用迅速消耗溶解氧，利于丝状细菌的生长。,3、对C、N的竞争营养物浓度较低时，利于丝状菌生长而且还可蓄积营养物，更进一步抑制动胶菌的生长。,1、控制溶解氧保持曝气池内有足够的溶解氧（2mg/L），可在曝气池中用强化曝气、射流曝气等方法控制高负荷下的污泥膨胀。2、控制有机负荷有机负荷可用容积负荷表示，即单位反应器容积每日接受的废水中有机污染物的量。污染负荷在0.2-0.3kgBOD/kgMLSS.d为宜。,二、控制活性污泥丝状膨胀的对策根本在于控制引起丝状细菌过度生长的环境因子。,3、改革工艺（1）投加某种物质来增加污泥的比重或杀灭丝状菌投加铁盐、铝盐等混凝剂，可以通过其凝聚作用增加活性污泥的比重。丝状菌的比表面积大，遇到有害化学药剂时，遭受破坏的主要是丝状菌，常用的化学药剂是氯气，投加臭氧、过氧化氢也能起作用。（2）采用新工艺：将活性污泥法改用生物膜法。A-B（吸附生物降解法，adsorptionbiodegradtion）、A/O（anoxic-oxic）法、A2/O、A2/O2、SBR法等。,第三节厌氧环境中活性污泥和生物膜的微生物群落,当废水有机物浓度较高时（一般BOD5大于1500mg/L），一般的活性污泥和生物膜法都难以处理只有采用厌氧消化法解决。,沼气池,猪、沼、草（菜、渔、林）、猪的生态模式,养殖场废水,利用沼液灌溉牧草,优点：1、处理1kgCOD可产生0.35m3甲烷沼气2、处理设备负荷高，占地少3、对营养物的需求量少：COD：N：P=350-500：5：1,相比而言对N、P的需求要小的多，因此厌氧处理时可以不添加或少添加营养盐4、运行经费经济，污泥量少。,不足：1、处理时间长；2、出水的有机物浓度高于好氧处理；3、处理过程中产生臭气和有色物质4、对温度变化和有毒物质较为敏感,废水,调节池,热交换器,37,厌氧活性污泥反应器,沉淀池,出水,回流污泥,剩余污泥,一、厌氧消化甲烷发酵,工艺：,消化池：单级低效、单级高效、两级（相）消化,2级(平流沉淀+厌氧污泥消化),反应器：基于微生物固定化原理设计，污泥浓度高，反应快速。如厌氧滤器，上流式厌氧污泥反应器（UASB）。,微生物群落：分解蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素的专性或兼性厌氧菌；专性厌氧的产甲烷菌（一）甲烷发酵理论与机制,1、水解阶段：高分子有机物被细菌胞外酶分解为小分子，其水解产物能溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。微生物群落主要是水解、发酵性细菌。2、产乙酸阶段：前一阶段产物被产乙酸细菌转化为乙酸、H2、CO2。微生物群落为产氢产乙酸细菌，碳酸盐还原菌。3、产甲烷阶段：两种途径。一是氢的氧化和二氧化碳还原成甲烷，占28%，二是乙酸盐裂解，剩下的甲基还原为甲烷，占72%。4、同型产乙酸阶段：由同型产乙酸细菌将H2、CO2转化为乙酸。,3产甲烷,3产甲烷,产甲烷机制：1、酸和醇的甲基形成甲烷：CH3COOHCH4+CO24CH3OH3CH4+CO2+2H2O,3、水还原脂肪酸产生CH42C3H7COOH+CO2+2H2OCH4+4CH3COOH,2、由醇的氧化使CO2还原成CH4、有机酸2CH3CH2OH+14CO214CH4+2CH3COOH2C3H7CH2OH+14CO214CH4+2C3H7COOH,4、H2还原CO2为CH44H2+CO2CH4+2H2O5、H2或H2O将CO还原为CH4.3H2+COCH4+H2O2H2O+4COCH4+3CO2,（二）厌氧活性污泥的培养,1、菌种来源：牲畜粪便；生活污水处理厂的浓缩污泥；同类水质处理厂的厌氧污泥。2、驯化与培养：驯化过程与活性污泥法类似。培养进水量由小到大，逐步提高浓度。,成熟的厌氧活性污泥呈颗粒状，也称颗粒污泥。由于产甲烷菌生长速度慢，所以颗粒污泥驯化、培养时间较长。,3、颗粒污泥的组成与性质微生物组成：水解菌、发酵菌、产乙酸菌、产甲烷菌（氢营养型、乙酸营养型）、厌氧原生动物，这些微生物在颗粒污泥内生长、繁殖，相互提供营养，菌丝交错相互接合形成复杂的菌群结构。,物理性质：形状：相对规则的球形或椭圆形，边缘清晰，直径0.14-5mm，最大7mm颜色：黑色或灰色密度：1.030-1.080之间表面特征：有许多孔隙和空洞沉降性能：不良18-20m/h；良好18-50m/h（典型值）；很好50-100m/h。,化学性质：一般含碳40.5%，氢7%，N-10%（1）无机灰分含量因生长基质的不同差异较大，8-66%。灰分的增加将提高颗粒污泥密度，过高导致孔隙率降低，主要元素有Fe、Ca、Si、P、S，Ca可促进颗粒化形成。（2）胞外多聚物在一些细菌表面常有一层薄薄的粘液层，即胞外多聚物，主要是胞外聚多糖和蛋白质，与好氧污泥分泌物不同（碳水化合物），但好氧产量高4-7倍。ECP与颗粒污泥的形成有密切关系，可以改变细菌的表面电荷和能量引起细菌的凝聚。,4、颗粒污泥的形成机制颗粒的形成过程由多个阶段组成：细菌与基体（细菌、有机无机材料）的吸引粘连过程；微生物聚集体的形成；成熟污泥的形成。,细菌与基体的吸引粘连过程是颗粒污泥的形成开始阶段，也是决定污泥结构的重要阶段。Ca2+、Mg2+的电荷中和作用以及ECP可以降低排斥位能，促进细菌向基体接近，然后通过细菌的附属物如菌丝或ECP将细菌粘接到基体上，随着粘接到基体上的细菌数目的增加形成各种微生物的聚集体。,微生物聚集体的形成相互聚集在一起形成具有框架结构的内核，从而使产乙酸菌及氢营养菌附着其上，最后是发酵性细菌（产酸菌及其他氢营养菌）在外围生长，形成颗粒污泥。,不同工艺中形成的颗粒污泥形成过程、结构有所不同：单相厌氧消化法：含有厌氧降解过程中的所有细菌两相厌氧消化法：废水处理在两个不同的反应器中依次完成：进行水解和酸化的酸化反应器、产乙酸和产甲烷的甲烷反应器。不同反应器中，污泥细菌的组成区别很大。前者中基本是水解发酵菌、少量产甲烷菌；后者主要是产