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2008121123260928课件

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

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1第一节

污、废水生物处理中的生态系统城市生活污水和工业废水生物处理的方法很多，根据微生物与氧的关系分为好氧处理和厌氧处理两大类。根据微生物在构筑物中处于悬浮状态或固着状态，分为活性污泥法和生物膜法。第一节

污、废水生物处理中的生态系统城市生活污水和工业废2一、好氧活性污泥法普通活性污泥法是依据水的自净作用原理发展而来的初沉池曝气池二沉池废水→→→→出水回流污泥剩余污泥一、好氧活性污泥法普通活性污泥法是依据水的自净作用原理发展3初次沉淀池曝气池二次沉淀池污泥消化池初次沉淀池曝气池二次沉淀池污泥消化池4（一）

好氧活性污泥中的微生物群落1、好氧活性污泥的组成与性质

好氧活性污泥是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物与污（废）水中有机的和无机固体物混凝交织在一起，形成的絮状体或称绒粒（floc）。（1）组成：细菌、微型动物为主体的各种好氧、兼性厌氧微生物+悬浮物质、胶体物质形成的絮状体。（2）性质：含水率99%，密度1.002-1.006，pH6.7，绒粒大小0.02-0.2mm，比表面积20-100cm2/ml。2、好氧活性污泥的存在状态：完全混合式：悬浮状态，均匀分布推流式：不均匀分布，随推流方向微生物种类依次增多（一）

好氧活性污泥中的微生物群落2、好氧活性污泥的存在53、好氧活性污泥中微生物群落活性污泥的结构和功能的中心是能起絮凝作用的细菌形成的菌胶团，其上生长着各种类型的微生物，形成一个微生物群落。（1）细菌：活性污泥主要成分是细菌，来源于土壤、水、空气。某些属出现频率很高，尤其是动胶菌属和假单胞菌属。此外还有一类丝状细菌存在，如球衣菌属、发硫菌、贝氏硫菌属。它们大多数是化能异养菌，以有机质为主要营养源，好氧或兼性厌氧，以G-占优势。许多菌具有荚膜或微荚膜，部分细菌有纤毛，与絮状体形成密切相关。3、好氧活性污泥中微生物群落（1）细菌：活性污泥主要成分是细6动胶菌属动胶菌属7球衣菌属球衣菌属8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2008121123260928课件9（2）真菌：主要为丝状真菌，有毛霉、根霉、曲霉、青霉、镰刀霉、木霉、地霉等。霉菌常出现在pH低的废水中。真菌在活性污泥中不占重要地位，其作用估计与絮状水体形成及膨胀有关。（3）微型动物：原生动物和少数多细胞动物，原生动物占总数90%。数量种类与污水的类型不同而不同，生活污水中原生动物量大于工业废水。以纤毛虫纲占优势，多细胞动物有轮虫、颤蚓、线虫等。原生动物在废水净化中的作用仅次于细菌。（4）藻类：较少，有绿藻如小球藻属，蓝细菌颤藻属。（2）真菌：主要为丝状真菌，有毛霉、根霉、曲霉、青霉、镰刀霉104、好氧活性污泥中微生物浓度和数量浓度常用1升活性污泥混合液中恒重的干固体mg数表示，即MLSSmixedliquorsuspendedsolids——混合液悬浮固体。一般生活污水MLSS2000-3000mg/L工业废水MLSS3000mg/L高浓度工业废水MLSS3000-5000mg/L1ml污泥中细菌数107-108个4、好氧活性污泥中微生物浓度和数量11（二）活性污泥净化废水的作用机理净化作用过程：1、吸附：废水与活性污泥充分接触，形成悬浊混合液，污染物被比表面积大的絮凝性微生物吸附。2、胞外分解和吸收：呈胶态的大分子有机物被吸附后，首先被微生物分泌的胞外水解酶分解为小分子物质，这些小分子物质与溶解性有机物一起在透膜酶作用下或在浓度梯度推动下选择性吸收入胞。在细菌内氧化分解，中间代谢物被其他细菌吸收无机化为水和二氧化碳。3、其他微生物吸收或吞食未分解的有机物4、凝聚、沉淀：絮状体的作用（二）活性污泥净化废水的作用机理净化作用过程：12（三）好氧活性污泥法的几种处理工艺流程（1）推流式曝气法：

采用长方形曝气池，处理时废水与活性污泥从曝气池一端同时进入，经曝气机的推流作用，原污水与活性污泥向前推进到末端。该法BOD和悬浮物的去除率达90-95%，适用于处理水质要求高水质比较稳定的废水。缺点：对水质变化的适应能力不强；所供氧不能充分利用，前端需氧量大后端相反，但空气是沿池平均分布的；曝气池相对庞大，占地多，能耗高。（三）好氧活性污泥法的几种处理工艺流程缺点：13（4）分段布水推流式曝气法也称多点进水曝气法。废水沿池多点进入，使有机物在曝气池中分布均匀。（3）接触氧化稳定法也称吸附再生法。曝气池分为接触氧化池（吸附池）和稳定池（再生池）。废水先进入接触氧化池，充分混合后进入沉淀池，回流污泥进入稳定池，曝气但不加废水，使活性污泥中有机物进一步分解。（2）完全混合式曝气法原污水、回流污泥进入曝气池后立即与池内原有的混合液充分混合。池内水质均匀，各部分工作情况基本一样。缺点主要是出水水质上往往不及推流式。（4）分段布水推流式曝气法（3）接触氧化稳定法（2）完全混合14（5）氧化沟连续环式反应池，因其构筑物呈封闭的沟渠形而得名。平面上多为椭圆或圆形。具有特殊的水流混合特征，介于推流式和完全混合式之间。适合处理高浓度有机废水。污泥产量少，能耗低。（5）氧化沟15（四）氧化塘（或氧化沟）的生物群落及其处理废水机制氧化塘就是利用天然池塘、河堤、洼地来治理污染。在塘内形成藻类、好氧性细菌和原生动物组成共生系统，使废水得到净化。

（四）氧化塘（或氧化沟）的生物群落及其处理废水机制

161、微生物群落（1）藻类：表层是藻类，如小球藻、栅列藻、衣藻、裸藻、颤藻等。（2）细菌：存在下层。优势菌群：假单胞菌、黄杆菌、产碱杆菌、芽孢杆菌、光合细菌等，在底部厌氧层有硫酸盐还原菌、产甲烷菌等。（3）微型动物：主要是纤毛虫，一般有钟虫、膜袋虫等种类，最高1000个/ml。还有轮虫、甲壳类、摇蚊幼虫（底泥中）1、微生物群落172、

处理机制利用细菌与藻类的互生关系来分解有机污染物的废水处理系统。2、处理机制18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2008121123260928课件19（五）菌胶团的作用定义：广义讲，将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成的菌胶团块都称为菌胶团。形成菌胶团的主要细菌是动胶菌，有的种胞外有荚膜，在污水中可凝聚成肉眼可见的絮状物。此外该菌有胞外小纤毛能将絮状物中的细胞交织在一起，这种交织作用使许多细胞互相粘连形成最初的活性污泥凝聚体。（五）菌胶团的作用20作用：1、

很强的生物吸附和氧化分解有机物的能力2、

为原生动物提供良好的生存环境3、

为原生动物、微型动物提供附着场所4、

具有指示作用作用：21（六）原生动物及微型后生动物的作用1、指示作用：原因在于原生动物是较高等动物，耐毒力比细菌好，对环境因素改变比较敏感，环境条件改变可引起它们种群、数量及代谢活力的变化；个体大，在低倍镜下可见便于观察。（1）判断污水处理程度：（六）原生动物及微型后生动物的作用1、指示作用：原因在于原22（2）指示污泥性质和好坏：

正常污泥：钟虫属、累枝虫属、盖虫属等固着性或匍匐性种数

污泥恶化：絮凝体0.1-0.2mm以下，优势种属有豆形虫、草履虫、眼虫、波豆虫属等快速游泳型种属。严重恶化时微型动物几乎不出现。

污泥膨胀：摄食丝状菌的裸口目旋毛科、全毛类原生动物及拟轮毛虫等。

污泥解体：絮凝体细小，针状分解。优势种为变形虫属、简便虫属等肉足类。（2）指示污泥性质和好坏：23（3）指示水质变化和运行中出现的问题形态变化：环境条件恶劣时——形成孢囊；pH超过正常范围——钟虫纤毛停止摆动，虫体收缩成团

生殖方式：出现有性生殖时往往预示环境条件变差或种群处于衰老期。优势种变化：高负荷，曝气不足——小鞭毛虫；水停留时间过短——小的游泳型纤毛虫；很高负荷及难降解物——小裸变形虫和鞭毛虫；溶氧不足——阿托氏菌属、扭头虫属和新态虫属过分曝气——肉足类及轮虫类。（3）指示水质变化和运行中出现的问题242、净化作用

腐生性营养的某些鞭毛虫通过渗透作用吸收污水中溶解性有机物；动物性营养的原生动物可吞食有机颗粒和游离细菌，利于净化水质。3、絮凝和沉淀作用原生动物可以分泌一定的粘液协同和促进细菌发生絮凝作用。（4）指示细菌活力：小口钟虫在细菌生长活跃旺盛的对数期出现，沟钟虫需要细菌的代谢副产物，出现在细菌生长的衰老期2、净化作用3、絮凝和沉淀作用（4）指示细菌活力：小口钟虫在25（七）好氧活性污泥的培养1、间歇式曝气培养（1）菌种来源：污水处理厂的活性污泥；工厂集水池或沉淀池污泥或污水流经的河流淤泥。（2）驯化：倾去上清液，加入同浓度新鲜废水调高1个浓度低浓度废水培养重复操作曝气23h沉淀1h重复3-7天原废水浓度（七）好氧活性污泥的培养1、间歇式曝气培养倾去上清液，26（3）培养：改用连续曝气培养法培养，用镜检和化学测定分析判断活性污泥的成熟度，若菌胶团结构紧密，原生动物以钟虫等固着型纤毛虫为主，沉降性能好，说明进入成熟期。2、连续曝气培养

用现成的与本厂相同水质处理厂的活性污泥做菌种可直接用连续曝气培养。接种小流量进水增加一个浓度梯度设计流量闷曝运行一周（3）培养：改用连续曝气培养法培养，用镜检和化学测定分析判断27

二、好氧生物膜法

28主要类型：

生物滤池：普通生物滤池；高负荷生物滤池；塔式生物滤池

生物转盘

生物接触氧化法（淹没式生物滤池）

主要类型：29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2008121123260928课件30生物转盘生物转盘31（一）生物膜中的微生物群落1、好氧生物膜：由各种微生物组成的，附着在各种支撑体上的一层粘性固定化薄膜。是生物膜法处理系统的工作主体，厚约2-3mm，一般呈蓬松的絮状结构，微孔很多，表面积很大，因此有很强的吸附作用，利于微生物进一步对这些吸附的有机物的分解。（一）生物膜中的微生物群落322、好氧生物膜中的微生物群落及其功能（1）生物膜生物：细菌：以动胶菌为主，其他的还有好氧的芽孢杆菌属、不动杆菌属，专性厌氧的脱硫弧菌属等。另一主要的细菌是丝状细菌。在生物膜中丝状细菌不会引起膨胀，特别是球衣细菌降解有机物能力非常强，在净化废水中起重要作用。此外，丝状菌大量生长，菌丝体交叉粘连形成网状结构，对水流起到过滤作用。真菌：种类和数量都很丰富，约30%是真菌藻类：在生物滤池上部，藻类的主要作用是向生物膜供氧2、好氧生物膜中的微生物群落及其功能真菌：种类和数量都33（2）生物膜面生物固着型纤毛虫：钟虫、独缩虫、累枝虫属；游泳型纤毛虫：豆形虫、尖毛虫等。它们是动物中的主要类群，其优势种随生物膜营养物质和其他环境条件变化而更替，可作为水处理的指示生物。能促进滤池净化速度，提高滤池整体的处理效率。（3）滤池扫除生物体形较大的无脊椎动物如轮虫、线虫，环节动物门的瓢体虫、沙蚕，节肢动物水螨，软体动物蜗牛等，去除滤池中的污泥，防止污泥积聚和堵塞。（2）生物膜面生物（3）滤池扫除生物343、好氧生物膜的结构生物滤池中的生物膜分为水层、好氧层、厌氧层

上层：营养浓度高，主要是细菌，少数鞭毛虫中层：废水中的营养物，微生物代谢产物，种类较多，有菌胶团、浮游球衣菌、鞭毛虫、变形虫、肾形虫等下层：有机物浓度低，低分子有机物较多。菌胶团、浮游球衣菌、固着型纤毛虫，少数游泳型纤毛虫。3、好氧生物膜的结构354、净化作用机理4、净化作用机理36（二）好氧生物膜的培养——挂膜1、自然挂膜法

将带有自然菌种的工业废水用泵慢速打入空的生物滤池中，循环3-7后改为慢速连续进水。在这过程中，废水中的自然菌种和空气微生物附在滤料上，逐渐形成一层粘性的微生物薄膜，当进水流量达到设计值时，滤池由上而下形成正常分层的微生物相就可以进行正式运行。2、活性污泥挂膜法取处理生活污水或处理工业废水的活性污泥做菌种3、优势菌种挂膜法从自然环境或废水处理中筛选分离得到对某种工业废水有强降解能力的菌株，还可以是遗传育种或基因工程菌。（二）好氧生物膜的培养——挂膜3、优势菌种挂膜法37第二节活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀控制对策第二节活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀控制对策38正常的活性污泥沉降性能很好，但当活性污泥性能发生变化，比重减轻，SVI值增加时，污泥会因结构松散而造成沉降困难，在二次沉淀池中出现池面飘泥现象，污泥随出水排出，使出水有机物浓度增高，这一现象称为污泥膨胀。污泥膨胀有两种：丝状膨胀——丝状细菌引起；菌胶团膨胀——非丝状细菌引起。都可用SVI（Sludgevolumeindex）衡量，当SVI大于200ml/g时表示发生膨胀，小于200为正常，通常在50-150，最好是100。正常的活性污泥沉降性能很好，但当活性污泥性能发生变39一、活性污泥丝状膨胀的成因（一）致因微生物最常出现的有10几种，如诺卡氏菌、微丝菌、浮游球衣菌、发硫菌等。除了常见的丝状细菌外，也包括某些放线菌、丝状真菌以及在一定生活阶段或一定条件下，菌体能集合成链状的芽孢杆菌属、埃希氏菌属、黄杆菌属、假单胞菌属的某些菌株。（二）活性污泥丝状膨胀的成因1、温度：菌胶团细菌如动胶菌最适生长温度28-30℃，浮游球衣菌是25-30℃，两者差别不大，但浮游球衣菌是微量好氧能竞争生长。一、活性污泥丝状膨胀的成因（二）活性污泥丝状膨胀的成因402、溶解氧菌胶团细菌是严格好氧的，浮游球衣菌是好氧菌但在微氧条件下也能正常生长。贝日阿托氏菌、发硫菌在0.5mg/L时生长最好。3、可溶性有机物及其种类丝状细菌能吸收可溶性有机物，尤其是低分子的糖类和有机酸，厌氧条件下有机物不彻底分解产生有机酸，使丝状细菌大量生长。2、溶解氧414、有机物浓度（有机负荷）

浮游球衣菌较能适应贫营养的生长条件，在C、N含量较低的条件下能良好生长。在生活污水和食品类有机废水中BOD5100-200mg/L，浮游细菌可呈优势生长，数量超过60%，使污泥发生膨胀。动胶菌适于营养较丰富的条件，对碳源利用率高，C：N大于10呈絮状生长，小于10-5则分散生长。4、有机物浓度（有机负荷）42（三）活性污泥丝状膨胀的机理

表面积/容积比假设：在单位体积中，丝状细菌的表面积与容积比较菌胶团细菌大，对有限制性的营养和环境条件的争夺占优势，大量生长成为优势菌引起活性污泥膨胀，两者的优势竞争在于以下方面：1、对溶解氧的竞争：氧充分条件下好氧的动胶菌生长良好。如果曝气池溶解氧长期维持在低水平，利于丝状细菌的优势生长。2、可溶性有机物的竞争：低分子糖类和有机酸利于丝状细菌的生长（三）活性污泥丝状膨胀的机理1、对溶解氧的竞争：氧充分条件下434、有机物冲击负荷的影响如果曝气池中有机物浓度突然增加，供氧量不变，由于好氧生物的呼吸作用迅速消耗溶解氧，利于丝状细菌的生长。3、对C、N的竞争营养物浓度较低时，利于丝状菌生长而且还可蓄积营养物，更进一步抑制动胶菌的生长。4、有机物冲击负荷的影响3、对C、N的竞争441、控制溶解氧

保持曝气池内有足够的溶解氧（>2mg/L），可在曝气池中用强化曝气、射流曝气等方法控制高负荷下的污泥膨胀。2、控制有机负荷

有机负荷可用容积负荷表示，即单位反应器容积每日接受的废水中有机污染物的量。污染负荷在0.2-0.3kgBOD/kgMLSS.d为宜。二、控制活性污泥丝状膨胀的对策根本在于控制引起丝状细菌过度生长的环境因子。1、控制溶解氧二、控制活性污泥丝状膨胀的对策453、改革工艺（1）投加某种物质来增加污泥的比重或杀灭丝状菌

投加铁盐、铝盐等混凝剂，可以通过其凝聚作用增加活性污泥的比重。丝状菌的比表面积大，遇到有害化学药剂时，遭受破坏的主要是丝状菌，常用的化学药剂是氯气，投加臭氧、过氧化氢也能起作用。（2）采用新工艺：将活性污泥法改用生物膜法。A-B（吸附生物降解法，adsorptionbiodegradtion）、A/O（anoxic-oxic）法、A2/O、A2/O2、SBR法等。3、改革工艺46第三节

厌氧环境中活性污泥和生物膜的

微生物群落第三节

厌氧环境中活性污泥和生物膜的

微生物群落47当废水有机物浓度较高时（一般BOD5大于1500mg/L），一般的活性污泥和生物膜法都难以处理只有采用厌氧消化法解决。

当废水有机物浓度较高时（一般BOD5大于1500mg/48沼气池猪、沼、草（菜、渔、林）、猪的生态模式养殖场废水利用沼液灌溉牧草沼气池猪、沼、草（菜、渔、林）、猪的生态模式养殖场废水49优点：1、

处理1kgCOD可产生0.35m3甲烷——沼气2、

处理设备负荷高，占地少3、

对营养物的需求量少：COD：N：P=350-500：5：1,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4、

运行经费经济，污泥量少。

不足：1、处理时间长；2、出水的有机物浓度高于好氧处理；3、处理过程中产生臭气和有色物质4、对温度变化和有毒物质较为敏感优点：不足：50废水调节池热交换器↑37℃厌氧活性污泥反应器沉淀池出水回流污泥剩余污泥一、厌氧消化——甲烷发酵工艺：废水调节池热交换器↑37℃厌氧活性沉淀池出水回流污泥剩余污泥51消化池：单级低效、单级高效、两级（相）消化2级(平流沉淀+厌氧污泥消化)消化池：单级低效、单级高效、两级（相）消化2级(平流沉淀+厌52反应器：基于微生物固定化原理设计，污泥浓度高，反应快速。如厌氧滤器，上流式厌氧污泥反应器（UASB）。influent污泥沉降沼气阻挡收集effluent反应器：基于微生物固定化原理设计，污泥浓度高，反应快速。如厌53微生物群落：分解蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素的专性或兼性厌氧菌；专性厌氧的产甲烷菌（一）甲烷发酵理论与机制1、水解阶段：高分子有机物被细菌胞外酶分解为小分子，其水解产物能溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。微生物群落主要是水解、发酵性细菌。2、产乙酸阶段：前一阶段产物被产乙酸细菌转化为乙酸、H2、CO2。微生物群落为产氢产乙酸细菌，碳酸盐还原菌。3、产甲烷阶段：两种途径。一是氢的氧化和二氧化碳还原成甲烷，占28%，二是乙酸盐裂解，剩下的甲基还原为甲烷，占72%。4、同型产乙酸阶段：由同型产乙酸细菌将H2、CO2转化为乙酸。微生物群落：分解蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素的专性或兼性厌氧菌54复杂有机物1水解发酵脂肪酸

乙酸H2+CO22产乙酸CH4+CO23产甲烷3产甲烷复杂有机物1水解发酵脂肪酸乙酸H2+CO22产乙酸55产甲烷机制：1、酸和醇的甲基形成甲烷：CH3COOH→CH4+CO2

4CH3OH→3CH4+CO2+2H2O3、水还原脂肪酸产生CH42C3H7COOH+CO2+2H2O→CH4+4CH3COOH2、由醇的氧化使CO2还原成CH4、有机酸2CH3CH2OH+14CO2→14CH4+2CH3COOH2C3H7CH2OH+14CO2→14CH4+2C3H7COOH4、H2还原CO2为CH44H2+CO2→CH4+2H2O5、H2或H2O将CO还原为CH4.3H2+CO→CH4+H2O2H2O+4CO→CH4+3CO2产甲烷机制：3、水还原脂肪酸产生CH42、由醇的氧化使CO256（二）厌氧活性污泥的培养

1、菌种来源：牲畜粪便；生活污水处理厂的浓缩污泥；同类水质处理厂的厌氧污泥。2、驯化与培养：驯化过程与活性污泥法类似。培养进水量由小到大，逐步提高浓度。成熟的厌氧活性污泥呈颗粒状，也称颗粒污泥。由于产甲烷菌生长速度慢，所以颗粒污泥驯化、培养时间较长。（二）厌氧活性污泥的培养1、菌种来源：牲畜粪便；生活污水处理573、颗粒污泥的组成与性质

微生物组成：水解菌、发酵菌、产乙酸菌、产甲烷菌（氢营养型、乙酸营养型）、厌氧原生动物，这些微生物在颗粒污泥内生长、繁殖，相互提供营养，菌丝交错相互接合形成复杂的菌群结构。3、颗粒污泥的组成与性质58物理性质：

形状：相对规则的球形或椭圆形，边缘清晰，直径0.14-5mm，最大7mm颜色：黑色或灰色密度：1.030-1.080之间表面特征：有许多孔隙和空洞沉降性能：不良——18-20m/h；良好——18-50m/h（典型值）；很好——50-100m/h。物理性质：59化学性质：一般含碳40.5%，氢7%，N-10%（1）

无机灰分含量因生长基质的不同差异较大，8-66%。灰分的增加将提高颗粒污泥密度，过高导致孔隙率降低，主要元素有Fe、Ca、Si、P、S，Ca可促进颗粒化形成。（2）胞外多聚物在一些细菌表面常有一层薄薄的粘液层，即胞外多聚物，主要是胞外聚多糖和蛋白质，与好氧污泥分泌物不同（碳水化合物），但好氧产量高4-7倍。ECP与颗粒污泥的形成有密切关系，可以改变细菌的表面电荷和能量引起细菌的凝聚。化学性质：一般含碳40.5%，氢7%，N-10%604、颗粒污泥的形成机制颗粒的形成过程由多个阶段组成：细菌与基体（细菌、有机无机材料）的吸引粘连过程；微生物聚集体的形成；成熟污泥的形成。细菌与基体的吸引粘连过程是颗粒污泥的形成开始阶段，也是决定污泥结构的重要阶段。Ca2+、Mg2+的电荷中和作用以及ECP可以降低排斥位能，促进细菌向基体接近，然后通过细菌的附属物如菌丝或ECP将细菌粘接到基体上，随着粘接到基体上的细菌数目的增加形成各种微生物的聚集体。4、颗粒污泥的形成机制细菌与基体的吸引粘连过程是颗61微生物聚集体的形成

相互聚集在一起形成具有框架结构的内核，从而使产乙酸菌及氢营养菌附着其上，最后是发酵性细菌（产酸菌及其他氢营养菌）在外围生长，形成颗粒污泥。微生物聚集体的形成62不同工艺中形成的颗粒污泥形成过程、结构有所不同：单相厌氧消化法：含有厌氧降解过程中的所有细菌两相厌氧消化法：废水处理在两个不同的反应器中依次完成：进行水解和酸化的酸化反应器、产乙酸和产甲烷的甲烷反应器。不同反应器中，污泥细菌的组成区别很大。前者中基本是水解发酵菌、少量产甲烷菌；后者主要是产甲烷菌和少量产氢产甲烷菌。不同工艺中形成的颗粒污泥形成过程、结构有所不同：63二、光合细菌处理高浓度有机废水BOD5>10，000mg/L高浓度有机废水可用有机光合细菌（PhotosynthicBacteria，PSB）处理。PSB法的工艺流程：1、可溶化处理：PSB只能利用低分子化合物，因此要先用水解性细菌将大分子化合物水解成小分子化合物。2、由光合细菌将小分子化合物进一步降解，大幅度降低有机物浓度3、用藻类或好氧处理法使废水达到排放标准。PSB法的关键在于可溶化处理和保持系统中PSB为优势菌群。二、光合细菌处理高浓度有机废水PSB法的工艺流程：64目前可用于有机废水处理的PSB主要是红螺菌科的红螺菌属、红假单胞菌属和红微菌属，含有菌绿素a、b和类胡萝卜素，使细胞呈棕红、淡红或紫红色。

目前可用于有机废水处理的PSB主要是红螺菌科的红螺65PSB能在厌氧光照条件下以各种小分子有机物作为光合作用的电子供体，进行光能异样生长，也能在好氧黑暗条件下进行好氧异养生长，因此PSB既不象活性污泥法中的好氧污泥菌受水中溶解氧浓度的限制，即使是微弱的光源也能进行厌氧的能量代谢，又不象严格厌氧的产甲烷菌对氧的存在十分敏感，在有氧条件下仍能分解有机物PSB能在厌氧光照条件下以各种小分子有机物作为66

优点：（1）有机负荷高（2）设备规模小，占地面积小（3）易于管理（4）除氮效果好（5）产生的菌体可以综合利用缺点：（1）需要不断添加菌体（2）菌体细胞自然沉降困难（3）出水还需进一步处理优点：缺点：67三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理去除硫酸盐的目的：厌氧消化中SRB与产甲烷菌存在竞争：（1）对氢的竞争利用:SRB和产甲烷菌都能用氢做底物，且SRB生长较快，有较好的底物亲和力，在对氢利用上SRB比产甲烷菌强，假如有足够的硫酸盐，所有的氢都可被SRB利用，使产甲烷菌无法利用氢还原二氧化碳为甲烷。（2）对乙酸的竞争：乙酸是厌氧消化中最重要的中间产物，约70%COD由此降解。从细菌生长动力学上看SRB比产甲烷菌更有效利用乙酸，特别是在低浓度下。三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理68去除硫酸盐的微生物处理：SRB法。利用SRB的硫酸盐还原作用，将硫酸盐还原成硫化氢，从水中溢出，用盛有氢氧化钠的吸收塔吸收硫化氢。去除硫酸盐的微生物处理：SRB法。利用SRB的硫酸盐69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

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70第一节

污、废水生物处理中的生态系统城市生活污水和工业废水生物处理的方法很多，根据微生物与氧的关系分为好氧处理和厌氧处理两大类。根据微生物在构筑物中处于悬浮状态或固着状态，分为活性污泥法和生物膜法。第一节

污、废水生物处理中的生态系统城市生活污水和工业废71一、好氧活性污泥法普通活性污泥法是依据水的自净作用原理发展而来的初沉池曝气池二沉池废水→→→→出水回流污泥剩余污泥一、好氧活性污泥法普通活性污泥法是依据水的自净作用原理发展72初次沉淀池曝气池二次沉淀池污泥消化池初次沉淀池曝气池二次沉淀池污泥消化池73（一）

好氧活性污泥中的微生物群落1、好氧活性污泥的组成与性质

好氧活性污泥是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物与污（废）水中有机的和无机固体物混凝交织在一起，形成的絮状体或称绒粒（floc）。（1）组成：细菌、微型动物为主体的各种好氧、兼性厌氧微生物+悬浮物质、胶体物质形成的絮状体。（2）性质：含水率99%，密度1.002-1.006，pH6.7，绒粒大小0.02-0.2mm，比表面积20-100cm2/ml。2、好氧活性污泥的存在状态：完全混合式：悬浮状态，均匀分布推流式：不均匀分布，随推流方向微生物种类依次增多（一）

好氧活性污泥中的微生物群落2、好氧活性污泥的存在743、好氧活性污泥中微生物群落活性污泥的结构和功能的中心是能起絮凝作用的细菌形成的菌胶团，其上生长着各种类型的微生物，形成一个微生物群落。（1）细菌：活性污泥主要成分是细菌，来源于土壤、水、空气。某些属出现频率很高，尤其是动胶菌属和假单胞菌属。此外还有一类丝状细菌存在，如球衣菌属、发硫菌、贝氏硫菌属。它们大多数是化能异养菌，以有机质为主要营养源，好氧或兼性厌氧，以G-占优势。许多菌具有荚膜或微荚膜，部分细菌有纤毛，与絮状体形成密切相关。3、好氧活性污泥中微生物群落（1）细菌：活性污泥主要成分是细75动胶菌属动胶菌属76球衣菌属球衣菌属77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2008121123260928课件78（2）真菌：主要为丝状真菌，有毛霉、根霉、曲霉、青霉、镰刀霉、木霉、地霉等。霉菌常出现在pH低的废水中。真菌在活性污泥中不占重要地位，其作用估计与絮状水体形成及膨胀有关。（3）微型动物：原生动物和少数多细胞动物，原生动物占总数90%。数量种类与污水的类型不同而不同，生活污水中原生动物量大于工业废水。以纤毛虫纲占优势，多细胞动物有轮虫、颤蚓、线虫等。原生动物在废水净化中的作用仅次于细菌。（4）藻类：较少，有绿藻如小球藻属，蓝细菌颤藻属。（2）真菌：主要为丝状真菌，有毛霉、根霉、曲霉、青霉、镰刀霉794、好氧活性污泥中微生物浓度和数量浓度常用1升活性污泥混合液中恒重的干固体mg数表示，即MLSSmixedliquorsuspendedsolids——混合液悬浮固体。一般生活污水MLSS2000-3000mg/L工业废水MLSS3000mg/L高浓度工业废水MLSS3000-5000mg/L1ml污泥中细菌数107-108个4、好氧活性污泥中微生物浓度和数量80（二）活性污泥净化废水的作用机理净化作用过程：1、吸附：废水与活性污泥充分接触，形成悬浊混合液，污染物被比表面积大的絮凝性微生物吸附。2、胞外分解和吸收：呈胶态的大分子有机物被吸附后，首先被微生物分泌的胞外水解酶分解为小分子物质，这些小分子物质与溶解性有机物一起在透膜酶作用下或在浓度梯度推动下选择性吸收入胞。在细菌内氧化分解，中间代谢物被其他细菌吸收无机化为水和二氧化碳。3、其他微生物吸收或吞食未分解的有机物4、凝聚、沉淀：絮状体的作用（二）活性污泥净化废水的作用机理净化作用过程：81（三）好氧活性污泥法的几种处理工艺流程（1）推流式曝气法：

采用长方形曝气池，处理时废水与活性污泥从曝气池一端同时进入，经曝气机的推流作用，原污水与活性污泥向前推进到末端。该法BOD和悬浮物的去除率达90-95%，适用于处理水质要求高水质比较稳定的废水。缺点：对水质变化的适应能力不强；所供氧不能充分利用，前端需氧量大后端相反，但空气是沿池平均分布的；曝气池相对庞大，占地多，能耗高。（三）好氧活性污泥法的几种处理工艺流程缺点：82（4）分段布水推流式曝气法也称多点进水曝气法。废水沿池多点进入，使有机物在曝气池中分布均匀。（3）接触氧化稳定法也称吸附再生法。曝气池分为接触氧化池（吸附池）和稳定池（再生池）。废水先进入接触氧化池，充分混合后进入沉淀池，回流污泥进入稳定池，曝气但不加废水，使活性污泥中有机物进一步分解。（2）完全混合式曝气法原污水、回流污泥进入曝气池后立即与池内原有的混合液充分混合。池内水质均匀，各部分工作情况基本一样。缺点主要是出水水质上往往不及推流式。（4）分段布水推流式曝气法（3）接触氧化稳定法（2）完全混合83（5）氧化沟连续环式反应池，因其构筑物呈封闭的沟渠形而得名。平面上多为椭圆或圆形。具有特殊的水流混合特征，介于推流式和完全混合式之间。适合处理高浓度有机废水。污泥产量少，能耗低。（5）氧化沟84（四）氧化塘（或氧化沟）的生物群落及其处理废水机制氧化塘就是利用天然池塘、河堤、洼地来治理污染。在塘内形成藻类、好氧性细菌和原生动物组成共生系统，使废水得到净化。

（四）氧化塘（或氧化沟）的生物群落及其处理废水机制

851、微生物群落（1）藻类：表层是藻类，如小球藻、栅列藻、衣藻、裸藻、颤藻等。（2）细菌：存在下层。优势菌群：假单胞菌、黄杆菌、产碱杆菌、芽孢杆菌、光合细菌等，在底部厌氧层有硫酸盐还原菌、产甲烷菌等。（3）微型动物：主要是纤毛虫，一般有钟虫、膜袋虫等种类，最高1000个/ml。还有轮虫、甲壳类、摇蚊幼虫（底泥中）1、微生物群落862、

处理机制利用细菌与藻类的互生关系来分解有机污染物的废水处理系统。2、处理机制87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2008121123260928课件88（五）菌胶团的作用定义：广义讲，将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成的菌胶团块都称为菌胶团。形成菌胶团的主要细菌是动胶菌，有的种胞外有荚膜，在污水中可凝聚成肉眼可见的絮状物。此外该菌有胞外小纤毛能将絮状物中的细胞交织在一起，这种交织作用使许多细胞互相粘连形成最初的活性污泥凝聚体。（五）菌胶团的作用89作用：1、

很强的生物吸附和氧化分解有机物的能力2、

为原生动物提供良好的生存环境3、

为原生动物、微型动物提供附着场所4、

具有指示作用作用：90（六）原生动物及微型后生动物的作用1、指示作用：原因在于原生动物是较高等动物，耐毒力比细菌好，对环境因素改变比较敏感，环境条件改变可引起它们种群、数量及代谢活力的变化；个体大，在低倍镜下可见便于观察。（1）判断污水处理程度：（六）原生动物及微型后生动物的作用1、指示作用：原因在于原91（2）指示污泥性质和好坏：

正常污泥：钟虫属、累枝虫属、盖虫属等固着性或匍匐性种数

污泥恶化：絮凝体0.1-0.2mm以下，优势种属有豆形虫、草履虫、眼虫、波豆虫属等快速游泳型种属。严重恶化时微型动物几乎不出现。

污泥膨胀：摄食丝状菌的裸口目旋毛科、全毛类原生动物及拟轮毛虫等。

污泥解体：絮凝体细小，针状分解。优势种为变形虫属、简便虫属等肉足类。（2）指示污泥性质和好坏：92（3）指示水质变化和运行中出现的问题形态变化：环境条件恶劣时——形成孢囊；pH超过正常范围——钟虫纤毛停止摆动，虫体收缩成团

生殖方式：出现有性生殖时往往预示环境条件变差或种群处于衰老期。优势种变化：高负荷，曝气不足——小鞭毛虫；水停留时间过短——小的游泳型纤毛虫；很高负荷及难降解物——小裸变形虫和鞭毛虫；溶氧不足——阿托氏菌属、扭头虫属和新态虫属过分曝气——肉足类及轮虫类。（3）指示水质变化和运行中出现的问题932、净化作用

腐生性营养的某些鞭毛虫通过渗透作用吸收污水中溶解性有机物；动物性营养的原生动物可吞食有机颗粒和游离细菌，利于净化水质。3、絮凝和沉淀作用原生动物可以分泌一定的粘液协同和促进细菌发生絮凝作用。（4）指示细菌活力：小口钟虫在细菌生长活跃旺盛的对数期出现，沟钟虫需要细菌的代谢副产物，出现在细菌生长的衰老期2、净化作用3、絮凝和沉淀作用（4）指示细菌活力：小口钟虫在94（七）好氧活性污泥的培养1、间歇式曝气培养（1）菌种来源：污水处理厂的活性污泥；工厂集水池或沉淀池污泥或污水流经的河流淤泥。（2）驯化：倾去上清液，加入同浓度新鲜废水调高1个浓度低浓度废水培养重复操作曝气23h沉淀1h重复3-7天原废水浓度（七）好氧活性污泥的培养1、间歇式曝气培养倾去上清液，95（3）培养：改用连续曝气培养法培养，用镜检和化学测定分析判断活性污泥的成熟度，若菌胶团结构紧密，原生动物以钟虫等固着型纤毛虫为主，沉降性能好，说明进入成熟期。2、连续曝气培养

用现成的与本厂相同水质处理厂的活性污泥做菌种可直接用连续曝气培养。接种小流量进水增加一个浓度梯度设计流量闷曝运行一周（3）培养：改用连续曝气培养法培养，用镜检和化学测定分析判断96

二、好氧生物膜法

97主要类型：

生物滤池：普通生物滤池；高负荷生物滤池；塔式生物滤池

生物转盘

生物接触氧化法（淹没式生物滤池）

主要类型：98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2008121123260928课件99生物转盘生物转盘100（一）生物膜中的微生物群落1、好氧生物膜：由各种微生物组成的，附着在各种支撑体上的一层粘性固定化薄膜。是生物膜法处理系统的工作主体，厚约2-3mm，一般呈蓬松的絮状结构，微孔很多，表面积很大，因此有很强的吸附作用，利于微生物进一步对这些吸附的有机物的分解。（一）生物膜中的微生物群落1012、好氧生物膜中的微生物群落及其功能（1）生物膜生物：细菌：以动胶菌为主，其他的还有好氧的芽孢杆菌属、不动杆菌属，专性厌氧的脱硫弧菌属等。另一主要的细菌是丝状细菌。在生物膜中丝状细菌不会引起膨胀，特别是球衣细菌降解有机物能力非常强，在净化废水中起重要作用。此外，丝状菌大量生长，菌丝体交叉粘连形成网状结构，对水流起到过滤作用。真菌：种类和数量都很丰富，约30%是真菌藻类：在生物滤池上部，藻类的主要作用是向生物膜供氧2、好氧生物膜中的微生物群落及其功能真菌：种类和数量都102（2）生物膜面生物固着型纤毛虫：钟虫、独缩虫、累枝虫属；游泳型纤毛虫：豆形虫、尖毛虫等。它们是动物中的主要类群，其优势种随生物膜营养物质和其他环境条件变化而更替，可作为水处理的指示生物。能促进滤池净化速度，提高滤池整体的处理效率。（3）滤池扫除生物体形较大的无脊椎动物如轮虫、线虫，环节动物门的瓢体虫、沙蚕，节肢动物水螨，软体动物蜗牛等，去除滤池中的污泥，防止污泥积聚和堵塞。（2）生物膜面生物（3）滤池扫除生物1033、好氧生物膜的结构生物滤池中的生物膜分为水层、好氧层、厌氧层

上层：营养浓度高，主要是细菌，少数鞭毛虫中层：废水中的营养物，微生物代谢产物，种类较多，有菌胶团、浮游球衣菌、鞭毛虫、变形虫、肾形虫等下层：有机物浓度低，低分子有机物较多。菌胶团、浮游球衣菌、固着型纤毛虫，少数游泳型纤毛虫。3、好氧生物膜的结构1044、净化作用机理4、净化作用机理105（二）好氧生物膜的培养——挂膜1、自然挂膜法

将带有自然菌种的工业废水用泵慢速打入空的生物滤池中，循环3-7后改为慢速连续进水。在这过程中，废水中的自然菌种和空气微生物附在滤料上，逐渐形成一层粘性的微生物薄膜，当进水流量达到设计值时，滤池由上而下形成正常分层的微生物相就可以进行正式运行。2、活性污泥挂膜法取处理生活污水或处理工业废水的活性污泥做菌种3、优势菌种挂膜法从自然环境或废水处理中筛选分离得到对某种工业废水有强降解能力的菌株，还可以是遗传育种或基因工程菌。（二）好氧生物膜的培养——挂膜3、优势菌种挂膜法106第二节活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀控制对策第二节活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀控制对策107正常的活性污泥沉降性能很好，但当活性污泥性能发生变化，比重减轻，SVI值增加时，污泥会因结构松散而造成沉降困难，在二次沉淀池中出现池面飘泥现象，污泥随出水排出，使出水有机物浓度增高，这一现象称为污泥膨胀。污泥膨胀有两种：丝状膨胀——丝状细菌引起；菌胶团膨胀——非丝状细菌引起。都可用SVI（Sludgevolumeindex）衡量，当SVI大于200ml/g时表示发生膨胀，小于200为正常，通常在50-150，最好是100。正常的活性污泥沉降性能很好，但当活性污泥性能发生变108一、活性污泥丝状膨胀的成因（一）致因微生物最常出现的有10几种，如诺卡氏菌、微丝菌、浮游球衣菌、发硫菌等。除了常见的丝状细菌外，也包括某些放线菌、丝状真菌以及在一定生活阶段或一定条件下，菌体能集合成链状的芽孢杆菌属、埃希氏菌属、黄杆菌属、假单胞菌属的某些菌株。（二）活性污泥丝状膨胀的成因1、温度：菌胶团细菌如动胶菌最适生长温度28-30℃，浮游球衣菌是25-30℃，两者差别不大，但浮游球衣菌是微量好氧能竞争生长。一、活性污泥丝状膨胀的成因（二）活性污泥丝状膨胀的成因1092、溶解氧菌胶团细菌是严格好氧的，浮游球衣菌是好氧菌但在微氧条件下也能正常生长。贝日阿托氏菌、发硫菌在0.5mg/L时生长最好。3、可溶性有机物及其种类丝状细菌能吸收可溶性有机物，尤其是低分子的糖类和有机酸，厌氧条件下有机物不彻底分解产生有机酸，使丝状细菌大量生长。2、溶解氧1104、有机物浓度（有机负荷）

浮游球衣菌较能适应贫营养的生长条件，在C、N含量较低的条件下能良好生长。在生活污水和食品类有机废水中BOD5100-200mg/L，浮游细菌可呈优势生长，数量超过60%，使污泥发生膨胀。动胶菌适于营养较丰富的条件，对碳源利用率高，C：N大于10呈絮状生长，小于10-5则分散生长。4、有机物浓度（有机负荷）111（三）活性污泥丝状膨胀的机理

表面积/容积比假设：在单位体积中，丝状细菌的表面积与容积比较菌胶团细菌大，对有限制性的营养和环境条件的争夺占优势，大量生长成为优势菌引起活性污泥膨胀，两者的优势竞争在于以下方面：1、对溶解氧的竞争：氧充分条件下好氧的动胶菌生长良好。如果曝气池溶解氧长期维持在低水平，利于丝状细菌的优势生长。2、可溶性有机物的竞争：低分子糖类和有机酸利于丝状细菌的生长（三）活性污泥丝状膨胀的机理1、对溶解氧的竞争：氧充分条件下1124、有机物冲击负荷的影响如果曝气池中有机物浓度突然增加，供氧量不变，由于好氧生物的呼吸作用迅速消耗溶解氧，利于丝状细菌的生长。3、对C、N的竞争营养物浓度较低时，利于丝状菌生长而且还可蓄积营养物，更进一步抑制动胶菌的生长。4、有机物冲击负荷的影响3、对C、N的竞争1131、控制溶解氧

保持曝气池内有足够的溶解氧（>2mg/L），可在曝气池中用强化曝气、射流曝气等方法控制高负荷下的污泥膨胀。2、控制有机负荷

有机负荷可用容积负荷表示，即单位反应器容积每日接受的废水中有机污染物的量。污染负荷在0.2-0.3kgBOD/kgMLSS.d为宜。二、控制活性污泥丝状膨胀的对策根本在于控制引起丝状细菌过度生长的环境因子。1、控制溶解氧二、控制活性污泥丝状膨胀的对策1143、改革工艺（1）投加某种物质来增加污泥的比重或杀灭丝状菌

投加铁盐、铝盐等混凝剂，可以通过其凝聚作用增加活性污泥的比重。丝状菌的比表面积大，遇到有害化学药剂时，遭受破坏的主要是丝状菌，常用的化学药剂是氯气，投加臭氧、过氧化氢也能起作用。（2）采用新工艺：将活性污泥法改用生物膜法。A-B（吸附生物降解法，adsorptionbiodegradtion）、A/O（anoxic-oxic）法、A2/O、A2/O2、SBR法等。3、改革工艺115第三节

厌氧环境中活性污泥和生物膜的

微生物群落第三节

厌氧环境中活性污泥和生物膜的

微生物群落116当废水有机物浓度较高时（一般BOD5大于1500mg/L），一般的活性污泥和生物膜法都难以处理只有采用厌氧消化法解决。

当废水有机物浓度较高时（一般BOD5大于1500mg/117沼气池猪、沼、草（菜、渔、林）、猪的生态模式养殖场废水利用沼液灌溉牧草沼气池猪、沼、草（菜、渔、林）、猪的生态模式养殖场废水118优点：1、

处理1kgCOD可产生0.35m3甲烷——沼气2、

处理设备负荷高，占地少3、

对营养物的需求量少：COD：N：P=350-500：5：1,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4、

运行经费经济，污泥量少。

不足：1、处理时间长；2、出水的有机物浓度高于好氧处理；3、处理过程中产生臭气和有色物质4、对温度变化和有毒物质较为敏感优点：不足：119废水调节池热交换器↑37℃厌氧活性污泥反应器沉淀池出水回流污泥剩余污泥一、厌氧消化——甲烷发酵工艺：废水调节池热交换器↑37℃厌氧活性沉淀池出水回流污泥剩余污泥120消化池：单级低效、单级高效、两级（相）消化2级(平流沉淀+厌氧污泥消化)消化池：单级低效、单级高效、两级（相）消化2级(平流沉淀+厌121反应器：基于微生物固定化原理设计，污泥浓度高，反应快速。如厌氧滤器，上流式厌氧污泥反应器（UASB）。influent污泥沉降沼气阻挡收集effluent反应器：基于微生物固定化原理设计，污泥浓度高，反应快速。如厌122微生物群落：分解蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素的专性或兼性厌氧菌；专性厌氧的产甲烷菌（一）甲烷发酵理论与机制1、水解阶段：高分子有机物被细菌胞外酶分解为小分子，其水解产物能溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。微生物群落主要是水解、发酵性细菌。2、产乙酸阶段：前一阶段产物被产乙酸细菌转化为乙酸、H2、CO2。微生物群落为产氢产乙酸细菌，碳酸盐还原菌。3、产甲烷阶段：两种途径。一是氢的氧化和二氧化碳还原成甲烷，占28%，二是乙酸盐裂解，剩下的甲基还原为甲烷，占72%。4、同型产乙酸阶段：由同型产乙酸细菌将H2、CO2转化为乙酸。微生物群落：分解蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素的专性或兼性厌氧菌123复杂有机物1水解发酵脂肪酸

乙酸H2+CO22产乙酸CH4+CO23产甲烷3产甲烷复杂有机物1水解发酵脂肪酸乙酸H2+CO22产乙酸124产甲烷机制：1、酸和醇的甲基形成甲烷：CH3COOH→CH4+CO2

4CH3OH→3CH4+CO2+2H2O3、水还原脂肪酸产生CH42C3H7COOH+CO2+2H2O→CH4+4CH3COOH2、由醇的氧化使CO2还原成CH4、有机酸2CH3CH2OH+14CO2→14CH4+2CH3COOH2C3H7CH2OH+14CO2→14CH4+2C3H7COOH4、H2还原CO2为CH44H2+CO2→CH4+2H2O5、H2或H2O将CO还原为CH4.3H2+CO→CH4+H2O2H2O+4CO→CH4+3CO2产甲烷机制：