華北理工水處理生物學(xué)課件14廢水生物處理中的微生物與水體污染的指示生物-2

1、第六章 廢水生物處理中的微生物及水體污染的指示生物第一節(jié) 廢水中的污染物在微生物作用下的降解與轉(zhuǎn)化第二節(jié) 不含氮有機物質(zhì)的分解第三節(jié) 含氮有機物的分解第四節(jié) 無機元素的轉(zhuǎn)化第五節(jié) 廢水生物處理中的微生物第六節(jié) 水體污染與自凈的指示生物及監(jiān)測方法第五節(jié) 廢水生物處理中的生物過程特點：混合培養(yǎng)微生物系統(tǒng)，包含一個較完整的生態(tài)系統(tǒng)，各種不同營養(yǎng)水平的微生物形成一個食物網(wǎng)。生物處理法：利用微生物處理廢水的方法好氧處理（供氧）厭氧處理（不供氧）微生物的在構(gòu)筑物中的生長形式：懸?。ɑ钚晕勰喾ǎ?、附著（生物濾池）一、好氧生物處理好氧生物處理的基本原理活性污泥法生物膜法好氧生物處理適用于處理有機物含量不高的溶

2、解性有機物廢水。（一）廢水好氧生物處理的原理在有氧的條件下，借助好氧微生物去除水中有機物質(zhì)。廢水中溶解性小分子有機物質(zhì)能夠直接進(jìn)入微生物細(xì)胞；但是固體和膠體有機物首先附著于細(xì)菌體外，在其胞外酶的作用下，分解為溶解性小分子有機物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞。細(xì)菌通過自身的生命活動氧化還原合成等過程，將一部分有機物氧化成無機物，并釋放出細(xì)菌生長所需要的能量；而把另外一部分有機物轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)，從而細(xì)菌得到了生長繁殖，有機物得到去除。當(dāng)有機物濃度很低，細(xì)菌得不到足夠的營養(yǎng)，而利用細(xì)胞物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)源呼吸。大量細(xì)菌發(fā)生凝聚作用結(jié)成大的絮體，在沉淀池中發(fā)生泥水分離，使污水的到凈化，剩余污泥再處理。廢水好氧生物處理中異養(yǎng)微生物

3、的代謝途徑內(nèi)源呼吸產(chǎn)物 + 能量(CO2、H2O、NH3、SO42-)污水中的可降解有機物新細(xì)胞物質(zhì)（C5H7NO2）代謝產(chǎn)物 (CO2、H2O、NH3、SO42-)(1/3)分解代謝(2/3)合成代謝+ 異養(yǎng)微生物O2 能量凈增細(xì)胞物質(zhì)內(nèi)源呼吸80%20%內(nèi)源呼吸殘留物O2無機代謝產(chǎn)物少量能量剩余污泥回流污泥二次沉淀池廢水曝氣池初次沉淀池出水空氣剩余活性污泥1、活性污泥法的工藝流程（二）活性污泥法生活污水或城市廢水的處理流程高碑店污水處理廠的工藝流程圖活性污泥系統(tǒng)正在運行的曝氣池曝氣池中的曝氣頭的布置 活性污泥是微生物群體及它們所吸附的有機物質(zhì)和無機物質(zhì)的總稱。微生物群體主要包括細(xì)菌、原生動

4、物和藻類等。物理性質(zhì)： “菌膠團”“生物絮凝體” 顏色：褐色、（土）黃色、鐵紅色 氣味：泥土味（城市污水） 比重：略大于1 （1.0021.006） 粒徑：0.020.2 mm 比表面積：20100cm2/ml處理水質(zhì)與原生動物種類有一定的關(guān)系，但不絕對!2）處理效果的指示生物水質(zhì)好（BOD2030）：鞭毛類原生動物、變形蟲2、 活性污泥法中的微生物1）常見的微生物主要以生物絮體的形式存在細(xì)菌：假單胞菌、球衣菌、硝化菌(種類繁多30300）原生動物：鐘蟲、草履蟲等。5000cell/ml，可占VSS的5%12%后生動物：輪蟲等3、活性污泥運行中微生物造成的問題一般常見故障是二次沉淀池中泥水分離

5、效果不好，由污泥絮體結(jié)構(gòu)的不正常引起。 不絮凝 微小絮體 起泡沫 污泥膨脹絮體微結(jié)構(gòu)絮體75m宏結(jié)構(gòu)絮體（絲狀細(xì)菌出現(xiàn)時形成較大的絮體）原因：DO低，pH低，沖擊負(fù)荷，有毒廢水污泥負(fù)荷過低（2mg.L；P不足時有利于絲狀菌的競爭 加氧化劑（Cl2、H2O2、O3 ）：有選擇性地控制絲狀微生物 投加混凝劑：改善污泥的絮凝注意：不出現(xiàn)絲狀細(xì)菌時有時也會出現(xiàn)污泥膨脹。游離細(xì)菌產(chǎn)生菌膠團時會產(chǎn)生此現(xiàn)象菌膠團膨脹原因：大量胞外多聚物（ECP）（extra-cellular polymer）（三） 生物濾池中的微生物（生物膜法）在濾池表面附著一層膜，即是微生物生長繁殖的場所，也是有機物去除的場所，污水以膜

6、的形式流過生物膜，進(jìn)行各種物質(zhì)交換。大多好氧微生物生活在生物膜的外層，兼性菌和厭氧菌生活在內(nèi)層。生物濾池從上到下微生物更加高級。1、生物膜結(jié)構(gòu)示意圖濾料或填料或載體生物膜空氣附著水層流動水層CO2O2O2O2BOD5BOD5H2ONH3BOD5CH4、H2S、NH3生物膜的性質(zhì)：高度親水，存在著附著水層；厭氧膜好氧膜微生物高度密集：各種細(xì)菌以及微型動物，形成了有機污染物細(xì)菌原(后)生動物的食物鏈。厭氧膜的出現(xiàn)：生物膜厚度不斷增加，氧氣不能透入的內(nèi)部深處將轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)；成熟的生物膜由厭氧膜和好氧膜組成；好氧膜是有機物降解的主要場所，一般厚度為2mm。由細(xì)菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物形成一

7、個復(fù)雜的生物群體。細(xì)菌：大多為G，硝化菌生活在膜的底層真菌：鐮刀霉、青霉、毛菌、地霉藻類：主要生長在濾池表面，小球藻等原生動物：鐘蟲、蓋纖蟲、草履蟲后生動物/小動物：輪蟲、蠕蟲、昆蟲2、 生物濾池中的微生物（生物膜法）3、生物膜法與活性污泥的比較食物鏈比活性污泥的多幾個營養(yǎng)水平；原生動物、后生動物的量多生物濾池（微生物膜）的食物鏈： 細(xì)菌、真菌原生動物輪蟲、線蟲昆蟲鳥類增長速度慢的微生物也可以生長抗沖擊性的微小動物也可以生長生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定硝化菌、反硝化菌多微生物種類多，多樣性高（一）厭氧消化過程階段性理論 厭氧反應(yīng)過程中的階段性 兩階段理論 三階段理論 四階段理論二、厭氧生物處理微生物學(xué)及常用構(gòu)

8、筑物厭氧消化的兩階段理論 水解細(xì)菌產(chǎn)酸菌有機物小分子有機物酸性發(fā)酵階段產(chǎn)甲烷菌脂肪酸、醇類、 H2、CO2CO2、CH4堿性發(fā)酵階段l發(fā)酵階段，又稱產(chǎn)酸階段或酸性發(fā)酵階段；l主要功能：水解和酸化，l主要產(chǎn)物：脂肪酸、醇類、CO2和H2等；l主要的微生物：統(tǒng)稱為發(fā)酵細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌；l主要特點有：1）生長快，2）適應(yīng)性（溫度、pH等）強。1、厭氧消化的兩階段理論 水解細(xì)菌產(chǎn)酸菌有機物小分子有機物酸性發(fā)酵階段產(chǎn)甲烷菌脂肪酸、醇類、 H2、CO2CO2、CH4堿性發(fā)酵階段l產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(fā)酵階段；l產(chǎn)甲烷菌利用前一階段的產(chǎn)物，并將其轉(zhuǎn)化為CH4和CO2；l主要參與微生物統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷細(xì)菌；l其特點

9、有：1）生長慢；2）對環(huán)境條件（溫度、pH、抑制物等）非常敏感。2、厭氧消化的三階段理論兩階段理論的問題：l研究表明，產(chǎn)甲烷菌只能利用一些簡單有機物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等，而不能利用含兩個碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇類；l70年代，Bryant發(fā)現(xiàn)原來認(rèn)為是一種被稱為“奧氏產(chǎn)甲烷菌”的細(xì)菌，實際上是由兩種細(xì)菌共同組成的，一種細(xì)菌首先把乙醇氧化為乙酸和H2，另一種細(xì)菌利用H2和CO2產(chǎn)生CH4；l因而，提出了“三階段理論”3、厭氧消化的三階段理論和四類群理論說明：1）I、II、III為三階段理論， 2）I、II、III、IV為四類群理論；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌II 乙酸H2+CO2

10、同型產(chǎn)乙酸菌IV 脂肪酸、醇類有機物發(fā)酵性細(xì)菌ICH4+CO2III產(chǎn)甲烷菌厭氧消化的三階段理論l 水解、發(fā)酵階段：在水解與發(fā)酵細(xì)菌作用下，使碳水化合物、蛋白質(zhì)與脂肪水解、發(fā)酵轉(zhuǎn)化為單糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氫等；l 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，將第一階段的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為乙酸、H2/CO2；l 產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和H2、CO2產(chǎn)生CH4；l 一般認(rèn)為，在厭氧生物處理過程中約有70%的CH4產(chǎn)自乙酸的分解，其余的則產(chǎn)自H2和CO2。厭氧消化的四類群理論l 同型產(chǎn)乙酸菌：將H2/CO2合成為乙酸。 l 實際上這一部分乙酸的量較少，只占全部乙酸的5%。l 三階段、四階段理論是目前

11、認(rèn)為的對厭氧生物處理過程較全面和較準(zhǔn)確的描述。CH4有機物發(fā)酵性細(xì)菌脂肪酸（丙酸、丁酸、乳酸等）、醇類產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌乙酸H2CO2同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)甲烷細(xì)菌厭氧消化三階段、四階段過程（二）厭氧生物處理中的微生物1、 產(chǎn)酸細(xì)菌（不產(chǎn)甲烷細(xì)菌）non-ethanogens對酸堿度的要求不敏感（范圍寬）；4.58；兼性厭氧或厭氧微生物1）發(fā)酵細(xì)菌 梭菌屬、枝桿菌屬、乳酸菌屬2）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌 大多數(shù)發(fā)酵細(xì)菌，也有專性產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌3）同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌2、 產(chǎn)甲烷菌種類多、形態(tài)多樣嚴(yán)格厭氧菌對溫度和pH變化敏感溫度中溫菌：2540C高溫菌：5060 CpH：6.87.2（范圍窄）產(chǎn)酸過程中生成酸，從而降低p

12、H抑制甲烷菌生長（三)厭氧處理工藝A、傳統(tǒng)消化池：熟污泥上清液沼氣生污泥浮渣層上清液層反應(yīng)層熟污泥層沼氣氣室高碑店污水處理廠的污泥消化池杭州四堡污水廠的污泥消化池青島市團島污水廠污泥消化池好氧法曝氣耗能，厭氧法不需要曝氣。好氧法一般處理濃度不太高的有機廢水，厭氧法一般適用于處理有機濃度高的廢水及污泥消化處理。厭氧法可以產(chǎn)生沼氣，回收能量。好氧法反應(yīng)速度快、處理有機物徹底，需要構(gòu)筑物??；厭氧法降解速度慢、處理不徹底，需要的構(gòu)筑物大。厭氧法在高溫下反應(yīng)速度快，一般需要加熱。好氧法不散發(fā)臭氣，厭氧法散發(fā)臭氣。厭氧法控制條件較難，效果不好。三、厭氧法與好氧法的比較四、生物脫氮除磷中的微生物1、水體富營

13、養(yǎng)化定義：當(dāng)大量含有N、P的廢水排入水體后，使得NP營養(yǎng)過剩，促使水體藻類過渡繁殖，使淡水水體發(fā)生“水華”，使海洋發(fā)生“赤潮”，稱為水體富營養(yǎng)化。危害：（1）藻產(chǎn)生異味：水源水體中大量繁殖時會給水帶來異味（魚腥味）。（2）藻類會產(chǎn)生毒素：藻毒素，致癌。（3）飲用水水質(zhì)惡化，制水成本增加：堵塞濾池。（4）破壞水生態(tài)系統(tǒng)：覆蓋表面，陽光不能照射底層，水生植物死亡，草型湖泊轉(zhuǎn)變?yōu)樵逍秃?；消耗氧氣，水生動物死亡；藻類死亡后沉寂在湖底，厭氧發(fā)酵，水體喪失功能。2、生物脫氮的基本原理及微生物有機氮NH4+-NNO2-NNO3-NNO2-NN2氨化作用亞硝化作用硝化作用硝化作用反硝化作用O2O2O2或無氧

14、異養(yǎng)細(xì)菌氨氧化細(xì)菌（自養(yǎng)型）硝化細(xì)菌（自養(yǎng)型）有機物有機物反硝化細(xì)菌（異養(yǎng)型）反硝化細(xì)菌（異養(yǎng)型）好氧或厭氧條件堿度增大，pH值升高絕對好氧條件堿度下降，pH值降低絕對好氧條件堿度和pH值無變化堿度增大，pH值升高缺氧條件3、缺氧好氧活性污泥脫氮系統(tǒng)（AO工藝，Anoxic-Oxic） 又稱“前置式反硝化生物脫氮系統(tǒng)”硝化反應(yīng)器內(nèi)的已進(jìn)行充分反應(yīng)的硝化液的一部分回流反硝化反應(yīng)器，而反硝化反應(yīng)器內(nèi)的脫氮菌以原污水中的有機物作為碳源，以回流液中硝酸鹽的氧作為電子受體，進(jìn)行呼吸和生命活動，將硝態(tài)氮還原為氣態(tài)氮（N2），不需要外加碳源。4、生物除磷原理及微生物l磷細(xì)菌（也稱為聚磷菌、除磷菌），可過量、超出生理需要的攝取磷，以聚合磷酸鹽的形式貯存在細(xì)胞體內(nèi)。 l從系統(tǒng)中排出這種高磷污泥，就可達(dá)到除磷的目的。生物除磷的原理與過程IPHB（聚羥基丁酸）S聚合磷酸鹽厭氧條件下，除磷菌將磷釋放好氧條件下，除磷菌過量攝取磷高含磷污泥的排出生物除磷原理厭氧條件下，聚磷菌釋放磷厭氧條件下（無溶解氧、無結(jié)合氧），聚磷菌分解體內(nèi)的聚磷酸鹽產(chǎn)生ATP，并且利用ATP將廢水中的脂肪酸等有機物攝入細(xì)胞，合成PHB（羥基丁酸鹽）及糖原等