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ppt课件.ppt

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1、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,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（COD1500mg/L）适合好氧处理高浓度（COD1500mg/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

2、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，那么经过一段时间后，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

3、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：活性微生物，2550微生物内源呼吸残余物，017吸附在活性污泥上的惰性的不可降解的有机物虽可降解但尚未降解的有机物惰性无机物，2030,（一）好氧活性污泥的微生物群落,565,（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1.0021.006，粒大小为0.020.2mm，比表面积为20100cm2/ml；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，

4、生化性质：有生物活性，有自我繁殖能力。,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。,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,3好氧活性污泥中的微生物

5、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。(1)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107108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

6、。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。3)具有指示作用,a.菌胶团的作用,如何形成菌胶团呢？,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,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,原生动物分泌的胞外粘液的粘着作用；

7、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，,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=0.7-0.8 MLSS保持在2000-3

8、000mg/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107-108,5.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。,一般常控制SVI在50150之间为宜。,显微镜下的活性污泥

9、,(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,分离回用或后处理,后处理,曝气池,沉淀池,污泥回流,净水外排,污泥及余渣消化罐,(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,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，

10、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,A 推流式活性污泥法,B 完全混合式活性污泥法,C 接触氧化稳定法,D 分段布水推流式活性污泥法,E 氧化沟活性污泥法,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

11、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,依据原生动物数量、种类、优势、个体活性与水质的相关规律。,优越性提问:与水质分析及细菌观察、计数相比好处何在?.观察测量容易,仅需低倍显微镜即可活体观察,（五）原生动物及微型后生动物的作用,.快速预报,通常

12、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。,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,(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

13、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。,.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，水质将变坏。反之则表明溶解氧情况适中良好。如图钟虫带有气泡图。,.溶解氧判断,.曝气池处理效果的判断*,2.净化废水作用提问:有哪些作用?直接参与废物的去除捕食水中的悬浮的有机废物颗粒（细菌

14、主要吃溶解性污染物）,吞噬细菌，净化出水水质,细菌（尤其使游离细菌）本身也是有机污染物；,3.促进絮凝和沉淀作用,活性污泥颗粒主要是由细菌絮凝而成，实验证明小口钟虫、累枝虫和草履虫等纤毛虫能分泌一些粘性多糖，使他们能够附着在小的絮凝体上，同时促进絮凝体进一步黏附细菌使污泥絮体增大。生产上常常发现在活性污泥培养初期，一旦处理系统中出现固着型纤毛虫，随后就可看到活性污泥絮体的形成并逐渐增大。,二、好氧生物膜法,好氧生物膜法：生物填料表面附着的生物薄膜进行污染物降解的生物处理法。好氧生物膜法构筑物有普通滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池，还有生物转盘、接触氧化法(即浸没滤池法)等。于19世纪末，在研

15、究土壤净化污水的过滤田的基础上，开发并应用于生产。由于效果不如后来出现的活性污泥法，一度被长期搁置，20世纪60年代以后，由于新型合成材料的大量生产和环境保护对于水要求的进一步提高，生物膜法又获得了新的发展。,生物填料,悬浮型生物填料,悬挂型填料 弹性立体填料 网片式立体填料,软性填料,生物填料上的生物膜,普通生物滤池,1.好氧生物膜,好氧生物膜：是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物黏附在生物滤池或生物转盘盘片上的一层粘性、薄膜状的微生物混合群体。是生物膜法净化污废水的工作的主体。,(一)好氧生物膜中的微生物群落,2.好氧生物膜中的微生物群落及其功能,根据位置与功能不同生物膜生物、生物膜面

16、生物及滤池扫除生物。普通滤池内生物膜的微生物群落表,横向纵向各不相同,滤扫生物,膜面生物,膜生物,生物滤池（塔）中的分层特征表(纵向看),相当于多污带,相当于中污带,相当于寡污带,3.好氧生物膜的结构,生物滤池分上、中、下层。,4.好氧生物膜的净化作用机理,同一类型废水好氧活性污泥法与生物滤池法处理效果对比,优缺点对比,第二节 活性污泥膨胀和控制对策,提问：什么是活性污泥膨胀？正常的活性污泥颗粒体积膨胀，继而分裂为沉降性很差的小颗粒污泥，引起二沉池池面飘泥严重，出水水质急剧变差的现象。本质污泥密度变小或黏附能力下降。分非丝状菌污泥膨胀与丝状菌污泥膨胀两类SVI200mL/g标志着活性污泥发生膨

17、胀。SVI200mL/g为正常活性污泥，一般在50150mL/g，最好在100mL/g左右；,一、非丝状污泥膨胀的成因,曝气力度过大，污泥碎裂膨胀提问：原因？气泡夹带,密度降低；气泡机械破碎；细菌处于对数期多糖分泌减少缺氧、厌氧膨胀漂泥提问：原因？二沉池底部淤泥厌氧产气（反硝化N2、CH4)进水水质有过量的表面活性物质和油脂类化合物；提问：原因？油及泡沫降低污泥密度,生物中毒污泥膨胀（pH波动大、补碱过量、温度过高、CODcr浓度骤然升高、含酚及其衍生物，醇、醛和某些有机酚、硫化物、重金属及卤化物过高等）原因？细菌休克死亡、粘液分泌减少新污泥膨胀现象未驯化污泥对新类型废水不适应，不沉降或沉降极

18、慢，长时间曝气驯化后恢复正常；,二、活性污泥丝状膨胀1.活性污泥丝状膨胀的致因微生物 由于丝状细菌极度生长引起的活性污泥膨胀称为活性污泥丝状膨胀。致因微生物常见的有诺卡氏菌属、浮游球衣菌属、微丝菌属、发硫菌属、贝日阿托氏菌属等,原因 丝状细菌（球衣菌、硫细菌）或真菌优势过度生长丝状菌优势生长条件：A.曝气池DO长期维持在较低（0.10.2mg/l）B.水温过高（25）、pH过低（6.5）C.硫化物过高硫细菌（丝状菌一种）以硫化氢为食,2.丝状污泥膨胀的 成因,C.营养失衡 废水C/N比高，N少；无机金属离子较少原因菌丝体储备营养物稀少、表面积大，在稀溶液中争夺营养物质的能力强，更适合于贫瘠环境

19、（包括溶解氧、各种营养物）的生长；D.毒物冲击原因菌丝体耐受能力强,三、活性污泥丝状膨胀的机理,可用表面积与容积比假说解释：在单位体积中，呈丝状扩展生长的丝状细菌的表面积与容积之比较絮凝性菌胶团细菌的大，对有限制性的营养和环境条件的争夺占优势，絮凝性菌胶团细菌处于劣势，丝状细菌就能大量生长繁殖成优势菌，从而引起活性污泥丝状膨胀。优势竞争表现在如下几方面：对DO的竞争；对可溶性有机物的竞争；对氮、磷的竞争；有机物冲击负荷影响。,四、污泥膨胀的预防与控制对策,提问：基于上述原理如何预防污泥膨胀？A.设调节池(及事故池)控制高负荷（BOD、毒物）冲击B.控制溶解氧溶解氧浓度必须控制在34mg/L。C

20、 调节废水的营养配比尽量逼近BOD5与N和P的比例BOD5：N：P100：5：1。补N补P,D.改革工艺将活性污泥法改为生物膜法在曝气池中加填料改为生物接触氧化法SBR(即序批式间歇曝气反应器)法,提问：发生后如何处理？A投加次氯酸钠（1020mg/L内）、H2O2（100200mg/L内）有选择的控制丝状微生物的过渡生长B投加混凝剂FeSO4和FeCl3、或浓缩消化污泥增加絮体密度、强度，使已膨胀的污泥恢复正常C.强化补氮（C:N100：2030）D.替换污泥（最直接的方法）,第三节 厌氧污泥法和厌氧生物膜法,废水的厌氧处理主要用于高浓度有机废水的前处理;一、厌氧法的优点提问：优点有哪些？1

21、产生的沼气可用于发电或作为能源,沼气中的主要成分是甲烷，含量5075%之间，是一种很好的燃料。以日排COD10t的工厂为例，若COD去除率为80%，甲烷产量为理论的80%时，则可日产甲烷2240m3,其热值相当于3.85t原煤，可发电5400度电。,2对营养物的需求量少好氧方法BOD：N：P=100：5：1，而厌氧方法为（350500）：5：1，相比而言对N、P的需求要小的多，因此厌氧处理时可以不添加或少添加营养盐。3产生的污泥量少，运行费用低?繁殖慢；不需要曝气 基于这些优点，厌氧处理在食品、酿造、制糖等工业中得到了广泛的应用。但厌氧处理也存在缺点,提问：？1出水的有机物浓度高于好氧处理；发

22、酵分解有机物不完全；2对温度变化较为敏感；工业中需要设置进水的控温装置，37。3厌氧微生物对有毒物质较为敏感；但经过毒物驯化处理的厌氧菌对毒物的耐受力常常会极大地提高。,二、厌氧法的缺点,4.初次启动过程缓慢,处理时间长好氧处理体系的活性污泥或生物膜通常只需要7天就可以培育成功，而厌氧处理体系的活性污泥或生物膜一般需要812周才可以培育成功 5处理过程中产生臭气和有色物质提问：是什么？臭气主要是SRB形成的具有臭味的硫化氢气体以及硫醇、氨气、有机酸等的臭气。同时硫化氢还会与水中的铁离子等金属离子反应形成黑色的硫化物沉淀，使处理后的废水颜色较深，需要添加后处理设施，进一步脱色脱臭。,三、厌氧污泥

23、法,（一）厌氧污泥的性质和组成厌氧污泥：由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质形成的污泥颗粒。呈灰色至黑色，有生物吸附作用、生物降解作用和絮凝作用，有一定的沉降性能；颗粒厌氧活性污泥的直径在05mm以上。微生物的组成主要有六种：由外到内水解细菌、发酵细菌、氢细菌和乙酸菌、甲烷菌、硫酸盐还原菌、厌氧原生动物其中产甲烷丝菌是厌氧活性污泥的中心骨架,（二）厌氧污泥净化废水的作用机理,四阶段理论：复杂污染物的厌氧降解过程可以分为四个阶段水解阶段、发酵阶段（又称酸化阶段）、产乙酸阶段、产甲烷阶段框图表示见下图,1水解阶段在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物水解为小分子的有机物2发酵阶段 梭状芽孢杆菌、

24、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等,复杂有机物,1水解 2发酵,脂肪酸,乙酸,H2+CO2,3产乙酸,CH4+CO2,H2S+CO2,硫酸盐还原,硫酸盐还原,3产乙酸阶段上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。4产甲烷阶段乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷和以及甲烷菌细胞物质。经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。,（三）厌氧污泥处理的工艺流

25、程,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,四、厌氧生物膜法,主要指厌氧滤器（AF）,沼气,出水,进水,AF,五、厌氧生物反应器发展,工作原理2级(平流沉淀+厌氧污泥消化),全国各地使用广泛，为生活污水的预处理液固分离处理污泥及厌氧杀寄生虫及病菌,第一代厌氧反应器化粪池,缺点：污泥量少、易被带出，静态消化,克服了第一代的缺点，且处理污水效果比较好,第二代厌氧反应器,UASB反应器,Sludge bed,工业级UASB装置,http:/www.fkk.co.jp/e/ourbusiness/water-body2-e.html,http:/,http:/www.biogas.ch/emmi.htm,钢制圆形结构,混凝土方形结构（便于施工及分离器设置）,全世界有几千座UASB反应器，占所有厌氧反应器（第二代以上）总数的64%，应用广泛,64,(2)Anaerobic Filter 厌氧滤床(AF),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,EGSB IC UBF,以前通常能不用厌氧法处理的就不用，不得已时结合厌氧处理与好氧处理先后处理，现在厌氧反应器发展迅速逐渐成为水处理的新的主力设备。,