微生物在水污染治理中的作用

'第九章微生物在水污染治理中的作用 第一节水体的自净作用水体自净：污染物排入江河或其它水域后，经过扩散、稀释、沉淀、氧化、受微生物的作用而分解等，使水体可基本上或完全恢复到原来的状态，这个过程称为水体自净。水体的自净能力是有限的，如果排入水体的污染物数量超过某一界限时，将造成水体的永久性污染，这一界限称为水体的自净容量或水环境容量。一、水体的自净好氧细菌厌氧细菌光能自养型微生物水体自净的天然过程： 二、污水系统及污化指示生物污化系统及指示生物污化系统多污带α－中污带β－中污带寡污带水色暗灰色灰色浊度低清澈溶解氧极低或无低升高恢复正常BOD＞10mg/L5～10＜5＜3H2S强烈H2S气味H2S气味没有无无细菌（个/mL）100万以上10万以上10万以下100以下指示生物以厌氧细菌、兼性细菌为主，还有变形虫、水蚯蚓。无鱼类、显花植物细菌、蓝藻、绿藻、裸藻、游泳型纤毛虫、轮虫、水蚯蚓硅藻、绿藻、鼓藻、固着型纤毛虫，出现水生植物、轮虫、水蚤、昆虫金鱼藻、硅藻、黄藻、钟虫、旋轮虫、浮游甲壳动物、水生植物、鱼 三、污、废水生物处理方法分类区别好氧生物处理法厌氧生物处理法有机物降解彻底不彻底耗时短长臭气无臭气大且出水颜色深曝气设备需要、较复杂不需要动力消耗大小且产能处理有机物浓度不能过高很高构筑物容积很大较大处理对象城市污水或其它低浓度有机废水高浓度有机废和污泥达标排放一般可以需与好氧方法联用才能达标排放常见类型活性污泥法、生物膜法厌氧消化法 第二节活性污泥法中的微生物及其作用一、活性污泥的性质和生物相1．活性污泥的形态1）外观形态：活性污泥（生物絮凝体）为黄褐色絮凝体颗粒：2）特点：(1)颗粒大小：Φ=0.02～0.2mm(2)表面积：20～100cm2/mL(3)(2000～10000)m2/m3污泥(4)图17-1活性污泥形状图 2、活性污泥生物相生物相主要有：细菌、原生动物、霉菌、轮虫、线虫等。细菌以菌胶团形式构成活性污泥的主体、丝状微生物是活性污泥的骨架。 由于活性污泥表面积很大（2000～10000m2/m3混合液），具有很强的吸附能力，可以吸附废水中的有机物。废水与活性污泥接触后，其中有机质可以在约1～30min的短时间内被吸附到活性污泥上。还可以吸附某些金属离子，使之与有机物形成络合物而得以去除。1、生物吸附二、活性污泥法的生物净化机理 2、氧化分解有机物O2有机质＋微生物＋氧微生物细胞增长CO2、H2O、SO42－、NH3、PO43－等＋能量热能释出随水排出3、其它微生物吸收或吞食未分解彻底的有机物。 三、活性污泥中微生物的指示作用1、原生动物和微型后生动物的指示作用在污水处理生态系统中形成了一条特定的食物链，即细菌→植物性鞭毛虫→肉足虫→动物性鞭毛虫→游泳型纤毛虫、吸管虫→固着型纤毛虫→轮虫。 （1）根据生物演替判断活性污泥的成熟程度a、活性污泥培养初期以鞭毛虫、变形虫为优势种；b、活性污泥培养中期以游泳型纤毛虫、鞭毛虫为优势种；c、活性污泥培养成熟期以钟虫等固着型纤毛虫、楯纤虫、轮虫为优势种。 （2）根据生物种类判断活性污泥和处理水质的效果a、出现大量固着型的纤毛虫和楯纤虫、轮虫时，说明活性污泥状况良好，废水中溶解氧适当，出水水质好；b、当游泳型纤毛虫和鞭毛虫、根足虫等出现，说明活性污泥结构松散，出水水质差，运转不正常，必须采取调节措施；c、当出现线虫则说明缺氧。 （3）根据生物形态和数量的变化判断处理条件在生物处理过程中，运行条件的突然变化（如进水水量、有机物浓度、溶解氧、温度、pH值、有毒物质等），会影响处理效果。通过镜检中原生动物形态和数量的变化情况，了解进水水质及运行条件正常与否，进而采取相应的措施。如当溶解氧不足或其他环境条件恶化时，钟虫会变得不活跃或数量减少、或虫体变态尾柄脱落，产生次生纤毛环呈游泳生活；继而虫体变成胞囊或虫体变长直至死亡。如废水水质改善，环境条件恢复正常，虫体可恢复原状及活力。 2、丝状微生物的指示作用丝状微生物附着于菌胶团上或与之交织在一起，成为活性污泥的骨架。其中，硫磺细菌能将水中硫化氢氧化为硫，并以硫粒形式存于体内。当水中溶解氧高时（大于1mg/L），体内硫粒可进一步氧化而消失。因此，通过对硫磺细菌体内硫粒存在与否的观察，可间接推测水中溶解氧的状况。 四、活性污泥性能监测1、生物相观察2、SV（污泥沉降比）是指曝气池混合液在量筒中静置30min，其沉淀污泥与原混合液的体积比，以％表示，该指标能够相对地反映污泥浓度和污泥的凝聚、沉降性能，用以控制污泥的排放量和早期膨胀。最好2h～4h测定一次。 3、MLSS(污泥浓度)表示活性污泥微生物量的相对指标，其单位用mg/L。通常MLSS＝1500mg/L～2000mg/L。4、SVI（污泥指数）是指曝气池混合液经30min静沉，1g干污泥所占的体积，单位为mL/g，城市污水处理活性污泥的SVI值介于50ml/g～150ml/g之间。该指标能够更好地评价污泥的凝聚性能和沉降性能，其值过低，说明泥粒细小、密实，无机成分多；过高又说明污泥沉降性能不好，将要或已经发生膨胀现象。 例题1：取曝气池当中的活性污泥混和液1L，将其沉淀30min后，活性污泥沉降体积为300ml,去除上清液，进行离心，取出干燥，称其重量为2g,计算SV,SVI,MLSS值。例题2：取曝气池当中的活性污泥混和液1L，将其沉淀30min后，活性污泥沉降体积为400ml,去除上清液，进行离心，取出干燥，称其重量为2g,计算SV,SVI,MLSS值。 五、活性污泥的培养与驯化在城市污水或与之类似的工业废水中，由于营养和菌种都已具备，可调整BOD5至200mg/L～300mg/L后，在曝气池内连续曝气，一般在15℃～20℃下经一周左右就会出现活性污泥絮状体。培养过程中，要及时适当地换水和排放剩余污泥，以补充营养和排出代谢产物。换水可采取间断换水或连续换水方式。（一）活性污泥的培养 1、间断换水混合液在曝气到开始出现活性污泥絮状体后，即停止曝气，静止沉淀1h～1.5h，排放约占总体积50％～70％的上清液，再补充生活污水或粪便水，继续曝气。当污泥沉降比大于30％时，说明池中混合液污泥浓度已满足要求。第一次换水后，应每天换水一次，这样重复7d～10d，便可达到活性污泥成熟。 2、连续换水当池容积大采用间断换水有困难时，可改用连续换水。即当池中出现活性污泥絮状体后，可连续地向池内投加生活污水，并连续地出水和回流，其投加量可控制在池内每天换水一次的程度，回流量可采用进水量的50%，污泥经两周左右即可培养成熟。 如果工业废水的性质与生活污水相差很大时，用生活污水培养的活性污泥须用工业废水进行驯化。驯化的方法是混合液中逐渐增加工业废水的比例，直到达到满负荷。为了缩短培养和驯化时间，可将两个阶段合并起来进行。就是在培养过程中，不断地加入少量的工业废水，使微生物在培养过程中逐渐适应新的环境。（二）活性污泥的驯化 六、活性污泥膨胀和控制对策提问：什么是活性污泥膨胀？正常的活性污泥颗粒体积膨胀，继而分裂为沉降性很差的小颗粒污泥，引起二沉池池面飘泥严重，出水水质急剧变差的现象。本质—污泥密度变小或黏附能力下降。分非丝状菌污泥膨胀与丝状菌污泥膨胀两类 1.非丝状污泥膨胀①曝气力度过大，污泥碎裂膨胀提问：原因——？气泡夹带,密度降低；气泡机械破碎；细菌处于对数期多糖分泌减少②缺氧、厌氧膨胀漂泥提问：原因——？二沉池底部淤泥厌氧产气（反硝化N2、CH4)③进水水质有过量的表面活性物质和油脂类化合物；提问：原因——？油及泡沫降低污泥密度 ④生物中毒（pH波动大、补碱过量、温度过高、CODcr浓度骤然升高、含酚及其衍生物，醇、醛和某些有机酚、硫化物、重金属及卤化物过高等）污泥膨胀原因——？细菌——休克死亡、粘液分泌减少⑤新污泥膨胀现象未驯化污泥对新类型废水不适应，不沉降或沉降极慢，长时间曝气驯化后恢复正常；提问：原因——？类似中毒 ⑥BOD/N过高⑦假菌丝或后生动物钻噬污泥膨胀大肠埃希氏菌及芽孢杆菌形成暂时性假丝状生长或后生动物钻噬而形成的膨胀污泥。（很少见）原因—高含水率菌胶团占优势 原因——丝状细菌（球衣菌、硫细菌）或真菌优势过度生长丝状菌优势生长条件：A.曝气池DO长期维持在较低（＜0.1~0.2mg/l）B.水温过高（＞25℃）、pH过低（＜6.5）C.硫化物过高硫细菌（丝状菌一种）以硫化氢为食2.丝状污泥膨胀（95％污泥膨胀） C.营养失衡废水C/N比高，N少；无机金属离子较少原因——菌丝体储备营养物稀少、表面积大，在稀溶液中争夺营养物质的能力强，更适合于贫瘠环境（包括溶解氧、各种营养物）的生长；D.毒物冲击原因—菌丝体耐受能力强 3.污泥膨胀的预防与控制对策提问：基于上述原理如何预防污泥膨胀？A.设调节池(及事故池)控制高负荷（BOD、毒物）冲击B.控制溶解氧溶解氧浓度必须控制在3～4mg/L。C调节废水的营养配比尽量逼近BOD5与N和P的比例BOD5：N：P＝100：5：1。补N——尿素或含氮量高的污泥消化池上清液补P——磷酸钠 D.改革工艺将活性污泥法改为生物膜法在曝气池中加填料改为生物接触氧化法 提问：发生后如何处理？A．投加次氯酸钠（10~20mg/l内）、H2O2（100~200mg/l内）有选择的控制丝状微生物的过渡生长B．投加混凝剂FeSO4和FeCl3、干污泥或浓缩消化污泥增加絮体密度、强度，使已膨胀的污泥恢复正常C.强化补氮（C:N＝100：20～30）D.替换污泥最直接的方法 避免—控制方法4.微生物泡沫及其预防与控制对策气泡附着于大量丝状菌上（Nocardiaspp.andMicrothrixparvicella）影响？飘泥产生条件——(1)高油脂含量;(2)污泥龄（污泥总量/外排剩余污泥量）过长（>9d);(3)低溶解氧orsepticity. 第二节好氧生物膜法生物填料表面附着的生物薄膜进行污染物降解的生物处理法。于19世纪末，在研究土壤净化污水的过滤田的基础上，开发并应用于生产。由于效果不如后来出现的活性污泥法，一度被长期搁置，60年代以后，由于新型合成材料的大量生产和环境保护对于水要求的进一步提高，生物膜法又获得了新的发展。 生物填料悬浮型生物填料投加量普通接触氧化水解调节池好氧或厌氧流化床好氧好氧或厌生物塘或厌氧滤池反应池体积%8-13515-253-540-60 悬挂型填料弹性立体填料网片式立体填料 软性填料生物填料上的生物膜 一、好氧生物膜中的微生物群落根据位置与功能不同——生物膜生物、生物膜面生物及滤池扫除生物。普通滤池内生物膜的微生物群落表 横向纵向各不相同滤扫生物膜面生物膜生物2~3mm0.3mm好氧区 生物滤池（塔）中的分层特征表相当于多污带相当于中污带相当于寡污带 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 第三节厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法废水的厌氧处理主要用于高浓度有机废水的前处理;一、厌氧法的优点提问：优点有哪些？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50~75%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（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．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 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；但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。二、厌氧法的缺点 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8~12周才可以培育成功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。 三、厌氧活性污泥法（一）厌氧活性污泥的性质和组成由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质形成的污泥颗粒。呈灰色至黑色，有生物吸附作用、生物降解作用和絮凝作用，有一定的沉降性能；颗粒厌氧活性污泥的直径在0．5mm以上。微生物的组成主要有六种：由外到内水解细菌、发酵细菌、氢细菌和乙酸菌、甲烷菌、硫酸盐还原菌、厌氧原生动物其中产甲烷丝菌是厌氧活性污泥的中心骨架 （二）厌氧活性污泥净化废水的作用机理复杂污染物的厌氧降解过程可以分为四个阶段水解阶段、发酵阶段（又称酸化阶段）、产乙酸阶段、产甲烷阶段框图表示见下图1．水解阶段在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物水解为小分子的有机物2．发酵阶段梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等 复杂有机物1水解2发酵脂肪酸乙酸H2+CO23产乙酸CH4+CO2H2S+CO2硫酸盐还原硫酸盐还原4产甲烷4产甲烷硫酸盐还原 3．产乙酸阶段上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。4．产甲烷阶段乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷和以及甲烷菌细胞物质。经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。 （三）厌氧活性污泥处理的工艺流程其中厌氧活性污泥反应器是工艺中的核心废水调节池热交换器↑37℃厌氧活性污泥反应器气柜沉淀池出水回流污泥剩余污泥 四、厌氧生物膜法主要指厌氧滤器（AF）沼气出水进水AF'