环境生物学-第六章-环境污染物的生物净化方法

第六章环境污染物的生物净化方法本章将介绍以下内容：废水的好氧生物处理废水的厌氧生物处理特定微生物处理及组合工艺废水的微生物脱氮除磷固体废弃物的微生物处理大气污染物的微生物处理6.1废水的好氧生物处理6.1.1活性污泥法活性污泥法的原理•活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理有机废水的一类好氧生物处理方法。•注：微生物絮体由好气性微生物（细菌、真菌、原生动物和后生动物）及其代谢和吸附的有机物、无机物组成。活性污泥的净化反应过程•活性污泥系统对有机底物的降解是通过几个阶段和一系列作用完成的。包括以下阶段：•①絮凝和吸附阶段•②活性污泥中微生物的代谢和增殖•③活性污泥的凝聚、沉淀和浓缩活性污泥中的微生物形成活性污泥絮状体的细菌——菌胶团细菌•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。菌胶团的形成可使细菌避免被微型动物所吞噬，并且与污泥的沉降性能和二沉池能否有效泥水分离密切相关；•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。丝状细菌•它的作用有两方面：•一方面：是活性污泥的重要组分，交叉穿织与菌胶团内，或附着生长于絮状体表面，具有强氧化分解有机物能力，起到一定的净化作用。•另一方面：当丝状菌的数量超过菌胶团细菌时，可使絮状体沉降性能下降，严重时可引发污泥膨胀（bulking）现象。活性污泥中的微生物原生动物及微型后生动物•净化作用：腐生性营养的原生动物可吸收溶解性有机物，动物性营养的原生动物可吞食有机颗粒、游离细菌及其它微小生物•促进絮凝和沉淀作用•指示作用：可作为处理系统运转管理的指标真菌图6－1各种形态的细菌活性污泥净化反应的影响因素溶解氧（DO）•曝气池出口处的混合液的DO浓度保持在2mg/L左右，可使活性污泥保持良好的净化功能。水温•活性污泥微生物的最适温度范围：15～30℃。营养物质•微生物对氮和磷的需要量可按BOD：N：P＝100：5：1来考虑。pH•活性污泥微生物的最适pH范围：6.5～8.5。有毒和有抑制物质•如重金属、氰化物、硫化氢、酚、醇、醛、染料等有机负荷率（BOD污泥负荷）活性污泥的工作参数混合液悬浮固体（MLSS）•1L曝气池混合液中所含悬浮固体的重量，单位g/L。混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）•1L曝气池混合液中所含挥发性悬浮固体的重量，单位g/L。污泥沉降比（SV）•一定量的混合液静置30分钟后，沉降的污泥体积与原混合液体积之比，以百分数来表示。污泥容积系数（SVI）•曝气池混合液静置30分钟后，沉降的污泥体积与污泥干重之比。•它反映了活性污泥的凝聚性和沉降性，一般控制在50－150之间，若大于200，则表明发生了污泥膨胀。污泥负荷（Ls）•单位时间内，单位重量的活性污泥能处理的有机物的数量，用kg（BOD）/kg(MLSS)•d表示。又称有机负荷率，F/M值。活性污泥法的基本特征利用生物絮状体为生化反应的主体物利用曝气设备向生化反应系统分散空气或氧气，为微生物提供氧源对体系进行混合搅拌以增加接触和加速生化反应传质过程采样沉淀方式去除有机物，降低出水中的微生物的固体含量通过回流使沉淀池浓缩的微生物絮凝体返回到反应系统为保证系统内生物细胞平均停留的时间的稳定，经常排出一部分生物固体。活性污泥法的基本工艺流程出水初沉池曝气池二沉池进水污泥回流污泥剩余污泥图6－2活性污泥法的基本流程活性污泥法的主要运行方式（1）按废水和回流污泥的进入方式及其在曝气池中的混合方式活性污泥法主要有两大运行方式：推流式和完全混合式。推流式•推流式活性污泥曝气池有若干个狭长的流槽，废水从一端进入，另一端流出。随水流的过程，底物降解，微生物增长；从池首端到尾端，混合液内影响活性污泥净化功能的各种因素，如F/M值、微生物的组成和数量、基质的组成和数量等都在连续地变化，有机物降解速率、耗氧速率也连续变化。•特点：在曝气池的任何断面上都存在有机基质的浓度梯度，因此存在基质降解动力，BOD降解菌为优势菌，可避免发生污泥膨胀现象、运行可采用多种方式，能够增加净化功能如脱氮、除磷等。图6－3推流式曝气池活性污泥法的主要运行方式（2）完全混合式•废水进入曝气池后在搅拌下立即与池内活性污泥混合液混合，从而使进水得到良好的稀释，污泥与废水得到充分混合，可以最大限度地承受废水水质变化的冲击。•特点：能够承受高浓度废水，对冲击负荷有一定的适应能力；需氧全池要求相同，能够节省动力；可使曝气池与沉淀池合建，无需单独设置污泥回流系统，易于运行管理。几种活性污泥法的工艺流程推流式活性污泥法完全混合式活性污泥法短时曝气法（渐减曝气法）阶段曝气法（多点进水法）生物吸附法（AB法）序批式间歇反应器（SBR法）氧化沟法（OxidationDitch）深水曝气活性污泥法生物吸附法（AB）工艺流程二沉池接触池(吸附阶段)进水出水回流污泥剩余污泥稳定池（氧化分解）图6－4生物吸附法的工艺流程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法的五个运行阶段图6－5SBR法的五个运行阶段示意图图6－6氧化沟6.1.2生物膜法什么是生物膜法？•利用微生物在固体表面的附着生长对废水进行生物处理的技术方法。生物膜法的特征•通过废水与生物膜的相对运动，使废水与生物膜接触，进行固液两相的物质交换，并在膜内进行有机物的生物氧化和降解，使废水得到净化，同时，生物膜内微生物不断得以生长和繁殖。生物膜中的微生物组成细菌和真菌•在生物膜的好气层专性好气的芽孢杆菌占优势；•在厌气层可见到反硫化弧菌属•数量最多的是兼性菌，如假单胞菌属等原生动物•纤毛虫居多。微型后生动物•如轮虫类、线虫类、昆虫类等，个体数较多。生物膜的净化原理附着水载体水膜有机酸有机物（养料）氧气二氧化碳、无机物代谢产物运动水厌氧层好氧层废水出水空气生物膜图6－8生物膜去除有机物示意图生物膜法的特点（与活性污泥法相比较）微生物多样性高生物膜各段的微生物类群不同生物膜中的食物链较长具有较高的脱氮能力单位处理能力大系统维护方便操作运行方便固定床生物处理的主要类型普通生物滤池塔式生物滤池生物转盘滤池生物接触氧化滤池图6－9生物转盘图6－10普通生物滤池流化床生物处理技术什么是流化床生物处理技术？•使废水通过运动态并附着生长有生物膜的颗粒床，废水中的基质在床内同均匀分散的生物膜相接触而获得降解去除，故在流化床中既有生物膜，又有活性污泥。根据反应器中的微生物的营养形式，可分为好氧流化床和厌氧流化床好氧生物流化床流化床中生物膜中的指示生物•滤膜生物•中间滤膜生物•非滤膜生物•滤膜清扫生物6.2废水的厌氧生物处理6.2.1厌氧生物处理的原理与过程什么是厌氧生物处理（AnaerobicProcess）？•在厌氧条件下，利用厌氧微生物分解废水中的有机物并产生甲烷、二氧化碳的过程，又称厌氧发酵。•与好氧生物处理的区别：不以分子氧为受氢体（最终电子受体），以无机物、化合态盐、碳、硫、氮为受氢体，如CO、CO2、SO42－、NO3－等。厌氧生物处理的优缺点•优点：耐有机负荷高；可生成甲烷；剩余污泥量少；无需充氧，能耗低；•缺点：污泥量增长慢，工艺过程启动时间长；对负荷变化、毒物敏感；故厌氧处理一般只用于预处理，要使废水达标排放，还需要进一步处理厌氧生物处理的过程（三个阶段）水解阶段：复杂有机物水解和发酵性细菌酸化阶段：简单有机物（可溶态）产氢、产乙酸细菌甲烷化阶段：简单有机酸类、醇类产甲烷菌CH4、CO2厌氧反应器内的微生物不产甲烷菌•细菌（以厌氧菌、兼性菌为主）、真菌，参与产甲烷阶段以前所有分解有机物过程，并产生小分子有机酸产甲烷菌•其形态有八叠球状、杆状、球状、螺旋状•其特点：严格厌氧，代谢活动所需最佳pH值为6.7～7.2，只能利用少数的几种简单化合物厌氧生物处理的影响因素温度•中温发酵35℃～38℃，高温发酵52℃～55℃pH值•中性环境，甲烷化阶段7.0～7.5营养成分•BOD5：N：P有机负荷厌氧生物处理的类型普通厌氧反应器厌氧接触反应器上流式厌氧污泥床反应器（UASB）厌氧生物滤池厌氧流化床反应器图6－11上流式厌氧池厌氧处理的活性污泥•混合菌种来源：城市污水处理厂消化池污泥、初沉池污泥、人畜粪便、有机肥料等。•甲烷含量达55％以上作为厌氧污泥培养成熟的指标，此时方可引入废水。厌氧处理运行过程的安全高浓度有机废水厌氧处理与好氧处理的经济分析•厌氧处理相对好氧处理可节省投资、占地面积，能提供干净的沼气能源，具有较高的经济效益，但出水还需经过好氧法的补充处理方能排放。6.4废水的微生物脱氮除磷6.4.1微生物脱氮微生物脱氮基本原理生物脱氮主要通过硝化作用和反硝化作用来完成。首先利用好氧段，由亚硝化细菌、硝化细菌的硝化作用，将NH3转化为NO3－－N，再利用缺氧段，由反硝化细菌将NO3－－N反硝化还原为N2，溢出水面释放到大气。微生物脱氮——硝化作用段硝化作用是指NH3被氧化成NO2－，再被氧化成NO3－的过程。反应：NH3→NO2－→NO3－微生物：亚硝化细菌和硝化细菌，两者为化能自养菌，专性好氧，要求中性、弱碱性环境，以CO2为唯一碳源，最适温度25℃～30℃，pH值范围7.5～8.0。运行操作关键：•（1）泥龄θSRT（悬浮固体停留时间）较长•（2）要供给足够的DO；•（3）要控制适度的曝气时间（HRT？？？）•（4）控制pH值在7.5～8.0微生物脱氮——反硝化作用段反硝化作用是指兼性厌氧的硝酸盐还原菌将硝酸盐还原为N2的过程。反应：HNO3→HNO2→N2O→N2微生物：假单胞菌属的微生物在厌氧条件下利用NO3－氧化有机质，获得能量，碳源来自有机物，最终电子受体为NO3－、NO2－，要求中性、弱碱性环境，最适温度10℃～35℃，pH值范围7.0～8.0，在一个有极低的DO、有NO3－和有机物存在的环境，pH值和温度合适就会产生反硝化。运行操作关键：碳源、NO3－、NO2－、pH值、DO等影响微生物脱氮的因素pH值•硝化反应要耗碱，如果污水中没有足够的碱度，随着硝化的进行，pH值会急剧下降，而硝化细菌对pH十分敏感，硝化细菌和亚硝化细菌分别在7.0～7.8和7.7～8.1时活性最强，在这个范围以外，其活性就急剧下降。温度•两类硝化细菌的最适温度在30℃左右。溶解氧•硝化过程的DO一般应维持在1.0～2.0mg/L。•DO对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对能进行反硝化作用的反硝化菌是有利的，因为这类菌为兼性厌氧菌。故工艺上最好使其交替处于好氧、缺氧的环境下，所以脱氮反应并不要求DO保持在零的状态。如在悬浮污泥系统中，缺氧段DO应控制在0.5mg/L以下，在膜法系统中，可控制在1.0～2.0mg/L。碳源•废水中所含的有机碳源：当废水中所含碳（BOD5）与总氮的比值大于3：1时，无需外加碳源，即可达到脱氮目的。•外加碳源：当废水中所含碳（BOD5）与总氮的比值小于3：1时，需外加碳源，多采用甲醇。•内碳源：•内碳源指活性污泥微生物死亡、自溶后释放出来的有机碳，也称二次性基质。•利用内碳源，要求反应器的泥龄长、污泥负荷低，使微生物处于生长曲线稳定期的后部或衰亡期，反硝化速度极低，为前两种方法的十分之一左右。•利用内碳源，可使在废水碳氮比较低使不必外加碳源也可达到脱氮目的，并且污泥产率低可减少污泥处理的费用。生物脱氮工艺的类型按脱氮所用的碳源内碳源外加碳源按细菌存在的状态膜法系统悬浮污泥系统单级系统（去碳、硝化、反硝化结合）多级系统（去碳、硝化、反硝化分隔）生物脱氮工艺流程悬浮多级污泥内碳源系统进水出水去碳沉淀硝化沉淀反硝化后曝气沉淀旁路进水污泥回流污泥回流污泥回流剩余污泥剩余污泥剩余污泥图6－12悬浮多级污泥内碳源系统示意图生物脱氮工艺流程－悬