水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理.pptx

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1、第二篇第三章 水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理 好氧活性污泥法好氧生物膜法活性污泥丝状膨胀及对策厌氧活性污泥法第1页/共50页第一节 废水生物处理中的生态系统一、好氧活性污泥法1.1.好氧活性污泥的组成 微生物：好氧、兼性厌氧 有机和无机的固体杂质通过生物学和化学分析，活性污泥由活性微生物，微生物内源呼吸残余物，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，56525500172030第2页/共50页2.2.好氧活性污泥的性质物理性质：含水率9999左右，密度1.0021.0021.0061.006，绒粒大小为0.020.020.2mm0.2mm，比

2、表面积为 2020100cm100cm2 2；有沉降能力，有吸附能力化学性质：呈弱酸性（pHpH约为6.76.7），有氧化有机物 的能力生化性质：有生物活性，有自我繁殖能力。第3页/共50页3.3.活性污泥的形成和存在状态 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。第4页/共50页4.好氧活性污泥中的微生物群落好氧活性污泥的结构和

3、功能的中心是菌胶团由能起絮凝作用的细菌形成。其上生长着其他微生物，如酵母菌，霉菌、放线菌、藻类、原生动物和微型后生动物，组成一个生态系。当营养条件（废水种类、化学组成、浓度）、温度、供氧、pH等环境条件改变，会导致主要细菌种群改变。第5页/共50页5.好氧活性污泥中微生物的浓度和数量 浓度常用1L活性污泥混合液中含有多少毫克恒重干固体表示，MLSS 城市污水处理中，MLSS 20003000mg/L 工业废水生物处理中，3000mg/L左右 高浓度工业废水生物处理，30005000mg/L 1mL好氧活性污泥中的细菌有107108个第6页/共50页6.好氧活性污泥净化废水的作用机理活性污泥去除

4、废水中有机物的过程包括两个阶段：吸附阶段 处于内源呼吸状态（即饥饿状态）的活性污泥，由于活性污泥中微生物对食料的需求，且活性污泥有巨大的比表面积，所以它对有机物的吸附能力极强，且吸附速度很快。通过吸附，废水中的有机物就会减少很多。这个阶段一般只需30min即能完成。第7页/共50页 通过吸附作用，有机物只是从水中转移到污泥上，其性质并未立刻发生变化。吸附作用主要是非溶解性的有机物吸附在活性污泥絮状体上，有些有机物吸附在细菌表面上，有些有机物被细菌吸收，但尚未被利用。活性污泥的吸附能力将随着吸附量的增加而减弱。只有经过充分的曝气，贮存在微生物体内的有机物充分氧化分解，使活性污泥达到内源呼吸阶段，

5、这时的吸附能力最强。第8页/共50页氧化合成阶段 吸附阶段基本结束后，微生物要对大量被吸附的有机物进行氧化分解，并利用有机物合成细胞体原生质进行自身繁殖。同时还要继续吸附废水中残存的有机物。这一阶段进行得很缓慢，比第一阶段所需的时间长得多。氧化合成的速度决定于有机物的浓度。初期，有机物浓度很高，食料很丰富，因此氧化合成的速度很快。随着有机物浓度的降低，氧化合成的速度也逐渐降低。第9页/共50页 经过氧化合成阶段，废水中的有机物发生了质的变化，一部分是无机物，另一部分变成微生物细胞，即活性污泥。由于活性污泥一般具有良好的沉降性能，可与废水分离，从而达到使废水净化的目的。吸附达到饱和后，污泥就失去

6、了活性，不再具有吸附有机物的能力。通过氧化合成阶段，去除了所吸附的大量有机物后，污泥又重新呈现活性，恢复了吸附和氧化能力。因此，氧化合成阶段又是污泥再生阶段。第10页/共50页7.好氧活性污泥法的几种处理工艺流程曝气池进水 沉淀池出水剩余污泥回流污泥推流式活性污泥法水流从池的一端进入，向前推移，从另一端流出。在曝气池的起端，回流的活性污泥与废水立刻得到充分混合，活性污泥将大量吸附废水中的有机物。随着曝气池混合液中有机物沿池长的不断被氧化及微生物细胞的不断合成，水中有机物的浓度越来越低，到了池子末端和出水中，微生物的生长已进入内源呼吸阶段。它们的活动能力减弱，容易在沉淀池中沉淀。其中的有机物几乎

7、全被“吃掉”，微生物细胞内所储存的物质也变得空乏，这种处于饥饿状态的活性污泥已经充分恢复了活性，回流到曝气池后，具有良好的吸附和氧化有机物的能力。第11页/共50页推流式活性污泥法的优缺点优点：出水水质好（8590），剩余污泥量较少。缺点：耐冲击负荷差：根据推流原理，进水与回流污泥混合形成混合液，从池子起端流向末端。如果进水水质发生变化，对活性污泥影响较大。如果流入的废水含有有害物损害了回流污泥，引起的问题就更大。供氧与需氧间存在不可克服的矛盾 沿曝气池池长需氧速度变化很大，但是沿曝气池池长的供氧速度是基本相同的供需矛盾：前段供氧不足而后端供氧过剩。如果想要在曝气池前端维持足够的溶解氧，则后段

8、的氧量会太大，氧的利用滤低，增加了处理费用。第12页/共50页完全混合式活性污泥法曝气池进水 沉淀池出水剩余污泥回流污泥完全混合式活性污泥法混合液在曝气池内充分混合循环流动，进行吸附和氧化分解。特点：1.耐冲击负荷性强，可处理浓度较高的废水，只要适当延长曝气时间即可。适于处理工业废水。2.可把曝气池的工况控制在最佳的位置上。第13页/共50页接触氧化稳定法 又称吸附再生活性污泥法或生物吸附法。接触氧化池进水 沉淀池出水剩余污泥 回流污泥稳定池接触氧化稳定法此法主要适用于处理含悬浮物和胶体物较多的废水。在吸附池内，活性污泥和废水充分接触，有机物被活性污泥吸附后，混合液流入沉淀池进行固液分离，从沉

9、淀池排出的回流污泥先在稳定池内进行再生，使吸附的有机物充分氧化分解，恢复污泥活性后，再引入吸附池。第14页/共50页分段布水推流式活性污泥法曝气池进水 沉淀池出水剩余污泥回流污泥分段布水推流式活性污泥法废水并不是集中在池端进入曝气池，而是沿池长分段按几个点进入曝气池。特点：有机物的分配较为均匀，因而氧的需要也较为均匀，在一定程度上降低了池子前段的耗氧速度，避免前端出现缺氧情况。曝气池中活性污泥浓度不均匀，前端较浓，后端较稀，提高了空气的利用率和曝气池的效率。第15页/共50页氧化沟式活性污泥法进水 沉淀池出水剩余污泥回流污泥氧化沟充气刷氧化沟式活性污泥法混合液在沟内不断循环流动，废水在氧化沟内

10、停留时间一般很长（1540h）。氧化沟具有处理流程简单，机械设备少，管理方便，出水水质好，污泥产量少而稳定以及耐冲击负荷强等优点。氧化沟去除有机物的效率很高，BOD5的去除率一般可达95以上。第16页/共50页氧化沟中的微生物群落氧化沟是人工的、接近自然的生态系统，在氧化沟内，藻类和细菌共存在同一环境中，保持互生关系。其中还有霉菌、放线菌、原生动物、轮虫、线虫、软体动物及水生动物等组成的一个生态系，其食物链与自然水体基本相同。第17页/共50页氧化沟处理废水的机理一般用于三级深度处理，用于处理生活污水和富含氮、磷的工业废水。机理：有机废水流入氧化沟，其中的细菌吸收水中溶解氧，将有机物氧化分解为

11、H H2 2O O、COCO2 2、NHNH3 3、NONO3 3-、POPO4 43-3-、SOSO4 42-2-。细菌利用自身分解含氮有机物产生的NHNH3 3和环境中的营养物合成细胞物质。藻类利用H H2 2O O和COCO2 2进行光合作用合成碳水化合物，再吸收NHNH3 3和SOSO4 42-2-合成蛋白质、吸收POPO4 43-3-合成核酸。并繁殖新藻体。第18页/共50页9.原生动物及微型后生动物的作用指示作用 低等生物对环境适应性强，对环境因素的改变不敏感。较高等生物则相反。原生动物和微型后生动物在水体中较高等生物。可根据它们的活动规律判断水质和污水处理程度；根据原生动物种类判

12、断活性污泥和处理水质的好坏；还可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。净化作用 试验证明原生动物有摄取溶解性有机物的作用，起了净化作用。促进絮凝和沉淀作用原生动物分泌一定的粘液物协同和促进细菌发生絮凝作用。第19页/共50页10.好氧活性污泥的培养间歇式曝气培养获取活性污泥间歇式曝气培养法进行驯化 先近低浓度废水培养，以后逐级提高废水浓度，直到提高到原废水浓度为止 驯化初期 活性污泥结构松散，游离细菌较多，出现鞭毛虫和游动性纤毛虫。此时的活性污泥有一定的沉降效果。驯化后期 以游动性纤毛虫为主，出现少量的、有一定耐污能力的纤毛虫，沉降性能较好，上清夜与

13、沉降污泥可看出界限。用连续曝气培养法继续培养第20页/共50页连续曝气培养获取活性污泥后，用连续曝气培养法进行驯化和培养。第21页/共50页二、好氧生物膜法 好氧生物膜法的构筑物有：普通滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池，以及生物转盘、接触氧化法（即浸没式滤池法）1.生物膜的形成 生物膜主要由细菌的菌胶团和大量的真菌菌丝组成，其中还有许多原生动物和较高等动物生长。它们粘附在生物滤池滤料上或生物转盘盘片上，形成一层带粘性、薄膜状的微生物混合群体。第22页/共50页2.生物膜中的微生物群落及其功能第23页/共50页滤滤扫扫生生物物膜膜面面生生物物膜膜生生物物23mm0.3mm好氧区横向纵向各不相同

14、第24页/共50页生物滤池（塔）中的分层特征表相当于多污带相当于中污带相当于寡污带第25页/共50页3.生物膜的净化机理有机物从流动水中通过扩散作用转移到附着水中去，同时氧也通过流动水、附着水进入生物膜的好氧层；生物膜中的有机物进行好氧分解；代谢产物如COCO2 2、H H2 2O O等无机物沿相反方向排至流动水层及空气中；内部厌氧层的厌氧菌利用死亡的好氧菌及部分有机物进行厌氧代谢；代谢产物如有机酸等转移到好氧层或流动水层中。在生物滤池中，好氧代谢起主导作用，是有机物去除的主要过程。第26页/共50页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27页/共50页曝气池中有正常活

15、性污泥和膨胀污泥。正常活性污泥 絮凝细菌（絮凝作用）大量钟虫类微生物 膨胀的活性污泥丝状膨胀污泥（由丝状细菌引起）菌胶团膨胀污泥（非丝状细菌引起）菌胶团 （多）丝状细菌 （少）第二节 活性污泥丝状膨胀和控制对策第28页/共50页衡量指标 可用污泥体积指数SVI作为衡量污泥沉降性能好与坏的指标。SVI在200mL/g以下为正常活性污泥，一般在50150mL/g，最好在100mL/g左右SVI在200mL/g以上说明活性污泥发生膨胀。第29页/共50页一、活性污泥丝状膨胀的成因一、活性污泥丝状膨胀的成因活性污泥丝状膨胀的致因微生物 丝状菌极度生长引起的 浮游球衣菌、发硫菌属、贝日阿托氏菌属、亮发菌

16、属、纤发菌属、微丝菌属活性污泥丝状膨胀的成因环境因素促进丝状微生物过渡生长1.温度 菌胶团细菌最适生长温度在2830，浮游球衣菌最适温度在2530。活性污泥丝状膨胀通常发生在春、夏之交和秋季，温度在2528，不同地域，发生的季节也会有所不同。第30页/共50页2.溶解氧 菌胶团细菌是严格好氧，浮游球衣菌是微量好氧菌，其适应性强。当有机废水中溶解氧缺乏时，菌胶团细菌的活性受到抑制，但丝状菌如浮游球衣菌、贝日阿托氏菌、发硫菌等仍能正常生长，这些丝状菌的优势生长很容易引起活性污泥丝状膨胀。第31页/共50页3.可溶性有机物及其种类 有机物因缺氧不能降解彻底，积累大量有机酸，为丝状细菌创造营养条件，使

17、丝状细菌优势生长。4.有机物浓度（或有机负荷）生活污水和食品类等有机废水中，BOD5在100200mg/L，往往会使浮游球衣菌和菌胶团细菌的数量比例增大，浮游球衣菌的数量超过60以上，占优势而导致活性污泥丝状膨胀。5.Ph第32页/共50页活性污泥丝状膨胀的机理 呈丝状扩展生长的丝状菌，比表面积大于菌胶团的，对有限的营养条件和环境条件的竞争占优势。优势竞争表现在：1.对溶解氧的竞争 溶解氧水平低时，只有在絮状体表面的微生物得到较多的溶解氧，絮状体内部多数微生物处于缺氧状态。如果曝气池溶解氧长期维持在较低水平，明显有利于丝状细菌优势生长。第33页/共50页2.对可溶性有机物的竞争 低分子糖类和有

18、机酸有利于丝状细菌生长，容易发生活性污泥丝状膨胀。3.对氮、磷的竞争 处理生活污水按BOD5与氮、磷的比为100:5:1进行设计和运行。如果氮磷比小于此值，丝状细菌大的比表面积又有利于它与菌胶团争夺氮和磷而优势生长。4.有机物冲击负荷的影响 废水中有机物浓度、组成和流量等发生急剧变化，供氧量不变，氧被大量消耗，溶解氧量降低，丝状细菌处于竞争优势生长。第34页/共50页二二 控制活性污泥丝状膨胀的对策控制活性污泥丝状膨胀的对策基于上述原理如何预防污泥膨胀1.设调节池(及事故池)控制高负荷（BOD、毒物）冲击2.控制溶解氧溶解氧浓度必须控制在34mg/L。3.调节废水的营养配比尽量逼近BOD5与N

19、和P的比例BOD5：N：P100：5：1。补补NN尿素 补补P P磷酸钠第35页/共50页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第36页/共50页厌氧消化法也有活性污泥法和生物膜法。但微生物群落与有氧环境中的不同 专性厌氧菌 兼性厌氧菌 厌氧或兼性厌氧的游泳型纤毛虫第三节 厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法第37页/共50页 一、一、厌氧活性污泥法厌氧活性污泥法（一）厌氧活性污泥的性质和组成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

20、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第38页/共50页（二）厌氧活性污泥净化废水的作用机理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 2发酵阶段 梭状芽孢杆菌、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、氨等第39页/共50页3 3 3 3产乙酸阶段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

21、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 4 4 4产甲烷阶段产甲烷阶段乙酸、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。第40页/共50页复杂有机物1 1水解水解 2 2发酵发酵脂肪酸脂肪酸 乙酸乙酸 H H2 2+CO+CO2 23 3产乙酸产乙酸 CH CH4 4+CO+CO2 24 4产甲烷产甲烷4 4产甲烷产甲烷第41页/共50页（三）（三）厌氧活性污泥处理的工艺流程厌氧活性污泥处理的工艺流程其中厌氧活性污泥

22、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回流污泥剩余污泥剩余污泥第42页/共50页（四）产甲烷菌产生甲烷的机制1.由酸和醇的甲基形成甲烷2.由醇的氧化使二氧化碳还原形成甲烷及有机酸3.脂肪酸有时用水作还原剂产生甲烷4.利用氢使二氧化碳还原成甲烷5.在氢和水存在时，一氧化碳被还原成甲烷。第43页/共50页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1 1产生的沼气可用于发电或作为能源n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

23、甲烷2240m3,其热值相当于3.85t原煤，可发电5400度电。二、厌氧发的特点第44页/共50页2 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 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第45页/共50页1 1 1 1出水的有机物浓度高于好氧处理；出水的有机物浓度高于好氧处理；发酵分解有机物不完全；2 2 2 2对温度变化较为敏感；对温度变化较为敏感；工业中需要设置进水的

24、控温装置，37。3 3 3 3厌氧微生物对有毒物质较为敏感；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）、厌氧法的缺点第46页/共50页4.4.初次启动过程缓慢初次启动过程缓慢,处理时间长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 5处理过程中产生臭气和有色物质处理过程中产生臭气和有色物质臭气主要是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

25、添加后处理设施，进一步脱色脱臭。第47页/共50页水解性细菌三 光合细菌处理高浓度有机废水高浓度有机废水：BOD5在10000mg/L以上碳水化合物脂肪蛋白质脂肪酸氨基酸氨光合细菌COCO2 2HH2 2OONHNH3 3BOD5去除率可达95以上第48页/共50页四 含硫酸盐废水的厌氧微生物处理低浓度的SO42-可作好氧微生物的无机营养，但高浓度的SO42-对微生物有毒害作用。在进行甲烷发酵前，要先降低SO42-的浓度到产甲烷菌能忍受的浓度，可用化学法降低SO42-，加CaO和Ca(OH)2生成CaSO4沉淀可去除SO42-，再进行甲烷发酵处理。第49页/共50页感谢您的观看！第50页/共50页