污水生物处理系统中的主要微生物

1第十章污水生物处理系统中的主要微生物第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及其主要微生物第二节有机污染物厌氧生物处理的基本原理及其主要微生物第三节无机污染物生物处理的基本原理及其主要微生物第四节生物处理法对污水水质的要求2一、污水好氧生物处理的基本原理在有氧的情况下，借好氧微生物的作用来进行，污水中的溶解性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜而被吸收；固体的和胶体的有机物先附着在细菌细胞体外，由细菌所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞，微生物通过物理凝聚作用在沉淀池中沉淀，与水体分离，从而达到净化污水的效果。第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物污水好氧生物处理方法：活性污泥法、生物滤池、生物转盘、污水灌溉和生物塘等。3二、活性污泥法中的微生物1.活性污泥中常见的微生物活性污泥的生物相十分复杂，除大量细菌以外，还有真菌、单胞藻类、原生动物、还可见到后生动物如轮虫、线虫等。第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物4细菌：活性污泥中有多种细菌，随污水性质、构筑物运转条件不同而出现不同的优势菌群。曾经报道的有：动胶菌属(Zoogloea)、微球菌属、假单胞菌属、黄杆菌属、芽孢杆菌属、螺菌属等。第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物原生动物：曾发现225种以上，其中以纤毛虫为主，占160多种。原生动物是好氧性的生物，主要附聚在活性污泥的表面，数量约在5000-20000个/ml。真菌：主要为霉菌。已报道的有毛霉属、根霉属、曲霉属、青霉属、镰孢霉属、枝孢霉属、木霉属、地霉属等。5(a)促进絮凝∶有的原生动物能分泌粘液，促进生物絮凝，从而改善活性污泥的泥水分离特性。(b)净化作用∶大部分原生动物是动物性营养，能吞食游离细菌和微小污泥，有利于改善水质。腐生性营养的鞭毛虫等可吸收污水中的有机物。(c)指示作用∶根据出现的原生动物的种类可以判断活性污泥的状态和处理水质的好坏。第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物原生动物在活性污泥中的作用：水质好（BOD10～20）：纤毛虫、钟虫水质坏（BOD20～30）：鞭毛类原生动物、根足虫、变形虫62.微生物造成的问题絮体微结构75μm：球形、密实、较易破裂（絮体形成菌）宏结构：大而不规则，抗剪切能力较强（丝状菌）第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物问题：二沉池中泥水的分离问题原因：污泥絮体结构不正常不凝聚；微小絮体；起泡沫；污泥膨胀7③起泡沫由诺卡氏丝状菌的异样增殖引起，曝气产生的气泡进入丝状菌群体中，浮在水面上，形成泡沫或一层浮渣。原因：高温（18℃）；高负荷；长泥龄（利于丝状菌生长）①不絮凝（微结构絮体）原因：絮体本身不稳定而碎裂（DO低、pH低、污泥负荷过低）过度曝气，剪切力过大而被切成碎块②微小絮体原因：曝气过度；长泥龄（5~6d）；低有机负荷第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物8④污泥膨胀—由丝状菌的异常增殖引起污泥结构松散，沉降性能恶化，随水漂浮，溢出池外的异常现象。理想的絮体：丝状菌与絮体形成菌保持平衡膨胀絮体：丝状菌从絮体中伸出，形成絮体网（搭桥）细菌沿丝状菌凝聚，形成细长絮体原因：低DO，污泥负荷低，营养不足（比例失调），低pH（丝状菌适宜pH为4.5~6.5，菌胶团为6~8）25种丝状菌第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物9污泥膨胀现象10污泥膨胀的控制方法：控制污泥负荷：0.2～0.45kg/(kg•d)控制营养比例：BOD：N：P＝100：5：1，P不足时有利于丝状菌的竞争控制DO比例：2mg/L加氧化剂（Cl2、H2O2、O3）：有选择性地控制丝状微生物投加混凝剂：改善污泥的絮凝注意：1.不出现丝状细菌时有时也会出现污泥膨胀。游离细菌产生菌胶团时会产生此现象菌胶团膨胀原因：大量胞外多聚物（ECP）（extra-cellularpolymer）2.在二沉池中因为反硝化作用产生氮气也会引起污泥膨胀第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物11游离细菌产生菌胶团基质时絮体微结构中产生了大量胞外多聚物（ECP,extra-cellularpolymer），导致污泥膨胀。第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物⑤非丝状菌引起的污泥膨胀菌胶团膨胀二沉池中因为反硝化作用产生氮气也会引起污泥膨胀12三、生物滤池中的微生物（生物膜法）生物膜是由好氧微生物、兼性微生物和部分厌氧微生物附着在载体表面而形成的一层带粘性、薄膜状的微生物混合群体。包括细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物。第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物13细菌：与活性污泥类似；硝化菌生活在膜内真菌：镰刀霉、青霉、毛菌、地霉藻类：主要生长在滤池表面，小球藻等原生动物：钟虫、盖纤虫、草履虫后生动物/小动物：轮虫、蠕虫、昆虫第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物14生物滤池剖面结构15生物膜法与活性污泥的比较（滤池可提供陆生条件）①食物链比活性污泥长，原生动物、后生动物的量多②微生物种类多，多样性指数大增长速度慢的微生物也可以生长抗冲击性弱的微小动物也可以生长生态系统稳定③硝化菌含量相对较多第一节有机污染物好氧生物处理的基本原理及主要微生物16ConcentrationDepth(m)H2SO2NO3-17厌氧生物处理是在无氧条件下是利用厌氧微生物的代谢作用将水中有机污染物分解转化的过程。二阶段论：酸性发酵阶段+碱性发酵阶段（产甲烷阶段）三阶段论：产酸阶段+产氢产乙酸阶段+产甲烷阶段四阶段论：产酸阶段+产氢产乙酸阶段+同型产乙酸阶段+产甲烷阶段一、厌氧生物处理的基本原理第二节有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物18第二节有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物19第二节有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物三阶段理论：1、水解、发酵阶段：发酵产酸细菌2、产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO23、产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4在上述三阶段理论的基础上，增加了一类细菌—同型产乙酸菌，其主要功能是将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成为乙酸。四阶段理论：20其它厌氧细菌群：硫酸盐还原菌、三价铁还原菌，与产甲烷菌竞争底物。二、厌氧生物处理中的微生物初级发酵细菌产氢产乙酸细菌同型产乙酸细菌产甲烷细菌第二节有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物211.初级发酵细菌功能：水解：在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物酸化：将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等水解过程较缓慢，并受多种因素的影响，是厌氧反应的限速步骤；产酸反应速率较快发酵产酸细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真杆菌属、双歧杆菌属等按功能来分类：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等第二节有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物222.产氢产乙酸细菌主要功能：将高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2主要反应：该类菌产氢及乙酸，可供产甲烷菌利用，其生长过程需要吸收大量能量，有赖于产甲烷细菌同化H2释放能量供其利用，因此二者形成共生关系。主要细菌：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属等。第二节有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物23功能：将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成为乙酸这类细菌不论利用何种基质，其厌氧呼吸的唯一产物为乙酸，故称之为同型产乙酸细菌。实际上这一部分由H2/CO2合成而来的乙酸的量较少，只占厌氧体系中总乙酸量的5%左右。主要细菌：伍氏醋酸杆菌、威氏醋酸杆菌、热自养梭菌等。第二节有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物3.同型产乙酸细菌244.产甲烷菌主要功能：将产氢产乙酸菌的产物—乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程顺利进行；包括两类细菌，利用氢的产甲烷菌和利用乙酸的产甲烷菌，产生甲烷的反应分别如下：4H2+CO2CH4+2H2OCH3COOHCH4+CO2第二节有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物产甲烷菌是一类十分特别的古细菌（Archea），其最主要的特点是：产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，两碳物质中只有乙酸，而不能利用其它含两碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类。25第二节有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物种类：种类多、形态多样，包括孙氏甲烷丝菌、马氏甲烷八叠球菌、巴氏甲烷八叠球菌利用乙酸的产甲烷菌的种类较少，只有产甲烷八叠球菌和产甲烷丝状菌，但在厌氧反应器中这两种菌居多，70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解。26严格厌氧菌，对温度和pH变化敏感中温菌：25－40°C；高温菌：50－60°CpH：6.8～7.2（范围窄），产酸过程中生成酸，从而降低pH抑制甲烷菌生长，因此在实际操作中应特别注意pH的控制。产甲烷菌的一般特性：属于古细菌一般认为栖息于一些极端环境中，但实际上分布极为广泛，如污泥，瘤胃，昆虫肠道，湿树林，厌氧反应器等。第二节有机污染物厌氧生物处理的基本原理及主要微生物2728第三节无机污染物生物处理生物脱氮及参与的主要微生物生物除磷及参与的主要微生物含硫废水的生物处理含金属离子废水的生物处理29第三节无机污染物生物处理氮是水体富营养化的主要诱因，必须加以严格控制。生物脱氮是利用硝化细菌和反硝化细菌的生理特性而在处理工艺创造好氧－厌氧条件使水中的氨氮经亚硝化、硝化作用形成硝态氮，再经过反硝化作用还原为氮气，从而从水中去除的过程。利用的微生物主要是硝化细菌和反硝化细菌生物脱氮的工艺类型1）A-O工艺；2）A2-O工艺；3）倒置A2-O工艺生物脱氮及参与的主要微生物：30传统脱氮工艺第三节无机污染物生物处理31两级脱氮工艺第三节无机污染物生物处理32A-O工艺第三节无机污染物生物处理33第三节无机污染物生物处理磷是水体富营养化的主要诱因，必须加以严格控制；生物除磷是根据一些聚磷菌可在好氧－厌氧条件下分别超量吸磷和放磷的生理特性来创造厌氧－缺氧－好氧工艺条件，最后通过排出富磷污泥来去除水中磷的过程；生物脱氮除磷通常合并进行，具有处理效果好、运行稳定的特点。生物除磷及参与的微生物34厌氧条件下，除磷菌将磷释放好氧条件下，除磷菌过量摄取磷高含磷污泥的排出I——PHB（聚β羟基丁酸）S——聚合磷酸盐原理与过程示意第三节无机污染物生物处理35Poly-PnADPATP乙酰-CoACH3COOHCH3COOHPHBNADH2ANDPoly-Pn-1PiPoly-PnADPATP乙酰-CoAPHBNADH2NADPoly-Pn-1PiTCA乙醛酸循环磷释放(厌氧)磷摄取(好氧)(细胞外)(细胞外)生物除磷的基本生化过程示意图第三节无机污染物生物处理36PHB及PO43-第三节无机污染物生物处理37曾报道的聚磷菌：不动杆菌、假单胞杆菌、气单胞菌、诺卡氏菌、深红红螺菌、着色菌属、囊硫菌属、贝日阿托氏菌属、蜡状芽孢杆菌属等。聚磷菌的一般特点：1）生长较慢，但因能积累和分解聚磷酸和PHB（聚-β-羟基丁酸），所以更能适应厌氧和好氧交替的环境而成为优势种。2）大多数聚磷菌一般只能利用低级脂肪酸等小分子的有机质，不能直接利用和分解大分子有机质。第三节无机污染物生物处理38生物除磷过程的影响因素①溶解氧：厌氧池内：绝对的厌氧；好氧池内：充足的溶解氧；②污泥龄：泥龄短的系统产生的剩余污泥多，可以取得较好的除磷效果；有报道称：污泥龄为30d，除磷率为40%；污泥龄为17d，除磷率为50%；而污泥龄为5d时，除磷率高达87%。③温度：5~30℃；第三节无机污染物生物处理39④pH值：6~8。⑤BOD5负荷：BOD/TP20；小分子易降解的有机物诱导磷的释放的能力更强；磷的释放越充分，磷的摄取量也越大。⑥硝酸盐：会进行反硝化反应，会抑制有机物的发酵产酸作用，从而影响聚磷