水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理

第九章水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理自然界水体的生物自净由于受到溶解氧、营养平衡、微生物种属及其它生存条件的限制，净化速度是有限的。提问：如何利用人工手段提高污废水生物处理效率？1.改善微生物生长的环境条件；2.通过基因工程或人工驯化的手段获得高效菌群投加到处理系统中；目前生物处理主要用于水中有机污染物以及氮磷污染的处理。通常限制：毒物（pH、盐、酸碱、有机毒物等）浓度不能过高、不能处理存在难生物降解物质（多苯环、过长链聚合物等）提问：对于这类废水是否就不能用生物法呢？答案：可以先进行物理化学前处理转化难降解及去除有毒物质（前处理包括臭氧氧化、电解、双氧水氧化、铁碳床、紫外臭氧联合处理等、湿式氧化、超声）筛选驯化、重组制造高效降解菌；这一章我们主要介绍污废水生物处理的微生物的机理。并对废水处理技术作一概括的介绍，具体设备设计操作以及计算大家会在水处理工程中继续学习。第一节污废水生物处理中的生态系统根据处理需氧与否好氧处理和厌氧处理低浓度（COD＜1500mg/L）适合好氧处理高浓度（COD≥1500mg/L）用厌氧前处理再好氧处理更为适宜。提问：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。根据微生物所处状态活性污泥法和生物膜法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生物膜法——模拟土壤自净微生物附着于其他物体表面上成附着状态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。一、好氧活性污泥法一、好氧活性污泥法好氧活性污泥法又叫曝气法，最早由英国人于1914年创建而来，经过90多年的发展已成为处理有机废水最主要的方法。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，形成的絮状体或称绒粒。活性污泥的形成是一种自然现象。例如，如果向一桶含粪便污水中不断地加入空气，并持续维持水中的溶解氧，那末经过一段时间后，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。1.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)与其上吸附的固体杂质组成。通过生物学和化学分析，活性污泥由：①活性微生物，25～50％②微生物内源呼吸残余物，0～17％③吸附在活性污泥上的惰性的不可降解的有机物④虽可降解但尚未降解的有机物⑤惰性无机物，20～30％（一）好氧活性污泥的微生物群落5～65％（2）好氧活性污泥的性质物理性质：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99％左右，密度1.002～1.006，粒大小为0.02～0.2mm，比表面积为0～100cm2；有沉降能力，有吸附能力化学性质：呈弱酸性（pH约为6.7），具一定的缓冲能力和氧化有机物的能力，生化性质：有生物活性，有自我繁殖能力。2.好氧活性污泥的存在状态完全混合式曝气池——悬浮态（曝气池任何一点所取活性污泥其微生物群落基本相同）推流式的曝气池——各区段之间微生种群和数量有差异（随推流方向种类依次增多）；每一区段中的任何一点，其活性污泥微生物群落基本相同对含有机物和细菌的污水不断曝气，维持足够的溶解氧，经过一定时间后，就会产生絮状的污泥。在显微镜下观察，可看到各种微生物——细菌、霉菌、原生动物、后生动物。从外观上看，活性污泥根据废水水质不同有不同的颜色，有褐色、黄色、灰色和铁红色等。轻轻搅动，易于呈悬浮物状；静止片刻，也易沉下。活性污泥无臭味，具有微微的土腥味。3．好氧活性污泥中的微生物群落结构和功能的中心：菌胶团（由能起絮凝作用的细菌形成的），在其上生长着其他微生物。其它微生物：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、线虫等)，及病原微生物。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，则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：菌胶团在活性污泥中哪些功能？①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%,有107~108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。②为原、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如何形成菌胶团呢？①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②纤维素性质多糖的勾连作用将菌胶团置于电子显微镜下观察时发现，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，如图所示活性污泥菌胶团外的纤维丝电镜照片③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.菌胶团中微生物生态细菌除动胶菌属外其他优势菌主要是与特定废水中物质种类有关中心是能起絮凝作用的细菌形成的菌胶团，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。该生态体系随环境条件改变而改变。活性污泥原生动物4.好氧活性污泥中微生物的浓度和数量浓度的表示方法：MLSS——混合液悬浮固体（包括无机和有机的固体）：1L活性污泥混合液中含有多少毫克恒重的干固体）MLVSS——混合液挥发性悬浮固体（包括有机固体——微生物）：1L活性污泥混合液中含有多少毫克恒重、干的挥发性固体）一般城市污水处理：MLVSS：MLSS=0.7-0.8MLSS保持在2000-3000mg/L工业废水处理：MLSS保持在3000mg/L高浓度工业废水处理：MLSS保持在3000-5000mg/L数量：1mL好氧活性污泥中的细菌有107-1085.活性污泥的沉降－浓缩性能(1)污泥沉降比（SV30）——混合液在量筒内静置30min后所形成沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分率，以％表示。作用：反应曝气池正常运行的污泥量；控制剩余污泥的排放量；及早发现污泥膨胀等异常现象的发生。(2)污泥体积指数(污泥指数，SVI)——曝气池出口处混合液经30min静置沉淀后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积，以mL计,单位mL/g。(1)30min(/)(1)()(/)LSVmLLSVILgMLSSgL混合液静沉形成的活性污泥容积(mL)混合液中悬浮固体干重SVI＜100100～200＞200污泥沉降性能良好一般较差，易膨胀☆一般常控制SVI在50～150之间为宜。显微镜下的活性污泥(二)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见下图好氧活性污泥吸附和降解用框图表示见下图吸附吸收氧化合成摄食吞食氧化合成污染物质SSDSSS活性污泥颗粒新活性污泥颗粒活性污泥中的微型动物DSCO2、H2O、NH3SO42-、PO43-CO2、H2O、NH3SO42-、PO43-新的微型动物处理水分离回用或后处理后处理生物处理（二级处理）化学营养物曝气池沉淀池污泥回流净水外排预处理（一级处理）污泥及余渣消化罐活性污泥的优势：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。泥水分离良好，出水清澈(三)好氧活性污泥法的几种处理工艺流程1．普通活性污泥法好氧活性污泥法的处理工艺很多，最为普遍使用的活性污泥法工艺如下图空气清水初沉池二沉池回流污泥剩余污泥曝气池废水先通过初沉池，除掉一些悬浮固体（一级处理的目的），然后进入一个有曝气装置的构筑物，活性污泥就在这种装置中将废水中的BOD降解掉（二级处理的目的），并产生新的活性污泥。当BOD降到一定程度时，混合液一起流入二次沉淀池，进行固液分离，上清液排放，沉淀下来的污泥一部分回流到曝气池中，一部分作为剩余污泥而排放。2．改进型的活性污泥法在普通型的基础上加以改造，使之性能提高的好氧活性污泥法中有推流式活性污泥法、完全混合式活性污泥法、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，它们都是对普通活性污泥法的改进，如下图所示齐鲁石化一净化车间污水处理工艺例齐鲁石化一净化的生化处理工艺一级隔油浮选后污水调节池一级曝气池（脱碳）二级曝气池（硝化脱氮）二沉池后浮选排水A推流式活性污泥法回流污泥进水曝气池剩余污泥沉淀池出水B完全混合式活性污泥法回流污泥进水曝气池剩余污泥沉淀池出水C接触氧化稳定法稳定池进水接触氧化池剩余污泥回流污泥沉淀池出水D分段布水推流式活性污泥法回流污泥进水曝气池剩余污泥沉淀池出水E氧化沟活性污泥法氧化沟回流污泥进水充气刷剩余污泥沉淀池出水F序批式活性污泥法序批式活性污泥法（英文简称SBR法）是国内外近年来开发的一种活性污泥法，它的工艺特点是将曝气池与沉淀池合而为一，生化反应呈分批进行。基本周期可由进水、反应、沉降、排水和闲置五个阶段组成。如下图所示。这种方法由于较其它活性污泥法构造简单，投资少、操作灵活、污泥产率低、脱氮效果好等特点越来越得到广泛的重视。（四）氧化塘（或氧化沟）中的微生物群落及其处理污（废）水机制氧化塘的工艺是特殊的活性污泥法，是一种人工的、接近自然生态系统的活性污泥法。(本质上就是一个长时间盛放污水的池塘，通常局部曝氧）在氧化塘内，藻类和细菌共存于同一环境中，保持互生关系，见下图氧化塘的互生原理。1.指示生物作用①依据原生动物数量、种类、优势、个体活性与水质的相关规律。②优越性提问:与水质分析及细菌观察、计数相比好处何在?Ⅰ.观察测量容易仅需低倍显微镜即可活体观察（六）原生动物及微型后生动物的作用Ⅱ.快速预报通常污水处理厂每天都要对本厂的出水进行水质监测，若超过国家规定的标准，就要及时追查原因，以求解决。出水BOD5（mg/L）30Y=81.6—19.4lgX20100103104有柄纤毛虫（个/mL）湖南石油化工厂的曝气池中的有柄纤毛虫与BOD5统计数据各厂情况不同，需独立总结。•但有些数据当天得不到如BOD5，根据原生动物与BOD5的对应关系，则可以作出快速的判断，缩短发现问题、解决问题的时间。微生物出现的先后次序是：细菌→植物性鞭毛虫→肉足类(变形虫)→动物性鞭毛虫→游泳型纤毛虫→固着型纤毛虫→轮虫。(1)根据微生物的演替判断水质和污水处理程度及判断活性污泥培养成熟程度活性污泥培养初期活性污泥培养中期活性污泥培养成熟期鞭毛虫游泳型纤毛虫、鞭毛虫钟虫等固着型纤毛虫、楯纤虫、轮虫(2)根据原生动物种类判断活性污泥和处理水质的好与坏固着型纤毛虫、轮虫等出现，说明活性污泥正常、出水水质好；草履虫属、眼虫属等出现，说明活性污泥结构松散，出水水质差；线虫出现则说明缺氧。(3)根据原生动物遇恶劣环境改变个体形态及其变化过程判断进水水质变化和运行中出现的问题。如若发现群体的纤毛虫缩成一团钟虫的柄脱落纤毛虫接合生殖（即有性生殖）、或形成孢囊表明水中？存在有毒物质或其他条件如温度、pH等的不适宜。Ⅰ.水质毒物判断*有些原生动物对水中的溶解氧变化十分敏感。如钟虫细胞前端出现气泡，运动迟缓，说明水中充氧不足，或溶氧过高，水质