华北理工水处理生物学课件14废水生物处理中的微生物与水体污染的指示生物-2

第六章废水生物处理中的微生物及水体污染的指示生物第一节废水中的污染物在微生物作用下的降解与转化第二节不含氮有机物质的分解第三节含氮有机物的分解第四节无机元素的转化第五节废水生物处理中的微生物第六节水体污染与自净的指示生物及监测方法第五节废水生物处理中的生物过程特点：混合培养微生物系统，包含一个较完整的生态系统，各种不同营养水平的微生物形成一个食物网。生物处理法：利用微生物处理废水的方法好氧处理（供氧）厌氧处理（不供氧）微生物的在构筑物中的生长形式：悬浮（活性污泥法）、附着（生物滤池）一、好氧生物处理好氧生物处理的基本原理活性污泥法生物膜法好氧生物处理适用于处理有机物含量不高的溶解性有机物废水。（一）废水好氧生物处理的原理在有氧的条件下，借助好氧微生物去除水中有机物质。废水中溶解性小分子有机物质能够直接进入微生物细胞；但是固体和胶体有机物首先附着于细菌体外，在其胞外酶的作用下，分解为溶解性小分子有机物质进入细胞。细菌通过自身的生命活动——氧化还原合成等过程，将一部分有机物氧化成无机物，并释放出细菌生长所需要的能量；而把另外一部分有机物转化为细胞物质，从而细菌得到了生长繁殖，有机物得到去除。当有机物浓度很低，细菌得不到足够的营养，而利用细胞物质进行内源呼吸。大量细菌发生凝聚作用结成大的絮体，在沉淀池中发生泥水分离，使污水的到净化，剩余污泥再处理。废水好氧生物处理中异养微生物的代谢途径内源呼吸产物+能量(CO2、H2O、NH3、SO42-…)污水中的可降解有机物新细胞物质（C5H7NO2）代谢产物(CO2、H2O、NH3、SO42-…)(1/3)分解代谢(2/3)合成代谢+异养微生物O2＋能量净增细胞物质内源呼吸～80%～20%内源呼吸残留物O2无机代谢产物少量能量剩余污泥回流污泥二次沉淀池废水曝气池初次沉淀池出水空气剩余活性污泥1、活性污泥法的工艺流程（二）活性污泥法生活污水或城市废水的处理流程高碑店污水处理厂的工艺流程图活性污泥系统正在运行的曝气池曝气池中的曝气头的布置活性污泥是微生物群体及它们所吸附的有机物质和无机物质的总称。微生物群体主要包括细菌、原生动物和藻类等。物理性质：——“菌胶团”——“生物絮凝体”颜色：褐色、（土）黄色、铁红色气味：泥土味（城市污水）比重：略大于1（1.0021.006）粒径：0.020.2mm比表面积：20100cm2/ml处理水质与原生动物种类有一定的关系，但不绝对!!2）处理效果的指示生物水质好（BOD10～20）：纤毛虫、钟虫水质坏（BOD20～30）：鞭毛类原生动物、变形虫2、活性污泥法中的微生物1）常见的微生物主要以生物絮体的形式存在细菌：假单胞菌、球衣菌、硝化菌……(种类繁多30～300）原生动物：钟虫、草履虫等。5000cell/ml，可占VSS的5%～12%后生动物：轮虫等3、活性污泥运行中微生物造成的问题一般常见故障是二次沉淀池中泥水分离效果不好，由污泥絮体结构的不正常引起。不絮凝微小絮体起泡沫污泥膨胀絮体微结构絮体75μm宏结构絮体（丝状细菌出现时形成较大的絮体）原因：•DO低，pH低，冲击负荷，有毒废水•污泥负荷过低（0.2kg-BOD/(kgd),往往发生在延时曝气•当自由游泳型原生动物如肾形虫过多时①不絮凝和微小絮体现象：是一种微结构絮体造成的现象。因为絮体变得不稳定而破碎，或者因为过度曝气形成的紊流将絮体切碎，或细菌不能够凝聚成絮体，微生物成为游离态，不能沉淀而流走。②起泡沫难降解的洗涤剂——白色泡沫由丝状菌诺卡氏菌的异样增殖引起；污泥反硝化——污泥上浮气泡进入丝状细菌的群体，浮在地面上，形成泡沫或一层浮渣.原因：高负荷、长泥龄③污泥膨胀——由丝状菌异常增殖引起。膨胀絮体：丝状菌从絮体中伸出，形成丝状菌和絮体网（搭桥）细菌沿丝状菌凝聚，形成细长絮体原因：低DO，污泥负荷低，营养不足（比例失调）、低pH理想的絮体：丝状菌与絮体形成菌保持平衡污泥膨胀的控制方法•控制负荷：0.2～0.45kg/(kg•d)•控制营养比例：BOD：N：P＝100：5：1•控制DO比例：2mg.L；P不足时有利于丝状菌的竞争•加氧化剂（Cl2、H2O2、O3）：有选择性地控制丝状微生物•投加混凝剂：改善污泥的絮凝注意：不出现丝状细菌时有时也会出现污泥膨胀。游离细菌产生菌胶团时会产生此现象——菌胶团膨胀原因：大量胞外多聚物（ECP）（extra-cellularpolymer）（三）生物滤池中的微生物（生物膜法）在滤池表面附着一层膜，即是微生物生长繁殖的场所，也是有机物去除的场所，污水以膜的形式流过生物膜，进行各种物质交换。大多好氧微生物生活在生物膜的外层，兼性菌和厌氧菌生活在内层。生物滤池从上到下微生物更加高级。1、生物膜结构示意图滤料或填料或载体生物膜空气附着水层流动水层CO2O2O2O2BOD5BOD5H2ONH3BOD5CH4、H2S、NH3生物膜的性质：①高度亲水，存在着附着水层；厌氧膜好氧膜········································②微生物高度密集：各种细菌以及微型动物，形成了有机污染物——细菌——原(后)生动物的食物链。厌氧膜的出现：①生物膜厚度不断增加，氧气不能透入的内部深处将转变为厌氧状态；②成熟的生物膜由厌氧膜和好氧膜组成；③好氧膜是有机物降解的主要场所，一般厚度为2mm。由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物形成一个复杂的生物群体。•细菌：大多为G－，硝化菌生活在膜的底层•真菌：镰刀霉、青霉、毛菌、地霉•藻类：主要生长在滤池表面，小球藻等•原生动物：钟虫、盖纤虫、草履虫•后生动物/小动物：轮虫、蠕虫、昆虫2、生物滤池中的微生物（生物膜法）3、生物膜法与活性污泥的比较①食物链比活性污泥的多几个营养水平；原生动物、后生动物的量多生物滤池（微生物膜）的食物链：细菌、真菌原生动物轮虫、线虫昆虫鸟类增长速度慢的微生物也可以生长抗冲击性的微小动物也可以生长生态系统稳定③硝化菌、反硝化菌多②微生物种类多，多样性高（一）厌氧消化过程阶段性理论①厌氧反应过程中的阶段性②两阶段理论③三阶段理论④四阶段理论二、厌氧生物处理微生物学及常用构筑物厌氧消化的两阶段理论水解细菌产酸菌有机物小分子有机物酸性发酵阶段产甲烷菌脂肪酸、醇类、H2、CO2CO2、CH4碱性发酵阶段发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段；主要功能：水解和酸化，主要产物：脂肪酸、醇类、CO2和H2等；主要的微生物：统称为发酵细菌或产酸细菌；主要特点有：1）生长快，2）适应性（温度、pH等）强。1、厌氧消化的两阶段理论水解细菌产酸菌有机物小分子有机物酸性发酵阶段产甲烷菌脂肪酸、醇类、H2、CO2CO2、CH4碱性发酵阶段产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段；产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2；主要参与微生物统称为产甲烷细菌；其特点有：1）生长慢；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感。2、厌氧消化的三阶段理论两阶段理论的问题：研究表明，产甲烷菌只能利用一些简单有机物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，而不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；70年代，Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细菌，实际上是由两种细菌共同组成的，一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和H2，另一种细菌利用H2和CO2产生CH4；因而，提出了“三阶段理论”3、厌氧消化的三阶段理论和四类群理论说明：1）I、II、III为三阶段理论，2）I、II、III、IV为四类群理论；产氢产乙酸菌II乙酸H2+CO2同型产乙酸菌IV脂肪酸、醇类有机物发酵性细菌ICH4+CO2III产甲烷菌厌氧消化的三阶段理论水解、发酵阶段：在水解与发酵细菌作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂肪水解、发酵转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等；产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将第一阶段的产物转化为乙酸、H2/CO2；产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4；一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2。厌氧消化的四类群理论同型产乙酸菌：将H2/CO2合成为乙酸。实际上这一部分乙酸的量较少，只占全部乙酸的5%。三阶段、四阶段理论是目前认为的对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。（二）厌氧生物处理中的微生物1、产酸细菌（不产甲烷细菌）non-ethanogens对酸碱度的要求不敏感（范围宽）；4.5～8；兼性厌氧或厌氧微生物1）发酵细菌梭菌属、枝杆菌属、乳酸菌属2）产氢产乙酸细菌大多数发酵细菌，也有专性产氢产乙酸菌3）同型产乙酸细菌2、产甲烷菌种类多、形态多样严格厌氧菌对温度和pH变化敏感温度——中温菌：25－40°C高温菌：50－60°CpH：6.8～7.2（范围窄）产酸过程中生成酸，从而降低pH抑制甲烷菌生长（三)厌氧处理工艺A、传统消化池：熟污泥上清液沼气生污泥浮渣层上清液层反应层熟污泥层沼气气室高碑店污水处理厂的污泥消化池杭州四堡污水厂的污泥消化池青岛市团岛污水厂污泥消化池好氧法曝气耗能，厌氧法不需要曝气。好氧法一般处理浓度不太高的有机废水，厌氧法一般适用于处理有机浓度高的废水及污泥消化处理。厌氧法可以产生沼气，回收能量。好氧法反应速度快、处理有机物彻底，需要构筑物小；厌氧法降解速度慢、处理不彻底，需要的构筑物大。厌氧法在高温下反应速度快，一般需要加热。好氧法不散发臭气，厌氧法散发臭气。厌氧法控制条件较难，效果不好。三、厌氧法与好氧法的比较四、生物脱氮除磷中的微生物1、水体富营养化定义：当大量含有N、P的废水排入水体后，使得NP营养过剩，促使水体藻类过渡繁殖，使淡水水体发生“水华”，使海洋发生“赤潮”，称为水体富营养化。危害：（1）藻产生异味：水源水体中大量繁殖时会给水带来异味（鱼腥味）。（2）藻类会产生毒素：藻毒素，致癌。（3）饮用水水质恶化，制水成本增加：堵塞滤池。（4）破坏水生态系统：覆盖表面，阳光不能照射底层，水生植物死亡，草型湖泊转变为藻型湖泊；消耗氧气，水生动物死亡；藻类死亡后沉寂在湖底，厌氧发酵，水体丧失功能。2、生物脱氮的基本原理及微生物有机氮NH4+-NNO2-NNO3-NNO2-NN2①氨化作用亚硝化作用硝化作用②硝化作用③反硝化作用O2O2O2或无氧异养细菌氨氧化细菌（自养型）硝化细菌（自养型）有机物有机物反硝化细菌（异养型）反硝化细菌（异养型）好氧或厌氧条件碱度增大，pH值升高绝对好氧条件碱度下降，pH值降低绝对好氧条件碱度和pH值无变化碱度增大，pH值升高缺氧条件3、缺氧——好氧活性污泥脱氮系统（A—O工艺，Anoxic-Oxic）——又称“前置式反硝化生物脱氮系统”硝化反应器内的已进行充分反应的硝化液的一部分回流反硝化反应器，而反硝化反应器内的脱氮菌以原污水中的有机物作为碳源，以回流液中硝酸盐的氧作为电子受体，进行呼吸和生命活动，将硝态氮还原为气态氮（N2），不需要外加碳源。4、生物除磷原理及微生物磷细菌（也称为聚磷菌、除磷菌），可过量、超出生理需要的摄取磷，以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞体内。从系统中排出这种高磷污泥，就可达到除磷的目的。生物除磷的原理与过程I——PHB（聚羟基丁酸）S——聚合磷酸盐厌氧条件下，除磷菌将磷释放好氧条件下，除磷菌过量摄取磷高含磷污泥的排出生物除磷原理厌氧条件下，聚磷菌释放磷厌氧条件下（无溶解氧、无结合氧），聚磷菌分解体内的聚磷酸盐产生ATP，并且利用ATP将废水中的脂肪酸等有机物摄入细胞，合成PHB（羟基丁酸盐）及糖原等有机颗粒贮存于细胞内。同时将分解聚磷酸盐产生的磷酸排出体外。好氧条件下，聚磷菌吸收磷好氧条件下，聚磷菌大量繁殖，分解体内储存的PHB获得能量，过量摄取水中的磷合成聚磷酸盐而贮存于细胞内。过量摄取的磷随污泥排出污水处理系统厌氧——好氧除磷工艺(A—O工艺，Anaerobic-Oxic)5.A