水环境污染控制与治理

2019/8/241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2019/8/242自然界水体的生物自净由于受到溶解氧、营养平衡、微生物种属及其它生存条件的限制，净化速度是有限的。提问：如何利用人工手段提高污废水生物处理效率？一是通过基因工程或人工驯化的手段获得高效工程菌投加到处理系统中；二是改善微生物生长的环境条件，发挥微生物的最大潜能。目前生物处理主要用于水中有机污染物以及氮磷污染的处理。2019/8/243限制：毒物（pH、盐、酸碱、有机毒物等）浓度不能过高、存在难生物降解物质（多苯环、过长链聚合物等）提问：对于这类废水是否就不能用生物法吗？筛选驯化、重组制造高效降解菌；先进行物理化学前处理降低难降解及有毒物质的浓度，然后可进行生物处理。这样可以最大限度的发挥各种方法的长处，并节约处理时间降低成本。这一章我们主要介绍污废水生物处理的微生物的机理。2019/8/244第一节污废水生物处理中的生态系统一、种类（一）根据处理微生物与氧气的关系，分为:好氧处理和厌氧处理通常低浓度（COD＜1500mg/L）的有机污染物废水适合用好氧处理对于高浓度有机污废水（COD≥1500mg/L）用厌氧处理更为适宜。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。2019/8/245（二）活性污泥法和生物膜法这是根据微生物在人工水处理设备中微生物所处状态的不同来进行的划分。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，与污废水接触使之净化的方法；生物膜法——模拟土壤自净微生物附着于其他物体表面上成薄膜状，与污废水接触使之净化的方法。2019/8/246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。对于污废水的脱氮、脱磷处理必须采用厌氧法与好氧法相结合的方式才能成功实现。2019/8/247废水的好氧生物处理1概念：在有氧的条件下借好氧微生物的作用处理废水。又叫废水生物处理。废水中有机物好氧微生物无机物，随水排出微生物细胞物质有机物充足微生物增多有机物少菌体死亡与废水分离O2通过物理凝聚作用在沉淀池中沉淀下2019/8/2482废水好氧生物处理作用对象●溶解的有机物——直接渗入细胞内被吸收●固体的、胶体的有机物——间接吸收附在菌体外，由细菌所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，渗入细胞。3废水好氧生物处理的优缺点●优点：无臭气、时间短。条件适宜可除去BOD580～90％●缺点：设备复杂4废水好氧生物处理的方法活性污泥法、生物膜法（生物滤池法、生物转盘法）氧化塘（生物塘）法、污水灌溉。2019/8/249活性污泥法又叫曝气法，最早由英国人于1914年创建而来，经过80多年的发展已成为处理有机废水最主要的方法。是一种应用最广的废水好氧生物处理技术。二、好氧活性污泥法中的微生物1.什么是好氧活性污泥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(兼有少量的厌氧微生物)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。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。2019/8/24102好氧活性污泥的组成和性质（1）．组成好氧微生物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)与其上吸附的有机的和无机的固体杂质组成。（2）．好氧活性污泥的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比表面积为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。2019/8/2412提问：好氧活性污泥上的微生物是如何分布的？中心是能起絮凝作用的细菌形成菌胶团，在其上生长着其他微生物。如酵母菌、霉菌、放线菌、藻类、原生动物和某些微型后生动物(轮虫及线虫等)。A.菌胶团在微生物学领域里，习惯将动胶菌属形成的细菌团块称为菌胶团。在水处理工程领域内，则将所有具有荚膜或粘液的絮凝性细菌互相絮凝聚集成的菌胶团块都称为菌胶团。4．好氧活性污泥中的微生物群落2019/8/2413①生物絮凝②吸附和氧化分解有机物；菌胶团是细菌的存在形式，细菌占到活性污泥中微生物总量的99%,有107~108个/ml，他们是生物处理的主力军，一旦菌胶团受到各种因素的影响和破坏，则活性污泥法对有机物去除率明显下降，甚至无去除能力。③菌胶团对有机物的吸附和分解，为原生动物和微型后生动物提供了良好的生存环境；例如菌胶团本身为原生动物、微型后生动物提供附着场所；菌胶团中的细菌可以去除毒物、自身作为动物食料。(1)菌胶团的功能2019/8/2414④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。例如新生菌胶团颜色浅、无色透明、结构紧密，则说明菌胶团生命力旺盛，吸附和氧化能力强，再生能力强。老化的菌胶团，颜色深，结构松散，活性不强，吸附和氧化能力差。2019/8/2415B、活性污泥中的原生动物及其作用活性污泥中原生动物在数量和种类上仅次于细菌，常见的优势种是纤毛类。它们主要附聚在污泥表面。其作用在于：（1）指示作用（2）净化作用（3）促进絮凝和沉淀2019/8/2416（1）指示作用1）可根据原生动物或微型后生动物的演替及它们的活动规律判断水质和污（废）水处理程度：活性污泥培养初期——鞭毛虫、变形虫活性污泥培养中期——游泳型纤毛虫、鞭毛虫活性污泥培养成熟期——固着型纤毛虫：钟虫及后生动物：轮虫2）根据原生动物种类判断活性污泥和处理水质的好与坏。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。2019/8/2417依据和优越性①依据原生动物数量、种类、优势种、个体活性与污水净化处理的效果有着密切关系，因此原生动物可以作为净化情况的指示生物，可由它们对净化处理效果作出预报。2019/8/2418②优越性与水质分析及细菌观察、计数相比好处何在?Ⅰ观察测量容易仅需低倍显微镜即可活体观察。而细菌的观察、分类、鉴定所需时间较长，不能及时起到预报的作用。而原生动物与细菌之间存在相互依存的关系，且对环境的变化比细菌敏感(如氧溶量、pH值等)。2019/8/2419Ⅱ.快速预报通常污水处理厂每天都要对本厂的出水进行水质监测，若超过国家规定的标准，就要及时追查原因，以求解决。•但有些数据当天得不到如BOD5，根据原生动物与BOD5的对应关系，则可以作出快速的判断，缩短发现问题、解决问题的时间。湖南石油化工厂的曝气池中的有柄纤毛虫与BOD5统计数据出水BOD5（mg/l）30Y=81.6-19.4lgX20100103有柄纤毛虫(个/ml)1042019/8/2420③普遍规律如若发现群体的纤毛虫缩成一团钟虫的柄脱落纤毛虫接合生殖（即有性生殖）、或形成孢囊表明水中？存在有毒物质或其他条件如温度、pH等的不适宜。Ⅰ.水质毒物判断2019/8/2421有些原生动物对水中的溶解氧变化十分敏感。如钟虫细胞前端出现气泡，运动迟缓，说明水中充氧不足，或溶氧过高，水质将变坏。反之则表明溶解氧情况适中良好•Ⅱ.溶解氧判断2019/8/2422Ⅲ.曝气池处理效果的判断1钟虫前端出现气泡——充氧不正常，水质将变坏。2原生动物的数量渐减少，直至消失——水质变坏。原生动物对毒物的敏感性比细菌大。3钟虫大量出现——活性污泥已经成熟，充氧正常。4在正常运行的曝气池中，如果固着型纤毛虫减少，游泳型纤毛虫突然增加——处理效果将变坏。2019/8/2423曝气池运转好曝气池运转差种类多少数量多少鞭毛虫少或无很多（大于1万个/ml）游泳型纤毛虫漫游虫多，没有豆形虫、肾形虫没有漫游虫，豆形虫、肾形虫多（大于1万个/ml）固着型纤毛虫多且活跃畸形，运动迟缓原生动物孢囊无有2019/8/2424如何加以确定？应对废水处理构筑物中的生物类群进行长期不间断的镜检观察，掌握本厂正常运行时常见的而且数量多的种类。（1）原生动物种类的组成。（2）种类的数量变化（3）各种群的代谢活力。以原生动物为指示生物只能起辅助理化分析的作用。2019/8/2425（2）原生动物对废水净化的影响①鞭毛虫、肉足虫、纤毛虫可以直接利用水中的有机物,对水中有机物的净化有一定的积极作用。②纤毛虫吞食游离细菌，改善生物处理法出水的水质。细菌（尤其使游离细菌）本身也是有机污染物。提问：游离细菌转化为原生动物同样是有机污染物，净化何在呢？3kg1kgCO2+H2O+盐2kg2019/8/2426活性污泥颗粒主要是由细菌絮凝而成，实验证明小口钟虫、累枝虫和草履虫等纤毛虫能分泌一些粘性多糖、粘朊，促进生物絮凝，使它们能够附着在小的絮凝体上，同时促进絮凝体进一步黏附细菌使污泥絮体增大。使废水能在二次沉淀池中很好地沉淀，改善出水水质生产上常常发现在活性污泥培养初期，一旦处理系统中出现固着型纤毛虫，随后就可看到活性污泥絮体的形成并逐渐增大。⑶促进絮凝和沉淀2019/8/2427C、后生动物主要指轮虫，在活性污泥系统指是不经常出现的。因此轮虫的出现是水质非常稳定的标志。且由于活性污泥系统的曝气池中不断人工充氧和污泥回流，使得活性污泥中不适合比轮虫、线虫更大的、生命周期更长的种群生长，因此，活性污泥法的生物链较短。线虫轮虫2019/8/2428D．活性污泥中的其它微生物在菌胶团上层居住的还有放线菌、真菌。它们的数量相比较细菌而言要少得多，通常包括少量的球衣菌、诺卡氏菌、发硫菌、头孢霉、地霉菌、酵母菌等。各种微生物与菌胶团细菌构成了稳定的生态体系，它们之间存在着复杂的相互关系，它们的种类、数量随营养条件(废水种类、化学组成、浓度)、温度、供氧、pH等环境条件改变也在不停的发生着变化。2019/8/2429(三)好氧活性污泥净化废水的作用机理好氧活性污泥的净化作用机理见下图好氧活性污泥吸附和降解2019/8/24302019/8/2432好氧生物膜是与活性污泥法并列的一类废水好氧生物处理技术；于19世纪末，在研究土壤净化污水的过滤田的基础上，开发并应用于生产。由于效果不如后来出现的活性污泥法，一度被长期搁置，60年代以后，由于新型合成材料的大量生产，生物膜法又获得了新的发展。二、好氧生物膜法2019/8/2433定义：以一定载体上形成的好氧生物膜去除废水中的有机污染物的工艺，通称为生物膜法工艺，又称固定膜法，处理对象：废水中溶解性和胶体状的有机物及氮素污染物；生活污水或城市废水；以及个别工业废水；包括：生物滤池（以此为例）生物转盘生物接触氧化法生物流化床2019/8/2434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或厌生物塘好氧或厌氧滤池反应池体积%8-13515-253-540-602019/8/2435悬挂型填料弹性立体填料网片式立体填料2019/8/2436生物填料上的生物膜2019/8/24371.什么是生物膜？好氧生物膜是由好氧微生物和兼性厌氧微生物粘附在生物滤池滤料上或粘附在生物转盘盘片上的一层粘性、薄膜状的微生物混合群体,是一个生态系统。污水中含有生物膜所需的各种微生物。夏季2～4周形成生物膜。冬季需2个月。结构由两部分组成附着生物体液膜好氧微生物（膜外层）厌氧微生物（接触滤料）附着水层流动水层(一)好氧生物膜中的微生物群落2019/8/24382、生物膜结构示意图滤料或填料或转盘生物膜空气附着水层流动水层CO2O2O2O2CH4、H2S、NH3性质：①高度亲水，存在着附着水层；厌氧膜好氧膜········································