环境生物学课件(第六章).ppt

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1、第六章 环境污染物的生物净化方法,本章将介绍以下内容：,废水的好氧生物处理废水的厌氧生物处理特定微生物处理及组合工艺废水的微生物脱氮除磷固体废弃物的微生物处理大气污染物的微生物处理,6.1 废水的好氧生物处理6.1.1 活性污泥法,活性污泥法的原理活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理有机废水的一类好氧生物处理方法。注：微生物絮体由好气性微生物（细菌、真菌、原生动物和后生动物）及其代谢和吸附的有机物、无机物组成。活性污泥的净化反应过程活性污泥系统对有机底物的降解是通过几个阶段和一系列作用完成的。包括以下阶段：絮凝和吸附阶段活性污泥中微生物的代谢和增殖活性污泥的凝聚、沉淀和浓缩,活性污泥中的微

2、生物,形成活性污泥絮状体的细菌菌胶团细菌菌胶团：狭义指动胶菌属（Zoogloea）形成的细菌团块，广义指所有具有荚膜或粘液或明胶质的絮凝性细菌互相絮凝聚集形成的菌胶团块。菌胶团细菌是活性污泥的主体，它的作用：具有很强的吸附、氧化分解有机物的能力。菌胶团的形成可使细菌避免被微型动物所吞噬，并且与污泥的沉降性能和二沉池能否有效泥水分离密切相关；为原生动物、微型后生动物提供了良好的生存环境、附着场所。丝状细菌它的作用有两方面：一方面：是活性污泥的重要组分，交叉穿织与菌胶团内，或附着生长于絮状体表面，具有强氧化分解有机物能力，起到一定的净化作用。另一方面：当丝状菌的数量超过菌胶团细菌时，可使絮状体沉降

3、性能下降，严重时可引发污泥膨胀（bulking）现象。,活性污泥中的微生物,原生动物及微型后生动物净化作用：腐生性营养的原生动物可吸收溶解性有机物，动物性营养的原生动物可吞食有机颗粒、游离细菌及其它微小生物促进絮凝和沉淀作用指示作用：可作为处理系统运转管理的指标真菌,图61 各种形态的细菌,活性污泥净化反应的影响因素,溶解氧（DO）曝气池出口处的混合液的DO浓度保持在2mg/L左右，可使活性污泥保持良好的净化功能。水温活性污泥微生物的最适温度范围：1530。营养物质微生物对氮和磷的需要量可按BOD：N：P100：5：1来考虑。pH活性污泥微生物的最适pH范围：6.58.5。有毒和有抑制物质如重

4、金属、氰化物、硫化氢、酚、醇、醛、染料等有机负荷率（BOD污泥负荷）,活性污泥的工作参数,混合液悬浮固体（MLSS）1L曝气池混合液中所含悬浮固体的重量，单位g/L。混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）1L曝气池混合液中所含挥发性悬浮固体的重量，单位g/L。污泥沉降比（SV）一定量的混合液静置30分钟后，沉降的污泥体积与原混合液体积之比，以百分数来表示。污泥容积系数（SVI）曝气池混合液静置30分钟后，沉降的污泥体积与污泥干重之比。它反映了活性污泥的凝聚性和沉降性，一般控制在50150之间，若大于200，则表明发生了污泥膨胀。污泥负荷（Ls）单位时间内，单位重量的活性污泥能处理的有机物的数量，用

5、kg（BOD）/kg(MLSS)d表示。又称有机负荷率，F/M值。,活性污泥法的基本特征,利用生物絮状体为生化反应的主体物利用曝气设备向生化反应系统分散空气或氧气，为微生物提供氧源对体系进行混合搅拌以增加接触和加速生化反应传质过程采样沉淀方式去除有机物，降低出水中的微生物的固体含量通过回流使沉淀池浓缩的微生物絮凝体返回到反应系统为保证系统内生物细胞平均停留的时间的稳定，经常排出一部分生物固体。,活性污泥法的基本工艺流程,活性污泥法的主要运行方式（1）,按废水和回流污泥的进入方式及其在曝气池中的混合方式活性污泥法主要有两大运行方式：推流式和完全混合式。推流式推流式活性污泥曝气池有若干个狭长的流槽

6、，废水从一端进入，另一端流出。随水流的过程，底物降解，微生物增长；从池首端到尾端，混合液内影响活性污泥净化功能的各种因素，如F/M值、微生物的组成和数量、基质的组成和数量等都在连续地变化，有机物降解速率、耗氧速率也连续变化。特点：在曝气池的任何断面上都存在有机基质的浓度梯度，因此存在基质降解动力，BOD降解菌为优势菌，可避免发生污泥膨胀现象、运行可采用多种方式，能够增加净化功能如脱氮、除磷等。,图63 推流式曝气池,活性污泥法的主要运行方式（2）,完全混合式废水进入曝气池后在搅拌下立即与池内活性污泥混合液混合，从而使进水得到良好的稀释，污泥与废水得到充分混合，可以最大限度地承受废水水质变化的冲

7、击。特点：能够承受高浓度废水，对冲击负荷有一定的适应能力；需氧全池要求相同，能够节省动力；可使曝气池与沉淀池合建，无需单独设置污泥回流系统，易于运行管理。,几种活性污泥法的工艺流程,推流式活性污泥法完全混合式活性污泥法短时曝气法（渐减曝气法）阶段曝气法（多点进水法）生物吸附法（AB法）序批式间歇反应器（SBR法）氧化沟法（Oxidation Ditch）深水曝气活性污泥法,生物吸附法（AB）工艺流程,图66 氧化沟,6.1.2 生物膜法,什么是生物膜法？利用微生物在固体表面的附着生长对废水进行生物处理的技术方法。生物膜法的特征通过废水与生物膜的相对运动，使废水与生物膜接触，进行固液两相的物质交

8、换，并在膜内进行有机物的生物氧化和降解，使废水得到净化，同时，生物膜内微生物不断得以生长和繁殖。,生物膜中的微生物组成,细菌和真菌在生物膜的好气层专性好气的芽孢杆菌占优势；在厌气层可见到反硫化弧菌属数量最多的是兼性菌，如假单胞菌属等原生动物纤毛虫居多。微型后生动物如轮虫类、线虫类、昆虫类等，个体数较多。,生物膜的净化原理,图68 生物膜去除有机物示意图,生物膜法的特点（与活性污泥法相比较）,微生物多样性高生物膜各段的微生物类群不同生物膜中的食物链较长具有较高的脱氮能力单位处理能力大系统维护方便操作运行方便,固定床生物处理的主要类型,普通生物滤池塔式生物滤池生物转盘滤池生物接触氧化滤池,图69

9、生物转盘,图610 普通生物滤池,流化床生物处理技术,什么是流化床生物处理技术？使废水通过运动态并附着生长有生物膜的颗粒床，废水中的基质在床内同均匀分散的生物膜相接触而获得降解去除，故在流化床中既有生物膜，又有活性污泥。根据反应器中的微生物的营养形式，可分为好氧流化床和厌氧流化床好氧生物流化床流化床中生物膜中的指示生物滤膜生物中间滤膜生物非滤膜生物滤膜清扫生物,6.2 废水的厌氧生物处理6.2.1 厌氧生物处理的原理与过程,什么是厌氧生物处理（Anaerobic Process）？在厌氧条件下，利用厌氧微生物分解废水中的有机物并产生甲烷、二氧化碳的过程，又称厌氧发酵。与好氧生物处理的区别：不以

10、分子氧为受氢体（最终电子受体），以无机物、化合态盐、碳、硫、氮为受氢体，如CO、CO2、SO4 2、NO3等。厌氧生物处理的优缺点优点：耐有机负荷高；可生成甲烷；剩余污泥量少；无需充氧，能耗低；缺点：污泥量增长慢，工艺过程启动时间长；对负荷变化、毒物敏感；故厌氧处理一般只用于预处理，要使废水达标排放，还需要进一步处理,厌氧生物处理的过程（三个阶段）,水解阶段：复杂有机物水解和发酵性细菌 酸化阶段：简单有机物（可溶态）产氢、产乙酸细菌 甲烷化阶段：简单有机酸类、醇类产甲烷菌 CH4、CO2,厌氧反应器内的微生物,不产甲烷菌细菌（以厌氧菌、兼性菌为主）、真菌，参与产甲烷阶段以前所有分解有机物过程，

11、并产生小分子有机酸产甲烷菌其形态有八叠球状、杆状、球状、螺旋状其特点：严格厌氧，代谢活动所需最佳pH值为6.77.2，只能利用少数的几种简单化合物,厌氧生物处理的影响因素,温度中温发酵3538，高温发酵52 55 pH值中性环境，甲烷化阶段7.07.5营养成分BOD5：N：P有机负荷,厌氧生物处理的类型,普通厌氧反应器厌氧接触反应器上流式厌氧污泥床反应器（UASB）厌氧生物滤池厌氧流化床反应器,图611 上流式厌氧池,厌氧处理的活性污泥混合菌种来源：城市污水处理厂消化池污泥、初沉池污泥、人畜粪便、有机肥料等。甲烷含量达55以上作为厌氧污泥培养成熟的指标，此时方可引入废水。厌氧处理运行过程的安全

12、高浓度有机废水厌氧处理与好氧处理的经济分析厌氧处理相对好氧处理可节省投资、占地面积，能提供干净的沼气能源，具有较高的经济效益，但出水还需经过好氧法的补充处理方能排放。,6.4 废水的微生物脱氮除磷6.4.1 微生物脱氮,微生物脱氮基本原理生物脱氮主要通过硝化作用和反硝化作用来完成。首先利用好氧段，由亚硝化细菌、硝化细菌的硝化作用，将NH3 转化为NO3N，再利用缺氧段，由反硝化细菌将NO3N反硝化还原为N2，溢出水面释放到大气。,微生物脱氮硝化作用段,硝化作用是指NH3被氧化成NO2，再被氧化成NO3的过程。反应：NH3 NO2 NO3微生物：亚硝化细菌和硝化细菌，两者为化能自养菌，专性好氧，

13、要求中性、弱碱性环境，以CO2为唯一碳源，最适温度25 30，pH值范围7.58.0。运行操作关键：（1）泥龄SRT（悬浮固体停留时间）较长（2）要供给足够的DO；（3）要控制适度的曝气时间（HRT？）（4）控制pH值在7.58.0,微生物脱氮反硝化作用段,反硝化作用是指兼性厌氧的硝酸盐还原菌将硝酸盐还原为N2的过程。反应：H NO3 H NO2 N2O N2微生物：假单胞菌属的微生物在厌氧条件下利用NO3 氧化有机质，获得能量，碳源来自有机物，最终电子受体为NO3、NO2，要求中性、弱碱性环境，最适温度10 35，pH值范围7.08.0，在一个有极低的DO、有NO3 和有机物存在的环境，pH

14、值和温度合适就会产生反硝化。运行操作关键：碳源、NO3、NO2、pH值、DO等,影响微生物脱氮的因素,pH值硝化反应要耗碱，如果污水中没有足够的碱度，随着硝化的进行，pH值会急剧下降，而硝化细菌对pH十分敏感，硝化细菌和亚硝化细菌分别在7.07.8和7.78.1时活性最强，在这个范围以外，其活性就急剧下降。温度两类硝化细菌的最适温度在30左右。溶解氧硝化过程的DO一般应维持在1.02.0 mg/L。DO对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对能进行反硝化作用的反硝化菌是有利的，因为这类菌为兼性厌氧菌。故工艺上最好使其交替处于好氧、缺氧的环境下，所以脱氮反应并不要求DO保持在零的状态。如在悬浮污泥系

15、统中，缺氧段DO应控制在0.5 mg/L以下，在膜法系统中，可控制在1.02.0 mg/L。,碳源废水中所含的有机碳源：当废水中所含碳（BOD5）与总氮的比值大于3：1时，无需外加碳源，即可达到脱氮目的。外加碳源：当废水中所含碳（BOD5）与总氮的比值小于3：1时，需外加碳源，多采用甲醇。内碳源：内碳源指活性污泥微生物死亡、自溶后释放出来的有机碳，也称二次性基质。利用内碳源，要求反应器的泥龄长、污泥负荷低，使微生物处于生长曲线稳定期的后部或衰亡期，反硝化速度极低，为前两种方法的十分之一左右。利用内碳源，可使在废水碳氮比较低使不必外加碳源也可达到脱氮目的，并且污泥产率低可减少污泥处理的费用。,生

16、物脱氮工艺的类型,按脱氮所用的碳源,内碳源,外加碳源,按细菌存在的状态,膜法系统,悬浮污泥系统,单级系统（去碳、硝化、反硝化结合）,多级系统（去碳、硝化、反硝化分隔）,生物脱氮工艺流程,悬浮多级污泥内碳源系统,进水,出水,去碳,沉淀,硝化,沉淀,反硝化,后曝气,沉淀,旁路进水,污泥回流,污泥回流,污泥回流,剩余污泥,剩余污泥,剩余污泥,图612 悬浮多级污泥内碳源系统示意图,生物脱氮工艺流程悬浮单级污泥内碳源系统,以A/O法工艺为例：单级A/O法工艺是指用一个缺氧反应器和另一个好氧反应器组成的联合系统，缺氧段位于前面，进行反硝化，好氧段位于后面，进行硝化和脱碳反应，从好氧段出来的部分混合液回流

17、至缺氧反应器的进水端，一部分进入二沉池进行泥水分离。,进水,缺氧,好氧,沉淀,出水,污泥回流,硝化液回流,剩余污泥,图613 A/O法工艺流程示意图,四段Bardenpho工艺,前两段同A/O法工艺，好氧池1流出的硝酸盐导入缺氧池2，反硝化细菌可利用细菌衰亡后释放的基质作为碳源进行反硝化，污泥最后进入好氧池2，以吹脱氮气，提高污泥沉降性能。,图614 四段Bardenpho工艺流程示意图,氧化沟工艺,图615 氧化沟型厌氧池,6.4.2 微生物除磷,微生物除磷原理：,厌氧放磷：,好氧吸磷：,厌氧条件下，积磷菌将体内的聚磷分解产生能量,一部分能量用于吸收外界可溶性脂肪酸，形成PHB,另一部分能量

18、用于生理活动需要,好氧条件下，PHB分解产生能量,一部分能量用于主动过量吸收环境中的磷，并合成聚磷,另一部分能量用于细胞正常生长繁殖,另一部分能量用于生理活动需要,另一部分能量用于生理活动需要,生物除磷中的微生物,积磷菌是一类生长缓慢的细菌，在厌氧条件下，分解体内的聚磷来获得能量生长繁殖，在好氧条件和外界营养基质少的情况下，分解体内的PHB获得能量而生长繁殖，故它与不积磷菌相比更能适应厌氧、好氧交替的环境而成为优势菌群。目前认为，在微生物除磷过程中起主要作用的是假单胞菌属、和气单胞菌属。发酵产酸菌和积磷菌的关系积磷菌只能利用低级的脂肪酸，不能直接利用大分子有机基质，而发酵产酸菌可将大分子物质降

19、解为小分子，故在除磷过程中这两类菌是互不可分、密切相关的。,微生物除磷工艺,A/O（Anaerobic/Oxic）法A/A/O（Anaerobic/Anoxic/Oxic）法SBR生物除磷法Phoredox法UCT法,微生物除磷工艺流程,A/O（Anaerobic/Oxic）法:,A/A/O（Anaerobic/Anoxic/Oxic）法:,图616 A/O和 A/A/O法工艺流程示意图,生物除磷的影响因素（1）,碳源的浓度和种类诱导积磷菌放磷的有机基质分为三类：A类：乙酸、甲酸、丙酸等低分子有机酸，该类物质存在时放磷速度最快；B类：乙醇、甲醇、柠檬酸、葡萄糖等需在厌氧条件下转化成A类基质后才

20、能被积磷菌利用C类：丁酸、乳酸和琥珀酸等，该类能否引发放磷与污泥的微生物有关溶解氧厌氧区DO存在对污泥的放磷不利，DO应小于0.2 mg/L；好氧区的DO应大于2.0 mg/L，以保证积磷菌利用好氧代谢中释放的大量能量充分地吸磷。,生物除磷的影响因素（2）,硝酸盐和亚硝酸盐厌氧区两者的存在会抑制厌氧发酵而不产生挥发性脂肪酸。温度pH中性或弱碱性环境工艺的运行参数和运行方式泥龄厌氧区停留时间,6.5 固体废弃物的微生物处理,固体废弃物的分类固体废弃物处理的基本原则：无害化、减量化、资源化固体废弃物的微生物处理的主要方法：堆肥法卫生填埋法厌氧发酵法,6.5.1 堆肥法（Compost）,什么是堆肥

21、法？指依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。堆肥：堆肥化的产物。根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，堆肥法可分为：好氧堆肥法厌氧堆肥法,好氧堆肥法的微生物学过程,发热阶段初期，主要由中温好氧的细菌和真菌利用堆肥中的易分解有机物，释放热量，使温度不断上升。高温阶段堆肥温度升至50以上进入高温阶段，好热性的微生物逐渐代替了中温微生物，一些复杂的有机物开始分解，腐殖质逐渐形成。病原性微生物逐渐被高温杀死。降温和腐熟保肥阶段当易分解有机物大部分被分解以后，剩下的是木质素等难分解有机物和新形成的腐殖质，好热性微生物的活动

22、减弱，产热量下降，温度逐渐下降，中温性微生物又成为优势菌群，残余物进一步分解，腐殖质逐渐积累，堆肥进入腐熟阶段。,图617 堆肥化过程的发展阶段,好氧堆肥的影响因素,有机质含量有机质含量含量过低，产生的热量不足以维持堆肥所需温度；有机质含量含量过高不利于通风供氧从而产生厌氧和发臭。水分水分过高不利于升温和通风；水分过低，不能满足微生物生长需要，有机物也不能分解。温度温度过低将大大延长堆肥时间；温度过高对微生物产生不利影响。碳氮比碳氮比小，升温快，但最高温度较低；碳氮比大，升温慢，但最高温度较高。氮磷比堆肥原料的氮磷比一般在75150之间。pH,厌氧堆肥法,厌氧堆肥法指在不通气的条件下，将有机废

23、弃物进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。厌氧堆肥过程的两个阶段酸性发酵阶段：产酸细菌分解有机物，产生有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氢等，使pH下降；产气发酵阶段：主要由产甲烷细菌分解有机酸和醇，产生甲烷和二氧化碳，随着有机酸的下降，pH迅速上升。厌氧堆肥法特点（与好氧堆肥相比较）堆内不设通气系统，堆温低，腐熟及无害化所需时间较长，但方法简便、省工，在不急需用肥或劳力紧张的情况下可以采用。,图6-18 有机物的沼气发酵过程,6.5.2 卫生填埋（Sanitary Landfill）,什么是卫生填埋法？指将垃圾在填埋场里分层填埋的处理方法。由废物层（一般厚度2.53.0m）和覆土

24、层（一般厚度为0.20.3m）构成一个填埋单元，由一系列填埋单元构成一个填埋层，当填埋至设计高度后再盖上一层0.91.2m的土壤，压实后就得到了一个完整的卫生填埋场。,图619 卫生填埋场示意图,填埋坑内微生物活动过程的四个阶段,好氧分解阶段微生物利用垃圾空隙中的空气进行好氧分解。厌氧分解不产甲烷阶段微生物利用硝酸根和硫酸根作为氧源，产生硫化物、氮气和二氧化碳，硫酸盐还原菌和反硝化细菌的繁殖速度大于产甲烷细菌。厌氧分解产甲烷阶段当还原状态达到一定程度时开始产甲烷，坑内温度升至55时，进入稳定产气阶段。稳定产气阶段此阶段稳定地产生二氧化碳和甲烷。,填埋场渗沥水和气体收集,渗沥水垃圾分解过程中产生

25、的液体以及渗出的地下水和渗入的地表水统称为填埋场渗沥水。渗沥水的性质主要取决于所埋垃圾的种类，数量取决于渗沥水的来源、填埋场的面积、垃圾状况和下层土情况等。为防止渗沥水对地下水的污染可采取以下措施：在填埋场底部构筑不透水层、集水管、集水井、监测井等；对收集的渗沥水进行生物或物化处理。气体收集垃圾填埋后，由于微生物的厌氧发酵，产生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氢气、氮气、硫化氢等气体。填埋5年后为甲烷发酵旺盛期，可对气体进行收集处理后作为能源进行利用。,图6-20 浸出液的来源与支出,6.5.3 厌氧发酵（消化）,厌氧发酵的原理和过程固体废弃物的厌氧发酵原理同厌氧堆肥，只是类似于高浓度有机废水的

26、处理，在水相中进行，一般在厌氧发酵罐（池）中进行。厌氧发酵的影响因素有机物投入量营养粒度发酵温度发酵槽的搅拌厌氧状态加温平均滞留时间pH的影响,6.6 大气污染物的微生物处理,什么是大气污染物的微生物处理？指利用微生物的生物化学作用，使大气污染物分解。转化为无害或少害物质。目前主要用来净化有机污染物特别是脱除臭味。废气微生物处理的特点设备简单、能耗低、不消耗有用的原料、安全可靠、无二次污染等。废气生物处理的两个阶段污染物由气相转入液相或固相表面的液膜中；污染物在液相或固相表面被微生物降解。,煤炭的微生物脱硫,细菌浸出法利用微生物把煤炭中不同类型的硫分解成可溶性铁盐和硫酸后滤出煤粉。表面改性法利

27、用细菌的氧化作用或附着作用改变黄铁矿表面性质（疏水性），提高分离能力，从而将黄铁矿从煤中脱除。,微生物对无机废气的处理,微生物对无机废气的处理主要利用一些化能自养菌如硝化细菌、硫化细菌和氢细菌等。适合于微生物处理的无机废气污染组分主要有：氨和硫化氢。例如：硫化氢的生物处理,微生物对有机废气的处理,微生物吸收法（Microorganism Absorption）原理：利用微生物、营养物和水组成的吸收液处理废气，适合于处理可溶性的气态污染物。装置：由吸收器（物理溶解过程）和废水反应器（生物处理过程）两部分组成。微生物洗涤法（Microorganism Wash）利用污水厂剩余污泥配制混合液作为吸收剂处理废气，对脱除复合型臭气效果较好。微生物过滤法（Microorganism Adsorption）利用含有微生物的固体颗粒吸收废气中的污染物。包括以下类型：堆肥滤池、土壤滤池、微生物过滤箱,图621 吸收设备填料塔,