教学用-水环境污染控制与治理的生态工程及微生物原理

内容提要了解好氧活性污泥的组成、性质，掌握其净化废水的作用机理。理解原生和微型后生动物在污水处理过程中的作用，掌握好氧活性污泥的培养方法。了解活性污泥丝状膨胀的成因及控制对策。掌握厌氧消化——甲烷发酵的理论，了解光合细菌处理高浓度有机废水、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理方法及原理。现在是1页\一共有73页\编辑于星期四重点、难点、授课学时重点：水污染控制与治理中微生物生态问题活性污泥丝状膨胀产生的原因和控制方法沼气发酵理论难点：好氧、厌氧生物处理工程净化废水的作用机理授课学时：3学时现在是2页\一共有73页\编辑于星期四一、好氧活性污泥法－“水体自净”人工强化 P223

（一）好氧活性污泥中的微生物

1.好氧活性污泥的组成和性质是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物（兼有少量厌氧微生物）与污（废）水中的有机和无机固体物混凝交织在一起所形成的絮状体。

好氧处理、厌氧处理活性污泥法、生物膜法第一节污、废水生物处理中的生态系统分类现在是3页\一共有73页\编辑于星期四①具有活性的微生物群体(Ma)；②微生物自身氧化的残留物(Me)；③原污水挟入的不能为微生物降解的惰性有机物质(Mi)；④原污水挟入的无机物质(Mii)MLSS=Ma+Me+Mi+Mii(1)活性污泥的组成：微生物(好氧、兼性及少量厌氧)+固体杂质(有机和无机)现在是4页\一共有73页\编辑于星期四(2)活性污泥的特征形态在显微镜下呈不规则椭圆状，在水中呈“絮状”。颜色

正常呈黄褐色，但会随进水颜色、曝气程度而变（如发黑为曝气不足，发黄为曝气过度）。理化性质

ρ=1.002～1.006，含水率99%，直径大小0.02～0.2mm，表面积20～100cm2/ml，pH值约6.7，有较强的缓冲能力。其固相组分主要为有机物，约占75～85%。现在是5页\一共有73页\编辑于星期四2．好氧活性污泥的存在状态

在完全混合式曝气池中，均匀分布在推流式曝气池内，随推流方向而有变化。

现在是6页\一共有73页\编辑于星期四显微镜下的活性污泥现在是7页\一共有73页\编辑于星期四3．好氧活性污泥的微生物群落P224结构和功能的中心：菌胶团在其上面生长有其他微生物，如酵母菌、霉菌、放线菌、藻类、原生动物及微型后生动物等。活性污泥的主体细菌：多为G－，如动胶菌属和丛毛单胞菌属。

现在是8页\一共有73页\编辑于星期四4．好氧活性污泥中微生物的浓度和数量

(1)MLSS，即混合液悬浮固体浓度

表示在单位容积混合液内所含有的活性污泥固体物质的总质量，单位以mg/L。MLSS＝Ma＋Me＋Mi＋Mii 城市污水处理MLSS在2000～3000mg/L

工业废水MLSS在3000mg/L左右

高浓度工业废水MLSS在3000～5000mg/L。现在是9页\一共有73页\编辑于星期四(2)MLVSS，即混合液挥发性悬浮固体浓度 指混合液活性污泥中有机固体物质的浓度，单位为mg/L。MLVSS＝Ma＋Me＋Mi1ml好氧活性污泥中的细菌数在107～108个。现在是10页\一共有73页\编辑于星期四(二)好氧活性污泥净化废水的作用机理Ｐ225

主要有两方面的作用：吸附有机物

降解有机物

①在有氧条件下，絮凝性微生物吸附废水中的有机物初期吸附去除：污水与活性污泥接触5～10min，污水中大部分有机物(70%以上的BOD，75%以上COD)迅速被去除。此时的去除并非降解，而是被污泥吸附，粘着在生物絮体的表面，这种由物理吸附和生物吸附交织在一起的初期高速去除现象叫初期吸附。现在是11页\一共有73页\编辑于星期四②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。现在是12页\一共有73页\编辑于星期四A推流式活性污泥法

（三）好氧活性污泥法的几种处理工艺流程P226

现在是13页\一共有73页\编辑于星期四B分段布水推流式活性污泥法

现在是14页\一共有73页\编辑于星期四C完全混合式活性污泥法现在是15页\一共有73页\编辑于星期四D氧化沟活性污泥法

现在是16页\一共有73页\编辑于星期四Carrousel氧化沟现在是17页\一共有73页\编辑于星期四Orbal型氧化沟1现在是18页\一共有73页\编辑于星期四E序批式间歇曝气法(SBR)

IV排水阶段I进水阶段II反应阶段III沉淀阶段V待机阶段SBR法的五个运行阶段现在是19页\一共有73页\编辑于星期四F接触氧化稳定法

现在是20页\一共有73页\编辑于星期四（四）氧化塘中的微生物群落及其处理废水机制1.氧化塘中的微生物群落氧化塘是人工的、接近自然的生态系统，在氧化塘内，藻类和细菌共存在同一环境中，保持互生关系 P228图。 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。现在是21页\一共有73页\编辑于星期四2.氧化塘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：有机废水流入氧化塘，其中的细菌吸收水中溶解氧，将有机物氧化分解为H2O、CO2、NH3、NO3-、PO43-、SO42-。细菌利用自身分解含氮有机物产生的NH3和环境中的营养物合成细胞物质。

藻类利用H2O和CO2进行光合作用合成碳水化合物，再吸收NH3和SO42-合成蛋白质、吸收PO43-合成核酸，同时释放氧气，并繁殖新藻体。现在是22页\一共有73页\编辑于星期四（五）菌胶团的作用

P227菌胶团的定义：狭义、广义（1）对有机物进行吸附和氧化分解（2）为原生动物和微型后生动物提供良好的生存环境（3）为原生动物提供附着场所（4）具有指示作用(颜色、透明度、疏密等)现在是23页\一共有73页\编辑于星期四1.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。(1)根据微生物的演替判断水质和污水处理程度及判断活性污泥培养成熟程度

（六）原生动物及微型后生动物的作用

活性污泥培养初期

活性污泥培养中期

活性污泥培养成熟期

鞭毛虫游泳型纤毛虫、鞭毛虫

钟虫等固着型纤毛虫、楯纤虫、轮虫

现在是24页\一共有73页\编辑于星期四(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。

（六）原生动物及微型后生动物的作用现在是25页\一共有73页\编辑于星期四2.净化作用——P230表3（科益实验）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。（六）原生动物及微型后生动物的作用现在是26页\一共有73页\编辑于星期四1.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。（七）好氧活性污泥的培养

P230现在是27页\一共有73页\编辑于星期四(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（七）好氧活性污泥的培养现在是28页\一共有73页\编辑于星期四(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；

SV30达50％以上；

SVI在100mL/g左右，钟虫等固着型纤毛虫大量出现。(4)运行现在是29页\一共有73页\编辑于星期四2.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，MLSS维持在3000mg/L左右，DO维持在2～3mg/L为好；若生活污水的进水BOD5在150～250mg/L，MLSS维持在2000mg/L左右，DO维持在1～2mg/L。

（七）好氧活性污泥的培养现在是30页\一共有73页\编辑于星期四二、好氧生物膜法

——“土地自净”人工强化

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）等。

现在是31页\一共有73页\编辑于星期四生物转盘现在是32页\一共有73页\编辑于星期四生物滤池现在是33页\一共有73页\编辑于星期四（一）好氧生物膜中的微生物

1．好氧生物膜P232图好氧生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物粘附在生物滤池滤料上或生物转盘盘片上的一层带粘性、薄膜状的微生物混合群体。是生物膜法净化污水的工作主体。现在是34页\一共有73页\编辑于星期四2．好氧生物膜中的微生物及其功能

生物膜生物：以菌胶团为主；净化和降解作用；

膜面生物：固着型纤毛虫和游泳型纤毛虫，起促进滤池净化速度，提高整体效率的作用；

滤池扫除生物：轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、票页体虫等，起去除滤池内的污泥、防止污泥积聚和堵塞的功能。现在是35页\一共有73页\编辑于星期四3．好氧生物膜的结构

好氧生物膜在滤池内分布不同于活性污泥，生物膜附着在滤料上不动，废水自上而下淋洒在生物膜上。 在滤池的不同高度位置，由于微生物得到的营养不同，造成微生物种类和数量的不同。因此生物相是分层的。现在是36页\一共有73页\编辑于星期四滤扫生物膜面生物膜生物2~3mm0.3mm好氧区横向纵向各不相同现在是37页\一共有73页\编辑于星期四生物滤池（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现在是38页\一共有73页\编辑于星期四生物填料悬浮型生物填料投加量普通接触氧化水解调节池好氧或厌氧流化床好氧好氧或厌生物塘或厌氧滤池

反应池体积%8～13515～253～540～60现在是39页\一共有73页\编辑于星期四悬挂型填料

弹性立体填料现在是40页\一共有73页\编辑于星期四软性填料现在是41页\一共有73页\编辑于星期四生物填料上的生物膜现在是42页\一共有73页\编辑于星期四4.好氧生物膜的净化作用机理上层生物膜中的生物膜生物和生物膜面生物吸附废水中的大分子有机物，将其水解为小分子有机物。代谢产物流向下一层，被下一层的生物膜生物吸收氧化。分解为二氧化碳和水。老化的生物膜和游离细菌被滤池扫除生物吞食。现在是43页\一共有73页\编辑于星期四4.好氧生物膜的净化作用机理①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；②生物膜中的有机物进行好氧分解；代谢产物如CO2、H2O等无机物沿相反方向排至流动水层及空气中；③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。现在是44页\一共有73页\编辑于星期四自然挂膜法

自然菌种2.活性污泥挂膜法

活性污泥菌种3.优势菌种挂膜法

优势菌钟二、好氧生物膜的培养P234现在是45页\一共有73页\编辑于星期四曝气池中有正常活性污泥和膨胀污泥。菌胶团（多）絮凝细菌（絮凝作用）大量钟虫类微生物丝状细菌（少）第二节活性污泥丝状膨胀和控制对策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）正常活性污泥现在是46页\一共有73页\编辑于星期四衡量指标SVI(SludgeVolumeIndex)——污泥体积指数(污泥指数)，曝气池出口处混合液经30min静置沉淀后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积，以mL计,单位mL/g。SVI＜100100～200＞200污泥沉降性能良好一般较差，易膨胀现在是47页\一共有73页\编辑于星期四一、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、亮发菌属、纤发菌属、微丝菌属（二）活性污泥丝状膨胀的成因——环境因素促进丝状微生物过度生长1.温度菌胶团细菌最适生长温度在28～30℃浮游球衣菌最适温度在25～30℃。现在是48页\一共有73页\编辑于星期四2.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，使丝状细菌优势生长。现在是49页\一共有73页\编辑于星期四4.有机物浓度（或有机负荷）浮游球衣菌在有机物负荷较低时形成丝状体。生活污水和食品类等有机废水中，BOD5在100～200mg/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。 工程中常采用生物选择器抑制丝状菌现在是50页\一共有73页\编辑于星期四（三）活性污泥丝状膨胀的机理表面积与容积比假说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。现在是51页\一共有73页\编辑于星期四2.对可溶性有机物的竞争低分子糖类和有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。现在是52页\一共有73页\编辑于星期四二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.控制溶解氧溶解氧浓度必须控制在3～4mg/L。2.设调节池(及事故池)控制高负荷（BOD、毒物）冲击现在是53页\一共有73页\编辑于星期四3.调节废水的营养配比尽量逼近BOD5与N和P的比例

BOD5：N：P＝100：5：1。补N——尿素补P——磷酸钠、磷酸氢钠4.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沉淀改气浮现在是54页\一共有73页\编辑于星期四

高浓度有机废水或剩余活性污泥多用厌氧消化法处理。 高浓度有机废水还可用有机光合细菌处理。一、厌氧消化－甲烷发酵沼气发酵，常用于将城市垃圾、粪便、污水、工业废水及生物处理的剩余污泥等的处理，并从中获得可燃性气体——沼气（甲烷，CH4）。构筑物为发酵罐或消化池。甲烷发酵的微生物群落与有氧环境中的不同，它们是由分解蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素等的兼性菌及专性厌氧菌（如产甲烷菌）等组成。P240第三节厌氧环境中活性污泥和生物膜的微生物群落现在是55页\一共有73页\编辑于星期四(1)产酸阶段:

兼性菌在无氧条件下将固态有机物(淀粉\纤维素\油脂\蛋白质)酵解为有机酸、醇、醛、水等液态产物和CO2、H2、NH3、H2S等气体。

(2)气化阶段(产甲烷阶段):

甲烷菌依靠上阶段的产物为营养源，自身的代谢产物是沼气(主体是CH4、CO2及微量H2S)两阶段理论P241现在是56页\一共有73页\编辑于星期四大分子有机物(碳水化合物、蛋白质、脂肪等)细菌胞外酶水解水解的和溶解的有机物产酸细菌酸化有机酸醇类醛类等H2、CO2乙酸细菌乙酸化乙酸甲烷细菌甲烷化CH4甲烷细菌(1)水解阶段；

(2)酸化阶段；

(3)乙酸化阶段；

(4)甲烷化阶段。四阶段理论P241现在是57页\一共有73页\编辑于星期四复杂有机物1水解2发酵脂肪酸

乙酸

H2+CO23产乙酸

CH4+CO2H2S+CO2硫酸盐还原硫酸盐还原4产甲烷（28%）4产甲烷（72%）硫酸盐还原现在是58页\一共有73页\编辑于星期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。现在是59页\一共有73页\编辑于星期四厌氧活性污泥的性质和组成兼性厌氧菌+专性厌氧菌+废水中的有机杂质呈灰色至黑色有生物吸附、生物降解、絮凝作用，有沉降性能颗粒厌氧活性污泥的直径在0.5mm以上。微生物的组成主要有六种：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

产甲烷菌是厌氧活性污泥的中心骨架现在是60页\一共有73页\编辑于星期四厌氧污泥现在是61页\一共有73页\编辑于星期四二、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用有机光合细菌（PSB）处理。BOD5

去除效果可达95%，甚至达98%常用的有机光合细菌有：红螺菌科的红螺菌属、红假单胞菌属和红微菌属。水解性细菌碳水化合物脂肪蛋白质脂肪酸氨基酸氨光合细菌CO2H2ONH3现在是62页\一共有73页\编辑于星期四三、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-

生物法：SRB再进行甲烷发酵处理。P246现在是63页\一共有73页\编辑于星期四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．产生的沼气可用于发电或作为能源沼气中的主要成分是甲烷，含量50~75%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，则可日产甲烷2240m3,其热值相当