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第三章有机污染微生物治理的一般原理和技术 第一节概述第二节有机废水的微生物处理第三节固体废弃物的微生物处理第四节大气污染的微生物处理 第一节概述 由于微生物在自然界生态系统中所处的地位以及在污染物降解中的巨大作用 而被广泛地应用于环境污染的治理中 微生物处理有机污染物的方法可分为好氧处理 厌氧处理和兼氧处理三大类 一 好氧处理在有氧的条件下 有机污染物作为好氧微生物的营养物被氧化分解 首先大分子的有机污染物在微生物分泌于细胞外的各类胞外酶的作用下 分解为小分子有机物 小分子有机物被好氧微生物吸收 进入细胞后继续氧化分解 通过不同途径进入三羧酸循环 最终被彻底分解为CO2和H2O 第一节概述 有机污染物好氧微生物处理的一般途径见下图 第一节概述 好氧处理系统中 各种因素如营养元素的比例 氧 温度 pH等等 都会影响微生物对有机污染物的分解速率 一般认为碳 氮 磷的合适比例为BOD5 N P 100 5 1 因为废水中的C大体上3 4经异化作用后被彻底氧化为CO2 1 4经同化作用合成为微生物细胞物质 而从菌体中的元素比例可得知 N为C的1 5 P又为N的1 5 所以在合成菌体时 25份C同时需5份N 1份P 因此在去除100份C时所需的营养配比为BOD5 N P 100 5 1 第一节概述 如果碳过高 氮 磷含量不足 则氮 磷就成为污染物分解的限制因子 就应在处理系统中添加氮 磷元素来提高处理效果 常用的有尿素 液氨 NH4NO3 NH4 2SO4 氨水 Na3PO4 Na2HPO4 当然 氮 磷的含量也不能过高 因为过量的氮 磷会引起水体富营养化 第一节概述 二 厌氧处理在厌氧条件下 简单有机物作为电子受体 所以有机污染物只能进行不完全降解 首先复杂的大分子有机物在发酵性细菌分泌的胞外酶的作用下 分解成简单的溶解性有机物 简单有机物进入细胞内 由胞内酶分解为乙酸 丙酸 丁酸 乳酸等脂肪酸和乙醇等醇类 并同时产生氢气和CO2 随后丙酸 丁酸等脂肪酸和乙醇等醇类在产氢产乙酸菌的作用下转化为乙酸 乙酸被甲烷细菌转化生成甲烷 同时在CO2存在时 甲烷细菌也可利用氢气生成甲烷 第一节概述 在一般的厌氧发酵中 约70 的甲烷由乙酸分解而成 30 由氢气还原CO2而成 甲烷细菌是一群具有相同生理特征的细菌 属严格厌氧菌 一般为中温型 少数种类为高温型 常见的有甲烷杆菌属 Methanobacterium 甲烷八叠球菌属 Methanosarcina 甲烷球菌属 Methanococcus 等 第一节概述 有机污染物厌氧分解生成甲烷的过程见下图 1 发酵性细菌 2 产氢产乙酸菌 3 同型产乙酸菌 4 利用H2和CO2的产甲烷菌 5 分解乙酸的产甲烷菌 第一节概述 三 兼氧 水解 处理兼氧处理是将厌氧过程控制在水解或酸化阶段 利用兼性的水解产酸菌 把废水中难降解的复杂有机物转化为简单有机物 使其利于好氧处理 采用混凝斜管沉淀 高效气浮 水解酸化 两级接触生物氧化 化学沉淀工艺处理氯丁橡胶废水 水和污水中杂质颗粒分布 第二节有机废水的微生物处理 废水微生物处理的方法很多 根据不同的原则 可作不同的划分 归纳如下 第二节有机废水的微生物处理 第二节有机废水的微生物处理 一 活性污泥法二 生物膜法三 稳定塘处理法四 厌氧处理法五 光合细菌法 第二节有机废水的微生物处理 一 活性污泥法活性污泥法是利用含有大量好氧性微生物的活性污泥 在强力通气的条件下使废水净化的生物学方法 活性污泥 activatedsludge 是一种绒絮状的小泥粒 它是由好氧菌为主体的微型生物群 以及有机性和无机性胶体 悬浮物等所组成的一种肉眼可见的细粒 活性污泥它具有很强的吸附与分解有机物的能力 外观呈黄褐色 随水质不同 也可呈深灰 灰褐 灰白等色 正常情况下无臭味 大小约为0 02 0 2mm 表面积为20 100cm2 mL 比重约为1 002 1 006 静置时 能立即凝聚成较大的绒粒而沉降 对pH有较强的缓冲能力 一组活性污泥图片 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 1 活性污泥中的微生物活性污泥的生物 相 十分复杂 除大量细菌以外 还有原生动物 霉菌 酵母菌 单细胞藻类 还可见到后生动物如轮虫 线虫等 其中主要为细菌与原生动物 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 细菌是活性污泥中最重要的成员 在活性污泥中起着主导作用 在多数情况下 它们是去除废水中有机污染物的主力军 活性污泥中有多种细菌 除一般的球菌 杆菌 螺旋菌 还有许多比较高级的丝状细菌 随废水性质 构筑物运转条件不同而出现不同的优势菌群 常见的有产碱杆菌 微杆菌 Microbacterium 丛毛单胞菌 Comamonas 芽孢杆菌 假单胞菌 柄杆菌 Caulobacteer 球衣菌 Sphaerotilus 动胶菌 Zoogloea 和黄杆菌等 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 活性污泥中的细菌大多数包埋在胶质中 以菌胶团形式存在 胶质是菌胶团生成菌分泌的蛋白质 多糖以及核酸等胞外聚合物 在活性污泥形成初期 细菌多以游离态存在 随活性污泥成熟 细菌增多 而聚集成菌胶团 进而形成活性污泥絮状体 floc 随水质条件及优势菌种的不同 菌胶团絮状体可有球形 分枝 蘑菇 片状 椭圆及指形等各种形状 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 活性污泥中有一些丝状细菌 如球衣菌 贝氏硫菌 发硫菌等 它们往往附着在菌胶团上或者与菌胶团交织在一起 成为活性污泥的骨架 球衣菌对有机物的分解氧化能力很强 但繁殖过多时 往往引起污泥膨胀 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 污泥膨胀 在活性污泥系统中 有时污泥的沉降性能降低 比重减轻 污泥容积系数 SVI 上升 污泥在二沉池沉降困难 泥面上升 严重时污泥外溢 流失 处理效果急剧下降 这一现象称为污泥膨胀 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 污泥膨胀的原因 绝大多数学者认为 污泥膨胀是由污泥中丝状微生物的过量繁殖所引起 污泥膨胀的出现频率及程度同丝状菌数量呈正相关 因此也称之为丝状菌膨胀 也有少数学者在膨胀的活性污泥中发现丝状菌并不多 有时因污泥负荷过高产生大量新生的分支芽殖菌胶团 结合水可高达380 造成污泥比重减轻而引起 也有因重金属浓度过高而引起污泥解絮 造成膨胀 还有因某些细菌 如芽孢杆菌和大肠杆菌大量增殖而引起 这类膨胀常称之为非丝状菌膨胀 它们在生产中出现的较少 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 控制丝状菌污泥膨胀的方法 采用化学药剂杀灭丝状菌 加药剂量合适 可杀灭丝状细菌 而不损伤菌胶团细菌 改变进水方式及流态 对容易膨胀的废水 应避免采用完全混和活性污泥法 推荐选用流态为推流式 PFR 或批式 SBR 的活性污泥法 改变曝气池构型 对曝气池构型进行改造 使长宽比加大 长 宽 20 1 或采用分隔 控制曝气池的DO 在曝气池中通过设置厌氧区 使污泥交替通过厌氧 好氧区的A O工艺来防止污泥膨胀 调节废水的营养配比 对因缺乏N P而引起的污泥容积系数 SVI 上升 造成污泥膨胀的处理系统 须在进水中追加N P 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 在活性污泥中也含有酵母菌和霉菌 常见的有假丝酵母 青霉菌和镰刀霉菌等 它们的出现与水质有关 常出现于pH值偏低的废水中 霉菌与絮状体的形成和污泥膨胀有联系 在活性污泥处理系统中 有大量的原生动物和微型后生动物 它们以游离的细菌和有机物颗粒作为食物 主要附着在活性污泥的表面 它们在活性污泥中的作用是 有的原生动物能分泌粘液可促进生物絮凝作用 能吞食游离细菌和微小污泥有利于改善水质 可作为废水净化程度和系统运行是否正常的指示生物等 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 在毒性不大 水质不太特殊的活性污泥中 微型动物出现的规律是 初期首先出现的是直接以有机物颗粒为食的小鞭毛虫和根足虫 随着细菌的增殖 开始有了以细菌为食的纤毛虫 随着菌胶团的增加 固着型纤毛虫逐渐代替了游泳型纤毛虫 当废水处理正常运转时 以有柄纤毛虫为优势 因此 一般认为当曝气池中出现大量钟虫 等枝虫等固着型纤毛虫以及轮虫 线虫等后生动物时 说明废水处理运转正常 效果良好 当出现大量草履虫等游泳型纤毛虫时 说明运转不正常 必须及时采取调节措施 当然 也不能将复杂过程简单对待 由于指示生物与水质 浓度 负荷 季节等因素有关 所以对不同废水处理厂都应该结合自身具体情况 通过长期探索 找出指示生物及其变化的规律性 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 活性污泥培养过程中微生物的演替见下图 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 2 活性污泥法的设计与运行 工作 参数活性污泥法的设计参数主要有 停留时间 混合液悬浮物浓度 MLSS 污泥负荷 容积负荷 泥龄 回流比等 其中作为经验参数的停留时间应用的历史最为悠久 但是它往往不能确切描述进出水水质 所以 按照相应的设计规范 应选择污泥负荷或容积负荷来作为控制参数进行设计 其余参数作为常规的校核参数或中间参数 也有利用泥龄作为控制参数进行设计的 在系统的运行过程中 泥龄 回流比 混合液悬浮固体浓度 MLSS 混合液挥发性悬浮固体浓度 MLVSS 污泥沉降比 SV 污泥容积系数 SVI 溶解氧 设计时以气水比来控制 剩余污泥量等参数具有相当重要的指导意义 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 混合液悬浮固体浓度 MLSS 又称污泥干重或污泥浓度 指1L曝气池混合液中所含悬浮固体的干重 单位为g L或mg L 工程上用作指示活性污泥中的微生物量 混合液挥发性悬浮固体浓度 MLVSS 又称挥发性污泥 指1L曝气池混合液中所含挥发性悬浮固体 指能被完全燃烧的物质 的重量 单位为g L 系上述干污泥经600 灼烧后所失重量 乃活性污泥中所含有机质量 能更准确地反映微生物量 在一般情况下 MLVSS MLSS值比较固定 如一般城市污水为0 75左右 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 污泥灰分 污泥中的各种无机物质 属污泥灰分 即MLSS与MLVSS的差值 其量可占污泥干重的10 50 如曝气池进水中悬浮杂质较多 盐度较高或污泥泥龄较长 污泥中灰分所占比例亦较大 成形的无机颗粒折光性较强 借助显微镜很易找到它的踪迹 运行中发现污泥灰分在短期内显著上升时 须检查沉砂池及初沉池运行是否正常 污泥中灰分的存在有利于改善污泥的沉降性能 但它无活性作用 数量偏多不利于处理效果的提高 且增加了无效的提升 回流等能耗 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 污泥沉降比 SV30 又称污泥沉降体积 是指一定量的曝气池混合液静置30min以后 沉降的污泥体积与原混合液体积之比 以百分数表示 在正常情况下 SV反映了曝气池正常运行的污泥量 可用来控制剩余污泥的排放量 SV也是判断污泥沉降性能最为简便的方法 SV值应采用1000mL量筒来测定 污泥容积系数 SVI 又称污泥指数 指曝气池混合液经30min静置沉降后的污泥体积与污泥干重之比 它反映活性污泥的凝聚性和沉降性 一般SVI控制在50 150之间比较好 200表明污泥已发生膨胀 单位为L g 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 污泥负荷 指单位时间内 单位重量的活性污泥能处理的有机物数量 单位为kgBOD kgMLSS d 污泥龄 指排泥率恒定的情况下 废水处理厂排放全部活性污泥所需的天数 计算方法是用污泥总量除以每天的污泥排放量 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 表3 1一些活性污泥法的运行参数注 污泥负荷Ns单位为kgBOD kgMLSS d 容积负荷Nv单位为kgBOD m3 d 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 3 活性污泥法的种类及其工艺流程自1914年在英国建成活性污泥污水处理试验厂以来 活性污泥法已有90多年的历史 随着生产上的广泛应用 对其生物反应 净化机理 运行管理等进行了深入的研究 其工艺流程也不断有所改进和创新 得到了很大的发展 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 1 普通活性污泥法普通活性污泥法是依据废水的自净作用原理发展而来的 普通活性污泥法工艺流程见下图 曝气池 曝气池出水堰 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 废水在经过沉砂 初沉等工序进行一级处理 去除了大部分悬浮物和部分BOD5后进入曝气池 废水在曝气池停留一段时间后 废水中的有机物绝大多数被曝气池中的活性污泥吸附 氧化分解成无机物 随后曝气池混合液流入二次沉淀池 进行固液分离 上清液排放 活性污泥下沉 为了使曝气池保持高的反应速率 必须使曝气池内维持足够高的活性污泥微生物浓度 为此 沉淀后的活性污泥一部分又回流至曝气池前端 使其与进入曝气池的废水接触 以重复吸附 氧化分解废水中的有机物 由于活性污泥中的微生物不断利用废水中的有机物进行新陈代谢 活性污泥数量不断增长 曝气池中活性污泥的量愈积愈多 当超过一定的浓度时 应适当排放一部分 这部分被排去的活性污泥叫作剩余污泥 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 曝气池中污泥浓度一般控制在2 3g L 废水浓度高时采用较高数值 废水在曝气池中的停留时间常采用4 8h 视废水中有机物浓度而定 回流污泥量为进水流量的25 50 视活性污泥含水率而定 污泥负荷采用0 2 0 4kgBOD kgMLSS d 容积负荷采用0 3 0 8kgBOD m3 d 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 曝气池中水流是纵向混合的推流式 在曝气池前端 活性污泥同刚进入的废水相接触 有机物浓度相对较高 微生物一般处于对数生长期后期或稳定期 当活性污泥继续向前推进到曝气池末端时 废水中有机物几乎被耗尽 微生物进入内源代谢期 在沉淀池中容易沉淀 处于饥饿状态的污泥回流到曝气池后又能够吸附和氧化分解有机物 所以普通活性污泥法的BOD和悬浮物去除率都很高 可达到90 95 左右 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 缺点主要是 a 对水质变化的适应能力不强 b 所供的氧不能充分利用 因为在曝气池前端废水浓度高 污泥负荷高 需氧量大 而后端则相反 但空气往往沉池长均匀分布 这就造成前端供氧量不足 后端供氧量过剩 因此 在处理同样水质水量时 同其他类型的活性污泥法相比 曝气池相对庞大 占地多 能耗费用高 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 2 阶段曝气法阶段曝气法也称多点进水活性污泥法 它是普通活性污泥法的一个简单的改进 克服了普通活性污泥法供氧同需氧不平衡的矛盾 阶段曝气法工艺流程见下图 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 阶段曝气法中废水沿池多点进入 这样使有机物在曝气池中的分配比较均匀 避免了前端缺氧 后端氧过剩的弊病 提高了空气的利用效率和曝气池的工作能力 并且由于容易改变各个进水口的水量 在运行上也有较大的灵活性 曝气池容积同普通活性污泥法相比可以缩小30 左右 但出水水质不如普通活性污泥法 容积负荷采用0 4 1 4kgBOD m3 d 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 3 渐减曝气法克服普通活性污泥法曝气池中供氧 需氧不平衡的另一个改进方法是将曝气池的供氧沿活性污泥推进方向逐渐减少 这就是渐减曝气法 渐减曝气法工艺流程见下图 该工艺曝气池中有机物浓度随着向前推进不断降低 污泥需氧量也不断下降 曝气量相应减少 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 三种活性污泥法曝气池中供氧量和需氧量之间的关系见下图 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 4 吸附再生活性污泥法吸附再生活性污泥法是根据废水净化的机理 在初期污泥对有机污染物的高速吸附作用 将普通活性污泥法作相应改进发展而来 工艺流程见下图 第二节有机废水的微生物处理活性污泥法 曝气池被一隔为二 分成吸附曝气池与再生曝气池 经一级处理后的废水进入吸附曝气池停留数十分钟 活性污泥同废水充分接触 废水中的有机物被污泥所吸附 随后进入二沉池 进行固液分离 此时出水已达很高的净化程度 泥水分离后的污泥大部分回流进入再生曝气池 再生池曝气但不进废水 使污泥中吸附的有机物氧化分解 恢复了活性的污泥随后再进入吸附曝气池同新进入的废水相接触 重复以上过程 为了更好地吸附废水中的污染物质 吸附再生活性污泥法所用的污泥