（环境工程专业论文）活性污泥微生物种群变化特性的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本课题在试验室条件下，采用s b r 工艺将生活污水在试验装置中直接曝气，通 过控制环境条件逐步培养出活性污泥。在活性污泥培养过程中，依据试验现象重点分析 微生物种群的变化规律及其生物降解特性；同时对培养过程中出现的大量菌胶团进行了 观察与分析；并通过人为的改变负荷，研究负荷对活性污泥主体微生物的影响。 研究结果表明：一，在试验室条件下，通过控皋环境条件成功的培养出了活性污泥。 培养过程中，生物是由低等向高等演化的。二，活性污泥培养过程中，主体微生物的群 落在不断的发生着变化，出水水质指标也有相应的变化。培养初期，以大量的游离细菌 为主体微生物，所测得污泥的m l s s 与s v 3 0 数据均偏小，分别为1 8 6m g l 、1 3 0 ；污 水出水效果差：c o d 的去除率为4 0 ，b o d 的去除率2 6 6 。培养中期，游泳型纤毛 虫是主体微生物，污泥的结构也比培养初期紧密，m l s s 与s v 3 0 数据分别为1 0 7 5m g l 、 5 ；污水出水效果有所提高：c o d 的去除率为6 0 ，b o d 的去除率6 4 5 。培养后期， 钟虫类原生动物的出现并成为优势种群，标志着活性污泥已成熟，所测得的m l s s 、s v 3 0 数据分别为1 9 4 9 6 m g l 、1 5 ；大量枝状菌胶团，使得污泥絮体交大；此时c o d 去除 率达7 4 ，b o d 的去除率达7 4 2 ，污水净化效果良好。三，此次培养活性污泥的试 验过程中，产生了生枝状菌胶团，显著提高了污水c o d 去除率，枝状菌胶团对水质及 冲击负荷的耐受力较强，它的存在可增强受损活性污泥的可逆转性。四，人为的改变有 机负荷，观察其对于主体微生物的影响，结果表明高负荷容易引起线虫的大量繁殖，使 得污泥发生异常，出水水质差，而主体微生物枝状菌胶团对冲击负荷的耐受力较强，并 未发生明显改变。 关键词：活性污泥法；s b r ；微生物；种群结构；枝状菌胶团 活性污泥微生物种群变化特性的研究 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , b yu s i n gt h em e t h o do f s b ri nt h e l a bc o n d i t i o n , t h ed o m e s t i cs e w a g e w a sd i r e c ta e r a t e di nt e s t i n ge q u i p m e n t t h ea c t i v a t e ds l u d g ew a sc u l t i v a t e ds t e pb ys t e pb y c o n t r o l l i n gt h ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s d u r i n gt h ep r o c e s so fc u l t i v a t i n ga c t i v a t e ds l u d g e ，t h e l a w so fc h a n g ea n db i o d e g r a d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o o r g a n i s mp o p u l a t i o nw e r ee m p h a t i c a l l ya n a l y z e da c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n tp h e n o m e n o n o b s e r v e da n da n a l y z e dl a r g e a m o u n to f z o o g l o c a sw h i c ha p p e a r e dd u r i n gt h ep r o c e s so f c u l t i v a t i n g t h ei n f l u e n c e so f l o a d o nm a i nm i c r o b eb yc h a n g i n gt h el o a dw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：1 t h ea c t i v a t e ds l u d g ew a sc u l t i v a t e ds u c c e s s f u l l yi nl a bb y c o n t r o l l i n gt h ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s t h em i c r o b ee v o l v e df r o ml o w - g r a d et oh i g h g r a d e d u r i n gt h ep r o c e s so fc u l t i v a t i n g 2 d u r i n gt h ep r o c e s so fc u l t i v a t i n g ，t h ee f f l u e n tq u a l i t y i n d e x e sc h a n g e dw i t ht h ec h a n g eo fm a i nm i c r o b i a lc o m m u n i t y a tt h ee a r l ys t a g eo f c u l t i v a t i n g ，t h ef r e e c e l l sw e r et h em a i nm i c r o b e t h ee f f l u e n te f f e c tw a sn o tg o o d t h e r e m o v a lr a t eo f c o di s4 0 ，o f b o di s2 6 6 t h es l u d g es e t t l e a b i l i t yw a sn o tg o o de n o u g h i na e r a t i o nt a n k , t h ev a l u eo f s v 3 0i s1 3 a tt h em e d i u ms t a g eo f c u l t i v a t i n g t h es w i m m i n g t y p eo fc i l i a t e sw e r et h em a i nm i c r o b e t h es t r u c t u eo fs l u d g ei sc o m p a c t e rt h a na tt h ee a r l y s t a g eo f c u l t i v a t i n g t h ee f f l u e n te f f e c tw a si m p r o v i n g t h er e m o v a lr a t eo f c o d i s6 0 ，o f b o di s6 4 5 t h es l u d g e ss v 3 0i na e r a t i o nt a n ki s5 a tt h el a t es t a g eo f c u l t i v a t i n g t h e v o r t i c e l l al i k ep r o t o z o a na p p e a r e da n db e c a m et h ed o m i n a n tp o p u l a t i o n i tm a r k e dt h e m a t u r i t yo ft h ea c t i v a t e ds l u d g e 1 1 h ev a l u em l s sa c h i e v e d1 9 4 9 6 m e l al a r g ea m o u n to f b r a n c h e dz o o g l o e a sm a d et h ef l o e so fa c t i v a t e ds l u d g eb i g g e r 1 1 1 er e m o v a lr a t eo fc o d a c h i e v e d7 4 ，o fb o da c h i e v e d7 4 2 t h es l u d g e ss v 3 0i na e r a t i o nt a n ki s1 5 t h e e f f i c i e n c yo fs e w a g et r e a t m e n ti sg o o d 3 d u r i n gt h ep r o c e s so fc u l t i v a t i n ga c t i v a t e ds l u d g e ， b r a n c h e dz o o g l o e u sa p p e a r e d t h er e m o v a lr a t eo fc o di n c r e a s e dr e m a r k a b l y b r a n c h e d z o o g l o e ap o s s e s s e ss t r o n g e rt o l e r a n c ef o rw a t e rq u a l i t ya n ds h o c kl o a d i n g , w h i c hc a ne n h a n c e t h er e v e r s i b i l i t yo fi n j u r e da c t i v a t e ds l u d g e 4 o b s e r v e dt h ei n f l u e n c e so fc h a n # n go r g a n i c l o a do nm a i nm i c r o b e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb i 曲l o a dc a l lc a u s et h en e m a t o d em a s sr e a r i n g , m a d et h es l u d g ea b n o r m a la n dt h ee f f l u e n tq u a l i t yb a d b r a n c h e dz o o g l o e ap o s s e s s e ss t r o n g e rt o l e r a n c e f o rw a t e rq u a l i t ya n ds h o c kl o a d i n g , s od i dn o tc h a n g e k e yw o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g e ：s b r ；m i c r o b e ：p o p u l a t i o ns t r u c t u r e ：b r a n c h e dz o o g l o e a i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：兰垂南 日期。叩年月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囵。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：兰迄韦日期：仰夕年月9 日 、 导师签名。孔务琴日期。汩；年石月日 硕士学位论文 1 1 我国的水资源状况 第1 章绪论 水资源是基础的自然资源，是生态环境的控制性因素之一，同时，又是战略性经济 资源，是一个国家综合国力的有机组成部分。展望将来，水资源正日益影响全球的环境 与发展，甚至可能导致国家间冲突【l , 2 1 。探讨2 1 世纪水资源的国家战略及其相关科学问 题，是世纪之交全球共同关注和各国政府的重点议题之一。 我国水资源数量居世界第6 位，但人均占有量却排在世界第1 0 8 位d 】，被联合国列 为贫水国之一。在全国5 1 7 座城市中，缺水城市就3 0 0 多座，其中严重缺水的城市有1 3 0 座，城市每天缺水量为6 0 亿m 3 ，每年因缺水而造成的经济损失达2 3 0 0 亿元。由于缺 水造成了我国西北干旱地区生态环境的严重恶化。我国人均占有水量为2 3 4 6m 3 a ，为 世界人均占有量的2 5 ，水资源严重不足。而且水的时空分布很不均匀。总的格局是东 南多，西北少；夏秋季多，春冬季少；与人口耕地的分布不相适应，大大降低了水资源 的可利用率。在我国经济较发达，人口相对集中的京津，华北地区，水资源严重短缺， 而中国的矿产资源大多分布在缺水的西北部地区，由于缺水必然给这些地区的经济发展 带来严重障碍1 4 。 预测我国用水高峰将在2 0 3 0 年前后出现，用水总量为7 0 0 0 亿8 0 0 0 亿o a ，人 均综合用水量为4 0 0 5 0 0 m 3 。经分析，全国实际可能利用的水资源量约为8 0 0 0 亿9 5 0 0 亿i n 3 ，需水量已接近可能利用水量的极限。因此必须尽快采取措施来解决这一危机。 目前我国城市面临的最大水问题：一是城市污水排放量大，污水有效处理率低，城 市水域普遍污染，供水水源破坏严重，供水质量难以保证，进而加剧了供需矛盾；二是 用水效率普遍较低，浪费用水现象依然严重。应当清醒地认识到未来城市的最大危害是 “污水”，污水的直接排放不仅污染水环境，还破坏水资源，加剧水危机，为此建议将 “节流优先，治污为本，多渠道开源”作为我国城市水资源可持续开发利用的新战略， 以此来指导城市供水、用水、节水、污水处理和水资源保护规划及相关政策的制定，促 进城市水系统的良性循环【5 】o 1 2 我国的水资源污染状况 伴随水资源缺乏的另一个水隐患是我国的水污染状况严重。我国江河流域普遍受到 污染，且呈发展趋势。河流城市段污染更加严重。七大水系都有不同程度的污染。相对 来说北方的水污染比南方更为严重。全国的大型淡水湖泊和城市湖泊均达中度污染和重 度污染，特别滇池、巢湖、太湖的氮、磷污染严重，富营养化问题突出。近岸海域污染 活性污泥微生物种群变化特性的研究 也日益严重。近2 0 年来城市地下水水质普遍存在恶化趋势。由于污染所导致的缺水和 事故不断发生，如工厂停产、农业减产甚至绝收，造成的不良社会影响和较大的经济损 失，严重地威胁着社会的可持续发展，进而威胁着人类的生存。 我国严重的水污染现象形成的主要原因是：人口增加和经济增长所造成的压力；工 业结构不合理及粗放型的发展模式；废水处理率偏低，大量废水直接排放；面源污染严 重，没有采取有效措施控制：环境意识淡薄、环境管理薄弱、环境执法力度不够；排污 收费等经济政策未能起到对治污的刺激作用；历史欠帐太多，资金投入严重不足等。我 国水污染控制策略中存在的问题还需要一定的时间来解决。 1 3 城市污水处理设施的建设与发展 我匡i 解决城市污水的净化问题始于二十世纪7 0 年代。一些城市利用郊区的坑塘洼 地、废河道、沼泽地等稍加整修或围堤筑坝，建成稳定塘，对城市污水进行净化处理。 据调查，这个时期在全国已建成各种类型的稳定塘有3 8 座，日处理城市污水约1 7 3 万 n l j 。其中生活污水量占一半，其余包括石油、化工、造纸、印染等多种工业废水1 6 1 。8 0 年代，随着城市化进程的加快和城市水污染问题日益受到重视，城市排水设施建设有较 快发展。我国第一座大型城市污水处理厂天津市纪庄子污水处理厂于1 9 8 2 年破土 动工，1 9 8 4 年4 月2 8 日竣工投产运行，处理规模为2 6 万m 3 d 。在此成功经验的带动 下，北京、上海、广东、广西、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根 据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂几十座。 “八五”期问，随着城市环境综合治理的深化以及各流域水污染治理力度的加大， 城市污水处理设施的建设经历了一个发展高潮时期。到1 9 9 5 年，我国城市排水系统排 水管道长度约为11 0 0 6 2 k m ，按服务面积计算，城市排水管网普及率为6 4 8 。与1 9 9 0 年相比，城市排水管道增加5 4 3 7 3 k m ，平均每年增长1 0 8 7 4 k r n ；城市污水处理厂1 6 9 座 ( 其中二级生化处理厂1 1 6 座) ，年处理污水1 7 4 9 亿l n 3 ，处理率8 6 9 。与1 9 9 0 年相比， 城市污水处理厂增加8 9 座，平均每年建污水处理厂1 7 座。 “九五”期间，我国正式启动对“三河”、“三湖”流域和“环渤海”地区的水污 染治理，国家给予相应资金和技术上的支持。1 9 9 6 - - - 1 9 9 9 年竣工投入运行的城市污水处 理项目有2 2 个，投资5 9 5 8 亿元，日处理规模3 7 1 7 万m 3 ；在建项目1 0 9 个，计划投 资1 6 1 8 3 亿元，曰处理规模8 3 2 0 万m j 。 据统计，到2 0 0 0 年底，全国已建设城市污水处理厂4 2 7 座，其中二级处理厂2 8 2 座，二级处理率约为1 5 。2 0 0 0 年用于城市污水处理工程建设的总投资约为1 5 0 亿元。 但目前绝大多数小城镇尚未建污水处理设旋【刀o 2 硕士学位论文 1 4 城市污水处理工艺技术现状与发展 1 4 1 工艺技术现状 我国现有城市污水处理厂8 0 以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化 一级处理，稳定塘法及土地处理法等。 “七五”、“八五”、“九五”国家科技攻关课题的建立与完成，使我国在污水处 理新技术、污水再生利用新技术、污泥处理新技术等方面都取得了可喜的科研成果，某 些研究成果达到国际先进水平。同时，借助于外贷城市污水处理工程项目的建设，国外 许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国，a b 法、氧化沟法、s b r 法在我国城市污 水处理厂中均得到应用。污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物发展，不能具有除 磷脱氮功能，到国外的一些先进、高效的污水处理专用设备进入了我国污水处理行业市 场，如格栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气 发电机、沼气锅炉、污泥消化搅拌系统等大型设备与装置嘲。 我国8 0 年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用普通曝气法活性污泥处理工艺， 由于该工艺主要以去除b o d 和s s 为主要目标，对氮、磷的去除率非常低。为了适应水 环境及排放要求，一些污水处理厂正在进行改造，增加或强化脱氮和除磷功能。多种类 型的s b r 工艺在我国均有应用，如属第二代s b r2 e 艺的i c e s 工艺，属第三代的c s t 工艺、u n i t n k 工艺等。 随着我国对水环境质量要求的提高，修订后的国家污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 也越来越严，特别是对出水氮、磷的要求提高，使得新建城市污水处理厂必须 考虑氮磷的去除问题。由此开发了回流污泥反硝化生物除磷工艺，并已开始在实际工程 中应用。如泰安污水处理厂、青岛李村河污水处理厂、天津北仓污水处理厂、北京清河 污水处理厂等。 ， 从工程规模上看，一批大型污水处理厂的相继建成投产标志着我国污水处理事业发 展到一个崭新的阶段。如：我国2 0 世纪最大的污水处理厂高碑店污水处理厂，处理规 模1 0 0 万m 3 d ；目前全国最大的城市污水处理厂上海竹园污水处理厂正在设计之中，其 规模为1 7 0 万m 3 d 。 1 4 2 发展趋势 目前我国新建及在建的城市污水处理厂所采用的工艺中，各种类型的活性污泥法仍 为主流，占8 0 以上，其余则为一级处理、强化一级处理、生物膜法及与其他处理工艺 相结合的自然生态净化法等污水处理工艺技术f 9 j 。 1 5 课题背景及意义 在我国城市污水处理厂中采用活性污泥法的占8 0 以上。由于活性污泥法具有处理 活性污泥微生物种群变化特性的研究 彻底、不产生二次污染、成本低等优势，随着我国经济的发展和环保意识的提高，必将 在今后几年兴建更多以活性污泥法为主的污水处理厂。活性污泥是由具有活性的微生 物、微生物自身氧化的残留物和吸附在活性污泥上的不被微生物降解的有机物所组成。 其中微生物是活性污泥的主要组成部分。 但是活性污泥法自其产生之日起，就存在着一个老大难的问题一污泥异常，如污泥 膨胀，污泥解体等现象至今仍未得到根本的解决。1 9 3 2 年，法国人d o n a l a s o 首先发现 了丝状菌引起的膨胀问题i l ，现在丝状菌膨胀已成为污水厂最突出最常见的污泥异常问 题。其次由于负荷、水质、环境变化等引起的污泥恶化异常问题也经常出现。由于活性 污泥微生物相的复杂性和生长变化未知规律性，使得活性污泥人为定向控制存在较大困 难。良好的活性污泥应该具有特定微生物相所构成的絮凝体。迄今为止国内外有关活性 污泥微生物絮体的形成机理有很多假说，例如胶体基质或细菌聚合物学说、动电势说、 离子结合说、嗜苏丹颗粒说、纤维素性质的纤维形成说、丝状网状结构模型和多聚物架 挢学说等等【l ”。但从总的思路上有两条基本的线索，一种是认为活性污泥絮体的形成机 理是与细菌表面存在或缺乏某种物理化学条件有关，即从环境工艺如入手研究；另一类 观点认为某种特殊菌种如丝状茵在絮体形成和污泥膨胀中起了重要的作用，即从微生物 相的相互竞争着手研究。这两方面的研究都取得了一定进展，如1 9 7 5 年e i k e l b o o m 系 统地总结出一套丝状微生物分类及鉴别方法，为控制污泥膨胀提供了依据；1 9 7 3 年， c h u d o b a 提出了k s t 理论( 动力学选择) 和生物选择器的概念，为工程控制污泥恶化找 到了一个正确的方向。但是到目前为止，无论哪一个方面，都没有具有普遍意义的和令 人信服的理论。所以进一步研究活性污泥培养运行过程中微生物种群的变化规律及生物 学机理显得尤为重要。 1 6 课题来源及研究内容 1 6 1 课题来源 课题为甘肃省自然科学基金( b ) 项目，项目序号：3 z s 0 4 2 b 2 5 0 0 6 ，项目名称： 污水生化处理中活性污泥微生物生态优化研究。 1 6 2 研究内容及目的 本课题在试验室条件下，采用s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，间歇式反应器) 法， 将生活污水直接投入反应器中进行曝气，进行活性污泥的培养及处理生活污水的模拟试 验。在试验过程中，监测各项数据：进、出水的生化需氧量b o d 、化学需氧量c o d 以 及污泥沉降比s v 3 0 、混合液悬浮固体m l s s 。通过显微镜镜检活性污泥微生物，观察活 性污泥微生物的演变、生长情况，确定各培养阶段微生物的种群特征；通过显微观察和 生活污水降解试验，建立活性污泥主体微生物与出水水质之间的对应关系。试验分为两 个阶段： 4 硕士学位论文 ( 1 ) 活性污泥的培养阶段。通过控制酸碱度、温度、溶解氧等环境条件逐步培养 出活性污泥。在活性污泥培养过程中，观察活性污泥微生物的演替规律、种群特征及微 生物的降解效能。 ( 2 ) 污水处理阶段。在活性污泥进入成熟期后，研究其处理污水的能力。对试验 过程中出现的生物现象进行分析研究，探索其形成机理。 活性污泥微生物种群变化特性的研究 第2 章活性污泥法处理污水概述 2 1 污水处理的方法 当前废水处理方法主要有以下几种：物理法、化学法、生物法、物理化学法【1 2 】。 1 物理法 物理处理方法是最基本最常用的一类处理生活污水或工业废水的单元技术，常用作 废水的一级治理或预处理，常用作化学处理法、生物处理法的预处理方法，甚至成为这 些方法不可分割的一个组成部分，也可单独应运。物理处理法主要是用来分离或回收废 水中的悬浮性物质，它在处理的过程中不改变污染物质的组成和化学性质。常用的物理 处理方法有：沉降与气浮、隔截与过滤、离心分离和蒸发浓缩等。一般情况下，物理处 理法所需的投资和运行费用较低，故常被优先考虑和采用。然而，对于大多工业和生活 废水来说，单纯依靠物理方法净化，往往不能达到理想的处理结果，还须与其他的治理 方法配合使用。 物理处理的基本原理：( i ) 按废水中污染物的比重和大小差异特性净化污水，废水 中不溶性污染物的去除一般通过比重差异进行沉淀分离，浮游分离，如废水预处理、沉 砂、隔油等：对小颗粒的悬浮物和与水比重相差较小的污染物，通过离心力的作用，加 大污染物与水之间沉降速度的差异，增加分离系数，实现污染物的分离，如采用高速离 心机来分离洗衣废水中所含的羊毛脂等；利用废水中不溶性污染物的大小差异，通过截 留分离出污染物，如所有污水处理预处理中的格栅去除固形物等。( h ) 按废水中污染 物的沸点和结晶点的差异性净化废水。利用污染物与水的沸点的不同，一种是采用蒸发 的方法使水气化，污染物在水相浓缩后达到结晶浓度，实现污染物的分离。如用浸没燃 烧蒸发器处理冶金工业的硫酸洗浴液，回收硫酸和亚硫酸铁。 2 化学法 化学处理方法主要是利用化学反应来分离或回收废水中的胶体物质、溶解性物质等 污染物，已达到回收有用物质、降低废水中的酸碱度、去除金属离子、氧化某些有机物 等目的。这种处理方法即可使污染物质与水分离，也能改变污染物的性质。因此，可以 达到比简单的物理处理方法更高的净化程度。常用的化学处理方法有：化学沉淀与混凝 法、中和法、氧化还原法等。由于化学处理法常需采用化学药剂或材料，故处理费用较 高，运行管理的要求也比较严格。通常，化学处理法还需与物理法配合起来使用，如化 学处理法之前往往需要用沉淀和过滤等手段作为前处理；在某些场合下，又需要采用沉 淀和过滤等物理处理手段作为化学处理法的后处理等。 化学处理法的基本原理：废水的化学处理主要应用投加化学药剂与废水中的污染物 6 硕士学位论文 发生反应或电荷作用，以沉淀、上浮或分解为气体等使污染物达到净化。因此废水中污 染物的化学结构和表面电荷差异特性与使用的药剂相当甚大。 3 生物法 污水的生物处理是利用微生物新陈代谢功能，使污水中呈溶解的胶体状态的有机污 染物被降解并转化为无害的物质，使污水得以净化。在好氧条件下污染物最终被分解为 c 0 2 和h 2 0 ；在厌氧条件下污染物最终被分解为c h 4 、c 0 2 、h 2 s 、n 2 、i - 1 2 和h 2 0 ，以 及有机酸和醇，是利用自然界的微生物对有机物分解，使之净化的方法。 4 物理化学法 在工业废水的回收治理过程中，尤其当需要从废水中回收特定的物质时，或是当工 业废水有毒，有害，且不易被微生物降解时，采用物理化学处理方法最为相宜。 2 2 生物处理法 2 2 1 基本原理 污水生物处理的基本原理总括起来是指：通过微生物酶的作用，将污水中的污染物 氧化分解。在好氧条件下污染物最终被分解为c o z 和h 2 0 ；在厌氧条件下污染物最终被 分解为c h 4 、c 0 2 、h 2 s 、n 2 、h 2 和h 2 0 ，以及有机酸和醇掣h 1 。 2 2 2 分类 1 好氧生物处理法 在有氧条件下，有机物在好氧微生物的作用下氧化分解【1 4 】，有机物浓度下降，微生 物量增加，代谢示意图见图2 1 。在废水生物处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法 和生物膜法两大类，此次试验我们选用的是活性污泥法处理生活污水。 污水中的有机物+ 代谢产物( h 2 0 c 0 2 ) + 能量 内源呼吸产物+ 能量 内源呼吸残留物 微生物增长 图2 1 好氧有机物的代谢 2 厌氧生物处理法 在无氧生物条件下，利用多种厌氧微生物的代谢活动，将有机物转化为无机物和少 量细胞物质的过程，代谢示意图见图2 2 。 7 活性污泥微生物种群变化特性的研究 有机物+ 微生物 合成 微生物的增长 有机酸，醇、c 0 2 + 能量 合成 微生物增长( 污泥量) c 0 2 、c h 4 + 能量 分解 图2 2 厌氧有机物的代谢 2 2 3 生物处理典型工艺 1 s b r 工艺( 序批式活性污泥法) 序批式活性污泥法简称s b r 法，是早期充排式反应器的一种改进，这种工艺曝气池 在流态上属于完全混合，在有机物降解上是时间上的推流，有机物是随着时间的推移而 被降解的，其基本运行模式如下： 进水一反应一沉淀一排放一闲置 s b r 工艺具有以下优点【1 5 】： ( 1 ) t 艺系统组成简单，不设二沉池，无污泥回流设备； ( 2 ) 耐冲击负荷，在一般情况下无须设黄调节池； ( 3 ) 反应推动力大，易于得到优于连续流系统的出水水质； ( 4 ) 运行操作灵活； ( 5 ) 污泥沉淀性能良好，s v 3 0 值较低，能有效防止丝状菌膨胀； ( 6 ) 该工艺的各操作阶段及各项运动指标可通过计算机控制，便于自控进行，易于 维护管理。 。 2 a b 法工艺 吸附一生物降解工艺简称a b 法，a 级以高负荷或超高负荷运行，曝气池停留时间 短，是一个开放性的生物系统；b 级以低负荷运行，曝气池停留时间2 4 小时。其工 艺流程图见图2 3 。 a b 法具有以下优点： ( 1 ) 处理效果稳定； ( 2 ) 具有抗冲击负荷和p h 值变化的能力； ( 3 ) 可根据经济实力分期建设。 8 硕士学位论文 污水 格栅呻出水 剩余污泥剩余污泥 图2 3a b 法工艺流程图 3 氧化沟工艺 氧化沟是延时曝气法的一种特殊形式。它的池体狭长、池深较浅，在沟槽中设有表 面曝气装置，它的转动推动沟内液体迅速流动，使活性污泥呈悬浮状态。氧化沟工艺具 有以下优点： ( 1 ) 处理废水量大，常被应用于污水处理厂； ( 2 ) 曝气面积大，有利于反应。 2 3 活性污泥法 2 3 1 活性污泥法概述 活性污泥法是当前使用最广泛的一种生物处理法。活性污泥法是将空气连续鼓入曝 气池的污水中，经过一段时间，水中即形成繁殖有巨量好氧微生物的絮凝体，即活性污 泥【1 8 1 ，它吸附水中的有机物，生活在其上的微生物以有机物为食料，获得能量并不断生 长增殖，有机物被去除，污水得到净化【堋。它不仅适用于生活污水，而且在纺织、印染、 炼油、石油化工、造纸、焦化等许多工业废水处理中，都取得了较好的净化效果。 2 3 2 基本流程 土l 再生池+ 流污泥剩余污泥 图2 4 活性污泥法处理污水流程图 在开始进行时，应先在曝气池内注入污水，进行曝气，培养出活性污泥，此后即可 连续进行理。处理后的污水和活性污泥一污水处理试验。经过适当预处理的污水不断进 入曝气池，在沉淀池内与活性污泥充分接触被处同流入二次沉淀池，沉淀的活性污泥部 分流入曝气池处理污水，上层清水不断流出。有时污泥回流，曝气前应先在再生池中进 行再曝气。另外，由于微生物起新陈代谢的作用，使系统的活性污泥量不断增加，所以 9 活性污泥微生物种群变化特性的研究 应在适当的时候将剩余的污泥排除。其流程图见图2 4 。 2 3 3 好氧活性污泥；争化废水的作用机理 好氧活性污泥法是利用活性污泥中的好氧细菌及其原生动物对污水中的有机物进行 吸附、氧化、分解，最终把这些有机物变成二氧化碳和水的方法【1 9 1 。其作用机理如图2 5 所示。 吸附 合成 图2 5 好氧活性污泥法作用机理图 2 3 4 活性污泥处理法的运行条件 活性污泥法是一种稳定、可靠、经济的方法，也是被广泛采用的处理方法。活性污 泥处理工艺系统的有效运行条件是：a ，废水中含有足够的可溶性易降解的有机物，作为 微生物生理活动所必需的营养物质；b ，混合物中含有足够的溶解氧：c ，活性污泥在池 内呈悬浮状态，能够充分与废水相接处；d ，活性污泥连续回流，及时排除剩余污泥，是 混合物保持一定浓度的活性污泥；e ，没有对微生物有毒害作用的物质进入【1 9 - 2 3 。 2 3 5 活性污泥法的典型工艺 传统的活性污泥法或称普通活性污泥法，经不断的发展，已有多种运行方式。 1 渐减曝气 在推流式的传统曝气池中，混合液需氧量在长度方向上是逐步下降的。等距离均量 的布置扩散器是不合理的。实际情况是；前半段氧远远不够，后半段供氧超过需要。渐 减曝气的目的就是合理的布置扩散器，使布气沿程变化，而总的空气用量不变，这样就 可以提高处理效率。 2 分步曝气 把入流的一部分水从池端引到池的中部分点进水，解决了曝气池空气量供应不足的 问题，使同样的空气量，同样的池子，得到了较高的处理效率 1 0 硕士学位论文 3 完全混合法 为了解决传统活性污泥法重要矛盾，即供氧和需氧之间的矛盾，采用了完全混合法， 它的主要特征如下： ( 1 ) 池液中各个部分的微生物种类和数量基本相同，生活环境也基本相同。 ( 2 ) 入流出现冲击负荷时，池液的组成变化也较小，因为骤然增加的负荷可为全池 混合液所分担，而不是像推流中仅有部分来承担。 4 浅层曝气 在水的浅层处用大量空气曝气，就可以获得较高的氧传递速率，为了使液流保持一 定的环流速率，将空气扩散器分布在曝气池相当部分的宽度上，并设一条纵墙，将水池 分为两部分，迫使曝气时液体形成环流。 5 深层曝气 随着城市的发展，普遍感到用地紧张，为了节约用地，研究开发了深层曝气法。一般 的深层曝气池水深达1 0 2 0 m ，7 0 年代以来，国外又发展了超深层曝气法，即深井曝气， 水深达1 5 0 3 0 0 m ，大大节省了用地面积。目前国内也正在开展研究。 6 高负荷曝气或变形曝气 有些污水厂只需要部分处理，因此产生了高负荷曝气法，曝气池中的m l s s 约 3 0 0 - 5 0 0 m g , q ，曝气时间比较短，约2 - 3 h ，处理效率仅为6 5 z 左右，有别于传统的活性污 泥法。 7 克劳斯法( k r a u s ) 在处理碳水化合物含量较高的污水时，将厌氧消化的上清液加到回流污泥中一起曝 气，然后再进入曝气池，成功的克服了高碳水化合物的污泥膨胀问题，这个过程被成为 k r a u s 法剀。 8 延时曝气 延时曝气在4 0 5 0 年代流行于美国。其特点是曝气时间很长，达2 4 小时甚至更长， m l s s 较高，达到3 0 0 0 - 6 0 0 0 m g l ，活性污泥在时间和空间上部分处于内源呼吸阶段，剩 余污泥少面稳定，无须消化，可直接排放。适用于污水量很小的场合。 9 接触稳定法 此种方法也称吸附再生法，混合液的曝气完成了吸附作用，回流污泥的曝气完成了 稳定作用。这一方法直接应用于原污水的处理，比用于初沉池的出流水效果好，初沉池 可以不用，而且剩余污泥量增加了。 1 0 氧化沟 氧化沟是延时曝气的一种特殊形式，它的池体狭长，池深较浅，在沟槽中设有表面 曝气装置。曝气装置的转动，推动沟内液体迅速流动，取得曝气和搅拌两个作用。 1 1 纯氧曝气 以纯氧代替空气，可以提高生物处理的速度，纯氧曝气采用密闭的池子，曝气时间 活性污泥微生物种群变化特性的研究 比较短，约1 5 3 o h ，m l s s 较高，约4 0 0 0 8 0 0 0 m g l 。 1 2 活性生物滤池( a b f 工艺1 在通常的活性污泥过程之前设置一个塔式滤池，它同曝气池是可以串联的，也可以 是并联，但通常主要是串联。通常用耐腐蚀的木版条作成栅状板，然后平放重叠在一起， 去除率约为6 5 ，冬季处理效果差，和水温有关。 1 3 吸附生物降解工艺( a b 法) 吸附生物降解工艺简称a b 法，a 级以高负荷或超高负荷运行，曝气池停留时问短， 是一个开放性的生物系统；b 级以低负荷运行，曝气池停留时间2 - - 4 小时。 1 4 序批式活性污泥法( s b r 法) 序批式活性污泥法简称s b r 法，是早期充排式反应器的一种改进，这种工艺曝气池 在流态上属于完全混合，在有机物降解上是时间上的推流，有机物是随着时间的推移而 被降解的。 2 4 活性污泥生物特性 2 4 1 活性污泥组成 活性污泥是由具有活性的微生物、微生物自身氧化的残留物和吸附在活性污泥上的 不被微生物降解的有机物所组成。其中微生物是活性污泥的主要组成部分嗍。 2 4 2 活- 性污泥性质 各种活性污泥有各自的颜色，含水率在9 9 左右，它的密度为1 左右，具有沉降性 能，还有生物活性和吸附氧化有机物的能力。活性污泥微生物的胞外酶在水溶液中将废 水中的大分子水解为小分子，进而吸收到体内而被氧化分解。有自我繁殖的能力，绒粒 较小，比表面积为2 0 l o o c m 2 ，l m 之间。呈弱酸性，当进水改变时，对进水p h 值的变 化有一定的承受能力。 2 4 3 活性污泥中的微生物群落 1 微生物群落 活性污泥( 主要讨论好氧活性污泥) 的结构和功能的中心是能起絮凝作应的细菌形 成的细菌团块，称为菌胶团。其上生长着其他微生物，如酵母菌、霉菌、放线菌、藻类、 原生动物和其他某些微型后生动物( 轮虫、线虫等) 。因此，曝气池内的活性污泥在不 同的营养、供氧、温度及p h 值等条件下，形成由最适宜增殖的絮凝细菌为中心，与多 种多样的其他微生物集居所组成的一个生态体系。 活性污泥的主要细菌( 优势菌) 来源于土壤，水和空气。它们多数是革兰氏阳性菌， 如动胶菌属和丛毛单胞菌属，它们可占7 0 ，还有其他的革兰氏阳性菌。 好氧活性污泥中微生物的浓度常用1 l 活性污泥混合液中含有多少毫克恒重的干固 1 2 硕士学位论文 体即m l s s ( 混合液悬浮固体) 表示，或用l l 活性污泥混合液中含有多少m g 恒重，干 的挥发性固体即m l v s s ( 混合液挥发性悬浮固体) 表示。在一般城市污水处理中，m l s s 保持在2 0 0 0 3 0 0 0 m g l 。 2 菌胶团的作用 菌胶团是活性污泥( 绒粒) 的结构和功能的中心。表现在数量上占绝对优势，是活 性污泥的基本组分 2 7 1 。它的作用表现在以下几个方面： a 有很强的生物吸附能力和氧化分解有机物的能力。 b 菌胶团对有机物的吸附和分解，为原生动物和微型后生动物提供了良好生存环境。 c 为原生动物和微型后生动物提供附着场所。 d 具有指示作用：通过菌胶团的颜色、透明度、数量、颗粒大小及结构的松紧程度 可以衡量好氧活性污泥的性能。例如新生菌胶团的颜色浅、无色透明、结构紧密；而老 化的菌胶团颜色深、结构松散、活性不强、吸附和氧化能力差。 3 原生动物和微型后生动物的作用 a 指示作用 原生动物和微型后生动物出现的先后次序是：细菌一植物性鞭毛虫一肉足虫一动物 性鞭毛虫一游泳型纤毛虫、吸管虫一固着型纤毛虫一轮虫。 其指示作用主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 可根据上述原生动物和微型后生动物的演替和它们的活动规律判断水质和污水 处理程度。 ( 2 ) 可根据原生动物的种类判断活性污泥和处理水质的好与坏。 ( 3 ) 还可根据原生动物遇恶劣环境改变个体形态及其变化过程判断进水水质变化和 运行中出现的问题。 b 净化作用 l 毫升正常好氧活性污泥的混合液中有5 0 0 0 2 0 0 0 0 个原生动物，它们吞食有机颗 粒和菌胶团，起到净化作用。 c 促进絮凝和沉淀作用 絮凝和沉淀主要是固着型纤毛虫本身具有沉降性能，加上和细菌结合形成絮体，更 完善了二沉池的泥水分离作用。 2 5 活性污泥的培养 2 5 1 活性污泥培养时的注意事项 1 营养物质 细菌的代谢和繁殖需要c 、n 、p 、无机盐等，正常情况下b o d ：n ：p 维持在1 0 0 ： 5 ：1 为宜。 活性污泥微生物种群变化特性的研究 2 充氧量 好氧的活性污泥法必须保持合适的溶解氧。培养初期活性污泥少，耗氧作用弱，d o 在4 6 m g , a 左右为宜，随着活性污泥的增殖，后期可控制在3 4 m g l 左右为宜。 3 水温 水温是细菌和微生物生长活动的重要因素，培养阶段尤其要控制水温，一般水温在 2 0 3 0 较好，高于3 54 c 或低于1 0 ，细菌活性很差，不宜进行培养驯化。 4 p h 值 活性污泥中的细菌微生物繁殖较适宜的p h 值为6 9 。在培养初期进水要严格控制 p h 值范围。 5 污泥浓度 悬浮物是细菌附着的载体，进水悬浮物s s 太低，细菌无处附着，不能形成活性污 泥。通常情况下m l s s 达到2 0 0 0 3 0 0 0 m g l 即可。 2 5 2 活性污泥的培养方法 活性污泥是通过一定的方法培养与驯化出来的。培养的目的是使微生物增殖，达到 一定的污泥浓度；驯化则是对混合微生物群进行淘汰和诱导，使具有降解废水活性的微 生物成为优势。活性污泥培养通常有异步法和同步法。异步法主要适用于工业废水，程 序是：将经过粗滤的浓粪便水投入曝气池，用生活污水( 或河水) 稀释成b o d ，为 3 0 0 5 0 0 m g l ，加培养液，连续曝气1 2 d ，池内出现絮状物后，停止曝气，静置沉淀1 1 5 h ， 排除上清液( 约池容的5 0 - - - 7 0 ) ；再加粪便水和稀释水，重叛曝气，待污泥数量增加 一定浓度后( 约l 2 周) ，开始进工业废水( 1 0 2 0 ) ，当处理效果稳定( b o d 5 去除率8 0 9 0 ) 和污泥性能良好时，再增加工业废水的比例，每次宜增加1 0 0 一2 0 ， 直至满负荷。同步法即指曝气池全部进废水，连续曝气，二沉池不排泥，全部回流。处 理城市污水时可采用同步法。 本次试验是利用成分较稳定的生活污水投入曝气池中进行稳定曝气直接培养出活性 污泥。培养过程中活性污泥微生物从低级向高级逐步演变，有利于分别对其进行行为特