11第十一章废水生物处理基本原理和主要微生物类群

1第十一章废水生物处理基本原理和主要微生物类群第一节废水生物处理基本原理•一、絮凝作用废水进入生物反应池后，废水中的产荚膜细菌可分泌出粘液性物质，并相互粘连形成菌胶团。菌胶团又粘连在一起，絮凝成活性污泥或粘附在载体上形成生物膜。二、吸附作用微生物个体很小，并且细菌也具有胶体粒子所具有的许多特性，如细菌表面一般带有负电荷，二废水中有机物颗粒常带正电荷，所以它们之间有很大的吸引作用。三、氧化作用被活性污泥和生物膜吸附的大分子有机物质，在微生物胞外酶的作用下，水解为可溶性的有机小分子物质，然后透过细胞膜进入微生物细胞内。这些被吸收到细胞内的物质，作为微生物的营养物质，经过一系列生化反应途径，被氧化为无机物CO2和H2O等，并释放出能量；同时，微生物利用氧化过程中产生的一些中间产物和呼吸作用释放的能量，合成细胞物质。四、沉淀作用废水中有机物质在活性污泥或生物膜的氧化分解作用下无机化后，处理后水往往排至自然水体中，这就要求排放前必须经过泥水分离。活性污泥，特别是生物膜具有良好的沉降性能，使泥水分离，澄清水排走，污泥沉降至池底，这是废水生化处理必须经过的步骤，也是非常重要的步骤。第二节好氧生物处理•一、曝气方式1.鼓风曝气法2.表面加速曝气法3.射流曝气二、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初次沉淀池曝气池二次沉淀池污泥消化池后处理生物处理（二级处理）化学营养物曝气池沉淀池污泥回流净水外排预处理（一级处理）污泥及余渣消化罐利用活性污泥法进行污水处理的构筑物。池内提供一定污水停留时间，满足好氧微生物所需要的氧量以及污水与活性污泥充分接触的混合条件。曝气池主要由池体、曝气系统和进出水口三个部分组成。池体一般用钢筋混凝土筑成，平面形状有长方形、方形和圆形等。曝气方法主要有鼓风曝气和机械曝气。曝气池沉淀池应用沉淀作用去除水中悬浮物的一种构筑物。沉淀池在废水处理中广为使用。它的型式很多，按池内水流方向可分为平流式、竖流式和辐流式三种。•1．普通活性污泥法•好氧活性污泥法的处理工艺很多，最为普遍使用的活性污泥法工艺如下图空气清水初沉池二沉池回流污泥剩余污泥曝气池废水先通过初沉池，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。2、吸附再生活性污泥法又称接触氧化稳定法或生物吸附法。接触氧化池进水沉淀池出水剩余污泥回流污泥稳定池接触氧化稳定法此法主要适用于处理含悬浮物和胶体物较多的废水。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，和活性污泥充分接触，有机物被活性污泥吸附后，混合液流入沉淀池进行固液分离，回流污泥在稳定池内进行再生，曝气使吸附的有机物进一步氧化分解，恢复污泥活性后，再引入接触氧化池。3、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。曝气池进水沉淀池出水剩余污泥回流污泥完全混合式活性污泥法缺点：出水水质上往往不及推流式。特点：•耐冲击负荷性强，可处理浓度较高的废水，只要适当延长曝气时间即可。适于处理工业废水。•可把曝气池的工况控制在最佳的位置上。三、好氧生物膜法生物膜主要由细菌的菌胶团和大量的真菌菌丝组成，其中还有许多原生动物和较高等动物生长。它们粘附在生物滤池滤料上或生物转盘盘片上，形成一层带粘性、薄膜状的微生物混合群体。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）生物转盘生物膜法处理工艺第三节氧化塘•一、水体自净•是指水体在接纳了一定量的污染物后，通过物理、化学和水生生物等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到受污染前的水平和状态的现象。1.物理净化过程废水或污染物排入水体后，可沉降性固体逐渐沉至水底形成底泥。悬浮体、胶体和溶解性污染物则因混合稀释而逐渐降低浓度。2.化学净化过程化学自净过程取决于废水和水体的具体状况，如在一定条件下，水体中难溶性硫化物可氧化为易溶性的硫酸盐；可溶性的二价铁、锰化合物可转化为几乎不溶解的三价铁、四价锰的氢氧化物而沉淀下来。3.生物净化过程悬浮和溶解于水体中的有机污染物，在DO参与下，经需氧微生物作用氧化分解成简单的无机物，如CO2、H2O、硝酸盐和磷酸盐等，使水体得到净化。二.污水生物系统（1）•污水生物系统法的原理•受污染的河流由于自身的自净过程从而导致自上游往下游形成一系列在污染程度上逐渐减轻的连续带。随污染物浓度的降低，生物种类也发生变化，每一带都生存有大体上能够表示这一带特性的动物和植物，由此可以将河流依次划分为四个污染带，即多污带、α－中污带、β－中污带、寡污带，从而可以根据一条河流中一定区域内所发现的动物区系和植物区系来鉴别该区域的有机污染程度。二.污水生物体系•根据在污染水体中生物种类的存在与否，划分污水生物体系，确定不同污染程度水体中的指示生物。反之，根据水体中的指示生物的存在亦可确定水体污染程度，又称柯克维茨(Kolkwitz)和麦尔松(Marsson)体系法污水生物系统（2）•污水生物系统中各带特点•多污带：有机污染严重，溶解氧含量低，细菌极多，无好氧生物，无鱼类生存；•中污带：包括α－中污带（有机污染较为严重，溶解氧略有回升，多为耐污性生物种类，）和β－中污带（中等程度的有机污染区域，溶解氧较高，有多种藻类和原生动物，有鱼类出现）；•寡污带：溶解氧恢复正常或达饱和，水质透明，细菌数量少，藻类种类和数量多。•污水生物系统的应用•主要应用对象是被生活污水污染的水域，对重金属和其他工业废水引起的污染水域的应用问题尚需进一步研究。•应用该法来监测和评价环境比较全面，但工作很繁重，耗费时间，而且需要具有熟练的分类知识，同时调查结果也不易表示。污水生物体系法1）多污带•多污带也称多污水域，是多污水生物生存的地带•它多处在污水、废水入口处，其水高度浑浊，多呈暗灰色，具有强烈的硫化氢臭味，并含有大量的有机物•多污带生化需氧量很高，而溶解氧趋于零，其细菌数量大、种类多，每升水中细菌数目达百万个以上，甚至达数亿个•多污带指示生物有浮游球衣细茵、贝氏硫细菌、李衣藻、颤蚯蚓、钟形虫等等。2）中污带(1)α—中污带水质呈灰色，近于多污带，水体除还原作用外．已出现氧化作用，如底泥中的硫化铁部分被氧化生成氢氧化铁。蓝藻、绿藻等已有生成，原生动物的太阳虫、吸管虫等已出现，且贝藻类等少数软体动物亦可在此生存。此带的指示生物有大颤藻、小额藻、小球藻、臂尾水软虫等等。(2)β--中污带中氧化作用已占优势、绿色植物大量出现，溶解氧增加，硅藻、绿藻等大量出现，细菌数量显著减少，双鞭毛虫类、贝类、各种昆虫大量出现，已有色类。此带的指示生物有水生束丝藻，变异直链硅藻、蚤状水蚤、大型水蚤、帆口虫、巨环旋轮虫等等3）寡污带•寡污带又称贫污带，此带已完成自净作用，有机物已被氧化或矿化，溶解氧近饱和，生物需氧量小于3mg/L，浑浊度低，水细菌数量极少•寡污带生物学特征是有大量显化植物生存，各种昆虫和鱼类种类较多表3.1污水系统的部分生物学、化学特征表3.1污水系统的部分生物学、化学特征表3.1污水系统的部分生物学、化学特征三、氧化塘净化废水的机理•1.好氧层的生物处理机理•C11H29O7N+14O2+H+→11CO2+13H2O+NH4+•14O2:C11H29O7N=448：287=1.56：1•即氧化塘中细菌氧化1g有机物需要的氧是1.56106CO2+16NO3-+HPO4-+122H2O→C106H263O110N16P+138O2每生产1g的藻类细胞物质能释放出1.244g氧，以供好氧细菌进行氧化作用。•2.厌氧层的生物处理机理•塘底处于厌气区，有机物质在厌氧微生物作用下，首先由产酸菌分解有机物质产生有机酸、醇、CO2、N2、H2、H2S等，再由产甲烷菌还原为H2O和CO2。•3.兼性层的生物处理机理•主要存在大量兼性好氧菌和兼性厌氧菌，在氧充足时进行有机物的彻底氧化，缺氧时进行厌氧呼吸或发酵。•4.其他污染物去除机理•利用氧化塘可以去除某些含毒物的废水，也可以去除某些重金属离子的废水，如Cd、Cr、Cu、Ni等，主要通过在较高的pH值下形成难溶盐或被水生生物通过食物链富集而去除。•氧化塘中的病原菌和寄生虫可以被紫外光照射杀死，或沉入塘底，受到细菌间拮抗作用，不易增殖而逐渐死亡。四、氧化塘分类•根据氧化塘内溶解氧和在净化中起主要作用的微生物种类，可将氧化塘分为好氧塘、厌氧塘、兼性塘和曝气塘四种。•1.好氧塘•塘深一般在0.5m左右，阳光可穿过水层到达塘底。藻类活动旺盛，靠藻类光合作用供氧，塘内完全呈好氧状态。好氧微生物在净化废水中起主要作用。•2.厌氧塘•塘深在2m以上，最深可达6m。塘中仅有很薄的一层表面水层呈好氧状态，好氧菌在这层活动，分解有机物，并消耗掉水中的溶解氧。塘的其余部分均呈厌氧状态，塘内几乎无藻类生长，主要靠厌氧微生物对有机物进行的厌氧呼吸和发酵作用去除污染物。厌氧塘多作为废水的预处理，处理后水再由好氧塘处理方能排放。3.兼性塘兼性氧化塘具有好氧塘和厌氧塘二者的特点。塘深一般在1-2.5m。在光线能通过的上部水层中，生长的藻类能进行光合作用，呈好氧状态。废水中的有机物在好氧层中通过好氧微生物氧化分解。塘底层水及底泥处于无氧状态，主要通过厌氧微生物的氧化分解作用降解有机物质。在好氧层与厌氧层之间存在兼氧层，这层水一般在白昼有溶解氧存在，而在夜间又处于厌氧状态，因而主要存在一些兼性微生物。•4.曝气塘•曝气塘是经过人工强化的氧化塘，在塘面上安装表面曝气设备，作为主要的供氧源。塘内全部水层都保持好氧状态，并充分混合，与曝气的活性污泥法相似。能承受较高的废水负荷，废水在塘内停留时间短，占地面积小，但机械费用高。由于塘内废水的混合和机械搅动，阻止了藻类的生长，故塘内藻类极少，光合作用不强。由于供氧充足，微生物大量生长繁殖，可形成活性污泥絮体。•曝气塘塘深3-5m，水力停留时间3-8d，不少于12h。BOD5去除率70%左右。出水BOD5较高，主要是活性污泥絮体残留所致，提高出水水质的关键在于去除这些物质。第四节厌氧生物处理简介•厌氧处理废水是在无氧条件下进行的，是由厌氧微生物作用的结果。厌氧微生物在生命活动过程中不需要氧，有氧还会抑制或杀死这些微生物。这类微生物分为两大类群：发酵细菌和产甲烷菌。废水中的有机物在这些微生物联合作用下，通过酸性发酵阶段和产甲烷阶段，最终被转化成CH4、CO2等气体，同时使废水得到进化。•酸性发酵阶段是指微生物在分解有机物过程中产生大量的有机酸，主要是挥发性脂肪酸和醇，使发酵环境中pH值下降，呈现酸性。•产甲烷阶段是指微生物在这一阶段中，分解第一阶段产生的有机酸和醇，通过无氧呼吸产生CH4、CO2、H2S等，使发酵环境中pH值上升，此时水中的pH值可提高至7-8.第五节废水生化处理中主要微生物类群•一、好氧处理主要微生物类群•活性污泥中的主要菌群有假单胞杆菌（Pseudomonas）、产碱杆菌属（Alcaligenes）、无色杆菌属（Achromobacter）、微杆菌属（Microbacterium）、黄杆菌属（Flavobacterium）、动胶杆菌属（Zoogloea）、芽孢杆菌属（Bacillus）丛毛单胞菌属（Comamonas）、不动杆菌属（Acinetobcter）、螺菌属（Spirillum）、短杆菌属（Brevibacterium）、诺卡氏菌（Nocardia）、丝状菌（Microthrixpar-vicella）、亚硝化单胞菌属（Nitromobacter）、蛭弧菌属（Bdellovibrio）、粪大肠菌属（Coliform）等.•废水好氧性处理中的真菌主要有曲霉属、毛霉属、青霉属、根霉属、镰刀