《微生物修复》PPT课件.ppt

Company Logo,第五章 微生物在环保中的作用,第一节 微生物修复技术 第二节 微生物与化学污染物间的相互关系 第三节 微生物在废水处理中的作用,第一节 微生物修复技术,微生物修复是指微生物将土壤、地下水和海洋中的有毒有害物质“就地”降解成二氧化碳和水，转化为无毒、无害物质的方法。实际上，大多数环境中都存在着天然微生物降解净化有毒有害污染物质的过程，只是自然条件下的微生物净化速度比较慢，因此能够被广泛应用到环境保护当中。微生物修复大多都是在人为的条件下进行的，通过提供氧气，添加各类营养物质，接种经过驯化培养的高效菌株等强化修复过程，迅速去除污染物质，这就是微生物修复的基本原理。,生物修复与化学、物理修复相比，具有下列优点：,（1）修复时间较短；（2）原位修复的方式可使污染物在原地被降解清除，可使 污染场所的干扰和破坏达到最小；（3）操作简便，对周围环境干扰较小；（4）设施简单，降解过程迅速，费用低，仅为物理化学修 复的一半以下；（5）可以在现场进行，操作者与污染物直接接触机会减 少，不会对人产生危害；（6）不会产生二次污染，永久性的消除污染物和长期的隐 患。因此，生物修复被认为是最有发展前景的技术。,生物修复技术也存在不足：,（1）条件苛刻，生物修复是一种科技含量较高的处理方法，其处理方法必须符合污染场地的特殊条件.（2）有些污染物经微生物降解后其产物的毒性和移动性均比原化合物有所增加.,一、微生物修复技术的分类 污染地区的微生物修复技术一般分为原位生物修复、异位生物修复、原位异位联合的生物修复技术。,1.原位生物修复技术,原位生物修复是指对受污染的介质不进行搬运或输送，而在原位或易残留的部位进行的生物修复处理。原位修复技术主要取决于被污染土壤的自身微生物的自然降解能力、人为创造的降解条件、促进微生物生长繁殖的条件，如提供N、P等营养物、氧气、菌株等。为了加速降解进程有时也加入经驯化和培养的微生物。,原位生物修复包括以下几种方法:（1）投菌法（2）生物通风法（3）地耕法（4）生物注气法（5）生物扩增法（6）生物冲淋法,（1）投菌法,直接向受到污染的土壤或水域介入经过人为驯化和培养的微生物以及商品化的适宜微生物菌剂，同时提供这些微生物生长所需的营养，包括大量元素(氮、磷、硫、钙、钾、镁、铁、锰等)和微量元素。,（2）生物通风法,生物通气法（bioventing)是一种强迫氧化的生物降解方法。是指向土壤含水层以上的土层中通入空气或氧气，为好氧微生物提供最终电子受体，促进污染物生物降解的技术。生物通气法的具体措施是向地下水位以上的土层中打两口以上的通气井，用鼓风机和抽真空机将空气强行排入土壤中，然后抽出，土壤中挥发性的污染物也随之去除。在通入空气时，通过加入适量的氨气为土壤中的降解菌提供氮素营养，可以促进微生物降解活力的提高。土壤的结构和类型直接影响着生物通气法的修复效率，不合适的土壤结构会使氧气和营养元素在到达污染区域之前就被消耗。因此生物通气法只适用于具有多孔结构的土壤污染修复。生物通风法设备费用低，运行维护费用也低，是一种很好的生物修复方法。,（3）地耕法,地耕法(land farming)就是通过翻耕土壤，在土壤中混匀并且充入氧气，提高土壤的通透性，创造污染物被氧化的条件，投加肥料、调节土壤湿度及酸碱度等，从而为微生物的生存提供良好环境条件，并确保生物降解在不同土壤层面上都能发生，使污染物能较好的清除的方法。这种方法的优点是结合农业措施，操作简单，经济易行，但污染物有可能从处理地被转移。一般在污染土层较浅、通透性较差、污染物较易被降解的情况下可以采用这种方法。,（4）生物注气法,生物注气法（biosparging)是指将加压后的空气压入地下水位以下土层中，气流使化合物进入水分不饱和层并进行挥发和降解，同时水分饱和层也得到氧气，有利于污染物降解的一种生物降解方法。这种方法提供了充足的溶解氧，扩大了生物降解的面积，使水分饱和层和不饱和层的土著微生物均能发挥作用。生物注气法适于处理受挥发性有机物污染的地下水及上层土壤，在常温下空气注入可溶解的氧质量浓度达到812mg/L，是最简单、最经济的形式。纯氧和臭氧注入可使溶解氧浓度达到4050mg/L，但成本很高，一般较少采用。,（5）生物扩增法,生物扩增法(bioaugmentation)是指通过改变微生物的营养状态（N、P）等，提高土著或外源微生物的代谢能力，进而使有机污染物的降解效率显著提高的一种降解方法。对于一些不易降解的有机污染物，通常需要引入具有高效分解和利用能力的特定微生物。构建遗传工程菌可能是处理这类有机物的一种有效手段。,（6）生物冲淋法,生物冲淋法（bioflooding)是指通过注入井和注入沟将含有营养物和氧的水补充到亚表层，促进污染物降解的过程。生物冲淋法主要应用于各种石油烃类污染的修复中，其具体工程主要包括两组水井，一组是注水井，它的作用是将各类接种的微生物、水、营养物和电子受体等物质注入土壤；另一组是抽水井，通过液体流动促进营养物质的运输，保证充足的氧气。生物冲淋法处理方法简单，费用相对较低，其不足之处是处理时间较长，而且在微生物的修复过程中，污染物可能会进一步扩散到较深层的土壤和地下水中。,2.异位生物修复技术,异位生物修复是指被污染介质(土壤、水体)搬动或输送至它处进行的生物修复过程。相对于原位生物修复而言，更强调人为的控制和创造更适宜的生物降解环境。异位生物修复的工程措施和根本方法一般可以采用土著微生物，也可以利用外加的降解微生物，这种处理方法能更好的被控制、技术难度低，但成本较大。,异位修复技术涵盖广泛，应用较多的为以下几种方法（1）预制床法（2）堆肥法（3）堆层处理（4）厌氧反应器（5）生物反应器,（1）预制床法,是一种用于土壤修复的特制生物床反应器，包括水及营养物的喷淋系统、土壤底部的防渗衬层、渗滤液收集系统及供气系统等。在不泄漏的平台上，铺上石子与沙子，将污染土壤以1530cm的厚度平铺其上，并加入适当的营养液和水，定期通入氧气并翻动土壤，以保证土壤中微生物生长的合适条件。处理过程中流出的渗滤液，回灌于该土层上，以便彻底清除污染物。,（2）堆肥式处理,在人工控制条件下，使有机废物发生生物稳定作用的过程。处理时直接掺入了能提高处理效果的支撑材料，如木屑、稻草、粪肥、泥炭、树皮等易堆腐物质，使用机械翻动或压气系统充氧，并补充氮和磷以及其他无机盐，同时调节好pH值和通气条件，使微生物的降解活性大大提高。经过一段时间的发酵处理，大部分污染物被降解，标志着堆肥的完成，经处理消除污染后的土壤可返回原地或用于农业生产。,（3）堆层处理,是一种复杂的生物修复技术，将受污染的土壤从污染地挖掘出来，防止污染物向地下水或更大的地域扩散，运输到一个经过处理的地点堆积在不透水的衬层上，在堆放的土壤中设置通气管道，通入氧气或空气，以促进污染物的好氧降解。,（4）生物反应器,生物反应器是一种处理污染土壤的特殊反应器。反应器可建在污染现场或异地处理场地。通常为卧室鼓状、气提式，可分批培养或连续培养。处理时将污染土壤转移到生物反应器中，加入39倍的水充分混合使其呈泥浆状，同时加入各类营养物质，并在氧气存在的条件下剧烈搅拌，使微生物与底物充分接触，完成处理过程。,（5）厌氧反应器,大多数生物修复的方法都是在好氧的环境中进行的，事实上在厌氧的环境中进行的生物修复也是有很大潜力的。大量实验表明，厌氧处理对某些污染物如三硝基甲苯、多氯联苯(PCB)等的降解比好氧处理效果更好。现在已经有许多如厌氧生物反应器类的厌氧生物技术，但厌氧修复条件不太好控制，且厌氧修复过程中会产生一些毒性更大、更难降解的中间代谢产物。此外，厌氧发酵的终产物(H2S和CH4)也存在一些风险和毒性，因此其应用少于好氧处理。,3.原位异位联合生物修复技术,原位异位联合的生物修复是指在实行原位生物修复时，若使用原位修复存在较大的困难，或者污染物的浓度过高，甚至可能对生物产生毒害作用时，可采用一些辅助手段，即将修复场所中的一部分污染物引出，然后将其移至到生物反应器或其它净化设施中进行净化的技术，但是整个过程必须保证原位修复的基本特性。,目前研究较为充分的主要有以下两种：,（1）冲洗-生物反应器法：用水充分的冲洗土壤中的污 染物，并将含有该污染物的废水经回收系统转移 至生物反应器中，同时连续供给氧气、各类营养 和降解菌等以清除污染物。（2）土壤通气-堆制法：采用生物通气法去除污染土壤 中易挥发的有机污染物，然后再进行堆肥式处 理，清除难挥发的污染物。,二、微生物修复技术的影响因素,1.微生物种群2.污染物特性3.氮源和磷源4.其他影响因素,1.微生物的种群,污染地的微生物种群对生物修复技术起到了关键性的作用，在应用高效降解菌修复污染土壤时，修复的效果要取决于微生物在不同污染生态系统中的存活能力，其生长限制因素包括与其它微生物的竟争、土壤的营养条件等。,2.污染物特性,污染物的化学性质和污染源的存在形式直接影响生物修复的效率。对于水中溶解度小或疏水性强的污染物，其表面活性剂可以促进污染物和微生物的接触机会，从而提高污染物的微生物修复效率。,3.氮源和磷源,适当添加各类营养物或改变污染土壤的C：N：P值对污染物的生物降解有很大的帮助。,4.其他影响因素,大量研究表明，土壤湿度越大，其污染物的转化效率越高。但也有研究表明，实际修复中，土壤湿度不宜太大，这是由于土壤湿度增加会使土壤空隙减少，进而阻止氧气的传递。增加土壤湿度可以提高生物修复的活性，加快降解速度。土壤通气量对降解也有一定影响。通气可为烃污染土壤中的微生物提供充足的电子受体，可保持土壤pH值稳定，从而促进了微生物的生物活性，强化了它们对污染物的氧化降解作用。,第二节 微生物与化学污染物间的相互关系,一、污染物的种类以及对环境的危害二、环境污染物对微生物的作用三、微生物对化学污染物的转化和降解,一、污染物的种类以及对环境的危害,按污染物的性质可分为物理污染物、化学污染物和生物污染物；化学性污染物的种类极其繁多，目前人们使用的化学物质有10万多种。化学污染物是造成环境污染的主要原因，由于化学性污染物毒性大、分布广、排放量大，对人体健康和生态构成了很大的威胁。化学污染物又可分为有机污染物和无机污染物。,1.有机污染物对环境的危害有机污染物是指进入并污染环境的有机化合物。按其来源可分为天然有机污染物和人工合成有机污染物。天然有机污染物主要是指自然条件下或生物体代谢所产生的各种有害于人体健康、环境保护等方面的有机化合物，如黄曲霉素、氨基甲酸乙酯、麦角等。人工合成有机化合物占6万种以上，指由现代化工业生产的各类有机合成物，如染料、洗涤剂、塑料、农药、汽油添加剂、有机溶剂等。有机化合物多数能在环境中被降解成简单无机物，其降解产物有的对人类有害、有毒，甚至致癌。,2.石油类污染物对环境的危害随着经济的发展，人类对能源的需求越来越多，各国都加快了对石油资源的开发利用，从沙漠到海洋、从无人区到人口稠密区，越来越多的油气井出现在全球各地。石油是由上千种化学性质不同的物质组成的复杂混合物，主要包括饱和烃、芳香烃类化合物、沥青质、树脂类等。石油的开采、冶炼、使用和运输过程中会出现遗漏现象，含油废水的排放、灌溉、各种石油制品的挥发、不完全燃烧物飘落等引起一系列石油污染问题。石油及石油产品会严重污染环境。,（1）土壤污染,在石油、天然气的开采过程中，会产生大量含油废水、有害 的废泥浆以及其他一些污染物，处理不好时就会污染周边 土壤。据一位美国环保人士估算，如果阿拉斯加陆地石油管道发 生泄漏，至少会形成30英里长、半英里宽的污染带。由于石油会迅速渗透到土壤中，杀死土壤中的微生物，从 而改变土壤成分，改变地表生态，遭受污染的地区可能在几 十年甚至上百年的时间内都会寸草不生。,（2）水体污染石油及石油产品对水体的污染主要有海洋、江河湖泊、地下水污染。石油的开采、储运、炼制和使用过程中，排出的废油和含油废水，致使水体遭受油污染。据估计，全球石油总储量为3000亿吨，而海底石油将近1000亿吨，占总储量的1/3。现在全世界有将近40的石油来自海底。目前有70多个国家正在进行海上石油勘探，其中有23个国家正在进行海上油气生产。海底油田的开发，特别是油井井喷把大量石油喷入海洋，造成十分严重的海洋污染。海洋石油污染危害是多方面的，石油进入海洋，形成大片油膜。这层油膜将海水与大气隔开，妨碍空气中的氧溶解到海水中去，使水中的氧减少。,阿拉斯加“瓦尔迪兹”号油轮石油泄漏事件(1989),墨西哥湾石油泄漏（2010）,大连石油泄漏（2010）,（3）空气污染石油的燃烧产生的二氧化硫和三氧化硫会严重污染大气。硫氧化物对人体的危害主要是刺激人的呼吸系统。吸人后诱发慢性呼吸道疾病，甚至引起肺水肿和肺心性疾病。如果大气中同时有颗粒物质存在，颗粒物质吸附了高浓度的硫氧化物、可以进入肺的深部，就会大大地加大危害程度。石油燃烧产生的氮氧化物和硫氧化物在高空中为雨雪冲刷，把雨转变成酸雨；这些酸性气体成为雨水中杂质硫酸根、硝酸根和铵离子，会严重污染土壤以及水体，造成生态的失衡。污染大气的碳氢化合物主要是由于广泛应用石油、天然气作为燃料而造成的。,3.水中的污染物的危害（1）氨氮（2）石油类水污染物（3）酚类物质（4）汞及其化合物（5）氰化物（6）化学耗氧量（COD）（7）生化需氧量(BOD),二、环境污染物对微生物的作用,现代工业一方面给人们的生活带来方便及舒适，但另一方面不可避免地影响着环境及环境中的微生物。例如，为了追求粮食高产，现在世界各国都大量使用化肥和各类杀虫剂、除草剂，而化肥和农药的大量使用就容易改变土壤理化性质，造成土壤微生物群落的变化，严重的可导致土壤板结，使土壤肥力降低。而农药通常不仅杀死有害昆虫，对于一些有益的生物也有害处。而且有的农药极难被降解，在环境中的残留时间很长，造成一代代积累，对环境造成极大的破坏。下面简单介绍一下两大类污染物对微生物的影响作用。,土壤微生物在土壤生态系统物质循环与养分转化过程中起着十分重要的作用。重金属超过一定浓度时，会抑制土壤微生物的生长、繁殖、损害呼吸作用、使细胞形态异常、甚至使细胞裂解。另外，微生物生长动力学、抗生素活性、孢子萌发、孢子形成、光合作用、转录、翻译、微生物与植物、微生物之间都会受到重金属的影响。例如，Mn2+在较高浓度时严重抑制微生物对NH4+的同化，当土壤中As、Cr、Cu、Pb、Ni等重金属总量达到一定浓度时，土壤微生物生物量仅为对照的32%，细菌和真菌生物量分别较对照下降29%和45%。,1.重金属对微生物的毒性作用,重金属对微生物的毒性受到环境中很多因素的影响：,pH，在酸性条件下铅对番茄蔫萎座镰孢霉孢子和菌丝的毒性随pH值的增大而增大。土壤的成分，黏土可以降低重金属对微生物的毒性作用，这是由于黏土中的阳离子可以与重金属起置换反应，粘土可以从溶液中去除有毒离子。从而减少了微生物对重金属的吸附和摄取。可溶性有机物，如酵母膏、半胱氨酸、琥珀酸等可以降低重金属的毒性。络合物，如天冬氨酸、柠檬酸等络合物可以消除重金属对微生物的致死作用。,2.有机污染物对微生物的毒性 有机污染物对微生物的毒害作用主要表现在以下几个方面的作用：（1）造成微生物细胞的裂解，使细胞释放出来；（2）破坏微生物细胞的能量代谢作用，使其代谢功能下降，或者丧失 某种代谢能力；（3）抑制微生物细胞各种酶的活性，使其不能合成自身所需要的物 质，最终导致微生物死亡；（4）作为蛋白质变性剂使微生物细胞中的蛋白质发生变性而死亡；（5）破坏微生物细胞中金属蛋白和金属酶的功能，或者破坏微生物细 胞的遗传物质，使其遗传物质不能更好的表达；（6）抑制微生物细胞合成功能蛋白等等。,三、微生物对化学污染物的转化和降解,化学污染物被释放到环境中的时间是非常短暂的，微生物与之相互作用的时间也更短暂。但是农药等生物外源性物质的广泛使用和对环境的污染，增加了微生物生存环境中的不利因素，就是增加微生物进化的选择压力。这起到了促进微生物的物种发生改变和进化的作用，微生物只有发生了对其本身存活有利的突变（如抗药性、转化能力、降解活性），才能继续存在于自然界中。,微生物对生物外源性物质的转化主要分为下面几种形式脱卤作用：主要是脱氯作用，如农药DDT的脱氯；还原作用：将生物外源性物质上的取代基，特别是硝基，进行还原；水合反应：如对有机氰或氰化物的水合反应，形成没有毒 性的含氮有机物。微生物除了可以转化生物外源性物质外，还可以把它们分解掉。有些生物外源性物质可以被彻底降解，即变成水和二 化碳等无毒无害的元素。,外源性物质的降解过程需要很多种微生物的协同作用才能彻底完成。有些微生物在降解生物外源性物质时，要给微生物另外提供对它们生长繁殖所需要的营养物质，因为这些生物外源性物质的降解产物并不能成为该微生物生长繁殖所需的碳源和能源。在微生物生态学中，我们把这种情况叫做共代谢作用。,此类化合物的典型代表有多氯酚（PCP）和多氯联苯（PCB）类化合物。尽管这类污染物很难降解，但微生物学家还是找到了许多可以降解它们的微生物。如黄杆菌可以降解五氯酚，不动杆菌可以降解PCB。微生物具有降解多氯二苯（PCBs）能力，并以2种方式降解PCBs，一种是无机化降解，即在好氧或厌氧条件下，以PCBs为能源或碳源，满足自身生长繁殖所需要的营养条件；另一种是共代谢作用，即微生物生长代谢过程中以另外一种基质作为能源或碳源，同时将污染物进行转化。,1.微生物对卤代类物质的降解,2.微生物对人工合成多聚物的降解人工合成的多聚物种类很多，其典型代表是聚乙烯，我们日常使用的塑料等多以它们做原料。利用特定的微生物降解合成多聚物是解决此类污染，特别是土壤中已存在的污染物的有效途径。目前研究发现能降解聚乙烯的生物主要是真菌、细菌、放线菌，但至今尚未发现只催化聚乙烯特定底物的酶，真菌主要可降解合成多聚物，如聚乙烯醇、乙烯薄膜、聚乳酸薄膜等。青霉能降解分子量很大的聚乙烯，并能使硝酸预处理氧化产生的C-C键断裂；有些链霉菌也能产生胞外水解酶在3周内降解经氧化预处理的聚乙烯。,3.微生物对农药的降解已经报到的能降解农药的微生物有细菌、真菌、放线菌、藻类等，大部分都来自于土壤微生物。（1）细菌：能降解农药的细菌种类很多，例如假单胞菌 属、芽孢杆菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属、链球菌属、短杆菌属、硫杆菌属、八叠球菌 属等 等。（2）真菌：降解农药的真菌有曲霉属、青霉属、术霉属、镰刀菌属、交链菌属、头孢菌属、毛霉属、胶霉属、链孢霉属、根霉菌属等。,（3）放线菌：放线菌作为土壤中一大类微生物，所发现 的降解微生物较少。放线菌降解农药的有链霉菌属、诺卡氏菌属、放线菌属、高温放线菌属等。,从上表中可以看出，对土壤中农药有降解作用的微生物，主要以细菌和真菌为主，并且细菌多于真菌。所发现的能降解农药的放线菌的种类较少。而有的菌种能同时降解多种农药，典型代表为假单胞菌和芽孢杆菌等；有的不直接降解农药，而是通过共代谢作用实现降解过程。细菌中主要的降解菌为假单胞菌、黄杆菌、无色杆菌、产碱杆菌、芽孢杆菌等，真菌主要是霉菌，这些环境微生物对农药降解具有广谱活性，可降解多种农药，是构建工程菌较好的微生物种源。,4.微生物对重金属的生物修复重金属微生物修复的机理包括细胞代谢、表面生物大分子吸收转运、生物吸附、空泡吞饮、沉淀和氧化还原反应等。微生物对土壤中重金属修复的影响主要体现在以下4个方面：生物吸附和富集作用溶解和沉淀作用氧化还原作用菌根真菌与土壤重金属的生物有效性关系。,所谓生物吸附就是指微生物可通过带电荷的细胞表面吸附重金属离子，或通过摄取必要的营养元素主动吸收重金属离子，将重金属离子富集在细胞表面或内部。生物吸附的应用取决于2个方面：即筛选具有专一吸附能力的生物和降低培育生物的成本。最近在改进生物吸附方面的研究包括：提高微生物吸附特定金属离子能力的方法；收集生物体及被吸附的金属等。,微生物对重金属的溶解主要是指微生物通过各种代谢活动产生大量的有机酸，这些酸可以将重金属溶解。有机酸包括甲酸、乙酸、丙酸等。真菌产生的有机酸大多为不挥发性酸，如柠檬酸、苹果酸、琥珀酸、延胡索酸和乳酸等。,氧化还原作用则是把重金属从毒性较高的价态转变成为毒性较低的价态，从而解除了重金属的毒性。土壤中的一些重金属元素通常以两种价态存在，以高价态存在时，溶解度通常较小，不易迁移；而以低价离子形态存在时溶解度较大，易迁移。微生物还能氧化土壤中的多种重金属元素，微生物的氧化作用可以使这些重金属元素的活性降低。,菌根真菌对重金属的生物有效性表现在菌根真菌与植物根系共生可促进植物对养分的吸收和植物的生长，菌根真菌通过分泌特殊的分泌物而改变植物根际环境，改变重金属的存在状态，降低重金属毒性，起到促进重金属植物的纯化作用。菌根真菌还能以其他形式如离子交换、分泌有机配体、激素等间接作用影响植物对重金属的吸收。,5.微生物对石油污染物的降解和转化（1）微生物对烷烃化合物的降解石油烷烃类化合物较难被微生物降解。降解菌在对直链烷烃进行降解时，可对其单末端、双末端和次末端进行氧化，它的基本降解过程为石油降解菌先将直链烷烃氧化为醇，醇再经过脱氢酶的氧化变为醛，醛再经过脱氢酶的氧化，最终转变为脂肪酸；支链烷烃则不易被微生物所降解，并且支链越多，降解效果越差。,（2）微生物对芳烃物质的降解研究芳香烃化合物都是苯及苯的衍生物，包括单环芳烃和多环芳烃。多环芳烃的代表物质主要有萘、蒽、菲、芘及其衍生物（如苯并芘、苯并蒽）等常存在于石油化工厂废水中。芳香烃类化合物一般都比较难降解，大部分芳香烃类对微生物都有抑制作用，能使菌体蛋白质凝集，生长受阻或死亡。但在一定的浓度下，芳香烃也能被一些细菌、放线菌降解。,第三节 微生物在废水处理中的作用,一、废水微生物处理的净化原理微生物在污水处理过程中新陈代谢类型有需氧净化和厌氧净化两种。废水的需氧微生物处理是一种在提供游离氧的前提下，以好氧微生物为主，通过分解代谢、合成代谢和物质矿物化，能把污水中的有机物氧化分解成CO2和H2O等小分子物质，同时从中获得C源、N源、P源和能量等稳定的无害化处理方法。,废水的厌氧生物处理是指在没有游离氧的情况下，微生物对有机物质发酵或消化，将大部分有机物分解成CO2、H2、CH4和H2S等气体，是以厌氧微生物为主对有机物进行降解、稳定的一种无害化处理方法。在厌氧生物处理过程中，复杂的有有机化合物被降解，转化为简单、稳定的化合物，同时释放能量。,二、废水微生物处理的研究方法,1.活性污泥法活性污泥法（activated sludge）是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大量絮凝和吸附水中悬浮的胶体或溶解的有机污染物，并将这些物质摄入细胞体内的一种方法。活性污泥可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥。不论是哪一种，活性污泥都是由具有活性的微生物菌胶团或絮状泥粒状的微生物群体构成的，这样的群体有很强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解很多的污染物，从而达到处理和净化污水的目的。,活性污泥法是最常见的污水生物处理方法，其基本流程如下：污水先通过初沉淀池，预先将一些悬浮固体去除掉，然后进入一个有曝气装置的容器，活性污泥就是在这种装置中将废水中的BOD降解了，在曝气池中废水与积累的活性污泥充分接触并混合，污染物转移到污泥上，微生物以污染物为营养原料并从水中取得氧气进行生长繁殖，一些代谢产物(如CO2、NH3)则进入水中。,当BOD降解到一定的程度时，混合液一起流入次沉淀池，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池中，一部分作为剩余污泥而排放。如图所示。,采用活性污泥法处理废水，可根据运行方式的不同分为以下几种类型。（1）传统活性污泥法（2）完全混合式活性污泥法（3）纯氧曝气活性污泥法（4）吸附再生活性污泥法（5）延时曝气活性污泥法（6）阶段曝气活性污泥法（7）深井曝气活性污泥法,（1）传统活性污泥法传统活性污泥法是最典型的一种方法，也是最早使用的一种形式。这种曝气池为长方形，池的长宽比值大，水从一端进入，从另一端推流出去。曝气方法是沿池长方向均衡等量的曝气，有机污染物在曝气池中通过活性污泥连续地吸附、氧化作用而得以降解。,（2）完全混合式活性污泥法这种混合曝气池多为圆形，也可采用正方形，多数采用表面加速曝气。具体是指废水一进入曝气池就迅速与池中已有的混合液充分混匀，曝气池内各点有机污染物浓度均一。（3）纯氧曝气活性污泥法主要特点：纯氧中氧的分压比空气约高5倍，纯氧曝气可大大提高氧的转移效率；氧的转移率可提高到80%90%，而一般的鼓风曝气仅为10%左右；可使曝气池内活性污泥浓度高达40007000mg/L，能够大大提高曝气池的容积负荷；剩余污泥产量少，一般没有污泥膨胀的现象。,（4）吸附再生活性污泥法吸附-再生法又称接触稳定法，是对传统活性污泥法的一项重要改革。主要特点是将活性污泥法对有机污染物的降解分为两个过程吸附和代谢稳定，分别在各自的反应器内进行。（5）延时曝气活性污泥法延时曝气法又称完全氧化法，实质上是传统活性污泥法在低负荷下运行，因而所需曝气池容积大，水力停留时间长。,（6）阶段曝气活性污泥法阶段曝气法又称分段曝气法。工艺流程主要特点：废水沿曝气池池长方向分段多点注入曝气池，有机物负荷分布较均衡，改善了供养速率与需氧速率间的矛盾，有利于降低能耗；废水分段注入，提高了曝气池对冲击负荷的适应能力。混合液中的活性污泥浓度沿池长逐步降低，出流混合液的污泥较低，减轻二次沉淀池的负荷，同时使活性污泥始终处于营养比较均匀的条件下，使微生物能充分降解污染物。,（7）深井曝气活性污泥法深井曝气法又称超深水曝气法，是一种新型的活性污泥法。它以直埋于地下的井体装置作为曝气池来进行废水处理。一般平面呈圆形，直径约介于16m，深度一般为50150m。主要特点：深井中溶解氧浓度高，氧转移效率高，约为常规法的10倍以上；动力效率高，占地面积小，受外界气候影响小，易于稳定运行。,活性污泥法的优点是能产生高质量的排出水、净化效率高、臭气轻微、处理费用较合理、反应面积小；缺点是产生的污泥量较大，对水质、水量的变化比较敏感，对负荷的冲击抗性较弱，比较容易出现污泥膨胀现象等。,2.生物膜法,生物膜（Biofilm）是通过附着而固定于特定载体上的结构复杂的微生物共生体。在适宜载体天然材料(例如卵石)、合成材料(例如纤维)表面附着生长的微生物细胞和一些非生物物质镶嵌在微生物分泌的胞外聚合物基质中形成一种纤维状的缠结结构，这种微生物繁殖系统即称作生物膜。生物膜一般呈蓬松结构，微孔较多，表面积很大，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。,生物膜法的原理：生物膜首先吸附附着水层有机物，由好气层的好气菌将其分解，再进入厌气层进行厌气分解，流动水层则将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜，如此往复以达到净化污水的目的。,与活性污泥法相比，生物膜法具有以下优点：,生物膜对污水水质、水量的变化有较强的适应性，管理方便，不会发生污泥膨胀；微生物固着在载体表面，世代时间较长的高级微生物也能增殖，生物种类更为丰富、稳定，产生的剩余污泥少；能够处理低浓度的污水，对于高浓度的污水处理效果也很好。生物膜法也存在有不足之处：生物膜载体增加了系统的投资，费用较高；载体材料的比表面积小，反应装置容积负荷有限、空间效率低，在处理城市污水时处理效率比活性污泥法低，因此，生物膜法主要适用于中小水量污水的处理。,（1）生物膜中常见的微生物,生物膜中微生物种类包括好氧菌、厌氧菌和兼氧菌，还有真菌、藻类、原生动物（主要是纤毛虫)和较高等的生物，在生物滤池中兼氧菌常占优势。无色杆菌属、假单孢菌属、黄杆菌属以及产碱杆菌属等是生物膜中常见的细菌。在生物膜内，常有丝状的浮游球衣菌和贝日阿托氏菌属。在滤池较低部位还存在着硝化菌如亚硝化单孢菌属和硝化杆菌属。在滤池顶部有阳光照射处常有藻类生长，如席藻属、小球藻属。藻类一般不直接参与废物降解，而只是通过它的光合作用向生物膜供氧，藻生长过多会堵塞滤池，影响操作。在生物膜滤池中原生动物和一些较高等的动物均以生物膜为食，它们起着控制细菌群体量的作用，它们能促使细菌群体以较高速率产生新细胞，有利于废水处理。,（2）生物膜的类型,根据生物膜法处理系统中所用的填充物的不同，生物膜法又可以分为以下几种类型：滴滤系统 生物转盘法 流化床反应器,滴滤系统：是一种简单且相对便宜的膜式好氧处理装置。在该处理系统中，通过转动的栅栏喷淋装置将污水均匀分布于多孔处理床（例如由石子等铺成）上。在多孔处理床上可生长多种细菌、真菌、放线菌和原生动物。当污水流经处理床时，微生物就会吸收并降解其中的污染成分，使得污水得到净化。为了保持好氧性生物膜的活性，除了提供废水营养物外，还应向生物膜供氧。氧在生物膜中扩散的深度取决于它在膜中的扩散系数、固液界面处氧的浓度和膜内微生物对氧的利用率。,生物转盘法：这是一种通过盘面转动，并交替地与污水和空气相接触，利用转盘上的生物膜在好氧条件分解污染物，净化污水的方法。在这样的处理系统中，一些圆盘结构装置部分浸没于污水中，部分在空气中并不断地旋转，这样便保持了良好的通气效果及与污水的接触，从而在圆盘上形成了“生物膜”。这样的“生物膜”是由真细菌、原生动物、丝状细菌、后生动物等构成的微生物群落。,流化床反应器：是指由于污水的泵入或曝气（空气或氧气）作用，流化床反应器中的载体物质（砂子、浮石、塑料等）会在反应器中不断流动。在这种系统中，由下向上进入的废水的流速、曝气的程度被控制在可以使载体流动但不互相接触，但又不能破坏“生物膜”系统结构的程度。,四、微生物在废水处理中的具体应用,1.含硫化物废水的处理自然界中能降解硫化物的微生物很多，大部分属于化能营养型，主要可分为3类：光合硫细菌、丝状硫细菌和无色硫细菌。,利用好氧生物膜反应器进行生物脱硫，可使硫化物的去除率高达90%以上，被处理的硫化物基本上完全转化为单质硫，有机物的去除率也在10%左右。硫化物的去除率主要与硫化物容积负荷和溶解氧的浓度有关。现有研究表明，通过控制硫化物与氧的比例、硫化物浓度及硫化物的污泥负荷，用无色硫细菌在有氧条件下氧化硫化物，最终可将硫化物氧化为单质硫，以及少量硫酸盐。由于硫化物的氧化，会使反应器内的pH值升高。,2.含重金属离子废水的处理,重金属的生物处理技术是一种借助微生物或植物的絮凝、吸收、积累和富集等作用去除废水中重金属的方法。目前工业上普遍应用的几种处理重金属废水的方法：如生物膜法、活性碳吸附法、活性污泥法、离子交换树脂法和化学沉淀法。上述方法虽然效果较好，但因处理过程复杂，成本较高，因此不够理想。下面介绍一种生物絮凝法去除水中重金属的方法。,生物絮凝法是利用微生物或微生物的代谢产物进行絮凝沉淀重金属的一种去污方法。微生物絮凝剂是一类由微生物产生并分泌到细胞外、具有絮凝活性的代谢物，一般由DNA、多糖、蛋白质、纤维素、糖蛋白等高分子物质构成，分子中含有多种特殊的功能基团，能使水中胶体悬浮物相互凝聚沉淀。生物絮凝法在废水处理过程中具有安全、无毒、方便、不产生二次污染、絮凝效果好等优点，但是目前也存在着活体絮凝剂保存困难、生产成本高、难以进行工业化生产等一系列难题，目前大部分生物絮凝剂还处于研究摸索时期。,3.啤酒废水的处理,啤酒废水主要来自麦芽车间、发酵车间、糖化车间、灌装车间以及生产用的冷却废水等。啤酒工业废水主要含糖类、酵母体、醇类、啤酒残液等有机物，有机物浓度较高，虽然无毒，但易于腐败，排入水体要消耗大量的溶解氧，对水体环境造成严重危害。,全学军等研究了废水处理的方法，取一定的消化污泥，过滤去除杂质后让其沉淀，去掉部分上清液，取一定量污泥放入消化罐内作为菌种，保持恒温30，pH值6.7并且加入含少量尿毒、磷盐，碳氮磷比为100：2.5：0.5的水。该污泥菌胶团丰富，产气量大，絮状体大，对啤酒废水适应快，接种几天后COD就被明显的去除。经过培育驯化一个月后，部分菌胶团便开始形成一些不规则形状的颗粒状污泥，两三个月后，颗粒状污泥大量出现，随后污泥沉降性能改善，出水悬浮固体通常都在100 mg/L左右，因而为提高水力负荷提供了有利的条件。,4.染料废水的处理,印染废水因其色泽深、组分复杂、含有染料、浆料、助剂、蜡质、果胶、纤维、无机盐等多种物质，仍是国内现行工业废水治理中的难题之一，生物方法在印染废水处理中具有广阔的应用前景。高效菌群是利用复合的微生物群体来处理染料废水，菌种现已发展到100多种，如反硝化产碱菌、脱氮硫杆菌、氧化硫硫杆菌等。它可以针对不同的染料废水配成不同的菌群去分解不同的污染物，具有较高的针对性。高效微生物群将有机物分解成CO2、H2O以及许多对水质没有影响的有机小分子。利用高效降解菌群对染料废水进行处理前景广阔。,The End,