微生物技术在水处理中的应用

第六章微生物技术在水处理中的应用•本章要点：•介绍三种基本的微生物处理方法•废水的微生物处理•废水生物处理工程实例（含脱氮、除磷）•目标：掌握生物处理法的原理和工程应用第一节概述•微生物承担着物质循环和净化环境的主要责任•工业发展、生活水平提高----带来新污染-----生态平衡破坏---治理---微生物处理•有机物污染程度用COD、BOD、TOC表示•提高微生物处理污染物的能力的措施：–（1）通过基因工程或人工驯化的手段获取高效工程菌–（2）改善微生物生长条件。一、好氧处理•好氧处理：–有氧条件下，有机污染物作为好氧微生物的营养基质而被氧化分解，使污染物的浓度降低的处理工艺。•影响好氧处理效果的因素：–（1）氧的水平–（2）温度–（3）pH–（4）C：N：P比例，添加调整，N、P不能过高，水体富营养化。增氧系统水体富营养化案例•2007年，太湖蓝藻爆发有机物好氧分解的途径二、厌氧处理•厌氧处理：无氧条件下，厌氧微生物生长繁殖，简单有机物成为电子受体，分解过程产生能量少，细胞产量和污染物分解速率低，有机污染物不完全降解，最终由产甲烷菌作用而生成甲烷和二氧化碳（硫化氢和氨）。•影响因素：–（1）温度–（2）pH–（3）污染物浓度以及营养比例•甲烷产量的70%由乙酸分解，30%由氢气还原二氧化碳例如：有机物厌氧分解生成甲烷的过程三、兼性(水解)处理•将厌氧过程控制在水解或酸化阶段•利用兼性水解产酸菌•难降解的复杂有机物转化为简单有机物,利于好氧处理•控制环境的pH、通氧量、温度、时间等•抑制甲烷菌的生长；•处理印染废水、焦化废水、表面活性剂印染废水处理工艺实例第二节有机废水的微生物处理•一、处理方法分类二、活性污泥法•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絮凝和吸附废水中悬浮的胶体和溶解性有机物，并将这些物质摄入体内同化成菌体本身组分，或完全氧化成二氧化碳和水。•菌胶团：由于其遗传特性决定，细菌之间按一定的排列方式互相粘集在一起，被一个公共荚膜包围形成一定形状的细菌集团。•活性污泥：具有活性的微生物菌胶团或絮状、泥粒状的微生物群体。显微镜下的活性污泥活性污泥的性能和表征•形状和大小：絮状，大小为0.02-0.2mm，比表面积在20-100cm2/ml；•颜色：生活污水一般为黄褐色，工业污水则与水质有关；•含水率在99%，比重1.002-1.006，具有沉降性能；•pH在6-7，弱酸性，具一定的缓冲能力。•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。•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。•1ml好氧活性污泥中的细菌数在107-108个。活性污泥法中的微生物•1.活性污泥中的微生物：细菌（球菌、杆菌、螺旋菌、丝状菌）、霉菌和原生动物，还有微型后生动物•2.活性污泥法处理效果的微生物监测（生物显微镜）•运转不正常，出水水质差：原生动物以游泳型的纤毛类为主，如草履虫；•运转正常，出水良好：原生动物以固着纤毛类，如钟虫、累枝虫等，后生动物如轮虫、甲壳虫、线虫等。污水中的微生物三、生物膜法•生物膜法：利用微生物群体附着在填料或某些载体的表面而形成生物膜处理废水。•生物膜----呈蓬松的絮状结构，微孔多，表面积大，吸附能力强。–随着处理时间延长，生物膜加厚，水力冲刷使膜脱落、更新。–生物膜外层为好氧、中层为兼性、内层为厌氧。好氧生物膜的结构生物膜中的微生物•微生物群体好氧菌厌氧菌兼性菌还有真菌、藻类、原生动物、后生动物等1曝气生物滤池生物转盘好氧生物流化床生物接触氧化池3.生物膜法的主要特征（1）生物多样性高，能存活世代时间较长的微生物（2）食物链长（3）具有较强的脱氮能力（4）优势菌群随水处理程度呈现规律性分布（5）操作运行稳定生物膜处理法的各种工艺，对流入原污水水质、水量的变化都具有较强的适应性（6）污泥沉降性能好，宜于固液分离（7）能够处理低浓度有机废水（8）易维护，能耗低4.生物膜法常用填料•（1）软性填料•悬挂型、弹性立体填料•（2）悬浮型生物填料投加量普通接触氧化水解调节池好氧或好氧好氧厌氧流化床或厌生物塘或厌氧滤池反应池体积%8-13515-253-540-60生物填料上的生物膜•挂膜前后的填料四、厌氧处理法废水中有机物浓度较高时，BOD大于1500mg/l采用。污水处理厂剩余污泥采用厌氧消化处理1.特点去除1kgCOD能产生0.35立方米甲烷；不受氧传递的限制；固体停留时间比水力停留时间高10-100倍；产生污泥少，运行费用低；常用的构筑物为发酵罐或消化池。甲烷发酵的微生物是由分解蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素等的专性厌氧菌和兼性厌氧菌及专性厌氧的产甲烷菌等组成。2.厌氧处理工艺厌氧活性污泥处理•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发酵罐工业级UASB装置钢制圆形结构混凝土方形结构（便于施工及分离器设置）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填料EGSBICUBF五、污水微生物脱氮（一）污、废水脱氮的具体指标一级标准氨氮≤15mg／L废水脱氮的意义•①NH3对鱼和其他水生生物有较大的毒性；•②排放废水中的氨氮和有机氮会消耗受纳水体中的溶解氧；•③NH3对某些金属有腐蚀作用；•④NH3对给水投氯消毒会有不利的影响；•⑤NO2-和NO3-对人体健康有害，饮用水中所含硝态氮的浓度如果超过10mg/L，就会引起婴儿发生高铁血红蛋白症。(二)脱氮原理•缺氧反硝化•细菌：反硝化细菌（兼性厌氧菌）•反应：NO3-—N反硝化还原为N2，溢出水面释放到大气•碳源：原水中BOD•硝酸盐来源：回流出水中的硝化产物•NO3-+4H(电子供体有机物)→1/2N2+H2O+2OH-•NO2-+3H(电子供体有机物)→1/2N2+H2O+OH-•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•（NH4++O2+HCO3-→NO2-→NO3-)（二）、微生物脱氮工艺、原理及其微生物A/O脱氮工艺废水好氧脱碳缺氧反硝化沉淀池好氧硝化沉淀池1好氧活性污泥回流缺氧活性污泥回流出水回流？•(一)微生物脱氮工艺•活性污泥法典型工艺——A/O工艺（缺氧、好氧工艺）2.单级活性污泥外加碳源系统在反硝化池内通入外加碳源，一般常以甲醇作为外加碳源该系统是最典型的生物脱氮工艺去碳、硝化池（好氧）进水反硝化池（缺氧）N2外加碳源后去碳池(好氧)二沉池出水排泥3.单级活性污泥内碳源系统进水去碳、硝化池（好氧）反硝化池（缺氧）二沉池出水N2排泥4.多级活性污泥内碳源系统去碳池（厌或好氧）进水沉淀池硝化池（好氧）沉淀池反硝化池（缺氧）沉淀池出水排泥排泥回流污泥回流污泥排泥回流污泥N25.多级活性污泥外加碳源系统去碳池（厌或好氧）进水沉淀池硝化池（好氧）沉淀池反硝化池（缺氧）沉淀池出水排泥排泥回流污泥回流污泥排泥回流污泥N2外加碳源图6-15（b）利用外加碳源工艺流程6.氧化沟工艺•挂生物膜或投加悬浮填料•定期投菌•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；•提问：硝化脱氮时有时需要补碱（Na2CO3或NaOH)?•硝化作用消耗碱（NH4+、CO32-），水pH下降；补充碳源、升高pH•提问：硝化菌世代周期长，容易从活性污泥系统中被洗掉，如何解决？•（BOD：N：P）100：5：1——微生物除碳的同时吸收磷元素用以合成细胞物质和合成ATP等，但只去除污水中约19％左右的磷。某些高含磷废水中残留的磷还相当高，故需用除磷工艺处理。六、污水微生物除磷•1．微生物除磷原理•依靠聚磷菌（兼性厌氧菌）聚磷，再从水中除去这些细菌。•？？？不同于脱氮的情况。•好氧时：大量繁殖（消耗好氧状态能源——聚β-羟基丁二酸（PHB））,•逆浓度梯度过量吸磷（贮备厌氧状态能源—多聚磷酸盐颗粒(异染颗粒)）；•厌氧时：正相反——不繁殖，释放磷酸盐于体外（产生能量供其储备消耗好氧状态能源——PHB）。有机基质厌氧区好氧区乙酸P聚磷菌聚磷菌O2聚磷菌聚磷菌产酸菌聚PPHBPHB聚P聚P聚P聚P聚P部分回流做种大部分（P）去除水中P2．工艺简介•常见的脱磷工艺如下图所示进水厌氧放磷好氧聚磷出水部分污泥回流接种剩余污泥处理沉淀脱磷一、给水工艺概况及特点第三节微生物在给水处理中的应用环境工程微生物学微生物在水处理中的应用地表水絮凝池沉淀池砂滤池出水混凝剂氯化消毒（a）地表水絮凝池沉淀池砂滤池出水混凝剂氯化消毒炭滤池（b）图6-29饮用水常规处理工艺•饮用水生物处理技术在欧洲较为普及，尤其是法国的研究和使用代表着当今世界生物处理的先进水平。•在国内一些大城市和新建城市对原工艺进行了改造，一些安全高效的饮用水深度处理技术正在得到广泛应用。•深度处理技术：生物活性炭技术、生物预处理技术、膜处理技术以及臭氧—生物活性炭技术微生物在给水处理中的应用环境工程微生物学微生物在水处理中的应用1.饮用水源水的生物预处理•常规净水工艺之前增设生物处理工艺段，借助于微生物群体的新陈代谢活动，对水源水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污染物进行初步去除。•特点：①能去除氨氮、铁、锰等污染物；②能有效地去除原水中可生物降解有机物（BOM）；③能较好地去除低浓度有机物；④使整个处理工艺出水更安全可靠；⑤经济、有效。•与物化处理相比，具有经济、有效且简单易行的特点。二、微污染水源水的生物处理环境工程微生物学微生物在水处理中的应用（1）生物塔滤微生物预处理的反应器环境工程微生物学微生物在水处理中的应用生物虑塔出水进水滤料自然空气自然空气（2）生物过滤反应器旋转臂滤料出水进水生物过滤反应器（3）生物转盘微生物预处理的反应器环境工程微生物学微生物在水处理中的应用进水出水生物转盘转盘（4）生物接触氧化微生物预处理的反应器环境工程微生物学微生物在水处理中的应用出水进水曝气填料排泥生物接触氧化池出水曝气进水好氧生物流化床（5）生物流化床反应器•（6）土地处理系统•利用土地生态系统对水源水进行预处理•它使水源水通过堤岸过滤或沙丘渗透以利用土壤中生长的大量微生物对水中污染物质进行降解去除，净化水质。微生物预处理的反应器环境工程微生物学微生物在水处理中的应用应用较广泛的深度处理技术有活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性炭、膜技术等。（1）生物活性炭它利用生物技术中的微生物作用分解氧化有机物，并与活性炭吸附技术相结合。作用机理：在处理水源水时，曝气使水中有足够的溶解氧，同时活性炭吸附水中可供微生物生长的营养物质，使好氧微生物在炭粒上具有良好的生长环境微生物将有机物大分子或长链分子分解为小分子或短链分子延长活性炭的吸附饱和时间，提高处理效果。2.给水深度处理中的生物处理环境工程微生物学微生物在水处理中的应用•饮用水源中的大多数天然有机物属难降解有机物，在不投加臭氧的情况下生物降解效率较低。•臭氧化产生的大部分可生物降解有机碳（BDOC）可以在BAC中被活性炭吸附和生物降解去除（2）臭氧－生物活性炭（O3-BAC）环境工程微生物学微生物在水处理中的应用水源水预臭氧絮凝池沉淀池主臭氧生物活性炭砂虑池出水混凝剂氯化消毒•有原生动物、后生动物、菌胶团、丝状菌和真菌，系统运行稳定后，还有有轮虫和线虫出现。•原生动物：以固着型纤毛虫为主，如钟虫、小口钟虫、累枝虫等，其次还有游泳型纤毛虫，如豆形虫等。•后生动物：如轮虫、线虫、红斑瓢体虫等，它们以其它微生物残体为食，能软化生物膜、促进生物膜脱落，从而经常保持生物膜的活性和良好的净化能力，当轮虫等后生动物数量多且活跃、个体肥大时，则生物处理的效果好，反之，其处理效果差。3给水生物处理中的生物相环境工程微生物学微生物在水处理中的应用•微生物与环境污染治理•或