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1、第九章第九章 水环境污染控制水环境污染控制与治理的生态工程及微与治理的生态工程及微 生物原理生物原理一、好氧活性污泥法一、好氧活性污泥法 （一）好氧活性污泥中的微生物（一）好氧活性污泥中的微生物 1. 好氧活性污泥的组成和性质好氧活性污泥的组成和性质 由细菌、菌胶团、原生动物、后生动物等微生物群体及吸附的污水中有机和无机物质组成的、有一定活力的、具有良好的净化污水功能的絮绒状污泥。 废水的生物处理的方法很多，根据微生物与氧的关系可分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
2、状态，可分为活性污泥法和生物膜法。活性污泥和生物或固着状态，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。膜是净化污（废）水的工作主体。 第一节第一节 污废水生物处理中的生态系统污废水生物处理中的生态系统2、活性污泥的性质颜色黄褐色状态似矾花絮绒颗粒味道土腥味相对密度曝气池混合液：1.0021.003回流污泥：1.0041.006粒经0.020.2mm20100cm2/mL比表面积显微微镜下的活性下的活性污泥泥 按栖息着的微生物分：活性污泥的组成大量的细菌真菌原生动物后生动物 除活性微生物外，活性污泥还挟带着来自污水的有机物、无机悬浮物、胶体物；活性污泥中栖息的微生物
3、以好氧微生物为主，是一个以细菌为主体的群体，除细菌外,还有酵母菌、放线菌、霉菌以及原生动物和后生动物。 活性污泥中细菌含量一般在107108个/mL；原生动物103个/mL，原生动物中以纤毛虫居多数，固着型纤毛虫可作为指示生物，固着型纤毛虫如钟虫、等枝虫、盖纤虫、独缩虫、聚缩虫等出现且数量较多时，说明培养成熟且活性良好。 干固体和水分含水9899干固体12%MLSSMLVSSNVSS有办法知道确切的生物量吗？ 有人曾企图通过直接测定污泥中细胞的DNA量、有机氮量、三磷酸腺苷（ATP）量、脱氢酶的活力等指标去反映活性污泥的活力，这种方法既复杂又不准确，而且微生物的含量不断变化。按McKinney
4、的分析： MLSS=Ma+Me+Mi+Mii式中：Ma具备活性细胞成分； Me内源代谢残留的微生物有机体； Mi未代谢的不可生化的有机悬浮固体； Mii吸附的无机悬浮固体。按有机性和无机性成分：处理生活污水的活性污泥MLVSS: 70%NVSS: 30% MLSS表示悬浮固体物质总量，MLVSS挥发性固体成分表示有机物含量，MLNVSS灼烧残量，表示无机物含量。 MLVSS包含了微生物量，但不仅是微生物的量，由于测定方便，目前还是近似用于表示微生物的量。MLVSS: 一般范围为5575NVSS: 一般范围为2545污泥沉降比：SV活性污泥的沉降浓缩性能 取混合液至1000mL或100mL量筒，
5、静止沉淀30min后，度量沉淀活性污泥的体积，以占混合液体积的比例（%）表示污泥沉降比。污泥体积指数：SVI SV不能确切表示污泥沉降性能，故人们想起用单位干泥形成湿泥时的体积来表示污泥沉降性能，简称污泥指数，单位为mL/g。 1L混合液沉淀30min的活性污泥体积（mL） SV(mL/L)SVI= = 1升混合液中悬浮固体干重（g） MLSS(g/L)活性污泥法的基本流程 活性污泥降解污水中有机物的过程 活性污泥在曝气过程中，对有机物的降解（去除）过程可分为两个阶段：吸附阶段稳定阶段 由于活性污泥具有巨大的表面积，而表面上含有多糖类的黏性物质，导致污水中的有机物转移到活性污泥上去。 主要是转
6、移到活性污泥上的有机物为微生物所利用。活性污泥降解污水中有机物的过程污水与污泥混合曝气后BOD的变化曲线对活性污泥法曝气过程中污水中有机物的变化分析得到结论：废水中的有机物残留在废水中的有机物从废水中去除的有机物微生物不能利用的有机物微生物能利用的有机物微生物能利用而尚未利用的有机物微生物不能利用的有机物微生物已利用的有机物（氧化和合成）（吸附量）增殖的微生物体氧化产物 曲线反映污水中有机物的去除规律； 曲线反映活性污泥利用有机物的规律； 曲线反映了活性污泥吸附有机物的规律。 这三条曲线反映出，在曝气过程中： 污水中有机物的去除在较短时间( 图中是5h左右)内就基本完成了(见曲线)； 污水中的
7、有机物先是转移到(吸附)污泥上(见曲线),然后逐渐为微生物所利用(见曲线)； 吸附作用在相当短的时间(图中是45min左右)内就基本完成了(见曲线)； 微生物利用有机物的过程比较缓慢(见曲线)。 （二）好氧活性污泥净化废水的作用机理（二）好氧活性污泥净化废水的作用机理 主要有两方面的作用：吸附有机物主要有两方面的作用：吸附有机物 降解有机物降解有机物 （三）菌胶团的作用（三）菌胶团的作用 （1 1）对有机物进行吸附和氧化分解）对有机物进行吸附和氧化分解 （2 2）为原生动物和微型后生动物提供良好的生存环境）为原生动物和微型后生动物提供良好的生存环境 （3 3）为原生动物提供附着场所）为原生动物
8、提供附着场所 （4 4）具有指示作用）具有指示作用二、好氧生物膜法二、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、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。法）等。 （一）好氧生物膜中的微生物（一）好氧生物膜中的微生物 1 1好氧生物膜好氧生物膜 好氧生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物好氧生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物粘附在生物滤池滤料上或生物转盘盘片上粘附在生物滤池滤料上或生物转盘盘片上的一层带粘性、薄的一层带粘性、薄膜状的微
9、生物混合群体。是生物膜法净化污水的工作主体。膜状的微生物混合群体。是生物膜法净化污水的工作主体。2 2好氧生物膜中的微生物及其功能好氧生物膜中的微生物及其功能 生物膜生物：生物膜生物：以菌胶团为主；净化和降解作用；以菌胶团为主；净化和降解作用； 膜面生物：膜面生物：固着型纤毛虫和游泳型纤毛虫，起促进滤池净化固着型纤毛虫和游泳型纤毛虫，起促进滤池净化 速度，提高整体效率的作用；速度，提高整体效率的作用； 滤池扫除生物：滤池扫除生物：轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、票页体虫等，轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、票页体虫等， 起去除滤池内的污泥、防止污泥积聚和堵塞的功能起去除滤池内的污泥、防止污泥积聚和堵塞的功能
10、。3 3好氧生物膜的结构好氧生物膜的结构 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。数量的不同。生物填料悬浮型生物填料悬浮型生物填料投加量投加量 普通接触氧化普通接触氧化 水解调节池水解调节池 好氧或厌氧流化床好氧或厌氧流化床 好氧好氧 好氧好氧 或厌生物塘或厌生物塘 或厌氧滤池或厌氧滤池 反应池体积反应池体
11、积% 8-13 5 15-25 3-5 40-60 % 8-13 5 15-25 3-5 40-60 悬挂型填料悬挂型填料悬挂型填料悬挂型填料 弹性立体填料弹性立体填料弹性立体填料弹性立体填料软性填料软性填料生物填料上的生物膜（二）好氧生物膜净化废水的作用机理（二）好氧生物膜净化废水的作用机理 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，将其水解为虫及微型后生动物）吸附废水中的大分子有机物
12、，将其水解为小分子有机物。同时吸收溶解性有机物和经水解的小分子有机小分子有机物。同时吸收溶解性有机物和经水解的小分子有机物进入体内，并氧化分解之，微生物利用吸收的营养构建自身物进入体内，并氧化分解之，微生物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。细菌被滤池扫除生物吞食。第二节 活性污泥丝状膨胀及其控制对策 用活性污泥法处理废水，曝气池中的活性污泥，正常情况下是由许多具有絮凝作
13、用的絮凝细菌菌胶团细菌占优势，辅以少量的丝状细菌，大量钟虫类的固着型纤毛虫、旋转虫等组成。 由于某些环境条件的变化，污泥会发生膨胀现象（可分为由丝状细菌引起的丝状膨胀污泥和由非丝状细菌引起的菌胶团膨胀污泥，而又以丝状膨胀污泥较为普遍），此时，二沉池中会发生泥水分离困难，池面飘泥严重，造成出水水质极差。（一）活性污泥丝状膨胀的致因微生物 由于丝状细菌极度生长引起的活性污泥膨胀称为活活性性污污泥泥丝丝状状膨膨胀胀。活性污泥丝状膨胀的致因微生物种类很多，常见的有：诺卡氏菌属、浮游球衣菌、微丝菌属、发硫菌属、贝日阿托氏菌属等。（二）活性污泥丝状膨胀的成因 活性污泥丝状膨胀的成因有环境因素和微生物因素。
14、主导因素是丝状微生物过度生长，环境因素促进丝状微生物过度生长。包括：温度、溶解氧、可溶性有机物及其种类 、有机物浓度（或有机负荷）等。此外，pH值的变化也可能会引起活性污泥丝状膨胀。总之，引起活性污泥丝状膨胀的原因是比较复杂的，要具体问题具体分析，然后采取相应的措施予以控制。二、控制活性污泥丝状膨胀的对策解决活性污泥丝状膨胀的问题，从根本上说是要控制引起丝状微生物的过度生长的具体环境因子。1控制溶解氧2控制有机负荷3改革工艺 第三节 厌氧生物处理中的微生物群落 高浓度有机废水或剩余活性污泥多用厌氧消化法处理。高浓度有机废水还可用有机光合细菌处理。一、厌氧消化甲烷发酵沼气发酵，已有多年的研究历史
15、，常用于将城市的垃圾、粪便、污水、工业废水及生物处理的剩余污泥等的处理，并从中获得可燃性气体沼气（甲烷，CH4）。常用的构筑物为发酵罐或消化池。甲烷发酵的微生物群落与有氧环境中的不同，它们是由分解蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素等的专性厌氧菌和兼性厌氧菌及专性厌氧的产甲烷菌等组成。 甲烷发酵理论与机制（四阶段理论）：第一阶段：水解和发酵性细菌群第二阶段：产氢和产乙酸细菌群第三阶段：两组生理特性不同的专性厌氧的产甲烷菌群第四阶段：同型产乙酸细菌厌氧活性污泥：由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质交织在一起形成的颗粒污泥。厌氧活性污泥的微生物种类、组成、结构及污泥颗粒等性质，与厌氧消化处理的效果好坏
16、有很大关系。 高浓度有机废水或剩余活性污泥多用厌氧消化法处理。高浓度有高浓度有机废水或剩余活性污泥多用厌氧消化法处理。高浓度有机废水还可用有机光合细菌处理。机废水还可用有机光合细菌处理。 （一）厌氧消化甲烷发酵（一）厌氧消化甲烷发酵 沼气发酵，已有年的研究历史，常用于将城市的垃圾、粪便、沼气发酵，已有年的研究历史，常用于将城市的垃圾、粪便、污水、工业废水及生物处理的剩余污泥等的处理，并从中获得可污水、工业废水及生物处理的剩余污泥等的处理，并从中获得可燃性气体燃性气体沼气（甲烷，沼气（甲烷，CHCH4 4）。常用的构筑物为发酵罐或消化）。常用的构筑物为发酵罐或消化池。池。 甲烷发酵的微生物群落与
17、有氧环境中的不同，它们是由分解甲烷发酵的微生物群落与有氧环境中的不同，它们是由分解蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素等的专性厌氧菌和兼性厌氧菌及专蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素等的专性厌氧菌和兼性厌氧菌及专性厌氧的产甲烷菌等组成。性厌氧的产甲烷菌等组成。 复杂有机物复杂有机物1 1水解水解 2 2发酵发酵脂肪酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸 乙酸乙酸乙酸乙酸 HH2 2 + CO + CO2 23 3产乙酸产乙酸 CHCH4 4 + CO + CO2 2HH2 2S+ COS+ CO2 2硫酸盐还原硫酸盐还原硫酸盐还原硫酸盐还原4 4产甲烷产甲烷4 4产甲烷产甲烷硫酸盐还原硫酸盐还原（三）厌氧活性污泥处理的工艺流程（
18、三）厌氧活性污泥处理的工艺流程其中厌氧活性污泥反应器是工艺中的核心其中厌氧活性污泥反应器是工艺中的核心废废水水调节池调节池热热交交换换器器37厌氧活性厌氧活性污泥反应器污泥反应器气柜气柜沉淀池沉淀池出出水水回流污泥回流污泥剩余污泥剩余污泥(四四)、厌氧生物反应器发展、厌氧生物反应器发展工作原理工作原理2 2级级( (平流沉淀平流沉淀+ +厌厌氧污泥消化氧污泥消化) )全国各地使用广泛，为生活污水的预处理全国各地使用广泛，为生活污水的预处理液固分离液固分离处理污泥处理污泥处理污泥处理污泥及厌氧杀寄生虫及病菌及厌氧杀寄生虫及病菌第一代厌氧反应器第一代厌氧反应器化粪池化粪池 缺点：污泥量少、易缺点：
19、污泥量少、易 被带出，静态消化被带出，静态消化 克服了第一代的缺点，且处理污水克服了第一代的缺点，且处理污水 第二代厌氧反应器第二代厌氧反应器(1)(1)UASBUASB反应器反应器influentSludge bed污污泥泥沉沉降降沼气沼气阻挡阻挡收集收集工业级工业级UASB装置装置钢制圆形结构钢制圆形结构混凝土方形结构混凝土方形结构（便于施工及分（便于施工及分离器设置）离器设置）全世界有几千座全世界有几千座UASBUASB反应器，占所有厌氧反应器反应器，占所有厌氧反应器（第二代以上）总数的（第二代以上）总数的64%64%，应用广泛，应用广泛 64 第三代厌氧生物反应器第三代厌氧生物反应器厌
20、氧膨胀颗粒污泥床厌氧膨胀颗粒污泥床 内循环反应器内循环反应器 升流式污泥床过滤器升流式污泥床过滤器填料填料EGSB IC UBF以前通常能不用厌氧法处理的就不用以前通常能不用厌氧法处理的就不用，不得已时结合厌氧处理与好氧处理先后不得已时结合厌氧处理与好氧处理先后处理，处理，现在厌氧反应器发展迅现在厌氧反应器发展迅速逐渐成为水处理的新的主速逐渐成为水处理的新的主力设备。力设备。厌氧活性污泥：厌氧活性污泥： 由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质交织在一起形由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质交织在一起形成的成的颗粒污泥颗粒污泥颗粒污泥颗粒污泥。 （二）、光合细菌处理高浓度有机废水（二）
21、、光合细菌处理高浓度有机废水 BODBOD5 5在在10000mg/L10000mg/L以上的高浓度有机废水（浓粪便水、豆制品废水、以上的高浓度有机废水（浓粪便水、豆制品废水、食品加工废水、屠宰废水等）可用有机光合细菌处理。因有机光合食品加工废水、屠宰废水等）可用有机光合细菌处理。因有机光合细菌只能利用脂肪酸等低分子化合物，所以，先要用水解性细菌将细菌只能利用脂肪酸等低分子化合物，所以，先要用水解性细菌将碳水化合物、蛋白质和脂肪水解为脂肪酸、氨基酸、氨等物质。利碳水化合物、蛋白质和脂肪水解为脂肪酸、氨基酸、氨等物质。利用光合细菌处理的用光合细菌处理的BODBOD5 5 去除效果可达去除效果可达95%95%，甚至达，甚至达98%98%。常用的有机。常用的有机光合细菌有：红螺菌科的红螺菌属、红假单胞菌属和红微菌属。光合细菌有：红螺菌科的红螺菌属、红假单胞菌属和红微菌属。三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理高浓度的SO42-对微生物有毒害作用。去除的方法有，化学法：加CaO和Ca(OH)2生成CaSO4沉淀，若加少量的FeCL3，效果更佳。厌氧微生物方法：用SBR法，利用在厌氧条件下，硫酸盐还原菌发生反硫化作用，以SO42-为最终电子受体，利用有机物为供氢体，将SO42-还原成H2S从水中溢出。
