09 第九章 水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理.pptx

第1页：第9章 水污染控制与治理

第9章 水污染控制与治理的生态工程及微生物学原理

• 9.1 污废水生物处理中的生态系统
• 9.2 活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀控制对策
• 9.3 厌氧环境中活性污泥和生物膜的微生物群落

第2页：9.1 生物处理的生态系统

9.1 污水生物处理中的生态系统

• 9.1.1 好氧活性污泥法
• 9.1.2 好氧生物膜法

第3页：生物处理方法的分类

9.1 污废水生物处理中的生态系统

污水生物处理方法

• 根据处理需氧与否：好氧处理和厌氧处理
• 低浓度（COD＜1500mg／L）适合好氧处理
• 高浓度（COD≥1500mg／L）用厌氧前处理再好氧处理更为适宜

提问：为什么过高COD的废水不宜用好氧法？——有机物浓度过高，好氧生物代谢迅速，水中溶解氧难以即时供应，好氧生物生长受限，很难保证处理质量，而厌氧生物则没有这种限制。

第4页：活性污泥法与生物膜法的原理

• 根据微生物在构筑物中所处状态：活性污泥法和生物膜法
• 原理：活性污泥法——模拟水体自净，微生物在设备中呈悬浮状态；生物膜法——模拟土壤自净，微生物附着于其他物体表面上成附着状态
• 活性污泥既有好氧活性污泥法，也有厌氧活性污泥法；生物膜法既有好氧生物膜法也有厌氧生物膜法

第5页：好氧活性污泥法

9.1.1 好氧活性污泥法

好氧活性污泥法又叫曝气法，是以废水中的有机污染物作为培养基（底物），在人工曝气充氧的条件下，对各种微生物群体进行混合连续培养，使之形成活性污泥。并利用活性污泥在水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀等作用，去除废水中的有机污染物的废水处理方法。

最早由英国人于1914年创建而来，经过90多年的发展已成为处理有机废水最主要的方法。

第6页：活性污泥的形成

活性污泥的形成是一种自然现象。例如，如果向一桶含粪便污水中不断地加入空气，并持续维持水中的溶解氧，那末经过一段时间后，就会产生褐色絮花状的泥粒，在显微镜下会看到，污泥里充满了各种各样的微生物，这就是典型的好氧活性污泥。

第7页：好氧活性污泥的组成

一、好氧活性污泥中的微生物群落

1. 好氧活性污泥的组成和性质

好氧活性污泥是由多种多样的好氧微生物和兼性微生物（兼有少量的厌氧微生物）与污水中有机和无机固体物混凝交织在一起，形成的絮状体或称绒粒。

第8页：好氧活性污泥的性质

2）性质

• 颜色以棕褐色为佳，黑色说明厌氧、白色说明无机物过多
• 含水率在99％左右，密度为1.002～1.006
• 大小为0.02～0.2mm，比表面积在20～100cm²／mL之间
• 弱酸性（pH约为6.7），当进水改变时，对进水pH的变化有一定的承受能力
• 具有沉降性能和生物活性，及吸附和氧化有机物的能力
• 有自我繁殖的能力

第9页：好氧活性污泥的存在状态

2. 好氧活性污泥的存在状态

• 完全混合式曝气池中，以悬浮状态存在，池内任一点，微生物群落基本相同
• 推流式曝气池中，各区段之间的微生物种群和数量有差异，随推流方向微生物种类依次增多，在区段内各点微生物群落基本相同

第10页：好氧活性污泥中的微生物群落

3. 好氧活性污泥中的微生物群落

• 结构和功能的中心：菌胶团
• 其它微生物：酵母菌、霉菌、放线菌、藻类、原生动物和某些微型后生动物（轮虫、线虫等），及病原微生物
• 活性污泥的主体细菌：多为G－，如动胶菌属和丛毛单胞菌属

第11页：净化废水的作用机理

二、好氧活性污泥净化废水的作用机理

1. 净化废水的作用机理

1. 生物絮凝
2. 生物吸附
3. 生物氧化
4. 沉淀作用

第12页：吸附降解有机物的过程

2. 生物吸附、降解有机物的过程

1. 在有氧条件下，絮凝性微生物吸附废水中的有机物
2. 水解性细菌水解大分子有机物为小分子有机物，同时微生物合成自身细胞
3. 其它的微生物吸收或吞食未分解彻底的有机物

第13页：活性污泥的优势

活性污泥的优势

• ① 可以连续反复使用。好氧活性污泥由于是由有生命的微生物组成，能自我繁殖，且易于分离，而化学药剂只能一次使用，故活性污泥比化学混凝剂优越
• ② 可以降解水中的溶解性有机物，这也是物理化学方法难以做到的。泥水分离良好，出水清澈

第14页：污水处理工艺流程

污水处理工艺流程：预处理（一级处理）→ 曝气池（生物处理、二级处理、化学营养物）→ 沉淀池（污泥回流）→ 净水外排；污泥及余渣进入消化罐。

第15页：普通活性污泥法

三、好氧活性污泥法的几种处理工艺流程

1. 普通活性污泥法：好氧活性污泥法的处理工艺很多，这是最为普遍使用的活性污泥法工艺。

第16页：普通法的流程说明

废水先通过初沉池，除掉一些悬浮固体（一级处理的目的），然后进入一个有曝气装置的构筑物，活性污泥就在这种装置中将废水中的BOD降解掉（二级处理的目的），并产生新的活性污泥。当BOD降到一定程度时，混合液一起流入二次沉淀池，进行固液分离，上清液排放，沉淀下来的污泥一部分回流到曝气池中，一部分作为剩余污泥而排放。

第17页：改进型的活性污泥法

2. 改进型的活性污泥法：在普通型的基础上加以改造，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、接触氧化稳定法、分段布水推流式活性污泥法、氧化沟式活性污泥法，它们都是对普通活性污泥法的改进。

第18页：工程实例工艺图

齐鲁石化一净化车间污水处理工艺

第19页：序批式活性污泥法

3. 序批式活性污泥法

序批式活性污泥法（SBR法）是国内外近年来开发的一种活性污泥法，它的工艺特点是将曝气池与沉淀池合而为一，生化反应呈分批进行。基本周期可由进水、反应、沉降、排水和闲置五个阶段组成。

第20页：SBR法的特点

这种方法由于较其它活性污泥法构造简单，投资少、操作灵活、污泥产率低、脱氮效果好等特点越来越得到广泛的重视。

第21页：氧化塘的概念

四、氧化塘中的微生物群落及其处理废水机制

氧化塘（oxidation ponds），也叫稳定塘（stabilization ponds）或生物塘，是土地经过人工适当的修整，设围堤和防渗层的池塘，是主要依靠自然生物净化功能使污水得到净化的一种污水生物处理技术。

第22页：氧化塘的群落与机制

1. 微生物群落：藻类、细菌、霉菌、放线菌、原生动物、轮虫、线虫、浮游甲壳动物、寡毛类等。

2. 处理废水的机制

1. 稀释作用
2. 沉淀和絮凝
3. 好氧微生物的代谢作用
4. 厌氧微生物的代谢作用
5. 浮游生物的作用
6. 水生植物的作用

第23页：氧化塘的主要类型

3. 氧化塘的主要类型

1. 好氧塘
2. 兼性塘
3. 厌氧塘
4. 曝气塘

第24页：菌胶团的作用

五、菌胶团的作用

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
• 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
• 具有指示作用：通过菌胶团的颜色、透明度、数量、颗粒大小及结构的松紧程度可衡量好氧活性污泥的性能

第25页：微生物演替的指示作用

六、原生动物及微型后生动物的作用

1. 指示作用　微生物出现的先后次序是：细菌→植物性鞭毛虫→肉足类（变形虫）→动物性鞭毛虫→游泳型纤毛虫→固着型纤毛虫→轮虫。

第26页：据原生动物判断水质

（2）根据原生动物种类判断活性污泥和处理水质的好与坏

• 固着型纤毛虫、轮虫等出现，说明活性污泥正常、出水水质好
• 草履虫属、眼虫属等出现，说明活性污泥结构松散，出水水质差
• 线虫出现则说明缺氧

（3）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。

第27页：净化与促絮凝作用

2. 净化作用

• 腐生性营养的鞭毛虫通过渗透作用吸收污水中溶解性有机物
• 动物性原生动物、微型后生动物吞食有机颗粒和游离细菌及其他微小生物

3. 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使细菌发生絮凝作用
• 钟虫等固着型原生动物的尾柄周围分泌粘性物质，许多尾柄交织粘集在一起和细菌凝聚成大的絮体

第28页：间歇式曝气培养的菌种来源

七、好氧活性污泥的培养

1. 间歇式曝气培养——不同水质的活性污泥

（1）菌种来源

1. 取自污水处理厂的活性污泥
2. 取自不同水质废水处理厂的活性污泥
3. 取自相同水质废水处理厂的活性污泥
4. 取自本厂集水池或沉淀池的下脚污泥或本厂污水长期流经的河流淤泥经扩大培养后备用

第29页：污泥的驯化

（2）驯化：用间歇式曝气培养法驯化——进低浓度废水培养→曝气23h，沉淀1h，倾去上清液→再进同浓度的新鲜废水，继续曝气培养。每一浓度运行3～7d→调高一个浓度，如同前一个浓度的操作方法运行→逐级提高废水浓度，一直到原废水浓度为止。

第30页：污泥的培养与运行

（3）培养：将驯化好的活性污泥改用连续曝气培养法继续培养。

• 菌胶团结构紧密，以钟虫等固着型纤毛虫为主，有轮虫出现
• 钟虫等固着型纤毛虫大量出现

（4）运行

第31页：连续曝气培养

2. 连续曝气培养——相同水质的活性污泥

• 接种适量活性污泥，维持DO＝1mg／L左右，闷曝几天
• 以小流量进入，每调整一个流量梯度要维持一周的运行时间
• 随着进水流量逐渐增大，DO的浓度要逐渐提高
• 当进水达到设计流量时，工业废水进水BOD₅在200～300mg／L，DO维持在2～3mg／L为好；若生活污水的进水BOD₅在150～250mg／L，DO维持在1～2mg／L

第32页：好氧生物膜法

9.1.2 好氧生物膜法

生物膜法又称生物过滤法，是指使废水流过生长在固定支承物表面上的生物膜，并通过生物氧化和各相间的物质交换作用，去除废水中有机污染物的废水处理方法。

构筑物：普通滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池、生物转盘、接触氧化池。

第33页：好氧生物膜的概念

一、好氧生物膜中的微生物群落

1. 好氧生物膜：由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物黏附在生物滤池滤料上或粘附在生物转盘盘片上的一层带粘性、薄膜状的微生物混合群体，是生物膜法净化污废水的工作主体。

第34页：生物膜的群落与功能

2. 好氧生物膜中的微生物群落及其功能

第35页：好氧生物膜的结构

3. 好氧生物膜的结构：生物滤池分上、中、下层。

• 上层：全是细菌，有少数鞭毛虫
• 中层：微生物种类比上层稍多，有菌胶团、浮游球衣菌、鞭毛虫、变形虫、豆形虫、肾形虫等
• 下层：微生物种类较多，除菌胶团、浮游球衣菌外，有以钟虫为主的固着型纤毛虫和少数游泳型纤毛虫及轮虫

第36页：活性污泥法与生物滤池法对比

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37页：活性污泥膨胀的定义

9.2 活性污泥膨胀和控制对策

提问：什么是活性污泥膨胀？

正常的活性污泥颗粒体积膨胀，继而分裂为沉降性很差的小颗粒污泥，引起二沉池池面飘泥严重，出水水质急剧变差的现象。本质——污泥密度变小或黏附能力下降。分非丝状菌污泥膨胀与丝状菌污泥膨胀两类

第38页：丝状膨胀的致因微生物

9.2.1 活性污泥丝状膨胀的成因

一、活性污泥丝状膨胀的致因微生物

• 由于丝状细菌极度生长引起的活性污泥膨胀称为活性污泥丝状膨胀
• 致因微生物常见的有诺卡氏菌属、浮游球衣菌属、微丝菌属、发硫菌属、贝日阿托氏菌属等

第39页：丝状膨胀的环境因素

二、活性污泥丝状膨胀的环境因素

1. 温度
2. 溶解氧
3. 可溶性有机物及其种类
4. 有机物浓度或有机负荷
5. pH

第40页：丝状膨胀的机理

三、活性污泥丝状膨胀的机理

可用表面积与容积比假说解释：在单位体积中，呈丝状扩展生长的丝状细菌的表面积与容积之比较絮凝性菌胶团细菌的大，对有限制性的营养和环境条件的争夺占优势，絮凝性菌胶团细菌处于劣势，丝状细菌就能大量生长繁殖成优势菌，从而引起活性污泥丝状膨胀。

优势竞争表现在如下几方面：① 对DO的竞争；② 对可溶性有机物的竞争；③ 对氮、磷的竞争；④ 有机物冲击负荷影响。

第41页：控制丝状膨胀的对策

9.2.2 控制活性污泥丝状膨胀的对策

1. 控制DO：溶解氧需控制在2mg／L以上
2. 控制有机负荷：控制BOD₅污泥负荷在0.2～0.3kg／kgMLSS·d为宜
3. 改革工艺：① 活性污泥法改为生物膜法；② 可将二次沉淀池的沉淀法改为气浮法；③ 采用A－B法、A／O系统、A²／O系统、A²／O²系统及SBR法处理工艺

第42页：厌氧消化法

9.3 厌氧环境中活性污泥和生物膜的微生物群落

9.3.1 厌氧消化法——甲烷发酵

厌氧消化法是指在无氧条件下，由兼性微生物及专性厌氧微生物的作用下，将有机物降解，最终产物为二氧化碳和甲烷气的生物处理方法。

第43页：甲烷发酵的三阶段理论

9.3.1.1 甲烷发酵理论与机制

三阶段理论

1. 水解阶段：复杂有机物 ← 水解和发酵型细菌
2. 酸化阶段：简单有机物 ← 产氢、产乙酸细菌
3. 甲烷化阶段：乙酸、氢气 ← 产甲烷菌 → CH₄、CO₂

第44页：甲烷发酵的阶段图

甲烷发酵的三个阶段

第45页：产甲烷的机制

产甲烷菌产生甲烷的机制

• ① 由酸和醇的甲基形成甲烷：¹⁴CH₃COOH → ¹⁴CH₄＋CO₂；¹⁴CH₃OH → ¹⁴CH₄＋CO₂
• ② 醇氧化二氧化碳还原形成甲烷及有机酸：2CH₃CH₂OH＋¹⁴CO₂ → ¹⁴CH₄＋2CH₃COOH
• ③ 脂肪酸有时用水作还原剂或共氢体：2C₃H₇COOH＋CO₂＋H₂O → CH₄＋4CH₃COOH
• ④ 氢使二氧化碳还原形成甲烷：4H₂＋CO₂ → CH₄＋2H₂O
• ⑤ 在氢、水存在时，将一氧化碳还原形成甲烷：3H₂＋CO → CH₄＋H₂O；2H₂O＋4CO → 4CH₄＋3CO₂

第46页：厌氧活性污泥的菌种来源

9.3.1.2 厌氧活性污泥的培养

1. 厌氧活性污泥的菌种来源

1. 牛、羊、猪、鸡等禽畜粪便含有丰富的水解型细菌和产甲烷菌
2. 城市生活污水处理厂的浓缩污泥
3. 同类水质处理厂的厌氧活性污泥

2. 厌氧活性污泥的驯化与培养

第47页：厌氧活性污泥的组成和性质

3. 厌氧活性污泥的组成和性质

组成

水解细菌＋发酵细菌＋古菌＋厌氧的原生动物

性质

① 颜色呈灰色至黑色；② 具有生物吸附、降解和絮凝作用；③ 具有沉降性能；④ 直径＞0.5mm

第48页：光合细菌处理高浓度有机废水

9.3.2 光合细菌处理高浓度有机废水

• BOD₅在10000mg／L以上的高浓度有机废水可利用光合细菌（Photosynthetic Bacteria，PSB）处理
• 光合细菌是一类能进行光合作用的原核微生物的总称，除蓝细菌外，都能在厌氧光照条件下进行不产氧的光合作用
• 光合细菌：红螺菌属、红假单胞菌属和红微菌属

第49页：光合细菌处理流程

光合细菌处理高浓度有机废水的流程

第50页：含硫酸盐废水的厌氧处理

9.3.3 含硫酸盐废水的厌氧微生物处理

• 化学法降低SO₄^2－：加CaO和Ca(OH)₂生成CaSO₄沉淀可去除
• 厌氧生物处理法，即SRB法

第51页：普通消化池

9.3.4 废水厌氧生物处理设备　1. 普通消化池

第52页：升流式厌氧污泥床

2. 升流式厌氧污泥床（upflow anaerobic sludge blanket，UASB）

第53页：挡板式厌氧反应器

3. 挡板式厌氧反应器（anaerobic baffled reactor，ABR）