微生物與環(huán)境保護

微生物與環(huán)境保護第1頁/共46頁1.廢水的好氧生物處理

1.1活性污泥法活性污泥法的原理活性污泥法是利用懸浮生長的微生物絮體處理有機廢水的一類好氧生物處理方法。注：微生物絮體由好氣性微生物（細菌、真菌、原生動物和后生動物）及其代謝和吸附的有機物、無機物組成?；钚晕勰嗟膬艋磻?yīng)過程活性污泥系統(tǒng)對有機底物的降解是通過幾個階段和一系列作用完成的。包括以下階段：①絮凝和吸附階段②活性污泥中微生物的代謝和增殖③活性污泥的凝聚、沉淀和濃縮第2頁/共46頁活性污泥中的微生物形成活性污泥絮狀體的細菌——菌膠團細菌菌膠團：狹義指動膠菌屬（Zoogloea）形成的細菌團塊，廣義指所有具有莢膜或粘液或明膠質(zhì)的絮凝性細菌互相絮凝聚集形成的菌膠團塊。菌膠團細菌是活性污泥的主體，它的作用：具有很強的吸附、氧化分解有機物的能力。菌膠團的形成可使細菌避免被微型動物所吞噬，并且與污泥的沉降性能和二沉池能否有效泥水分離密切相關(guān)；為原生動物、微型后生動物提供了良好的生存環(huán)境、附著場所。第3頁/共46頁絲狀細菌它的作用有兩方面：一方面：是活性污泥的重要組分，交叉穿織與菌膠團內(nèi)，或附著生長于絮狀體表面，具有強氧化分解有機物能力，起到一定的凈化作用。另一方面：當絲狀菌的數(shù)量超過菌膠團細菌時，可使絮狀體沉降性能下降，嚴重時可引發(fā)污泥膨脹（bulking）現(xiàn)象。第4頁/共46頁活性污泥中的微生物原生動物及微型后生動物凈化作用：腐生性營養(yǎng)的原生動物可吸收溶解性有機物，動物性營養(yǎng)的原生動物可吞食有機顆粒、游離細菌及其它微小生物促進絮凝和沉淀作用指示作用：可作為處理系統(tǒng)運轉(zhuǎn)管理的指標真菌第5頁/共46頁圖1各種形態(tài)的細菌第6頁/共46頁活性污泥凈化反應(yīng)的影響因素溶解氧（DO）曝氣池出口處的混合液的DO濃度保持在2mg/L左右，可使活性污泥保持良好的凈化功能。水溫活性污泥微生物的最適溫度范圍：15～30℃。營養(yǎng)物質(zhì)微生物對氮和磷的需要量可按BOD：N：P＝100：5：1來考慮。pH活性污泥微生物的最適pH范圍：6.5～8.5。有毒和有抑制物質(zhì)如重金屬、氰化物、硫化氫、酚、醇、醛、染料等第7頁/共46頁活性污泥法的基本特征利用生物絮狀體為生化反應(yīng)的主體物利用曝氣設(shè)備向生化反應(yīng)系統(tǒng)分散空氣或氧氣，為微生物提供氧源對體系進行混合攪拌以增加接觸和加速生化反應(yīng)傳質(zhì)過程采樣沉淀方式去除有機物，降低出水中的微生物的固體含量通過回流使沉淀池濃縮的微生物絮凝體返回到反應(yīng)系統(tǒng)為保證系統(tǒng)內(nèi)生物細胞平均停留的時間的穩(wěn)定，經(jīng)常排出一部分生物固體。第8頁/共46頁活性污泥法的基本工藝流程出水初沉池曝氣池二沉池進水污泥回流污泥剩余污泥圖2活性污泥法的基本流程第9頁/共46頁活性污泥法的主要運行方式（1）按廢水和回流污泥的進入方式及其在曝氣池中的混合方式活性污泥法主要有兩大運行方式：推流式和完全混合式。推流式推流式活性污泥曝氣池有若干個狹長的流槽，廢水從一端進入，另一端流出。隨水流的過程，底物降解，微生物增長；從池首端到尾端，混合液內(nèi)影響活性污泥凈化功能的各種因素。特點：在曝氣池的任何斷面上都存在有機基質(zhì)的濃度梯度，因此存在基質(zhì)降解動力，BOD降解菌為優(yōu)勢菌，可避免發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象、運行可采用多種方式，能夠增加凈化功能如脫氮、除磷等。第10頁/共46頁圖3推流式曝氣池第11頁/共46頁活性污泥法的主要運行方式（2）完全混合式廢水進入曝氣池后在攪拌下立即與池內(nèi)活性污泥混合液混合，從而使進水得到良好的稀釋，污泥與廢水得到充分混合，可以最大限度地承受廢水水質(zhì)變化的沖擊。特點：能夠承受高濃度廢水，對沖擊負荷有一定的適應(yīng)能力；需氧全池要求相同，能夠節(jié)省動力；可使曝氣池與沉淀池合建，無需單獨設(shè)置污泥回流系統(tǒng)，易于運行管理。第12頁/共46頁圖6氧化溝第13頁/共46頁第14頁/共46頁1.2生物膜法什么是生物膜法？利用微生物在固體表面的附著生長對廢水進行生物處理的技術(shù)方法。生物膜法的特征通過廢水與生物膜的相對運動，使廢水與生物膜接觸，進行固液兩相的物質(zhì)交換，并在膜內(nèi)進行有機物的生物氧化和降解，使廢水得到凈化，同時，生物膜內(nèi)微生物不斷得以生長和繁殖。第15頁/共46頁生物膜中的微生物組成細菌和真菌在生物膜的好氣層專性好氣的芽孢桿菌占優(yōu)勢；在厭氣層可見到反硫化弧菌屬數(shù)量最多的是兼性菌，如假單胞菌屬等原生動物纖毛蟲居多。微型后生動物如輪蟲類、線蟲類、昆蟲類等，個體數(shù)較多。第16頁/共46頁生物膜的凈化原理附著水載體

水膜有機酸有機物（養(yǎng)料）氧氣二氧化碳、無機物代謝產(chǎn)物運動水厭氧層好氧層廢水出水空氣生物膜圖8生物膜去除有機物示意圖第17頁/共46頁生物膜法的特點（與活性污泥法相比較）微生物多樣性高生物膜各段的微生物類群不同生物膜中的食物鏈較長具有較高的脫氮能力單位處理能力大系統(tǒng)維護方便操作運行方便第18頁/共46頁固定床生物處理的主要類型普通生物濾池塔式生物濾池生物轉(zhuǎn)盤濾池生物接觸氧化濾池第19頁/共46頁圖9生物轉(zhuǎn)盤圖10普通生物濾池第20頁/共46頁流化床生物處理技術(shù)什么是流化床生物處理技術(shù)？使廢水通過運動態(tài)并附著生長有生物膜的顆粒床，廢水中的基質(zhì)在床內(nèi)同均勻分散的生物膜相接觸而獲得降解去除，故在流化床中既有生物膜，又有活性污泥。根據(jù)反應(yīng)器中的微生物的營養(yǎng)形式，可分為好氧流化床和厭氧流化床好氧生物流化床流化床中生物膜中的指示生物濾膜生物中間濾膜生物非濾膜生物濾膜清掃生物第21頁/共46頁2.廢水的厭氧生物處理

2.1厭氧生物處理的原理與過程什么是厭氧生物處理？在厭氧條件下，利用厭氧微生物分解廢水中的有機物并產(chǎn)生甲烷、二氧化碳的過程，又稱厭氧發(fā)酵。與好氧生物處理的區(qū)別：不以分子氧為受氫體（最終電子受體），以無機物、化合態(tài)鹽、碳、硫、氮為受氫體，如CO、CO2、SO42－、NO3－等。厭氧生物處理的優(yōu)缺點優(yōu)點：耐有機負荷高；可生成甲烷；剩余污泥量少；無需充氧，能耗低；缺點：污泥量增長慢，工藝過程啟動時間長；對負荷變化、毒物敏感；故厭氧處理一般只用于預(yù)處理，要使廢水達標排放，還需要進一步處理第22頁/共46頁厭氧生物處理的過程（三個階段）水解階段：復(fù)雜有機物水解和發(fā)酵性細菌

酸化階段：簡單有機物（可溶態(tài)）產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸細菌

甲烷化階段：簡單有機酸類、醇類產(chǎn)甲烷菌

CH4、CO2第23頁/共46頁厭氧反應(yīng)器內(nèi)的微生物不產(chǎn)甲烷菌細菌（以厭氧菌、兼性菌為主）、真菌，參與產(chǎn)甲烷階段以前所有分解有機物過程，并產(chǎn)生小分子有機酸產(chǎn)甲烷菌其形態(tài)有八疊球狀、桿狀、球狀、螺旋狀其特點：嚴格厭氧，代謝活動所需最佳pH值為6.7～7.2，只能利用少數(shù)的幾種簡單化合物第24頁/共46頁厭氧生物處理的影響因素溫度中溫發(fā)酵35℃～38℃，高溫發(fā)酵52℃～55℃pH值中性環(huán)境，甲烷化階段7.0～7.5營養(yǎng)成分BOD5

：N：P有機負荷第25頁/共46頁圖11上流式厭氧池第26頁/共46頁3.廢水的微生物脫氮除磷

3.1微生物脫氮微生物脫氮基本原理生物脫氮主要通過硝化作用和反硝化作用來完成。首先利用好氧段，由亞硝化細菌、硝化細菌的硝化作用，將NH3轉(zhuǎn)化為NO3－－N，再利用缺氧段，由反硝化細菌將NO3－－N反硝化還原為N2，溢出水面釋放到大氣。第27頁/共46頁微生物脫氮——硝化作用段硝化作用是指NH3被氧化成NO2－，再被氧化成NO3－的過程。反應(yīng)：NH3→NO2－→NO3－微生物：亞硝化細菌和硝化細菌，兩者為化能自養(yǎng)菌，專性好氧，要求中性、弱堿性環(huán)境，以CO2為唯一碳源，最適溫度25℃～30℃，pH值范圍7.5～8.0。第28頁/共46頁3.2微生物除磷原理：好氧吸磷：一部分能量用于吸收外界可溶性脂肪酸，形成PHB厭氧放磷：厭氧條件下，積磷菌將體內(nèi)的聚磷分解產(chǎn)生能量另一部分能量用于生理活動需要好氧條件下，PHB分解產(chǎn)生能量一部分能量用于主動過量吸收環(huán)境中的磷，并合成聚磷另一部分能量用于細胞正常生長繁殖另一部分能量用于生理活動需要另一部分能量用于生理活動需要第29頁/共46頁生物除磷中的微生物積磷菌是一類生長緩慢的細菌，在厭氧條件下，分解體內(nèi)的聚磷來獲得能量生長繁殖，在好氧條件和外界營養(yǎng)基質(zhì)少的情況下，分解體內(nèi)的PHB獲得能量而生長繁殖，故它與不積磷菌相比更能適應(yīng)厭氧、好氧交替的環(huán)境而成為優(yōu)勢菌群。目前認為，在微生物除磷過程中起主要作用的是假單胞菌屬、和氣單胞菌屬。發(fā)酵產(chǎn)酸菌和積磷菌的關(guān)系積磷菌只能利用低級的脂肪酸，不能直接利用大分子有機基質(zhì)，而發(fā)酵產(chǎn)酸菌可將大分子物質(zhì)降解為小分子，故在除磷過程中這兩類菌是互不可分、密切相關(guān)的。第30頁/共46頁4.固體廢棄物的微生物處理

固體廢棄物的分類固體廢棄物處理的基本原則：無害化、減量化、資源化固體廢棄物的微生物處理的主要方法：堆肥法衛(wèi)生填埋法厭氧發(fā)酵法第31頁/共46頁4.1堆肥法（Compost）什么是堆肥法？指依靠自然界廣泛分布的細菌、放線菌、真菌等微生物有控制地促進可被生物降解的有機物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物化學過程。堆肥：堆肥化的產(chǎn)物。根據(jù)處理過程中起作用的微生物對氧氣要求的不同，堆肥法可分為：好氧堆肥法厭氧堆肥法第32頁/共46頁好氧堆肥法的微生物學過程發(fā)熱階段初期，主要由中溫好氧的細菌和真菌利用堆肥中的易分解有機物，釋放熱量，使溫度不斷上升。高溫階段堆肥溫度升至50℃以上進入高溫階段，好熱性的微生物逐漸代替了中溫微生物，一些復(fù)雜的有機物開始分解，腐殖質(zhì)逐漸形成。病原性微生物逐漸被高溫殺死。降溫和腐熟保肥階段當易分解有機物大部分被分解以后，剩下的是木質(zhì)素等難分解有機物和新形成的腐殖質(zhì)，好熱性微生物的活動減弱，產(chǎn)熱量下降，溫度逐漸下降，中溫性微生物又成為優(yōu)勢菌群，殘余物進一步分解，腐殖質(zhì)逐漸積累，堆肥進入腐熟階段。第33頁/共46頁圖17堆肥化過程的發(fā)展階段第34頁/共46頁好氧堆肥的影響因素有機質(zhì)含量有機質(zhì)含量含量過低，產(chǎn)生的熱量不足以維持堆肥所需溫度；有機質(zhì)含量含量過高不利于通風供氧從而產(chǎn)生厭氧和發(fā)臭。水分水分過高不利于升溫和通風；水分過低，不能滿足微生物生長需要，有機物也不能分解。溫度溫度過低將大大延長堆肥時間；溫度過高對微生物產(chǎn)生不利影響。碳氮比碳氮比小，升溫快，但最高溫度較低；碳氮比大，升溫慢，但最高溫度較高。氮磷比堆肥原料的氮磷比一般在75～150之間。第35頁/共46頁厭氧堆肥法厭氧堆肥法指在不通氣的條件下，將有機廢棄物進行厭氧發(fā)酵，制成有機肥料，使固體廢棄物無害化的過程。厭氧堆肥過程的兩個階段酸性發(fā)酵階段：產(chǎn)酸細菌分解有機物，產(chǎn)生有機酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氫等，使pH下降；產(chǎn)氣發(fā)酵階段：主要由產(chǎn)甲烷細菌分解有機酸和醇，產(chǎn)生甲烷和二氧化碳，隨著有機酸的下降，pH迅速上升。厭氧堆肥法特點（與好氧堆肥相比較）堆內(nèi)不設(shè)通氣系統(tǒng)，堆溫低，腐熟及無害化所需時間較長，但方法簡便、省工，在不急需用肥或勞力緊張的情況下可以采用。第36頁/共46頁圖18有機物的沼氣發(fā)酵過程第37頁/共46頁4.2衛(wèi)生填埋（SanitaryLandfill）什么是衛(wèi)生填埋法？指將垃圾在填埋場里分層填埋的處理方法。由廢物層（一般厚度2.5～3.0m）和覆土層（一般厚度為0.2～0.3m）構(gòu)成一個填埋單元，由一系列填埋單元構(gòu)成一個填埋層，當填埋至設(shè)計高度后再蓋上一層0.9～1.2m的土壤，壓實后就得到了一個完整的衛(wèi)生填埋場。覆土層廢物層第二層第一層不透水層夯實粘土圖19衛(wèi)生填埋場示意圖第38頁/共46頁填埋坑內(nèi)微生物活動過程的四個階段好氧分解階段微生物利用垃圾空隙中的空氣進行好氧分解。厭氧分解不產(chǎn)甲烷階段微生物利用硝酸根和硫酸根作為氧源，產(chǎn)生硫化物、氮氣和二氧化碳，硫酸鹽還原菌和反硝化細菌的繁殖速度大于產(chǎn)甲烷細菌。厭氧分解產(chǎn)甲烷階段當還原狀態(tài)達到一定程度時開始產(chǎn)甲烷，坑內(nèi)溫度升至55℃時，進入穩(wěn)定產(chǎn)氣階段。穩(wěn)定產(chǎn)氣階段此階段穩(wěn)定地產(chǎn)生二氧化碳和甲烷。第39頁/共46頁填埋場滲瀝水和氣體收集滲瀝水垃圾分解過程中產(chǎn)生的液體以及滲出的地下水和滲入的地表水統(tǒng)稱為填埋場滲瀝水。滲瀝水的性質(zhì)主要取決于所埋垃圾的種類，數(shù)量取決于滲瀝水的來源、填埋場的面積、垃圾狀況和下層土情況等。為防止?jié)B瀝水對地下水的污染可采取以下措施：在填埋場底部構(gòu)筑不透水層、集水管、集水井、監(jiān)測井等；對收集的滲瀝水進行生物或物化處理。氣體收集垃圾填埋后，由于微生物的厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氫氣、氮氣、硫化氫等氣體。填埋5年后為甲烷發(fā)酵旺盛期，可對氣體進行收集處理后作為能源進行利用。第40頁/共46頁