第九章污染控制工程中的微生物

第九章污染控制工程中的微生物第一节水污染控制工程的微生物一、概述1.污水处理的过程分为五个阶段：•预处理(preliminarytreatment)•一级处理(primarytreatment)•二级处理(secondarytreatment)•三级处理(tertiary)•污泥处理(sludgetreatment)2.生物处理的优点和基本类型效率高效果好适用范围广（与微生物特点相关）成本低、运行费用少；可处理的水量大，方法成熟生物处理是废水二级处理的首选方法生物处理的基本类型好氧处理厌氧处理•微生物与氧的关系活性污泥法生物膜法•微生物在构筑物中的状态3.生物处理的作用机理吸附作用(absorption)•吸附作用在污水处理厂密集的微生物生态系统中可能起着主要作用。•通过微生物的吸附特性得以去除废水中的一些不可降解的污染物，如合成有机物、金属盐类以及一些放射性物质。生物氧化和细胞合成作用二、活性污泥法活性污泥法的特点•概念：•以好氧性细菌为主体的微生物和水中的悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的肉眼可见的絮状颗粒。•颗粒大小约0.05~0.5mm，表面积为20~100cm2/mL，比重约1.002~1.006，静置时能立即凝聚成较大的绒粒而沉降。•絮状体一般呈黄褐色，因水质不同也有呈深灰、灰褐，灰白等色。•活性污泥法的作用机理初级曝气池SECONDARYCLARIFIER•活性污泥的特征•具有很强的吸附能力：活性污泥的比表面积小、菌胶团表面有丰富的粘液物质。据研究，10~30min内，生活污水中BOD的85%~90%可因活性污泥的作用而除去。•很强的分解、氧化有机物的能力和pH缓冲力•良好的沉降性能活性污泥法处理的类型推流式曝气处理完全混合曝气接触氧化稳定法分段布水推流式活性污泥法氧化沟式活性污泥法活性污泥中的生物组分细菌•起主导作用，活性污泥中有多种细菌；•主要的优势种有：产碱杆菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属、微球菌属、假单胞菌属和动胶菌属以及球衣菌属等。•活性污泥中，细菌大多数以菌胶团的形式存在，呈游离状态的较少；•生枝动胶菌是最早发现的菌胶团形成菌;•现已知道埃希氏菌属、假单胞菌属、产碱杆菌属、芽孢杆菌属的一些菌株均可以产生菌胶团。动胶菌属球衣菌属•在活性污泥中的一些丝状细菌，如球衣菌属、贝日阿托氏菌属和硫发菌属等，附着在菌胶团上或与之交织在一起，成为活性污泥的骨架。贝日阿托氏菌属原生动物真菌类后生动物•轮虫类(rotifers)•线虫类(nematodes)原生动物线虫活性污泥系统中微生物的演替和指示生物•异养细菌和原生动物的演替•异养细菌和两种不同类群原生动物两次盛衰；初期异养细菌大量繁殖，接着原生动物大量繁殖，由于细菌数量下降原生动物衰落，又使异养菌大量繁殖，又造成次生原生动物成为优势群，最后原生动物死亡。•活性污泥系统中原生动物的演替3、指示生物三、好氧生物膜法利用固着在惰性材料表面的膜状生物群落处理污水的方法称为生物膜法(biofilmprocess)，是一种重要的生物处理方法。亦称固着膜法(fixed-filmprocess)，主要结构是生物滤池(biologicalfilter)英国称为溶滤池(percolatingfilter)，美国称为滴滤池(tricklingfilter)。生物滤池的优缺点：•优点：耗能少、维持费用低、运转管理方便，抗毒物冲击能力强，污泥量少。•缺点：规模较小，占地多•如果建立生物滤池污水处理厂的处理能力超过5万人污水的规模，占地太多，不适于城市和土地紧缺地区使用生物膜法类型•生物滤池•塔式生物滤池(biologicaltower)•生物转盘(biologicaldisc)•生物接触氧化(biologicalcontactoxidation)•生物流化床(biologicalfluidizedbed)塔式生物滤池塔式生物滤池生物转盘生物流化床Thebiologicalfluidizedbedreactorisanimportantpartofbreakingdownperchloratecontamination.(PhotocourtesyofTulsaDistrict)生物膜的净化原理•污水从上部均匀喷洒到生物滤池表面，•薄膜状吸附于滤料周围形成附着水(adhesivewater)，沿薄膜流过滤料即流动水(flowingwater)。•滤料表面微生物迅速繁殖，形成一层充满微生物的生物膜•生物膜具有强烈的吸附、吸收、分解作用，微生物合成新细胞，膜不断加厚。•生物膜达到一定厚度时，生物膜内层形成厌氧层，厌氧层逐渐扩大增厚，随后造成生物膜整块脱落。•滤料表面又生成新的生物膜，如此循环往复不断更新。生物膜中的微生物•生物膜生物：起净化和稳定污、废水水质的功能。菌胶团为主要组分，辅以浮游球衣菌、藻类等。•生物膜面生物：促进滤池净化速度，提高滤池整体的处理效率的功能。固着型纤毛虫(例如钟虫、累（等)枝虫、独缩虫等)及游泳型纤毛虫(例如楯纤虫、斜管虫、尖毛虫、豆形虫等，•滤池扫除生物：去除滤池内的污泥、防止污泥积聚堵塞的功能。有轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、顠体虫等，•具体来说，生物膜由细菌、真菌、藻类、原生动物和其它动物构成的食物链，对有效地去除水中有机物起着十分重要的作用。•同活性污泥相比，生物膜的食物链长而复杂，还有环节动物、昆虫幼虫等四、氧化塘法被世界广泛采用的主要处理方法。规模可从处理小于1000人的污水到大于10万人的污水。美国约有3500个氧化塘，约占人口的7％。我国从1950年初开始应用氧化塘处理城市污水和工业废水。•1950年代西安利用古运河建立了污水库，•70年代武汉修建了鸭儿湖氧化塘处理化工废水，•到90年代初发展到100多座。特殊的活性污泥法。氧化塘是人工的、接近自然水生生态系统，在氧化塘(或氧化沟)内，各种生物共存于同一环境中，保持互生关系。其食物链与自然水体基本相同。氧化塘和活性污泥法的不同点•①停留时间很长，•②负荷较低，•③微生物量较低，•④不需要曝气，•⑤下层有厌氧分解，•⑥生物以藻菌共生为主，并起主要的净化作用。氧化塘中的生物类群1．细菌•好氧生物处理系统的优势种相似，主要有假单胞菌、黄杆菌、微球菌等。•藻类生长层以下和厌氧层以上区域生活着大量的光合紫色硫细菌，将产生的硫颗粒沉积在细胞中。降低塘中硫化氢的浓度，减弱臭味；•在塘底层进行厌氧过程。梭菌、假单胞菌、脱硫弧菌、脱硫菌、甲烷八叠球菌和甲烷丝菌等。2、藻类•稳定塘中另一类重要微生物•常见的藻类有：小球藻、栅藻、衣藻、纤维藻、实球藻、空星藻、裸藻、扁裸藻以及颤蓝菌和微囊蓝菌等。•藻类的主要功能是产氧，维持塘的好氧条件。•藻类另一个主要功能是去除植物营养盐氮和磷。3、原生动物•占优势，以顺序出现下列原生动物：•植鞭毛虫如眼虫；•游泳型纤毛虫如豆形虫、草履虫和游仆虫等。•有柄纤毛虫如钟虫和累枝虫等出现。•甲壳类蚤和轮虫出现。4．水生维管束植物•凤眼莲、水浮洼、水鳖、绿荫等漂浮植物有很强的耐污能力，•芦苇、水葱、香蒲等挺水植物有中等耐污能力，•眼子菜、茨藻和金鱼藻等沉水植物适于生长在寡污带水中。五、厌氧处理法人工沼气发酵研究已有100多年的历史，从19世纪末到20世纪初，许多国家的微生物学者对纤维素的发酵进行研究。前苏联微生物学者奥梅梁斯基发现奥氏甲烷杆菌，提出沼气发酵理论，并为开辟沼气应用的途径奠定了基础。产甲烷菌有很强的抗菌作用，能使痢疾杆菌、伤寒杆菌、霍乱弧菌等致病菌无法生存。第二节污染气体的生物处理废气处理方法：理化法：目前主要采用的方法，如燃烧、吸附、吸收和还原等。工艺或设备较复杂，运行费用较高；用于处理某些恶臭废气时，效果不甚理想。生物法：具有处理效率较高、适应性较广、工艺较简单以及费用较省等优点。一、废气的生物反应器处理废气的微生物处理于1957年在美国获得专利，但到1970年代才开始引起重视，直到1980年代才在德国、日本、荷兰等国家有相当数量工业规模的各类生物净化装置投入运行。废气生物反应器处理对许多一般性的空气污染物的去除率可达到90％以上。二、废气生物处理的特点废气或尾气(wastegas，off-gas)在生物反应器内进行。•挥发性有机化合物(volatileorganiccompounds，VOCs)以及其它有毒或有臭味的气体，如NH3和H2S等。•化工、制药、电镀、喷漆、印刷等行业产生的有害污染物(hazardousairpollutants，HAPs)以及废水处理厂、堆肥厂、垃圾填埋厂产生恶臭(odor)等。去除效率高•一般的空气污染物去除效率超过90％。投资少，运行费用低不需要投入额外的化学品;•化学法则需加催化剂和氧化剂等，如次氯酸盐、过氧化氢、二氧化氯等。污染少•生物处理的产物是生物量，很容易处理。耗能低•生物反应在常温常压下进行，能量来自微生物利用VOCs成分本身产生的能量。•生物处理法消耗的动力只是污染气体进入处理系统时所消耗的能量(正压送风或负压引风)。三、适宜处理的污染气体应具有的特点水溶性强•兼具有蒸汽压低、亨利定律常数低的特点，向介质表面微生物膜扩散速率高；•主要有无机物如H2S和NH3等、醇类、醛类、酮类以及简单芳烃(如BTEX)等有机物。易降解•分子被吸附在生物膜上必需被降解，否则将导致污染物浓度增高，毒害生物膜或影响传质，降低生物滤器效率，或使处理完全失败。四、废气生物处理的基本形式生物洗涤(bioscrubbing)•生物洗涤器(bioscrubber)内是液态介质。生物滤过(biofiltration)•生物滤过采用是固态介质•生物滤池(biofilters)•生物滴滤池(biotricklingfilters)