第六章 微生物在水处理中的应用.docx

1、第六章 微生物在水处理中的应用第六章 微生物在水处理中的应用本章重点：1.介绍微生物在水处理中的几种基本方法；2.介绍微生物在污水处理中的几种常见应用；3. 介绍微生物在给水处理中的几种常见应用。6.1基本处理方法6.1.1好氧处理一、废水好氧处理时COD的转化在废水的生物处理中，可降解的有机物在转化为简单无机物的同时，其一部分又通过合成代谢转化为增殖了的细胞物质。此外，在任何废水的生物处理中，可降解的有机物总或多或少地部分残留在废水中，这部分有机物未被降解，也未被转化为细胞物质。则全部废水的COD关系可表示为：CODtot总COD，即totalCOD。CODbd可生物降解的COD，即biod

2、egradable COD。CODres难以降解的COD，即biolofical resistant COD。CODcells转化为细胞物质的COD。CODubd实际未降解的可降解COD，即unbiodegrable COD。 （6-1）及 （6-2）在废水的好氧生物处理中，被除去的COD（即CODrem）是转变为无机物的COD和转变为细胞的COD之和，即： (6-3)经好氧处理后，COD的去除率为： （6-4）其中的就是经处理后废水中残留的COD总量。废水在好氧处理后，经二沉池沉淀除去细胞物质，其流出液测定的COD，实际上是之和。二、好氧处理的生物化学特点从有氧呼吸的原理出发，我们可以从微生

3、物学角度理解好氧生物处理法的一些特点，例如：其一，它需要消耗氧气。（1）有机物的完全氧化 （6-5）（2）细胞物质的合成(包括有机物氧化，并以NH3作氮源)（6-6）（3）细胞物质的氧化(自身分解) （6-7）其二，好氧呼吸的特点决定了好氧生物处理具有较高的污泥产率。三、好氧活性污泥处理的生物类群在活性污泥处理中微生物以絮凝物的形式存在，这是直径为0.050.5mm絮状化的微生物聚集体，它是由大量活细菌与其他微生物及吸附于其上的无生命物质构成。有机物的降解主要由细菌完成，其中重要的细菌有动胶菌属(Zoogloea)、假单胞菌属(Pseudomonas)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、无

4、色杆菌属(Achromobacter)、黄杆菌属(Flavobacterzum)、芽孢杆菌属(Bacillus)、杆菌属(Bacterium)、微球菌属(Micrococcus)等。6.1.2厌氧处理含有有机污染物的废水在无溶解氧(即厌氧)条件下的微生物处理称为厌氧生物处理或厌氧处理。厌氧条件下微生物通过无氧呼吸和发酵作用使有机物降解。高分子量有机物的厌氧降解可以分为以下4个阶段：（1）水解阶段在此阶段高分子有机物被微生物释放的胞外酶分解为小分子，以便能透过细胞膜，为微生物进一步利用。（2）发酵(或酸化)阶段在此阶段，上述小分子有机物被发酵细菌在细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到细胞外。这一

5、阶段的主要产物是挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids，简写作VFA)、醇类、乳酸及二氧化碳、氢气、氨和硫化氢等。（3）产乙酸阶段上一阶段产生的脂肪酸、醇类被进一步转化为乙酸以及二氧化碳、氢气，并合成新的细胞物质。（4）产甲烷阶段在此阶段，乙酸、氢气、二氧化碳等转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。二、厌氧生物处理中的微生物类群水解、酸化过程由大量的、各种各样的发酵细菌完成，其中重要的类群有梭状芽孢杆菌属(Clostridium)和拟杆菌属(Bacteriodes)。其他重要的细菌还有丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、真细菌属(Eubacterium)、双歧杆菌属(Bifi

6、dbacterium)等。三、废水厌氧处理中COD的转化在厌氧处理中，有机物的氧化在无分子氧参与的情况下完成，因此厌氧处理后产物的全部COD与处理前相同。但是，由于所产甲烷和细胞物质由水中分离，使水中污染物COD浓度下降，由此使废水得以净化。复杂有机物 碳水化合物、蛋白质、脂类 (1) 水解 简 单 溶 解 性 有 机 物(1) 发酵脂肪酸、醇类（丙酸、丁酸、乙醇、乳酸等）(2) 产氢产乙酸 氢 气 乙酸 二氧化碳 （3）同型产乙酸 （4） （5）产甲烷作用 甲烷 二氧化碳 (1)发酵性细菌，（2）产氢产乙酸细菌，（3）同型产乙酸菌， （4）利用H2和CO2的产甲烷菌，（5）分解乙酸的产甲烷菌

7、图6-1有机物厌氧降解过程示意图6.1.3兼氧将厌氧过程控制在水解或酸化阶段，利用兼性水解产酸菌难降解的复杂有机物转化为简单有机物，将有利于后段的好氧处理。在此过程中主要通过控制环境的pH、通氧量、温度、时间等，抑制甲烷菌的生长。常用于处理印染废水、焦化废水、表面活性剂。6.2微生物在污水处理中的应用6.2.1活性污泥法一、活性污泥法的基本原理1.活性污泥法的概念与工艺流程活性污泥法是指利用活性污泥微生物处理有机废水的生物处理方法，是目前污水处理技术领域中应用最为广泛的技术之一。活性污泥处理系统主要由活性污泥反应器即曝气池、二沉池、污泥回流系统和曝气及空气扩散系统等组成。活性污泥法的主要处理流

8、程为：来自初次沉淀池或其他预处理装置的污水从曝气池的一端进入，从二次沉淀池连续回流的活性污泥，于此同步进入曝气池；从空压机站送来的压缩空气，通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入污水中，其作用除向污水充氧外，还使曝气池内的污水、活性污泥处于剧烈搅动的状态，形成混合液。活性污泥与污水互相混合，与污染物充分接触，使活性污泥反应得以正常进行。活性污泥反应进行的结果，污水中有机污染物得到降解而被去除，活性污泥本身得以繁衍增长，污水则得以净化处理。经过活性污泥净化作用后的混合液，由曝气池的另一端流出并进入二次沉淀池，活性污泥通过沉淀与污水分离，澄清后的污水作为处理水排出系统。经过沉淀浓

9、缩的污泥从沉淀池底部排出，其中一部分作为接种污泥回流曝气池，多余的一部分则作为剩余污泥排出系统。图6-2所示为活性污泥处理系统的基本流程。图6-2 好氧活性污泥法基本流程2活性污泥法的基本特征活性污泥法尽管因处理的目的和对象不同，有许多运行方式和工艺，但它们的主要特征是相同的，具体表现在：利用生物絮凝体为生化反应的主体物；利用曝气设备向生化反应系统分散空气或氧气，为微生物提供氧源；对体系进行混合搅拌以增加接触和加速生化反应传质过程；采用沉淀方式去除生物体，降低出水中微生物的固体含量；通过回流使在沉淀池浓缩的活性污泥微生物返回到反应系统；为保证系统内生物细胞平均停留时间的稳定，经常排出一部分生物

10、固体，即剩余污泥。3活性污泥的基本特征（1）活性污泥的形态与组成正常的活性污泥在外观上呈黄褐色的絮绒颗粒状，又称为“生物絮凝体”，其粒径一般介于0.020.2mm之间。在活性污泥上栖息着具有强大生命力的微生物群体。除了大量的微生物以外，活性污泥中还夹杂着由污水带入的有机和无机固体物质，在有机固体物质中，包括某些惰性的难为细菌摄取、利用的所谓难降解物质。综合而言，活性污泥由4部分物质所组成：具有活性的微生物群体；微生物自身氧化的残留物；原污水挟入的不能为微生物降解的惰性有机物质；原污水挟入的无机物质。（2）活性污泥中的微生物菌胶团细菌。能形成活性污泥絮状体(floc)的细菌称为菌胶团细菌。它们是

11、构成活性污泥絮状体的主要成分，有很强的吸附、氧化有机物的能力。丝状细菌。丝状细菌也是活性污泥微生物的重要组成成分。丝状细菌在活性污泥中交叉穿织于菌胶团内，或附着生长于絮凝体表面，少数种类也可游离于污泥絮凝体之间。真菌。活性污泥中的真菌主要是腐生或寄生的丝状菌。这些真菌具有分解碳水化合物、脂肪、蛋白质及其他含氮化合物的功能，但若大量异常的增殖会导致产生污泥膨胀现象。原生动物。原生动物对废水的净化也起着重要作用，而且可作为处理系统运转管理的一种指标。在活性污泥系统启动的初期，活性污泥尚未得到良好的培育，混合液中游离细菌居多，处理水水质欠佳，此时出现的原生动物，最初为肉足虫类(如变形虫)占优势，继之

12、出现的则是以游泳型的纤毛虫，如豆形虫、肾形虫、草履虫等为主。当活性污泥菌胶团培育成熟，结构良好，活性较强，成为处理系统微生物的主要存在形式时，处理水水质良好，此时出现的原生动物则将以带柄固着(着生)型的纤毛虫，如钟虫、等枝虫、独缩虫、聚缩虫和盖纤虫等为主。通过显微镜的镜检，能够观察到出现在活性污泥中的原生动物，并可辨别认定其种属，据此能够判断处理水质的优劣。微型后生动物。后生动物在活性污泥系统中并不经常出现，只有在处理水质良好时才有一些微型后生动物存在，主要有轮虫、线虫和寡毛类。（3）活性污泥的数量指标混合液悬浮固体(MLSS)浓度又称混合液污泥浓度，它表示的是在单位容积混合液内所含有的活性污

13、泥固体物质的总质量，单位为mg/L，但也可以使用g/L,g/m3或kg/m3。混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)浓度是指混合液活性污泥中有机固体物质的浓度，以质量表示，单位与MLSS的相同。在一般情况下，MLVSSMLSS值比较固定，对于生活污水，常为0.75左右。（4）活性污泥的沉降性能指标 、污泥沉降比(SV)又称30min沉淀率；为混合液在量筒内静置30min后所形成沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分数，以表示。污泥体积指数或称污泥指数(SVI)的物理意义是曝气池出口处的混合液经30min静沉后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积，以毫升(mL)计。其计算式为： SVI=SV(mL/L

14、)MLSS(g/L)SVI值能够反映出活性污泥的凝聚、沉淀性能。通常，当SVI200时，沉淀性较差，污泥易膨胀。一般常控制SVI在50150之间为宜，但根据污水性质不同，这个指标也有差异。如污水中溶解性有机物含量高时，正常的SVI值可能较高；相反，污水中含无机悬浮物较多时，正常的SVI值可能较低。6.2.2生物膜法一、生物膜法净化污水的机理1生物膜及其结构污水的生物膜处理法的实质是使细菌和真菌一类的微生物和原生动物、后生动物一类的微型动物附着在滤料或某些载体上生长繁育，并在其上形成膜状生物污泥生物膜。污水与生物膜接触时，其中的有机污染物作为营养物质，为生物膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生

15、物自身也得到繁衍增殖。污水与滤料或某种载体流动接触，经过一段时间后，后者的表面将会为一种膜状污泥，即生物膜所覆盖，生物膜逐渐成熟，其上由细菌及各种微生物组成的生态系及其对有机物的降解功能达到了平衡和稳定状态。从开始形成到成熟，生物膜要经历潜伏和生长两个阶段。2生物膜对有机物质的降解及其生长空气中的氧溶解于流动的水层中，从那里通过附着水层传递给生物膜，供微生物用于呼吸；污水中的有机污染物则由流动水层传递给附着水层，然后进入生物膜，并通过细菌的代谢活动而被降解，使污水在其流动过程中逐步得到净化；微生物的代谢产物如H2O等则通过附着水层进入流动水层，并随其排走，而CO2及厌氧层分解产物如H2S、NH

16、3以及CH4等气态代谢产物则从水层逸出进入气流中。在正常运行情况下，整个反应系统中的生物膜各个部分总是交替脱落的，系统内活性生物膜数量相对稳定，净化效果良好。过厚的生物膜并不能增大底物利用速度，却可能造成堵塞，影响正常通风。因此，当废水浓度较大时，生物膜增长过快，水流的冲刷力也应加大，如依靠原废水不能保证其冲刷能力时，可以采用处理出水回流，以稀释进水和加大水力负荷，从而维持良好的生物膜活性和合适的膜厚度。3生物膜中的微生物生物膜中的微生物主要有细菌(包括好氧、厌氧及兼氧细菌)、真菌、放线菌、原生动物(主要是纤毛虫)和微型后生动物，其中藻类和微型后生动物比活性污泥法中多见。在生物膜的好氧层专性好

17、氧的芽孢杆菌属(Bacillus)的细菌占优势；在厌氧层有诸如脱硫化弧菌属(Desulfovibrio)一类的专性厌氧细菌存在于膜和滤料的界面上。滤膜上数量最多的细菌则是兼性细菌，主要有假单胞菌属(Pseudomonas)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、黄杆菌属(Flavobacterium)、五色杆菌属(Achromobacter)、微球菌属(Micrococcus)、动胶杆菌属(Zoogloea)等。另外，还存在有大肠杆菌和产气杆菌等肠道杆菌。在生物膜上还经常能见到丝状微生物，如球衣细菌(Sphaerotilus)、贝氏硫细菌(Beggiatoa)和发硫细菌(Thiothrix)等

18、，后两种往往存在于膜的厌氧层。在好气层还可能生长有丝状真菌，它们只存在于有溶解氧的层次内。在生物膜中出现的后生动物有轮虫类、线虫类、昆虫类、腹足类、寡毛类等。生物膜上出现的轮虫类的种类与活性污泥的大体相同，但数量更多。线虫类也比活性污泥中多，而且很少受到季节性变化的影响，数量相对稳定。生物膜上出现的顠体虫属(Aeolosoma)、仙女虫属(Nais)、吻盲虫属(Pristina)等寡毛类，在每毫克干生物膜中有时可达到1000个以上。4生物膜法的主要特征（1）生物多样性高，能存活世代时间较长的微生物（2）食物链长 （3）具有较强的脱氮能力 （4）优势菌群随水处理程度呈现规律性分布 （5）操作运行

19、稳定生物膜处理法的各种工艺，对流入原污水水质、水量的变化都具有较强的适应性。（6）污泥沉降性能好，宜于固液分离 （7）能够处理低浓度有机废水 （8）易维护，能耗低表6-1 活性污泥法和生物滤池法比较项目活性污泥法生物滤池法基建项目较低 低占地面积少，适于土地紧缺地价昂贵的地区多，约为活性污泥法的lO倍运行费用高低运行技术要求高，需要连续监视运行情况低，不需要连续监视运行情况天气影响潮湿天气工作好，干燥天气稍差，受低温影响小夏季工作好，冬季易于积水结冰废水性质对毒物冲击、负荷变化和废水种类敏感，有污泥膨胀问题抗冲击负荷和有毒物质，适用于多种污水，无污泥膨胀问题出水水质除膨胀外悬浮固体低悬浮固体较

20、高二次污泥体积大，含水量高，难于脱水，稳定性低体积小，含水少，高度稳定能量需求高，需要曝气混合，污泥回流低，自然通风，重力过流静水头小高公害气味小，无蚊蝇，会有噪声气味中等，有蚊蝇，无噪声耐久性不耐久，维护要求低不耐久，维护要求高合成洗涤剂可能有泡沫，特别在有扩散器时泡沫少生物膜法有以下几种类型：生物滤池 一般建成长方形或圆形池子(钢筋混凝土或砖石结构)，池内装有滤料(石子、炉渣或塑料滤料等)，滤料层上有布水装置，下有排水系统。生物滤池分普通生物滤池(conventional biological filter)和高负荷生物滤池(high rate biological filter)。塔式生

21、物滤池(biological tower) 塔高724m，采用塑料滤料(聚氯乙烯和聚丙烯)，内部通风良好，水流紊动剧烈，水力冲刷较强。普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池的工作特点如表6-2。 生物转盘(biologlcal disc) 1960年德国斯图加特工业大学设计的一种方法，在废水池子安装转盘，像水车一样旋转，转盘浸入水中吸附有机物获得营养，转盘离开水后获得氧气。生物接触氧化(biological contact oxidation) 在池中装填一定数量生的填料，使之淹没在水中，附着在填料上的微生物要依靠机械充氧获得氧气，氧化分解有机物，又称淹没式生物滤池，是介于活性污泥法和生物

22、滤池法之间的处理工艺。一般停留时间为0.5 h1.5h，BOD负荷l6 BOD kg/(m3d)，去除效率8090(BOD5)。表6-2 普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池等的比较项目普通生物滤池高负荷生物滤池塔示生物滤池水力负荷m3/(m2d)15103090150有机负荷BODkg/( m2d)0.10.20.81.224有机物去除率（%）859575907080高度（m）1.83.00.92.4724生物流化床(biological fluidized bed) 为提高生物膜法的处理效率，以砂、焦炭或活性炭等细小惰性材料作为生物膜载体，废水(先经充氧或床内充氧)自下向上流过滤床使

23、载体层呈流动状态，加大了生物膜表面积与废水和氧的接触。MLSS为840g/L，有机负荷16BODkg/(m3d)。停留时间1545 min，BOD和氮去除率90。6.2.3厌氧处理法厌氧生物法是一种既节能又产能的废水生物处理工艺。同好氧处理法相比，厌氧处理法具有许多明显的优点：有机负荷高，去除率高。能降解许多在好氧条件下难以降解的合成化学品。能源动力消耗少，且产能。剩余污泥量少。设备投资少，运行费用低。厌氧污泥可长期贮存，为季节性或间歇式运行提供方便。但是厌氧处理也有很明显的缺点，主要有以下几方面：污泥增加缓慢，对毒物敏感，启动时间长。一般第一次启动要花812周左右的时间。出水水质一般达不到排

24、放标准。由于进水浓度高，即使去除率很高，也难达到排放标准，故还需进一步处理，通常通过厌氧和好氧(A/O)串联运行解决。操作控制较为复杂。特别是初次启动操作，需对操作人员进行一定的技术培训。沼气易燃。要有安全措施防止爆炸事故。一、废水厌氧生物处理的微生物学原理（一）有机物厌氧消化的微生物学过程两段理论: 在第一阶段，复杂的有机物，如糖类、脂类和蛋白质等，在产酸菌(厌氧和兼性厌氧菌)的作用下被分解成为低分子的中间产物，主要是一些低分子有机酸和醇类，如乙酸、丙酸、丁酸、乙醇等，并有H2、CO2、NH4+和H2S等产生。因为该阶段中有大量的脂肪酸产生，使发酵液的pH值降低，所以，此阶段被称为酸性发酵阶

25、段或产酸阶段。在第二阶段，专性厌氧菌产甲烷菌将第一阶段产生的中间产物继续分解成CH4、CO2和H2O等,此阶段被称为碱性发酵阶段或产甲烷阶段。三阶段理论: 第一阶段为水解发酵阶段。在该阶段，复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先分解成简单的有机物，如纤维素经水解转化成较简单的糖类、蛋白质转化成较简单的氨基酸、脂类转化成脂肪酸和甘油等。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等。参与这个阶段的水解发酵菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。第二阶段为产氢产乙酸阶段。在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸

26、和醇类等转化成乙酸和氢，并有CO2产生。第三阶段为产甲烷阶段。在该阶段中，产甲烷菌把第一阶段和第二阶段产生的乙酸、H2和CO2等转化为甲烷。（二）参与厌氧消化过程的微生物及其生理特征厌氧生物处理过程是一个连续的微生物学过程，参与厌氧消化的微生物类群总体上可分为两大类，即包括发酵细菌、产氢产乙酸菌以及同型产乙酸菌在内的非产甲烷菌和产甲烷菌。1非产甲烷细菌非产甲烷细菌(non methanogens)常称为产酸菌(acidogens)，它们能将有机底物通过发酵作用产生挥发性有机酸(VFA)和醇类，常使处理构筑物中混合液的pH值处于较低的水平。表6-3列举了厌氧生物处理系统中常见的一些典型非产甲烷细

27、菌。表6-3 典型非产甲烷细菌类 型细菌种属发酵细菌梭杆菌属（Fusobacterium）拟杆菌属（Bacteroides）丙酸杆菌属（Propionibacterium）气杆菌属（Aerobacter）产氢产乙酸菌脱硫弧菌(Desulfovibio desulfuricans)普通脱硫弧菌(D.vulgaris)沃尔夫互营单胞菌(Syntrophononas wolfei)梭菌属(Clostridium sp.) 沃林互营杆菌(Syntrophobacter wolinii)产生消化链球茼(Peptostreptococcus productus)同型产乙酸菌伍迪乙酸梭菌（Acetobact

28、erium mwoodii）威林格乙酸梭菌（A.wieringae）乙酸梭菌(C.aceticum)威林格乙酸杆菌(C.formicocaceticum)甲酸乙酸化梭菌(C.magnum)2产甲烷细菌 产甲烷细菌(methanogen)这一名词是1974年由Bryant提出的，目的是为了避免这类细菌与另一类好氧性甲烷氧化细菌(aerobic methano-oxldizmg bacterla)相混淆。产甲烷细菌利用有机或无机物作为底物，在厌氧条件下转化形成甲烷。而甲烷氧化细菌则以甲烷为碳源和能源，将甲烷氧化分解成CO2和H2O。3硫酸盐还原细菌在含有硫酸盐的有机废水厌氧生物处理系统中，会有硫酸

29、盐还原菌的生存。硫酸盐还原菌(SRB)是对具有把硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等硫化物以及单质硫还原形成硫化氢这一生理特征细菌的统称。（三）非产甲烷细茵与产甲烷细菌之间的关系1非产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物2非产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位3非产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质4产甲烷细菌为非产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制5非产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持适宜的酸碱环境（四）厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替在厌氧生物处理系统中(如在消化反应器中)，由于内部各区域生态位的差异，造成非产甲烷细菌、产甲烷菌中各类群细菌有规律地出现演替。在非完全混合反应器中，优势

30、种群沿水流方向的演替规律如下。通过各种群间相互利用、相互制约，构成一个稳定的生态系统，保证生物代谢过程正常进行。若这一演替规律被破坏，往往会影响代谢平衡，甚至导致整个处理系统的运行失败。（五）废水厌氧生物处理的工艺条件及其控制1.严格厌氧条件2.营养条件和其他废水生物处理技术一样，厌氧生物处理工艺的正常运转是建立在系统内微生物的生长代谢基础之上的，因此欲取得较佳的处理效果，必须给微生物提供生长必需的营养条件，任何一种营养源的不足，都会严重影响微生物的生长，威胁系统的正常运行。在实际工程中，一般考虑最多的是维持微生物对碳、氮、磷营养需求的平衡。3温度4pH值产甲烷细菌的最适pH值是6.57.5，pH值大于8.2或小于6都将影响产甲烷菌的活性。5搅拌6污泥接种 （六）主要厌氧消化装置类型进行污水处理的厌氧消化装置主要有四种类型：常规消化池或普通消化池(convention digester)厌氧接触消化池(anaerobic contact digester) 厌氧滤池(anaerobic filter，AF)反应器升流式厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket，UASB)反应器以上四种厌氧消化处理的特点比较见表6-4。表6-4 几种常用厌氧处理方法的特点类别常规消化池厌氧接触消化池厌氧滤池升流式厌氧污泥床C