水处理微生物学精-9ppt课件

.,第十一章废水生物处理基本原理,自然界中很多微生物有氧化分解有机物的能力生物处理法：利用微生物处理废水的方法，主要是用来除去废水中溶解的和胶体的有机污染物质。,.,氧气与微生物的关系,第一节废水的好氧生物处理,.,活性污泥法：利用某些微生物在生长繁殖过程中形成表面积较大的菌胶团来大量絮凝和吸附废水中污染物，并在氧的作用下，将这些物质同化为菌体本身的组分，或将这些物质氧化为二氧化碳，水等物质，从而降低水体中有机污染物浓度的一种方法。活性污泥：这种由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物（兼有少量厌氧微生物）与污（废）水中的有机和无机固体物混凝交织在一起所形成的絮状体。,一、活性污泥法,.,比重1.0021.006，比水稍大有一定的颜色和气味，与废水种类有关，一般情况下呈褐色，灰色和白色等絮状（菌胶团），沉降性能好含有99%以上的水干物质中绝大部分是有机物，由微生物细胞（75%）和代谢产物组成，少量无机物（粘土，沙粒等）,1、活性污泥的物理化学性质,.,显微镜下的活性污泥,.,生物群落组成丰富多样，包括：细菌，病毒，真菌，藻类，原生动物，后生动物微生物之间相互作用，相互影响，组成一个复杂的微生态系微生物种类和数量随处理水的种类不同而变化微生物在菌胶团中的空间位置不同，丝状细菌组成菌胶团的骨架，其它单细胞微生物靠糖被附着在丝状细菌上，原生动物等在最外面,2、活性污泥的生物组成,.,微生物的生态位不同使它们发挥不同的作用，协同作用有效降解水体中的有机污染物常用MLSS（混合液悬浮固体）或MLVSS（混合液挥发性悬浮固体）来表示微生物的浓度和数量。一般城市污水处理中，MLSS在2000-3000mg/L，工业废水在3000mg/L左右，高浓度工业废水在3000-5000mg/L。,.,种类多，数量大，1ml活性污泥中的细菌数在107-108个,有机物处理中至关重要按生理类群分：化能异养细菌好氧菌：占的比例最大，降解有机物的生力军；占优势的种属：动胶杆菌属、假单胞菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属及大肠埃希氏杆菌等。兼性厌氧菌：反硝化和反硫化菌等，溶氧缺乏时，以硝酸盐或硫酸盐为最终电子受体进行反硝化和反硫化作用，同时还有一些兼性厌氧菌发酵分解有机物形成小分子的物质，被外层好氧菌利用化能自养菌主要是硝化细菌，包括氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌，生长速度慢，数量随泥龄的增加而提高。处理含硫废水时，还有硫氧化细菌，不过有的是丝状的，会引起污泥膨胀。丝状细菌在正常的活性污泥中只占很少的一部分，不会引起污泥膨胀和漂浮，主要为诺卡氏菌等，主要是骨架的作用，同时也能降解一部分有机物。,（1）细菌,.,（2）病毒大量，包括人类病毒（对人体有害）和噬菌体噬菌体对控制细菌的数量有重要作用另外大肠杆菌噬菌体可作为指示生物来反映其它肠道病毒是否存在,（3）真菌较少，生长比细菌慢，不是微生态群落中重要的组成部分酸性条件下，真菌会大量繁殖，很可能导致污泥膨胀主要种类：地霉属，青霉属和头孢霉属等（4）藻类很少，作用不明显,.,腐生性营养类型较多，以悬浮的有机颗粒和细菌为食种类多，包括纤毛类，鞭毛类，根足类等，如钟虫，聚缩虫，盖纤虫等作用：体表渗透吸收溶解性有机物（数量少，次要作用）吞食颗粒悬浮物和游离的细菌，提高出水澄清度，降低病原细菌浓度促进生物絮凝作用，使活性污泥有良好的沉降性能原生动物中的钟虫，累枝虫等产生促进微生物凝聚的物质，促进细菌本身的生物凝聚作用；吞噬游离细菌，促进菌胶团细菌优势生长作为指示生物反映出水水质的优劣出水口固着型纤毛类，如小口钟虫，累枝虫和独缩虫等占优势，说明出水水质好游泳型纤毛虫以及鞭毛虫占优势，标志水质净化效果不好，出水混浊，水质差,（5）原生动物,.,（6）后生动物较多，种类也较多，线虫，轮虫，寡毛类环节动物和熊虫等轮虫最常见作用：摄食有机颗粒和细菌，摄食强度大于原生动物产生粘液促进菌胶团的形成出水水质指示生物：轮虫多，出水澄清轮虫消失，出水混浊,.,活性污泥能絮凝有机和无机固体污染物，有“生物絮凝剂”之称；同时能吸收和分解水中溶解性污染物由微生物组成，能自我繁殖，有生物活性，可以连续反复使用作用过程分三个阶段（1）吸附（2）降解（3）分离,3、活性污泥的功能,.,（1）吸附废水和活性污泥在曝气池中充分接触，形成悬浊混合液菌胶团表面含有大量糖被，吸附和粘附污染物吸附一般在30分钟内完成吸附后，水中的BOD5去除率可达到85左右,.,（2）降解微生物代谢微生物分泌胞外酶，分解吸附在菌胶团上的大分子颗粒有机物成为小分子的溶解有机物小分子产物和废水中的溶解性有机物一起通过物质运输机制进入细胞内通过各种代谢反应降解，一部分氧化成二氧化碳和水，一部分转化为细胞的组分。活性污泥法是一个多底物多菌种的混合培养系统，存在错综复杂的代谢方式和途径，相互联系，协同作用，能比较彻底地降解有机物,.,（3）凝聚与沉淀在沉淀池中，活性污泥形成大的絮凝体，使之从混合液中沉淀下来，达到泥水分离的目的。原理：菌胶团外部的粘性多糖能相互凝聚，形成大的菌胶团同时与微生物生长阶段有关衰亡期的微生物，代谢不活跃，能量较低，表面电荷下降，容易形成大的絮凝体如果营养物充足（反应初期），代谢活跃，能量高，表面电荷多，小的絮凝体不易形成大的菌胶团，泥水分离效果差，出水混浊,.,4、影响活性污泥法处理效果的因素（1）活性污泥不凝聚或凝聚成微小絮体（2）活性污泥丝膨胀（常见原因）泥水分离困难，池面出水漂泥严重，厚度可达到20cm，出水水质差,.,活性污泥丝膨胀成因丝状细菌大量生长（1）温度菌胶团细菌最适生长温度30左右，丝状细菌如浮游球衣菌最适生长温度2530，在春夏之交或秋季时，水温为2528较高温度使溶氧降低菌胶团细菌中好氧菌最多，浮游球衣菌是好氧和微量好氧菌（竞争低溶氧能力强）（2）溶解氧水温高，有机污染物含量多的水体中溶氧低,.,（3）可溶性有机物及种类丝状细菌能快速利用糖类和有机酸在有机污染物含量多的水体，有机物因缺氧降解不彻底，产生大量有机酸,（4）有机物浓度丝状菌如浮游球衣菌在葡萄糖为5g/L的培养基中生长不形成丝状体，以大的单个细胞存在在葡萄糖为1g/L的培养基中生长形成小细胞而呈丝状体生活污水和食品工业废水中BOD5在100200mg/L,.,防止出现污泥膨胀，采用控制运行条件的办法（1）控制有机负荷BOD5污泥负荷一般控制在0.20.3kg/(kgMLSSd)为宜（2）控制溶解氧浓度2mg/L以上（3）投加混凝剂（4）根据活性污泥膨胀致因微生物的生理特性，用合理的优化工艺创造条件遏制其生长目前解决膨胀的最佳办法,.,二、生物膜法生物膜法：利用微生物群落附着在载体（固体填料）表面而形成的生物膜来处理废水的一种方法生物膜：由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物粘附在生物滤池滤料上或生物转盘盘片上的一层带粘性、薄膜状的微生物混合群体。,.,（1）蓬松的絮状结构，微孔较多（2）表面积大，吸附能力强（3）有机物浓度高，生物膜结构复杂，厚度高，当增厚到一定程度时，衰老的膜脱落使膜更新（4）含大量的水，有机质占干物质的绝大部分，无机质较少（5）颜色由水体性质和溶氧决定，一般最外面为灰色，内层黑色（6）膜生物量由载体的面积和膜厚度决定，一般10g/L左右比活性污泥高,1、生物膜的理化性质,.,（1）成熟膜分3层:水体载体表面外表层中间层内层好氧层微好氧层兼性厌氧或厌氧层好氧菌微好氧菌兼性厌氧菌和厌氧菌,2、生物膜的结构,.,包括：细菌，病毒，真菌，藻类，原生动物，后生动物等与活性污泥比较，微生物种类和数量更丰富，微生态位更明显,（2）生物群落组成,.,种类多，数量大，有机物处理中至关重要按生理类群分：化能异养细菌，化能自养细菌，丝状细菌和光能自养菌化能异养细菌：比例最大，降解有机物的生力军；代谢类型多样好氧菌：主要有动胶杆菌属、假单胞菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属等兼性厌氧菌和厌氧菌：反硝化和反硫化菌以及产甲烷菌等；同时还有一些兼性厌氧菌发酵分解有机物形成小分子的物质丝状细菌：也较多，但不会引起污泥膨胀化能自养菌：主要是硝化细菌，包括氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌，生长速度慢，数量随时间的增加而提高光能自养菌：蓝细菌，少,细菌：,.,真菌：较少，生长比细菌慢酸性条件下，真菌会大量繁殖，不会导致污泥膨胀主要种类：地霉属，青霉属，镰刀霉属和曲霉属等藻类：有光照射时，生物滤池的生物膜中会长大量的藻增加溶氧种类有丝状藻，裸藻和绿藻等,.,原生动物：位于膜表面，大量以悬浮的有机颗粒和细菌为食，提高出水澄清度。种类较多，包括纤毛类，鞭毛类，根足类，如钟虫，变形虫，滴虫等,后生动物：也较多，轮虫，寡毛类和昆虫类等作用：以生物膜为食，控制生物膜的量；运动导致衰老膜脱落,.,（3）填料种类,悬浮型生物填料,.,弹性立体填料,悬挂型填料,.,软性填料,.,生物填料上的生物膜,.,生物滤池,3、生物膜的净化作用机理,.,（1）生物膜的形成和更替分泌糖被的好氧微生物首先在载体表面附着，生长繁殖然后丝状菌也附着生长原生动物和后生动物出现细菌生物量不断增加，膜逐渐增厚，溶氧扩散限制，膜内出现厌氧层，兼性厌氧和厌氧菌生长繁殖厌氧菌分解水体扩散进来的有机物以及好氧菌的代谢产物，同时发酵分解糖被中的多糖，产生有机酸，使生物膜附着能力下降加上水的搅动和生物的活动，生物膜脱落，新的生物膜又形成脱落的生物膜使水混浊，一般采用絮凝沉淀法去除,.,类似于活性污泥的前两个过程吸附降解：层次进行上一层代谢产物流向下层被利用,（2）净化过程,.,第二节废水的厌氧生物处理,原因水处理系统中不充氧好氧微生物耗氧厌氧微生物大量繁殖，成为优势种群代谢方式发酵无氧呼吸,.,特点产生能量少微生物分解速率低，有机物不完全降解，最后由产甲烷菌作用生成甲烷缺点厌氧菌生长慢，产生臭味对进水水质和操作控制要求高，对低浓度有机废水处理效果差优点有机负荷高，可处理高浓度和中浓度的有机废水产生的剩余污泥少，运行费用低产物甲烷可以作为能源用于发电，照明等，降低运行成本,.,1、厌氧处理的基本原理,厌氧处理是在不同种群的厌氧微生物协同作用下将有机物分解为甲烷的过程按作用过程分三类：水解发酵性细菌胞外酶，分解成简单有机物产氢产乙酸细菌胞内酶，分解成乙酸，丙酸，丁酸，乳酸和乙醇等，同时产生氢气，二氧化碳和氨等产甲烷细菌利用氢气，二氧化碳和乙酸生成甲烷,.,木质素,糖,脂肪,蛋白质多肽,多糖,H2,CO2,甲酸，乙酸，丙酸，丁酸，乙醇和NH3等,氨基酸,脂肪酸甘油,H2,CO2,乙酸,CH4,CO2,b,d,c,a,b,b,a,b,a,e,c,c,d：乙酸分解产甲烷作用e：还原产甲烷作用,a：水解作用,b：发酵作用,c：产氢产乙酸作用,作用过程,.,2、厌氧处理的主要方法,（1）基本工艺流程包括：调节池，厌氧反应器消化池（核心），甲烷收集系统，污泥处理系统等,.,（2）厌氧反应器类型有：普通厌氧反应器（普通消化池），厌氧接触反应器，厌氧污泥床反应器，厌氧固定膜反应器，厌氧流化床反应器等,.,3、影响厌氧处理效果的因素,多种因素影响厌氧处理效果:（1）废水的pH和碱度（2）温度（3）营养盐（4）毒物的浓度,.,（1）废水的pH和碱度,产甲烷菌的最适pH为6.6-7.6，过高过低影响产甲烷菌活性反应过程中产生大量有机酸，降低pH，因此要保持一定的碱度，防止pH下降,.,（2）温度,厌氧处理根据温度不同分中温厌氧处理（3035），高温厌氧处理（5057）高温处理，效率高，反应器容积小，但启动时间长，对有机符合和毒物敏感，同时消耗能源，所以选择什么温度要根据废水水量，有机物的浓度和原水水温来确定温度骤然变化对处理效果影响较大,.,（3）营养盐,一般的废水中营养盐足够但一些工业废水需要添加营养盐才能满足厌氧微生物生长的需求具体添加营养盐种类和数量必须根据原水营养盐实际情况和厌氧微生物的营养需求来决定,.,（4）毒物,包括各种离子和有机毒物离子：高浓度的钾钠钙镁等离子，改变混合液渗透压高浓度的NH4+和HS-对微生物产生毒性有机毒物：高浓度的有机物抑制微生物活性，包括各种烷烃，芳烃，卤代烃，酚类等实际工程中最好通过实验确定毒物的抑制浓度，为设计提供依据,.,第三节水体中氮磷的去除,一、水体的富营养化定义：江河湖海等水体中氮磷等营养物质的过剩，促使水体中藻类过量生长，使淡水发生水华，使海洋发生赤潮的现象自然情况下，水体的富营养化是个缓慢的过程，需要几千万甚至几亿年人为干扰情况下，进程加快，几十年，甚至几年,.,1、氮磷营养盐氮磷是水体富营养化最主要的营养盐，决定富营养化程度和藻类的种类和数量。,.,2、水体富营养化的影响,导致藻类过度生长，形成“水华”和赤潮水资源被破坏，水的使用价值降低藻类代谢，使水具有颜色和气味，影响感观和水质藻类腐烂引起水体中溶氧的大量消耗，导致鱼类死亡蓝绿藻产生的有毒物质（藻毒素）危害水生生物和家畜引起生物种群，群落的演替，还原性细菌大量增加，有毒物质（NH3，H2S等）增加,.,二、微生物脱氮工艺,（1）硝化反硝化偶联好氧段硝化作用（NH3NO2-NO3-）氨氧化过程氨氧化细菌（亚硝化细菌）NH3+1.5O2NO2-+H2O亚硝酸盐氧化过程亚硝酸盐氧化细菌（硝化细菌）NO2-+0.5O2HNO3-缺氧段反硝化作用（NO3-N2）反硝化细菌NO3-+CH3CH2OHN2+2CO2+3H2O,1、脱氮原理,.,（2）短程硝化厌氧氨氧化偶联好氧段短程硝化作用（NH3NO2-）氨氧化过程氨氧化细菌（亚硝化细菌）NH3+1.5O2NO2-+H2O缺氧段厌氧氨氧化作用（NO2-N2）厌氧氨氧化过程厌氧氨氧化细菌NH3+NO2-N2+H2O,.,2、影响因素,泥龄即悬浮固体停留时间（SRT），用表示，必须大于硝化细菌生长速率。计算方法：1/NKNdN为硝化细菌的比生长速率（d-1）；KNd为硝化细菌的衰减速率（d-1）,（1）好氧段氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌生长缓慢，数量一般要在107个（细胞）/mL以上，硝化作用彻底,.,溶氧溶氧小于0.5mg/L，硝化作用停止；一般控制在1.22.0mg/L废水有机物浓度和NH4过高，则要适当提高溶氧浓度如：味精废水，溶氧需维持在4.5mg/L需氧量计算方法：O2=4.23N,被氧化O2为O2的质量浓度（mg/L）;N,被氧化为被氧化的N的质量浓度（mg/L）,适度的曝气时间即水力停留时间普通活性污泥法的曝气时间为46h，有的8h味精废水不够，一般需要30h（充氧，反应时间延长）,.,碱度,硝化过程中消耗碱性物质NH4+，生成HNO3，pH下降成酸性，对硝化细菌（最适pH为7.58.0）生长不利因此需加入NaHCO3中和，同时提供碳源碱度需要量为：碱度7.14N,被氧化,温度硝化细菌最适温度为30左右535范围内，硝化速率随温度升高而增加温度低于5，硝化作用停止,.,pH反硝化细菌最佳pH在中性和弱碱性反硝化段pH一般控制在7.59.2温度反硝化可在1535之间进行低于10，反硝化速率明显下降低于3，反硝化停止，高于30，反硝化也下降,（2）厌氧段,.,碳源提供电子和能量当废水中BOD5/TN3时，无需外加碳源BOD5/TN3时，需外加碳源，大多采用甲醇原因：产物为CO2和水，不留任何难分解的中间产物价格低廉欧美各国曾采用乙醇（避免甲醇的毒害作用，但价格较高一些）目前，多采用采用淀粉厂，酿造厂，豆制品厂等的高浓度有机废水作为外加碳源（降低成本）,.,3、微生物脱氮工艺,（1）A/O工艺（Anoxic/Oxic）缺氧好氧工艺（2）A2/O（AnaerobicAnoxicOxic）厌氧缺氧好氧工艺（3）A2/O2（AnaerobicAnoxicOxicOxic）厌氧缺氧好氧好氧工艺（4）SHARONANAMMOX工艺短程硝化厌氧氨氧化工艺,.,活性污泥法典型工艺A/O工艺（缺氧好氧工艺）,.,提问：为什么先脱碳、后脱氮？,硝化菌的碳源是脱碳菌的代谢产物；有机碳源丰富时，脱碳菌世代周期短生长迅速，硝化菌氧利用不足，生长缓慢；,好氧脱碳硝化脱碳氧化去除COD脱碳菌好氧有机物呼吸的细菌，以有机物为碳源硝化菌好氧氨盐呼吸的细菌，以碳酸盐为碳源,.,三、微生物除磷工艺,微生物生长过程吸收磷合成核酸和ATP等细胞物质，但含磷较高的废水通常只去除19左右，大部分残留在水中。,.,1、除磷原理,聚磷菌：好氧时不仅可以大量吸收磷合成自身核酸和ATP而且能逆浓度梯度过量吸收磷合成储能的物质多聚磷酸盐，供其内源呼吸。厌氧时又能释放磷酸盐（PO43-）于体外。可创造厌氧和好氧环境，让聚磷菌先在含磷废水中释放磷，然后在好氧条件下充分过量的吸磷，然后通过排泥去掉废水中的磷。,.,2、聚磷细菌,好氧时合成多聚磷酸盐，厌氧时合成聚羟基丁酸（PHB）储存在体内。聚磷的活性污泥是由许多好氧异氧菌，厌氧异氧菌和兼性厌氧菌组成，实质是产酸菌（统称）和聚磷菌的混合体。聚磷菌种类很多，其中聚磷能力强，数量占优势的聚磷菌是不动杆菌莫拉氏菌群，假单孢菌属，气单孢菌属和黄杆菌属等,.,3、除磷的生物化学机制,（1）厌氧释放磷的过程产酸菌分泌胞外酶，分解蛋白质，脂肪，糖类等大分子有机物为三类可快速降解的基质甲酸，乙酸，丙酸等丁酸，乳酸和琥珀酸