水处理生物学-第十章-污水处理中的微生物

1、,第一节 不含氮有机物的分解,不含氮有机物： 碳水化合物、脂肪、酚、醛、酮、某些有机酸、 烃和合成洗涤剂等。 碳水化合物是由碳、氢和氧3种元素组成。占到生活污水中有机物的4050%。,一 碳水化合物的分解,葡萄糖,糖酵解作用,丙酮酸,发酵,有氧,无氧,各种发酵产物,三羧酸循环,被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。,碳水化合物,水解,第二节 含氮有机物的分解,污水中的含氮有机物：蛋白质、氨基酸、尿素、胺 类、硝基化合物等。 生活污水中所含氮主要是以铵离子或尿素形式存在。 氮是当今污水处理的主要去除对象。,二 蛋白质的转化,（一）氨化作用,蛋白质是由很多氨基酸（RCHNH2COOH）分子组成。

2、 蛋白质生物化学转化的第一步是水解。即转变为氨基酸。 然后氨基酸发生脱氨基作用产生氨和不含氮的化合物。 脱氨基作用可在有氧或无氧条件下进行。 有机氮转变为氨氮过程称为氨化作用。 参与氨化的细菌叫做氨化菌。好氧性有：荧光假单胞菌、灵杆菌 ；厌氧性有：腐败梭菌 ；兼性菌有变形杆菌。,（二）硝化作用,氨在好氧硝化细菌的呼吸过程中转变为亚硝酸，然后转变为硝酸的过程称为硝化作用。 硝化作用由两类细菌共同完成。分别是氨氧化菌和亚硝酸氧化菌。两类细菌总称硝化菌。 硝化菌是G（）菌、自养菌、好氧菌、偏好中性或偏碱性。对毒物敏感。,（1）亚硝酸形成阶段,HNO2毒性很强，累积起来对植物有毒害。 HNO3是植物吸

3、收利用的有效氮素养料。,（2）硝酸形成阶段,硝化作用进行的条件:,O2 NH3 碱性物质（中和产生的亚硝酸和硝酸） 不需有机物存在,蛋白质最终被氧化成： CO2、H2O、HNO3、H2SO4（硫化作用：H2S被氧化成S和H2SO4 ）,（三）反硝化作用,硝酸盐在通气不良环境中（缺氧），被反硝化细菌还原成NO2或N2的过程。,1 反硝化过程,反硝化细菌,反硝化作用发生的条件,NO3- 有机物质存在 氧气 0.5 mg/L,（四）生物脱氮基本原理,污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被异养型微生物氧化分解，转化为氨氮，然后由自养型硝化细菌将其转化为NO3-，最后再由反硝化细菌将NO3-还原为N2。

4、,硝化影响因素： 泥龄：一般大于20-30d 溶解氧：活性污泥2mg/L；生物膜法3mg/L 温度：12-30摄氏度 pH：氨氧化菌最适7.0-7.8；亚硝酸氧化菌最适7.7-8.1 营养物质：碳氮比越小越好；氨氮小于100-200mg/L 毒物：对毒物敏感，见教材P238表11-10,反硝化影响因素： 溶解氧：活性污泥3，否则需外加甲醇等碳源。,第三节 无机元素的转化,磷的转化,1 不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。 Ca3（PO4）2 CaHPO4,2 有机磷化物 磷酸盐,生物除磷原理 （教材P238-240）,聚磷菌一类的细菌，可以过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并将其以聚合形态

5、储存在体内，形成高磷污泥。将高磷污泥排出系统，就可以实现污水除磷。 生物除磷分两步进行： 聚磷菌的放磷（厌氧条件） 聚磷菌的磷过量摄取（好氧条件）,聚磷菌的放磷（厌氧）,PHB (聚羟基丁酸),聚磷菌的磷过量摄取（好氧）,好氧时摄取的磷多于厌氧时释放的磷,聚磷菌的典型特征是细胞内含有异染颗粒。一般只能利用低级脂肪酸等小分子有机物，不能直接利用和分解大分子有机质。主要有：不动杆菌、假单胞菌、气单胞菌等。 除聚磷菌外，还有发酵产酸菌和异养好氧菌参与生物除磷过程。,参与生物除磷的微生物,影响生物除磷的因素,溶解氧/氧化还原电位： 厌氧时Eh-200300mv。好氧时，DO2mg/L 温度：低温影响不

6、大 pH：中性、弱碱性 硝酸盐与亚硝酸盐浓度：厌氧时1530 泥龄：一般3.5-7d,第四节 废水生物处理中的微生物,本节主要内容,一 废水处理中的几个概念 二 废水的好氧生物处理 三 废水的厌氧生物处理 四 生物法处理废水对水质的要求,一 废水生物处理中的一些概念,废水生物处理法：利用微生物处理废水的方法。 根据对氧气的要求,好氧生物处理 厌氧生物处理,生物处理单元：,处理废水的微生物 处理构筑物,生态系统：生物与生物、生物与非生物（环境）之间的相互关系。 各类处理系统中的微生物都为混合培养的微生物系统。,基本概念： 有机物的生物分解：通过一系列的生化反应，最终将有机物分解成小分子有机物或简

7、单无机物的过程。 根据是否有氧气存在的条件下进行，生物分解分为好氧分解和厌氧分解两种。 好氧分解最终产物是稳定而无臭的物质，包括二氧化碳、水、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等。 厌氧分解最终产物主要是甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢等。,好氧处理和厌氧处理: 通常低浓度（COD1500mg/L）的有机污染物废水适合用好氧处理。 对于高浓度有机污废水（COD1500mg/L）用厌氧处理更为适宜。 为什么过高COD的废水不宜用好氧法？ 有机物浓度过高，好氧生物代谢迅速，水中溶解氧难以即时供应，好氧生物生长受限，很难保证处理质量，而厌氧生物则没有这种限制。,活性污泥法和生物膜法：根据微生物在人工水处理设备中微生物

8、所处状态的不同来进行的划分。 原理： 活性污泥法模拟水体自净 微生物在设备中呈悬浮状态，与污废水接触使之净化的方法； 生 物 膜 法模拟土壤自净 微生物附着于其他物体表面上成薄膜状，与污废水接触使之净化的方法。 活性污泥既有好氧活性污泥法，也有厌氧活性污泥法，生物膜法既有好氧生物膜法也有厌氧生物膜法。,二 废水的好氧生物处理及处理 构筑物内的微生物,（一）废水的好氧生物处理,1 定义,在有氧的情况下，借好氧M的作用，对有机物进行氧化分解。,有机物+氧+M,2 废水好氧生物处理作用对象,溶解的有机物直接渗入细胞内被吸收 固体的、胶体的有机物间接吸收 附在菌体外，由细菌所分泌的胞外酶分解为溶解性物

9、质，渗入细胞。,3 废水好氧生物处理的优缺点,优点：无臭气、时间短。处理效果较好。 缺点：设备复杂，能耗大。,4 废水好氧生物处理的方法 活性污泥法、生物膜法（生物滤池、生物转盘） 。,什么是活性污泥？ 活性污泥中起主要作用的是什么物质？,？,曝气池中形成的污泥（微生物群）！ 菌胶团！,活性污泥法是一种应用最广的废水好氧生物处理技术,（二） 好氧活性污泥法中的微生物,1 什么是好氧活性污泥,好氧活性污泥是在曝气状态下由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)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。,活性污泥的形成是一种自然现象。 例如，如果向一桶含粪便

10、污水中不断地加入空气，并持续维持水中的溶解氧，经过一段时间后，就会产生褐色絮花状的泥粒，在显微镜下会看到，污泥里充满了各种各样的微生物，这就是典型的好氧活性污泥。 微生物在设备中呈悬浮状态,Aeration tank of an activated sludge installation in a metropolitan sewage treatment plant,2 好氧活性污泥的组成和性质,（1）组成 好氧微生物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)与其上吸附的有机的和无机的固体杂质组成。 （2）好氧活性污泥的性质 颜色以棕褐色为佳 黑色说明厌氧、白色说明无机物过多 含水率在99左右

11、 密度为10021006 大小为0.020.2mm 比表面积为20100cm2ml之间 弱酸性(pH约为6.7) 当进水改变时，对进水pH的变化有一定的承受能力。,3 好氧活性污泥中的微生物群落,中心是能起絮凝作用的细菌形成的菌胶团，在其上生长着其他微生物。如酵母菌、霉菌、放线菌、藻类、原生动物和某些微型后生动物(轮虫及线虫等)。 A菌胶团 在微生物学领域里，将动胶菌属形成的细菌团块称为菌胶团。 在水处理工程领域内，将所有具有荚膜或粘液的絮凝性细菌互相絮凝聚集成的菌胶团块都称为菌胶团。,提问：菌胶团有哪些功能？ 吸附和氧化分解有机物； 菌胶团是细菌的存在形式，细菌占到活性污泥中微生物总量的99

12、%, 有107108个/ml ，他们是生物处理的主力军，一旦菌胶团受到各种因素的影响和破坏，则活性污泥法对有机物去除率明显下降，甚至无去除能力。 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的生存环境。 例如菌胶团本身为原生动物、微型后生动物提供附着场所；菌胶团中的细菌可以去除毒物、自身作为动物食料。,a. 菌胶团的功能, 粘性多糖的粘着作用 很多细菌荚膜相互间粘着时就会形成一个由许多细菌共有的大荚膜，当细菌进入老龄后，细菌分泌的粘稠多糖聚合物增多，更加速了细菌大荚膜的增大，这样就形成了菌胶团的雏形。,b. 菌胶团的形成机理, 纤维素性质多糖的勾连作用 将菌胶团置于电子显微镜

13、下观察时发现，在大荚膜增大的同时，在其外侧出现了许多类似于纤维素网状的物质，据分析这些物质的成分也是多糖，如图所示,活性污泥菌胶团外的纤维丝电镜照片,提问：这些纤维素从何而来？ 细菌的胞外分泌物 原生动物分泌的胞外粘液的粘着作用。 实验证明小口钟虫、累枝虫和尾草履虫等纤毛虫能分泌一些促进凝聚的糖类，在促进自身粘附在活性污泥上的同时，加速菌胶团的进一步增大；,小口钟虫,c. 菌胶团中的细菌,菌胶团中的细菌来源于土壤、水和空气。它们多数是革兰氏阴性菌，如动胶菌属和丛毛单胞菌属，它们可占70，生活污水好氧处理时菌胶团中的主要细菌见下表,工业废水处理中的菌胶团细菌组成与之类似，但优势菌主要是对特定工业

14、废物起主要降解作用的细菌,B活性污泥中的其它微生物,在菌胶团上层居住的是放线菌、真菌及原生动物、后生动物。它们的数量相比较细菌而言要少得多，通常包括少量的球衣菌、诺卡氏菌、发硫菌、头孢霉、地霉菌、酵母菌等，以及原生动物中的钟虫、盖纤虫、等枝虫、草履虫和原生动物中的轮虫。这些微生物与菌胶团细菌构成了稳定的生态体系，它们之间存在着复杂的相互关系，它们的种类、数量随营养条件(废水种类、化学组成、浓度)、温度、供氧、pH等环境条件改变也在不停的发生着变化。,(三) 好氧活性污泥净化废水的作用机理,好氧活性污泥的净化作用机理,用框图表示,后处理,曝气池,沉淀池,污泥回流,净水外排,污泥及余渣消化罐,活性

15、污泥的优势： （1）可以连续反复使用 好氧活性污泥由于是由有生命的微生物组成，能自我繁殖，且易于分离，而化学药剂只能一次使用，故活性污泥比化学混凝剂优越。,（2）可以降解水中的溶解性有机物，这也是物理化学方法难以做到的。,(四) 好氧活性污泥运行中微生物造成的问题,常见故障：二次沉淀池中固液分离（泥水分离）出现问题。 起因：污泥絮状体的结构不正常。,絮状体的结构有两类：,微结构：直径18，长泥龄（9天）利于该菌生长。,微结构絮体造成,A 不凝聚,B 起泡沫（厚、棕色泡沫）,在过度曝气时，紊流剪切絮块成碎块。,概念：活性污泥的性能发生变化，絮块漂浮水面，比重减轻，随着水流而排出。 由丝状细菌和其

16、它丝状微生物大量增殖引起。,造成的结果：稀薄污泥回流至曝气池。 出水BOD5升高。,C 污泥膨胀,BOD:N及BOD:P很高， 特别N不足 （BOD:N:P=100:5:1) 进水中低分子碳水化合 物过多 水温低 溶氧低 低pH 重金属等有毒物流入多。,控制营养比例 控制污泥负荷率 添加氯、H2O2、O3，控制丝状菌的生长 降低溶解氧浓度（曝气池2mg/L) 投加混凝剂，改善污泥的絮凝 调节水的酸碱度,产生原因：,防止措施：,（五）生物滤池中的微生物（生物膜法）,包括：,生物膜法又称固定膜法。主要去除废水中溶解的和胶体的有机污染物。,微生物为附着型,1 生物滤池工作的基本原理,在滤池内设置固定

17、的滤料，当废水自上而下滤过时，由于废水不断与滤料接触，微生物在滤料表面繁殖，逐渐形成生物膜。生物膜是由多种微生物组成的一个生态系统。 当生物膜形成并达到一定厚度时，氧就无法透入生物膜内层，造成内层的厌氧状态，使生物膜的附着力减弱。此时，在水流的冲刷下，生物膜开始脱落。随后在滤料上又会生长新的生物膜。如此循环往复，废水流经生物膜后得以净化。,生物滤池的结构图,2 什么是生物膜？,微生物在滤料表面繁殖形成的膜状结构。是一个生态系统。,结构由两部分组成,大量有机物在好氧区被分解。 厌氧区增厚使膜脱落，新膜形成,滤料,生物滤料上的生物膜,生物滤料,投加量 普通接触氧化 水解调节池 好氧或厌氧流化床 好

18、氧 好氧 或厌生物塘 或厌氧滤池 反应池体积% 8-13 5 15-25 3-5 40-60,悬挂型填料 弹性立体填料 网片式立体填料,3 生物滤池中的微生物,污水中含有生物膜所需的各种微生物。夏季24周形成生物膜。冬季需2个月。,细菌：多数为G-，能形成菌胶团。无色杆菌、黄 杆菌、极毛杆菌、球衣细菌、贝氏硫杆菌 真菌：镰刀菌、青霉、毛霉、地霉、多种酵母菌 藻类：小球藻、蓝藻、绿藻（仅在滤池表面） 原生动物：钟虫、盖纤虫、等枝虫、草履虫 后生动物：轮虫、线虫。,普通滤池内生物膜的微生物群落表,同一类型废水 好氧活性污泥法与生物滤池法处理效果对比,据微生物生态学,优缺点对比,三 废水的厌氧生物处

19、理,（一） 厌氧生物处理的基本原理及厌氧微生物 （二） 厌氧生物处理的影响因素 （三） 厌氧法处理废水的特征 （四） 厌氧法处理废水的应用,（一） 厌氧生物处理的基本原理及参加的微生物,废水的厌氧生物处理： 在无氧的条件下，借多种厌氧微生 物的作用处理废水。又叫厌氧消化。,1979年布利安特（Bryant）等人提出厌氧消化的三阶段4类群理论。 P195&P235,3阶段： 1）发酵细菌作用阶段（水解发酵阶段） 2）产醋酸细菌作用阶段（产氢、产乙酸阶段） 3）产甲烷阶段 4类群： 1）发酵细菌 2）产氢产乙酸细菌 3）同型产乙酸细菌群 4）产甲烷细菌,厌氧生物分解基本理论：3阶段4 类群理论,厌

20、氧消化三阶段四类群,废水中有机物,脂肪酸（丙酸、丁酸）、醇类,乙酸,H2 + CO2,对厌氧生物及厌氧消化的影响尤为显著。,厌氧消化 最佳温度,55左右嗜热菌（高温消化） 35左右嗜温菌（中温消化）,取舍： 高温消化的反应速率为中温消化的1.51.9倍，但甲烷在气体中占比例低。消化不彻底。 高温消化需较多的能量，不经济。,1 温度,温度对厌氧消化的影响,（二） 厌氧生物处理的影响因素,不产甲烷细菌适宜pH 4.58 产甲烷细菌适宜pH 6.87.2,在pH8.2的环境中，厌氧消化会受到严重抑制。主要对甲烷细菌的抑制。,厌氧消化的最佳pH 值为6.87.2.,2 pH 值,（三） 厌氧生物处理的

21、影响因素,有机污泥不溶性有机质、纤维素含量高。 高浓度有机废水一般先厌氧处理，后好氧处理。 若直接好氧需大量稀释或降低进水量，处理费用较高。,处理对象：有机污泥和高浓度的有机废水,（四） 厌氧法处理废水的特征,1、厌氧法的优点 （1）产生的沼气可用于发电或作为能源,沼气中的主要成分是甲烷，含量5075%之间，是一种很好的燃料。以日排COD10t的工厂为例，若COD去除率为80%，甲烷产量为理论的80%时，则可日产甲烷2240m3，其热值相当于3.85t原煤，可发电5400度电。,（2）对营养物的需求量少 好氧方法BOD：N：P=100：5：1，而厌氧方法为（350500）：5：1，相比而言对N

22、、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。 （3）产生的污泥量少，运行费用低 ? 繁殖慢；不需要曝气 基于这些优点，厌氧处理在食品、酿造、制糖等工业中得到了广泛的应用。但厌氧处理也存在缺点,2、厌氧法的缺点 提问：？ 1出水的有机物浓度高于好氧处理； 发酵分解有机物不完全； 2对温度变化较为敏感； 工业中需要设置进水的控温装置，37。 3厌氧微生物对有毒物质较为敏感； 经过毒物驯化处理的厌氧菌对毒物的耐受力常常会极大地提高。,4. 初次启动过程缓慢,处理时间长 好氧处理体系的活性污泥或生物膜通常只需要7天就可以培育成功，而厌氧处理体系的活性污泥或生物膜一般需要812周才可以培

23、育成功 5处理过程中产生臭气和有色物质 提问：是什么？ 臭气主要是SRB形成的具有臭味的硫化氢气体以及硫醇、氨气、有机酸等的臭气。同时硫化氢还会与水中的铁离子等金属离子反应形成黑色的硫化物沉淀，使处理后的废水颜色较深，需要添加后处理设施，进一步脱色脱臭。,（四） 厌氧法处理废水的应用,工作原理 2级(平流沉淀+厌氧污泥消化),全国各地使用广泛，为生活污水的预处理液固分离处理污泥及厌氧杀寄生虫及病菌,第一代厌氧反应器化粪池,缺点：污泥量少、易被带出，静态消化,第二代厌氧反应器,UASB反应器,工业级UASB装置,http:/www.fkk.co.jp/e/ourbusiness/water-bo

24、dy2-e.html,http:/www.biogas.ch/emmi.htm,钢制圆形结构,混凝土方形结构（便于施工及分离器设置）,(2)Anaerobic Filter 厌氧滤床(AF),第三代厌氧生物反应器,厌氧膨胀颗粒污泥床 内循环反应器 升流式污泥床过滤器,EGSB IC UBF,四 生物法处理废水对水质的要求,由于生物法中的各种微生物生长与水质关系密切，因而必须控制适宜的水质指标以保证微生物能够正常的生长和工作。 生物处理的水质要求表,第五节 水体污染、自净和指示生物,1、生物循环与生态平衡,向水体排放的污染物质在没有超过一定限度的情况下，水体中存在着一种正常的生物循环。食物链,一

25、、水体污染和生态平衡,在一般情况下，DO是维持河川正常生态平衡的关键。,生态平衡：生物与生物、生物与环境之间的相互关系（称为生态系统），在一定的时间内和一定条件下的动态平衡，叫生态平衡。,2、自净容量,自净容量:水体正常生态循环中能够同化有机污染物的最大数量。,水中污染物浓度低于自净容量时，水体维持正常的生态平衡；当超过自净容量时，水体生态平衡被破坏，水体处于被污染状态。,3、DO,二、水体自净,1水体自净 水体受到废水污染后，经过一系列的物理、化学及生物反应，逐渐由不洁变清的过程。,自然净化 物理作用：稀释、沉淀 （强） 化学作用：日光、氧气等对污染物的分解 （弱） 生物作用：生物降解（食物

26、链） （强）,自净的过程,水体自净过程大致如下 a.物理作用有机污染物排入水体后被水稀释，有机和无机固体沉降到河底；,河流污染和自净过程图,污水,被污染的水体都是自净水体！ 但自净恢复的程度不同，或称污染现状不同。,2衡量水体污染与自净的指标,提问：用什么指标可以衡量河段水体污染与自净所处的阶段?,水体外观、化学指标、生物种类、数量及比例关系、溶解氧等等,山东小清河,APH指数与BIP指数 P代表光合自养型微生物（如藻类） H代表异养型微生物（如细菌等），两者的比即PH指数。 P/H =（有叶绿素的微生物数量）/（异养微生物数量） BIP =（无叶绿素的微生物数量）/（全部微生物数量）H/（P+H）100%,B氧浓度昼夜变化幅度,河流污染中氧浓度昼夜变化示意图,提问：为什么不同的净化程度昼夜变化幅度不同？ 氧浓度高低与细菌含量有关，昼夜变幅与藻类数量有关，因此与P/H或BIP有关。,污染前 污染 净化开始 持