62微生物在环境保护中的应用

第一节微生物处理环境污染物的基本原理第二节废水处理中的微生物应用第三节固体有机废物的堆肥化处理第四节有机废气的微生物处理6.2微生物在环境保护中的应用工业微生物污染物种类来源人工合成天然成分分子量复杂简单浓度高浓度低浓度降解能力可生物降解非生物降解决定了是否采用微生物处理以及选用哪种微生物处理方法第一节微生物处理环境污染物的基本原理工业微生物有机污染物好氧微生物处理的一般途径一、好氧处理的基本原理第一节微生物处理环境污染物的基本原理工业微生物一、好氧处理的基本原理第一节微生物处理环境污染物的基本原理工业微生物一、好氧处理的基本原理第一节微生物处理环境污染物的基本原理工业微生物厌氧处理第一节微生物处理环境污染物的基本原理工业微生物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。工业微生物优点：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。工业微生物微生物群落：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转化为乙酸工业微生物厌氧处理的基本原理工业微生物第二节废水处理中的微生物应用工业微生物1、活性污泥法（1914年的在英国曼彻斯特）依靠曝气池中悬浮流动着的活性污泥来分解有机物.第二节废水处理中的微生物应用工业微生物废水的生物处理的方法很多，根据微生物与氧的关系可分为好氧处理和厌氧处理。根据微生物在构筑物中处于悬浮状态或固着状态，可分为活性污泥法和生物膜法。活性污泥和生物膜是净化污（废）水的工作主体。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，是废水生物处理中微生物悬浮在水中的各种方法的统称，悬浮的微生物群体呈泥花状态(floc)。一般指需氧活性污泥过程。工业微生物（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：微生物（好氧、兼性及少量厌氧）+固体杂质（有机和无机）（2）性质：絮状，大小为0.02-0.2mm，比表面积在20-100cm2/ml；颜色：生活污水一般为黄褐色，工业污水则与水质有关；含水率在99%，比重1.002-1.006，具有沉降性能；pH在6-7，弱酸性，具一定的缓冲能力。工业微生物2、好氧活性污泥的存在状态：在完全混合式曝气池中，以悬浮状态存在，均匀分布；在推流式曝气池内，随推流方向而有变化。工业微生物3、好氧活性污泥中的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。工业微生物动胶菌属球衣菌属工业微生物工业微生物（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。工业微生物4、好氧活性污泥中微生物的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MLSS（mixedliquorsuspendedsolids——混合液挥发性悬浮固体）。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好氧活性污泥中的细菌数有107-108个工业微生物（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。工业微生物氧化塘（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。工业微生物1、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）工业微生物2、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。工业微生物菌胶团的作用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一团胶状物都称为菌胶团。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。工业微生物菌胶团的作用：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、具有指示作用工业微生物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：工业微生物（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属。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。优势种为变形虫属、简便虫属等肉足类。工业微生物（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。工业微生物2、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。工业微生物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；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天原废水浓度调高1个浓度工业微生物（3）培养：将驯化好的活性污泥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，说明活性污泥培养进入成熟期。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工业微生物二、好氧生物膜法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。工业微生物工业微生物生物转盘:由水槽和部分浸没于污水中的旋转盘体组成的生物处理构筑物。盘体表面上生长的微生物膜反复地接触槽中污水和空气中的氧，使污水获得净化。工业微生物（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，有利于微生物进一步对这些吸附的有机物的分解。工业微生物2、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。工业微生物（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。工业微生物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。因此，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。3、好氧生物膜的结构工业微生物生物滤池中的生物膜分为上层、中层和下层上层：营养浓度高，主要是细菌，少数是鞭毛虫。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。工业微生物4、净化作用机理在生物滤池中，上层生物膜中的生物膜生物（絮凝性细菌及其他微生物）和生物膜面生物（固着型纤毛虫、游泳型纤毛虫及微型后生动物）吸附废水中的大分子有机物，将其水解为小分子有机物。同时生物膜生物吸收溶解性有机物和经水解的小分子有机物进入体内，并进行氧化分解，利用吸收的营养构建自身细胞。上一层生物膜的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。工业微生物（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天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着在滤料上，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