第09章水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理

污水格栅除杂气浮池全自动格栅斜板过滤一级处理加氯消毒外排三级处理（膜、树脂技术）回用二级生物处理第三章第二篇第三章水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理•好氧活性污泥法•好氧生物膜法•活性污泥丝状膨胀及对策•厌氧活性污泥法第一节废水生物处理中的生态系统一、好氧活性污泥法1.好氧活性污泥的组成微生物：好氧、兼性厌氧有机和无机的固体杂质通过生物学和化学分析，活性污泥由①活性微生物，②微生物内源呼吸残余物，③吸附在活性污泥上的惰性的不可降解的有机物④虽可降解但尚未降解的有机物⑤惰性无机物，5～65％25～50％0～17％20～30％2.好氧活性污泥的性质•物理性质：含水率99％左右，密度1.002～1.006，绒粒大小为0.02～0.2mm，比表面积为20～100cm2；有沉降能力，有吸附能力•化学性质：呈弱酸性（pH约为6.7），有氧化有机物的能力•生化性质：有生物活性，有自我繁殖能力。3.活性污泥的形成和存在状态对含有机物和细菌的污水不断曝气，维持足够的溶解氧，经过一定时间后，就会产生絮状的污泥。在显微镜下观察，可看到各种微生物——细菌、霉菌、原生动物、后生动物。从外观上看，活性污泥根据废水水质不同有不同的颜色，有褐色、黄色、灰色和铁红色等。轻轻搅动，易于呈悬浮物状；静止片刻，也易沉下。活性污泥无臭味，具有微微的土腥味。4.好氧活性污泥中的微生物群落•好氧活性污泥的结构和功能的中心是菌胶团——由能起絮凝作用的细菌形成。其上生长着其他微生物，如酵母菌，霉菌、放线菌、藻类、原生动物和微型后生动物，组成一个生态系。•当营养条件（废水种类、化学组成、浓度）、温度、供氧、pH等环境条件改变，会导致主要细菌种群改变。5.好氧活性污泥中微生物的浓度和数量浓度常用1L活性污泥混合液中含有多少毫克恒重干固体表示，MLSS城市污水处理中，MLSS2000～3000mg/L工业废水生物处理中，3000mg/L左右高浓度工业废水生物处理，3000～5000mg/L1mL好氧活性污泥中的细菌有107～108个6.好氧活性污泥净化废水的作用机理活性污泥去除废水中有机物的过程包括两个阶段：•吸附阶段处于内源呼吸状态（即饥饿状态）的活性污泥，由于活性污泥中微生物对食料的需求，且活性污泥有巨大的比表面积，所以它对有机物的吸附能力极强，且吸附速度很快。通过吸附，废水中的有机物就会减少很多。这个阶段一般只需30min即能完成。通过吸附作用，有机物只是从水中转移到污泥上，其性质并未立刻发生变化。吸附作用主要是非溶解性的有机物吸附在活性污泥絮状体上，有些有机物吸附在细菌表面上，有些有机物被细菌吸收，但尚未被利用。活性污泥的吸附能力将随着吸附量的增加而减弱。只有经过充分的曝气，贮存在微生物体内的有机物充分氧化分解，使活性污泥达到内源呼吸阶段，这时的吸附能力最强。•氧化合成阶段吸附阶段基本结束后，微生物要对大量被吸附的有机物进行氧化分解，并利用有机物合成细胞体原生质进行自身繁殖。同时还要继续吸附废水中残存的有机物。这一阶段进行得很缓慢，比第一阶段所需的时间长得多。氧化合成的速度决定于有机物的浓度。初期，有机物浓度很高，食料很丰富，因此氧化合成的速度很快。随着有机物浓度的降低，氧化合成的速度也逐渐降低。经过氧化合成阶段，废水中的有机物发生了质的变化，一部分是无机物，另一部分变成微生物细胞，即活性污泥。由于活性污泥一般具有良好的沉降性能，可与废水分离，从而达到使废水净化的目的。吸附达到饱和后，污泥就失去了活性，不再具有吸附有机物的能力。通过氧化合成阶段，去除了所吸附的大量有机物后，污泥又重新呈现活性，恢复了吸附和氧化能力。因此，氧化合成阶段又是污泥再生阶段。7.好氧活性污泥法的几种处理工艺流程曝气池进水沉淀池出水剩余污泥回流污泥推流式活性污泥法水流从池的一端进入，向前推移，从另一端流出。在曝气池的起端，回流的活性污泥与废水立刻得到充分混合，活性污泥将大量吸附废水中的有机物。随着曝气池混合液中有机物沿池长的不断被氧化及微生物细胞的不断合成，水中有机物的浓度越来越低，到了池子末端和出水中，微生物的生长已进入内源呼吸阶段。它们的活动能力减弱，容易在沉淀池中沉淀。其中的有机物几乎全被“吃掉”，微生物细胞内所储存的物质也变得空乏，这种处于饥饿状态的活性污泥已经充分恢复了活性，回流到曝气池后，具有良好的吸附和氧化有机物的能力。推流式活性污泥法的优缺点•优点：出水水质好（85～90％），剩余污泥量较少。•缺点：①耐冲击负荷差：根据推流原理，进水与回流污泥混合形成混合液，从池子起端流向末端。如果进水水质发生变化，对活性污泥影响较大。如果流入的废水含有有害物损害了回流污泥，引起的问题就更大。②供氧与需氧间存在不可克服的矛盾沿曝气池池长需氧速度变化很大，但是沿曝气池池长的供氧速度是基本相同的——供需矛盾：前段供氧不足而后端供氧过剩。如果想要在曝气池前端维持足够的溶解氧，则后段的氧量会太大，氧的利用滤低，增加了处理费用。完全混合式活性污泥法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混合液在曝气池内充分混合循环流动，进行吸附和氧化分解。特点：1.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。2.可把曝气池的工况控制在最佳的位置上。接触氧化稳定法又称吸附再生活性污泥法或生物吸附法。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。在吸附池内，活性污泥和废水充分接触，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，从沉淀池排出的回流污泥先在稳定池内进行再生，使吸附的有机物充分氧化分解，恢复污泥活性后，再引入吸附池。分段布水推流式活性污泥法曝气池进水沉淀池出水剩余污泥回流污泥分段布水推流式活性污泥法废水并不是集中在池端进入曝气池，而是沿池长分段按几个点进入曝气池。特点：①有机物的分配较为均匀，因而氧的需要也较为均匀，在一定程度上降低了池子前段的耗氧速度，避免前端出现缺氧情况。②曝气池中活性污泥浓度不均匀，前端较浓，后端较稀，提高了空气的利用率和曝气池的效率。氧化沟式活性污泥法进水沉淀池出水剩余污泥回流污泥氧化沟充气刷氧化沟式活性污泥法混合液在沟内不断循环流动，废水在氧化沟内停留时间一般很长（15～40h）。氧化沟具有处理流程简单，机械设备少，管理方便，出水水质好，污泥产量少而稳定以及耐冲击负荷强等优点。氧化沟去除有机物的效率很高，BOD5的去除率一般可达95％以上。氧化沟中的微生物群落•氧化沟是人工的、接近自然的生态系统，在氧化沟内，藻类和细菌共存在同一环境中，保持互生关系。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。氧化沟处理废水的机理•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：有机废水流入氧化沟，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。并繁殖新藻体。9.原生动物及微型后生动物的作用•指示作用低等生物对环境适应性强，对环境因素的改变不敏感。较高等生物则相反。原生动物和微型后生动物在水体中较高等生物。可根据它们的活动规律判断水质和污水处理程度；根据原生动物种类判断活性污泥和处理水质的好坏；还可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。•净化作用试验证明原生动物有摄取溶解性有机物的作用，起了净化作用。•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进细菌发生絮凝作用。10.好氧活性污泥的培养•间歇式曝气培养–获取活性污泥–间歇式曝气培养法进行驯化先近低浓度废水培养，以后逐级提高废水浓度，直到提高到原废水浓度为止驯化初期活性污泥结构松散，游离细菌较多，出现鞭毛虫和游动性纤毛虫。此时的活性污泥有一定的沉降效果。驯化后期以游动性纤毛虫为主，出现少量的、有一定耐污能力的纤毛虫，沉降性能较好，上清夜与沉降污泥可看出界限。–用连续曝气培养法继续培养•连续曝气培养获取活性污泥后，用连续曝气培养法进行驯化和培养。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）1.生物膜的形成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。2.生物膜中的微生物群落及其功能生物膜生物生物膜面生物滤池扫除生物所处位置膜内膜表面膜外层生物组成以菌胶团为主要组分，辅以浮游球衣菌、藻类等固着型纤毛虫及游泳型纤毛虫轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、颗体虫功能净化和稳定污、废水水质促进滤池净化速度，提高滤池整体的处理效率去除滤池内的污泥、防止污泥积聚和堵塞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生物滤池（塔）中的分层特征表上层中层下层营养物浓度高上层微生物的代谢产物及较低的有机物浓度有机物浓度很低，低分子上层微生物的代谢产物较多微生物种类细菌及少数鞭毛虫菌胶团、浮游球衣菌、鞭毛虫、变形虫、豆形虫、肾形虫等菌胶团、浮游球衣菌、钟虫为主的固着型纤毛虫和少数游泳型纤毛虫相当于多污带相当于中污带相当于寡污带3.生物膜的净化机理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。同一类型废水好氧活性污泥法与生物滤池法处理效果对比项目BODCODSS(悬浮物)细菌病毒活性污泥法95%69.2%95%98%98%去除率生物滤池95%69.2%95%95%50%优缺点对比生物量耐冲击负荷污泥产生量污泥膨胀动力消耗管路堵塞活性污泥法较小较差多发生较合理否生物滤池较大较强少不发生较大是曝气池中有正常活性污泥和膨胀污泥。•正常活性污泥絮凝细菌（絮凝作用）大量钟虫类微生物•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）菌胶团（多）丝状细菌（少）第二节活性污泥丝状膨胀和控制对策•衡量指标可用污泥体积指数SVI作为衡量污泥沉降性能好与坏的指标。•SVI在200mL/g以下为正常活性污泥，一般在50～150mL/g，最好在100mL/g左右•SVI在200mL/g以上说明活性污泥发生膨胀。一、活性污泥丝状膨胀的成因•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•活性污泥丝状膨胀的成因——环境因素促进丝状微生物过渡生长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℃。活性污泥丝状膨胀通常发生在春、夏之交和秋季，温度在25～28℃，不同地域，发生的季节也会有所不同。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，其适应性强。当有机废水中溶解氧缺乏时，菌胶团细菌的活性受到抑制，但丝状菌如浮游球衣菌、贝日阿托氏菌、发硫菌等仍能正常生长，这些丝状菌的优势生长很容易引起活性污泥丝状膨胀。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。4.有机物浓度（或有机负荷）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。5.Ph•活性污泥丝状膨胀的机理呈丝状扩展生长的丝状菌，比表面积