1 第八章微生物在環境工程中的應用 2 第一節污 廢水生物處理中的生態系統 一 種類根據處理性質上的差別 可以做以下一些分類 一 好氧處理和厭氧處理通常低濃度 COD 1500mg L 的有機污染物廢水適合用好氧處理對于高濃度有機污廢水 COD 1500mg L 用厭氧處理更為適宜 為什么過高COD的廢水不宜用好氧法 有機物濃度過高 好氧生物代謝迅速 水中溶解氧難以即時供應 好氧生物生長受限 很難保證處理質量 而厭氧生物則沒有這種限制 3 二 活性污泥法和生物膜法 這是根據微生物在人工水處理設備中微生物所處狀態的不同來進行的劃分 原理 活性污泥法 模擬水體自凈微生物在設備中呈懸浮狀態 與污廢水接觸使之凈化的方法 生物膜法 模擬土壤自凈微生物附著于其他物體表面上成薄膜狀 與污廢水接觸使之凈化的方法 活性污泥既有好氧活性污泥法 也有厭氧活性污泥法 生物膜法既有好氧生物膜法也有厭氧生物膜法 4 第二節好氧活性污泥法和好氧生物膜法 一 好氧活性污泥法好氧活性污泥法又叫曝氣法 最早由英國人于1914年創建而來 經過80多年的發展已成為處理有機廢水最主要的方法 5 一 什么是好氧活性污泥 好氧活性污泥是由多種多樣的好氧微生物和兼性厭氧微生物 兼有少量的厭氧微生物 與污 廢 水中有機的和無機固體物混凝交織在一起 形成的絮狀體或稱絨粒 活性污泥的形成是一種自然現象 例如 如果向一桶含糞便污水中不斷地加入空氣 那末經過一段時間后 就會產生褐色絮花狀的泥粒 在顯微鏡下會看到 污泥里充滿了各種各樣的微生物 這就是典型的好氧活性污泥 6 二 好氧活性污泥的組成和性質 1 組成好氧微生物和兼性厭氧微生物 兼有少量的厭氧微生物 與其上吸附的有機的和無機的固體雜質組成 2 好氧活性污泥的性質顏色各異含水率在99 左右密度為1 002 1 006大小為0 02 0 2mm比表面積為20 100cm2 ml之間弱酸性 pH約為6 7 當進水改變時 對進水pH的變化有一定的承受能力 7 3 好氧活性污泥中微生物的濃度和數量 MLSS 混合液懸浮固體 每L活性污泥混合液 ML 中含有多少毫克恒重的干固體 SS 在一般的城市污水處理中 MLSS保持在2000 3000mg L 工業廢水生物處理中 MLSS保持在3000mg L左右 高濃度的工業廢水生物處理的MLSS保持在3000 5000mg L 8 4 好氧活性污泥中的微生物群落 好氧活性污泥上的微生物是如何分布的 中心是能起絮凝作用的細菌形成菌膠團 在其上生長著其他微生物 A 菌膠團在微生物學領域里 習慣將動膠菌屬形成的細菌團塊稱為菌膠團 在水處理工程領域內 則將所有具有莢膜或粘液的絮凝性細菌互相絮凝聚集成的菌膠團塊都稱為菌膠團 9 吸附和氧化分解有機物 菌膠團是細菌的存在形式 細菌占到活性污泥中微生物總量的99 達107 108個 ml 是生物處理的主力軍 一旦菌膠團受到各種因素的影響和破壞 則活性污泥法對有機物去除率明顯下降 甚至無去除能力 菌膠團對有機物的吸附和分解 為原生動物和微型后生動物提供了良好的生存環境 例如菌膠團本身為原生動物 微型后生動物提供附著場所 菌膠團中的細菌可以去除毒物 自身作為動物食料 a 菌膠團的功能 10 具有指示作用 通過菌膠團的顏色 透明度 數量 顆粒大小及結構的松緊程度可衡量好氧活性污泥的性能 新生菌膠團顏色淺 無色透明 結構緊密 則說明菌膠團生命力旺盛 吸附和氧化能力強 再生能力強 老化的菌膠團 顏色深 結構松散 活性不強 吸附和氧化能力差 11 粘性多糖的粘著作用很多細菌可分泌粘膠狀的多糖物質 附著于細胞壁 形成所謂的莢膜 這些莢膜相互間粘著時就會形成一個由許多細菌共有的大莢膜 當細菌進入老齡后 細菌分泌的的粘稠多糖聚合物增多 更加速了細菌大莢膜的增大 這樣就形成了菌膠團的雛形 b 菌膠團的形成機理 12 纖維素性質多糖的勾連作用將菌膠團置于電子顯微鏡下觀察時發現 在大莢膜增大的同時 在其外側出現了許多類似于纖維素網狀的物質 據分析這些物質的成分也是多糖 如圖所示這些纖維素從何而來 他們既可能是細菌的分泌物 也可能是粘性多糖的演化產物 他們不但具有粘著性 還具有纏繞勾連的作用 在它們的作用下 各種細菌密布在這些網格狀纖維之中 隨這些纖維素狀多糖的數量不斷增加 就形成了真正意義上的菌膠團 13 活性污泥菌膠團外的纖維絲電鏡照片 14 c 菌膠團的生物意義 形成了一個穩定的細菌共生體性 菌膠團吸附的大分子有機物被表層的細菌首先水解吸收 代謝后的產物降解不完全 又作為了下面細菌的食物另一方面隨著顆粒化由表及里 局部的氧濃度逐漸減少 對氧濃度有不同要求的細菌則可以各自找到最適宜的位置 增強細菌抵抗環境變化及微型動物捕食的能力在層層細菌的屏蔽作用下 菌膠團中的微環境要比溶液中穩定的多菌膠團的顆粒較大 原生動物只能蠶食很少的一部分表層的細菌 從而提高了大多數細菌抵抗微型動物的捕食能力 15 菌膠團還為細菌儲備了碳源菌膠團中的結構多糖 不僅是其骨架 還是細菌們的儲備碳源 當環境中的營養物匱乏時 這些多糖被細菌作為碳源使用 雖然此時菌膠團逐漸瓦解 但一定程度上延緩了細菌的衰亡 因此菌膠團的形成是細菌們為維護共同利益的共生產物 對于細菌的生存有著重要的生物意義 16 d 菌膠團中的細菌 菌膠團中的細菌來源于土壤 水和空氣 它們多數是革蘭氏陰性菌 如動膠菌屬和叢毛單胞菌屬 它們可占70 生活污水好氧處理時菌膠團中的主要細菌見下表 工業廢水處理中的菌膠團細菌組成與之類似 但優勢菌主要是對特定工業廢物起主要降解作用的細菌 17 B 活性污泥中的其它微生物 在菌膠團上層居住的是放線菌 真菌及原生動物 后生動物 它們的數量相比較細菌而言要少得多 通常包括少量的球衣菌 諾卡氏菌 發硫菌 頭孢霉 地霉菌 酵母菌等 以及原生動物中的鐘蟲 蓋纖蟲 等枝蟲 草履蟲和微型后生動物中的輪蟲 這些微生物與菌膠團細菌構成了穩定的生態體系 它們之間存在著復雜的相互關系 它們的種類 數量隨營養條件 廢水種類 化學組成 濃度 溫度 供氧 pH等環境條件改變也在不停的發生著變化 18 三 好氧活性污泥凈化廢水的作用機理 好氧活性污泥的凈化作用機理見下圖好氧活性污泥吸附和降解用框圖表示見下圖 19 20 21 由上圖可以看出 活性污泥顆粒中微生物之間的關系是食物鏈的關系 好氧活性污泥由于是由有生命的微生物組成 能自我繁殖 有生物 活性 因而可以連續反復使用 而化學藥劑只能一次使用 故活性污泥比化學混凝劑優越 可以降解水中的溶解性有機物 這也是物理化學方法難以做到的 22 四 好氧活性污泥法的幾種處理工藝流程 1 普通活性污泥法好氧活性污泥法的處理工藝很多 最為普遍使用的活性污泥法工藝如下圖 23 請看圖說明工藝原理 廢水先通過初沉池 除掉一些懸浮固體 然后進入一個有曝氣裝置的構筑物 活性污泥就在這種裝置中將廢水中的BOD降解 并產生新的活性污泥 設計適當的曝氣池尺寸使廢水在池中停留足夠長的時間 使BOD降到一定程度后 流入二次沉淀池 進行固液分離 上清液排放 沉淀下來的污泥一部分回流到曝氣池中 一部分作為剩余污泥而排放 24 Innerworkingsofanactivatedsludgeinstallation 25 Aerationtankofanactivatedsludgeinstallationinametropolitansewagetreatmentplant 26 Asmall scaleactivatedsludgeoperationusedtoprocessdairywaste 27 2 改進型的活性污泥法 在普通型的基礎上加以改造 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 接觸氧化穩定法 分段布水推流式活性污泥法 氧化溝式活性污泥法 它們都是對普通活性污泥法的改進 28 29 推流式活性污泥法又稱階段曝氣法 廢水沿一個長條的矩形池 廢水從一端進入 水的污染物沿流動方向不斷降低 從另一端流出 分段布水推流式活性污泥法只是在長條矩形池的不同部位分別進水 完全混合式污泥法則是廢水一進入曝氣池就迅速與池中已有的混合液充分混合均勻 曝氣池中各處的水質基本相同 接觸穩定氧化活性污泥法又稱吸附再生活性污泥法 曝氣池被一分為二 廢水在曝氣池的第一部分接觸池中停留十分鐘與活性污泥充分接觸 廢水中的有機物被活性污泥吸附后進入二沉池 此時出水以達到凈化 而二沉池泥水分離后的活性污泥進入曝氣池的另一部分穩定池 池中曝氣但不僅廢水 使污泥中吸附的有機物進一步分解 恢復了活性的污泥隨后再次進入接觸池進行新的一輪廢水降解 氧化溝把環形反應池用作生物反應池 污水混合液在該池中以一條閉合式曝氣渠道進行連續循環 30 3 氧化塘 氧化塘的工藝是特殊的活性污泥法 是一種人工的 接近自然生態系統的活性污泥法 在氧化塘內 藻類和細菌共存于同一環境中 保持互生關系 見下圖氧化塘的互生原理 31 32 4 批式活性污泥法 批式活性污泥法 SBR法 是國內外近年來開發的一種活性污泥法 它的工藝特點是將曝氣池與沉淀池合而為一 生化反應呈分批進行 基本周期可由進水 反應 沉降 排水和閑置五個階段組成 33 這種方法由于較其它活性污泥法構造簡單 投資少 操作靈活 污泥產率低 脫氮效果好等特點越來越得到廣泛的重視 34 二 好氧生物膜法 生物填料表面附著的生物薄膜進行污染物降解的生物處理法 于19世紀末 在研究土壤凈化污水的過濾田的基礎上 開發并應用于生產 由于效果不如后來出現的活性污泥法 一度被長期擱置 60年代以后 由于新型合成材料的大量生產和環境保護對于水要求的進一步提高 生物膜法又獲得了新的發展 好氧生物膜法構筑物有普通濾池 高負荷生物濾池 塔式生物濾池 還有生物轉盤 接觸氧化法 即浸沒濾池法 等 35 生物填料 懸浮型生物填料 投加量普通接觸氧化水解調節池好氧或厭氧流化床好氧好氧或厭生物塘或厭氧濾池反應池體積 8 13515 253 540 60 36 懸掛型填料彈性立體填料網片式立體填料 37 軟性填料 生物填料上的生物膜 38 普通生物濾池 39 Aerobicsewagetreatmentprocesses tricklingfilter 40 一 好氧生物膜中的微生物群落 根據位置與功能不同 生物膜生物 生物膜面生物及濾池掃除生物 普通濾池內生物膜的微生物群落表 41 橫向縱向各不相同 濾掃生物 膜面生物 膜生物 42 生物濾池 塔 中的分層特征表 相當于多污帶 相當于中污帶 相當于寡污帶 43 同一類型廢水好氧活性污泥法與生物濾池法處理效果對比 優缺點對比 44 第三節活性污泥膨脹和控制對策 提問 什么是活性污泥膨脹 正常的活性污泥顆粒體積膨脹 繼而分裂為沉降性很差的小顆粒污泥 引起二沉池池面飄泥嚴重 出水水質急劇變差的現象 本質 污泥密度變小或黏附能力下降 分非絲狀菌污泥膨脹與絲狀菌污泥膨脹兩類 45 1 非絲狀菌污泥膨脹 曝氣力度過大 污泥碎裂膨脹提問 原因 氣泡夾帶 密度降低 氣泡機械破碎 細菌處于對數期 多糖分泌減少 缺氧 厭氧膨脹漂泥提問 原因 二沉池底部淤泥厭氧產氣 反硝化N2 CH4 進水水質有過量的表面活性物質和油脂類化合物 提問 原因 油及泡沫降低污泥密度 46 生物中毒 pH波動大 補堿過量 溫度過高 CODcr濃度驟然升高 含酚及其衍生物 醇 醛和某些有機酚 硫化物 重金屬及鹵化物過高等 原因 細菌 休克死亡 粘液分泌減少 新污泥膨脹現象未馴化污泥對新類型廢水不適應 不沉降或沉降極慢 長時間曝氣馴化后恢復正常 提問 原因 類似中毒 47 BOD N過高 假菌絲或后生動物鉆噬污泥膨脹大腸埃希氏菌及芽孢桿菌形成暫時性假絲狀生長或后生動物鉆噬而形成的膨脹污泥 很少見 原因 高含水率菌膠團占優勢 48 原因 絲狀細菌 球衣菌 硫細菌 或真菌優勢過度生長絲狀菌優勢生長條件 A 曝氣池DO長期維持在較低 0 1 0 2mg l B 水溫過高 25 pH過低 6 5 C 硫化物過高硫細菌 絲狀菌一種 以硫化氫為食 2 絲狀污泥膨脹 95 污泥膨脹 49 C 營養失衡廢水C N比高 N少 無機金屬離子較少原因 菌絲體儲備營養物稀少 表面積大 在稀溶液中爭奪營養物質的能力強 更適合于貧瘠環境 包括溶解氧 各種營養物 的生長 D 毒物沖擊原因 菌絲體耐受能力強 50 3 污泥膨脹的預防與控制對策 提問 基于上述原理如何預防污泥膨脹 A 設調節池 及事故池 控制高負荷 BOD 毒物 沖擊B 控制溶解氧溶解氧濃度必須控制在3 4mg L C調節廢水的營養配比盡量逼近BOD5與N和P的比例BOD5 N P 100 5 1 補N 尿素或含氮量高的污泥消化池上清液補P 磷酸鈉 51 D 改革工藝將活性污泥法改為生物膜法在曝氣池中加填料改為生物接觸氧化法SBR 即序批式間歇曝氣反應器 法 52 提問 發生后如何處理 A 投加次氯酸鈉 10 20mg l內 H2O2 100 200mg l內 有選擇的控制絲狀微生物的過渡生長B 投加混凝劑FeSO4和FeCl3 干污泥或濃縮消化污泥增加絮體密度 強度 使已膨脹的污泥恢復正常C 強化補氮 C N 100 20 30 D 替換污泥最直接的方法 53 4 微生物泡沫及其預防與控制對策 氣泡附著于大量絲狀菌上 Nocardiaspp andMicrothrixparvicella 影響 飄泥產生條件 1 高油脂含量 2 污泥齡 污泥總量 外排剩余污泥量 過長 9d 3 低溶解氧 54 第三節厭氧活性污泥法和厭氧生物膜法 廢水的厭氧處理主要用于高濃度有機廢水的前處理 一 厭氧法的優點提問 優點有哪些 1 產生的沼氣可用于發電或作為能源 沼氣中的主要成分是甲烷 含量50 75 之間 是一種很好的燃料 以日排COD10t的工廠為例 若COD去除率為80 甲烷產量為理論的80 時 則可日產甲烷2240m3 其熱值相當于3 85t原煤 可發電5400度電 55 2 對營養物的需求量少好氧方法BOD N P 100 5 1 而厭氧方法為 350 500 5 1 相比而言對N P的需求要小的多 因此厭氧處理時可以不添加或少添加營養鹽 4 產生的污泥量少 運行費用低 繁殖慢 不需要曝氣基于這些優點 厭氧處理在食品 釀造 制糖等工業中得到了廣泛的應用 但厭氧處理也存在缺點 56 提問 1 出水的有機物濃度高于好氧處理 發酵分解有機物不完全 2 對溫度變化較為敏感 工業中需要設置進水的控溫裝置 37 3 厭氧微生物對有毒物質較為敏感 經過毒物馴化處理的厭氧菌對毒物的耐受力常常會極大地提高 二 厭氧法的缺點 57 4 初次啟動過程緩慢 處理時間長好氧處理體系的活性污泥或生物膜通常只需要7天就可以培育成功 而厭氧處理體系的活性污泥或生物膜一般需要8 12周才可以培育成功5 處理過程中產生臭氣和有色物質提問 是什么 臭氣主要是SRB形成的具有臭味的硫化氫氣體以及硫醇 氨氣 有機酸等的臭氣 同時硫化氫還會與水中的鐵離子等金屬離子反應形成黑色的硫化物沉淀 使處理后的廢水顏色較深 需要添加后處理設施 進一步脫色脫臭 58 三 厭氧活性污泥法 一 厭氧活性污泥的性質和組成由兼性厭氧菌和專性厭氧菌與廢水中的有機雜質形成的污泥顆粒 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 顆粒厭氧活性污泥的直徑在0 5mm以上 微生物的組成主要有六種 由外到內水解細菌 發酵細菌 氫細菌和乙酸菌 甲烷菌 硫酸鹽還原菌 厭氧原生動物其中產甲烷絲菌是厭氧活性污泥的中心骨架 59 二 厭氧活性污泥凈化廢水的作用機理 復雜污染物的厭氧降解過程可以分為四個階段水解階段 發酵階段 又稱酸化階段 產乙酸階段 產甲烷階段框圖表示見下圖 1 水解階段在細菌胞外酶的作用下大分子的有機物水解為小分子的有機物2 發酵階段梭狀芽孢桿菌 擬桿菌等酸化細菌吸收并轉化為更為簡單的化合物分泌到細胞外 產物有揮發性脂肪酸 醇類 乳酸 二氧化碳 氫氣 氨等 60 復雜有機物 1水解2發酵 脂肪酸 乙酸 H2 CO2 3產乙酸 CH4 CO2 H2S CO2 硫酸鹽還原 硫酸鹽還原 61 3 產乙酸階段上一階段的產物被進一步轉化為乙酸 氫氣 碳酸以及新的細胞物質 這一階段的主導細菌是乙酸菌 同時水中有硫酸鹽時 還會有硫酸鹽還原菌參與產乙酸過程 4 產甲烷階段乙酸 氫氣 碳酸 甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被轉化為甲烷和以及甲烷菌細胞物質 經過這些階段大分子的有機物就被轉化為甲烷 二氧化碳 氫氣 硫化氫等小分子物質和少量的厭氧污泥 62 三 厭氧活性污泥處理的工藝流程 其中厭氧活性污泥反應器是工藝中的核心 廢水 調節池 熱交換器 37 厭氧活性污泥反應器 氣柜 沉淀池 出水 回流污泥 剩余污泥 63 四 厭氧生物膜法 主要指厭氧濾器 AF 沼氣 出水 進水 AF 64 五 厭氧生物反應器發展 工作原理2級 平流沉淀 厭氧污泥消化 全國各地使用廣泛 為生活污水的預處理 液固分離處理污泥及厭氧殺寄生蟲及病菌 第一代厭氧反應器 化糞池 缺點 污泥量少 易被帶出 靜態消化 65 克服了第一代的缺點 第二代厭氧反應器 UASB反應器 Sludgebed 66 工業級UASB裝置 http www fkk co jp e ourbusiness water body2 e html http www biogas ch emmi htm 鋼制圓形結構 混凝土方形結構 便于施工及分離器設置 67 全世界有幾千座UASB反應器 占所有厭氧反應器 第二代以上 總數的64 應用廣泛 64 68 2 AnaerobicFilter厭氧濾床 AF 69 第三代厭氧生物反應器 厭氧膨脹顆粒污泥床內循環反應器升流式污泥床過濾器 填料 EGSBICUBF 70 71 以前通常能不用厭氧法處理的就不用 不得已時結合厭氧處理與好氧處理先后處理 現在厭氧反應器發展迅速逐漸成為水處理的新的主力設備 72 第四節生物脫氮和生物除磷 一 污 廢水脫氮 除磷的具體指標 一級標準廢水磷含量在 0 5mg L氨氮 15mg L 73 二 微生物脫氮工藝 原理及其微生物 A O脫氮工藝 廢水 好氧脫碳 缺氧反硝化 沉淀池 好氧硝化 沉淀池1 好氧活性污泥回流 缺氧活性污泥回流 出水 回流 一 微生物脫氮工藝活性污泥法典型工藝 A O工藝 缺氧 好氧工藝 74 二 脫氮原理 缺氧反硝化細菌 反硝