11第十一章 廢水生物處理基本原理和主要物類群

1第十一章 廢水生物處理基本原理和主要微生物類群第一節(jié) 廢水生物處理基本原理 一、絮凝作用廢水進(jìn)入生物反應(yīng)池后，廢水中的產(chǎn)莢膜細(xì)菌可分泌出粘液性物質(zhì)，并相互粘連形成菌膠團(tuán)。菌膠團(tuán)又粘連在一起，絮凝成活性污泥或粘附在載體上形成生物膜。二、吸附作用微生物個體很小，并且細(xì)菌也具有膠體粒子所具有的許多特性，如細(xì)菌表面一般帶有負(fù)電荷，二廢水中有機(jī)物顆粒常帶正電荷，所以它們之間有很大的吸引作用。三、氧化作用 被活性污泥和生物膜吸附的大分子有機(jī)物質(zhì)，在微生物胞外酶的作用下，水解為可溶性的有機(jī)小分子物質(zhì)，然后透過細(xì)胞膜進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)。這些被吸收到細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)，作為微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過一系列生化反應(yīng)途徑，被氧化為無機(jī)物CO2和H2O等，并釋放出能量；同時，微生物利用氧化過程中產(chǎn)生的一些中間產(chǎn)物和呼吸作用釋放的能量，合成細(xì)胞物質(zhì)。四、沉淀作用 廢水中有機(jī)物質(zhì)在活性污泥或生物膜的氧化分解作用下無機(jī)化后，處理后水往往排至自然水體中，這就要求排放前必須經(jīng)過泥水分離。 活性污泥，特別是生物膜具有良好的沉降性能，使泥水分離，澄清水排走，污泥沉降至池底，這是廢水生化處理必須經(jīng)過的步驟，也是非常重要的步驟。第二節(jié) 好氧生物處理 一、曝氣方式1. 鼓風(fēng)曝氣法2. 表面加速曝氣法3. 射流曝氣二、好氧活性污泥法二、好氧活性污泥法 普通活性污泥法是依據(jù)水的自凈作用原理發(fā)展而來的普通活性污泥法是依據(jù)水的自凈作用原理發(fā)展而來的 初次沉淀池曝氣池二次沉淀池污泥消化池后處理后處理生物處理生物處理（二級處理）（二級處理）化學(xué)營養(yǎng)物化學(xué)營養(yǎng)物曝氣池沉淀池污泥回流污泥回流凈水外排凈水外排預(yù)處理預(yù)處理（一級處理）（一級處理）污泥及余渣消化罐 利用活性污泥法進(jìn)行污水處理的構(gòu)筑物。池內(nèi)提供一定利用活性污泥法進(jìn)行污水處理的構(gòu)筑物。池內(nèi)提供一定污水停留時間，滿足好氧微生物所需要的氧量以及污水與活污水停留時間，滿足好氧微生物所需要的氧量以及污水與活性污泥充分接觸的混合條件。性污泥充分接觸的混合條件。曝氣池主要由池體、曝氣系統(tǒng)和進(jìn)出水口三個部分組成。曝氣池主要由池體、曝氣系統(tǒng)和進(jìn)出水口三個部分組成。池體一般用鋼筋混凝土筑成，平面形狀有長方形、方形和圓池體一般用鋼筋混凝土筑成，平面形狀有長方形、方形和圓形等。曝氣方法主要有鼓風(fēng)曝氣和機(jī)械曝氣。形等。曝氣方法主要有鼓風(fēng)曝氣和機(jī)械曝氣。 曝氣池曝氣池沉淀池沉淀池 應(yīng)用沉淀作用去除水中懸浮物的一種構(gòu)筑物。沉淀池應(yīng)用沉淀作用去除水中懸浮物的一種構(gòu)筑物。沉淀池在廢水處理中廣為使用。它的型式很多，按池內(nèi)水流方向在廢水處理中廣為使用。它的型式很多，按池內(nèi)水流方向可分為平流式、豎流式和輻流式三種?？煞譃槠搅魇?、豎流式和輻流式三種。 1普通活性污泥法 好氧活性污泥法的處理工藝很多，最為普遍使用的活性污泥法工藝如下圖 空氣空氣 清水清水 初沉池初沉池 二沉池二沉池 回流污泥回流污泥 剩余污泥剩余污泥 曝氣池曝氣池廢水先通過初沉池，廢水先通過初沉池，除掉除掉一些一些懸浮固體懸浮固體（一級（一級處理的目的）處理的目的），然后進(jìn)入一個有曝氣裝置的構(gòu)，然后進(jìn)入一個有曝氣裝置的構(gòu)筑物，活性污泥就在這種裝置中將廢水中的筑物，活性污泥就在這種裝置中將廢水中的BOD降解掉降解掉（二級處理的目的），（二級處理的目的），并產(chǎn)生新的并產(chǎn)生新的活性污泥。當(dāng)活性污泥。當(dāng)BOD降到一定程度時，混合液一降到一定程度時，混合液一起流入二次沉淀池，進(jìn)行固液分離，上清液排起流入二次沉淀池，進(jìn)行固液分離，上清液排放，沉淀下來的污泥一部分回流到曝氣池中，放，沉淀下來的污泥一部分回流到曝氣池中，一部分作為剩余污泥而排放。一部分作為剩余污泥而排放。2、吸附再生活性污泥法吸附再生活性污泥法 又稱接觸氧化穩(wěn)定法或又稱接觸氧化穩(wěn)定法或生物吸附法。生物吸附法。接觸氧化池進(jìn)水 沉淀池出水剩余污泥 回流污泥穩(wěn)定池接觸氧化穩(wěn)定法接觸氧化穩(wěn)定法此法主要適用于處理含懸浮物和此法主要適用于處理含懸浮物和膠體物較多的廢水。膠體物較多的廢水。曝氣池分為接觸氧化池（吸附池）和穩(wěn)定池（再生池）。廢水先進(jìn)入接觸氧曝氣池分為接觸氧化池（吸附池）和穩(wěn)定池（再生池）。廢水先進(jìn)入接觸氧化池，化池，和活性污泥和活性污泥充分接觸，充分接觸，有機(jī)物被活性污泥吸附后，混合液流入沉淀池有機(jī)物被活性污泥吸附后，混合液流入沉淀池進(jìn)行固液分離，進(jìn)行固液分離，回流污泥在穩(wěn)定池內(nèi)進(jìn)行再生，曝氣回流污泥在穩(wěn)定池內(nèi)進(jìn)行再生，曝氣使吸附的有機(jī)物進(jìn)一步使吸附的有機(jī)物進(jìn)一步氧化分解，恢復(fù)污泥活性后，再引入接觸氧化池。氧化分解，恢復(fù)污泥活性后，再引入接觸氧化池。3、完全混合式曝氣法完全混合式曝氣法 原污水、回流污泥進(jìn)入曝氣池后立即與池內(nèi)原有的混合液充分混合。池內(nèi)水原污水、回流污泥進(jìn)入曝氣池后立即與池內(nèi)原有的混合液充分混合。池內(nèi)水質(zhì)均勻，各部分工作情況基本一樣。質(zhì)均勻，各部分工作情況基本一樣。 曝氣池進(jìn)水 沉淀池出水剩余污泥回流污泥完全混合式活性污泥法完全混合式活性污泥法缺點：出水水質(zhì)上往往不及推流式。缺點：出水水質(zhì)上往往不及推流式。特點：特點： 耐沖擊負(fù)荷性強(qiáng)耐沖擊負(fù)荷性強(qiáng)，可處，可處理濃度較高的廢水，只要理濃度較高的廢水，只要適當(dāng)延長曝氣時間即可。適當(dāng)延長曝氣時間即可。適于處理工業(yè)廢水。適于處理工業(yè)廢水。 可把曝氣池的工況控制可把曝氣池的工況控制在最佳的位置上。在最佳的位置上。 三、好氧生物膜法三、好氧生物膜法生物膜主要由細(xì)菌的菌膠團(tuán)和大量的真菌菌絲組成，其中還生物膜主要由細(xì)菌的菌膠團(tuán)和大量的真菌菌絲組成，其中還有許多原生動物和較高等動物生長。它們粘附在生物濾池濾有許多原生動物和較高等動物生長。它們粘附在生物濾池濾料上或生物轉(zhuǎn)盤盤片上，形成一層帶粘性、薄膜狀的微生物料上或生物轉(zhuǎn)盤盤片上，形成一層帶粘性、薄膜狀的微生物混合群體?；旌先后w。主要類型：主要類型： 生物濾池生物濾池：普通生物濾池；：普通生物濾池；高負(fù)荷生物濾池；塔式生物濾高負(fù)荷生物濾池；塔式生物濾池池 生物轉(zhuǎn)盤生物轉(zhuǎn)盤 生物接觸氧化法生物接觸氧化法（淹沒式生（淹沒式生物濾池）物濾池） 生物轉(zhuǎn)盤生物轉(zhuǎn)盤生物膜法處理工藝第三節(jié) 氧化塘 一、水體自凈 是指水體在接納了一定量的污染物后，通過物理、化學(xué)和水生生物等因素的綜合作用后得到凈化，水質(zhì)恢復(fù)到受污染前的水平和狀態(tài)的現(xiàn)象。1. 物理凈化過程廢水或污染物排入水體后，可沉降性固體逐漸沉至水底形成底泥。懸浮體、膠體和溶解性污染物則因混合稀釋而逐漸降低濃度。2. 化學(xué)凈化過程化學(xué)自凈過程取決于廢水和水體的具體狀況，如在一定條件下，水體中難溶性硫化物可氧化為易溶性的硫酸鹽；可溶性的二價鐵、錳化合物可轉(zhuǎn)化為幾乎不溶解的三價鐵、四價錳的氫氧化物而沉淀下來。3. 生物凈化過程懸浮和溶解于水體中的有機(jī)污染物，在DO參與下，經(jīng)需氧微生物作用氧化分解成簡單的無機(jī)物，如CO2、H2O、硝酸鹽和磷酸鹽等，使水體得到凈化。二. 污水生物系統(tǒng)（1） 污水生物系統(tǒng)法的原理 受污染的河流由于自身的自凈過程從而導(dǎo)致自上游往下游形成一系列在污染程度上逐漸減輕的連續(xù)帶。隨污染物濃度的降低，生物種類也發(fā)生變化，每一帶都生存有大體上能夠表示這一帶特性的動物和植物，由此可以將河流依次劃分為四個污染帶，即多污帶、 中污帶、 中污帶、寡污帶，從而可以根據(jù)一條河流中一定區(qū)域內(nèi)所發(fā)現(xiàn)的動物區(qū)系和植物區(qū)系來鑒別該區(qū)域的有機(jī)污染程度。二. 污水生物體系 根據(jù)在污染水體中生物種類的存在與否，劃分污水生物體系，確定不同污染程度水體中的指示生物。反之，根據(jù)水體中的指示生物的存在亦可確定水體污染程度，又稱柯克維茨(Kolkwitz)和麥爾松(Marsson)體系法污水生物系統(tǒng)（2）污水生物系統(tǒng)中各帶特點 多污帶：有機(jī)污染嚴(yán)重，溶解氧含量低，細(xì)菌極多，無好氧生物，無魚類生存； 中污帶：包括中污帶（有機(jī)污染較為嚴(yán)重，溶解氧略有回升，多為耐污性生物種類，）和中污帶（中等程度的有機(jī)污染區(qū)域，溶解氧較高，有多種藻類和原生動物，有魚類出現(xiàn)）； 寡污帶：溶解氧恢復(fù)正?；蜻_(dá)飽和，水質(zhì)透明，細(xì)菌數(shù)量少，藻類種類和數(shù)量多。污水生物系統(tǒng)的應(yīng)用 主要應(yīng)用對象是被生活污水污染的水域，對重金屬和其他工業(yè)廢水引起的污染水域的應(yīng)用問題尚需進(jìn)一步研究。 應(yīng)用該法來監(jiān)測和評價環(huán)境比較全面，但工作很繁重，耗費時間，而且需要具有熟練的分類知識，同時調(diào)查結(jié)果也不易表示。污水生物體系法1）多污帶 多污帶也稱多污水域，是多污水生物生存的地帶 它多處在污水、廢水入口處，其水高度渾濁，多呈暗灰色，具有強(qiáng)烈的硫化氫臭味，并含有大量的有機(jī)物 多污帶生化需氧量很高，而溶解氧趨于零，其細(xì)菌數(shù)量大、種類多，每升水中細(xì)菌數(shù)目達(dá)百萬個以上，甚至達(dá)數(shù)億個 多污帶指示生物有浮游球衣細(xì)茵、貝氏硫細(xì)菌、李衣藻、顫蚯蚓、鐘形蟲等等。2） 中污帶(1)中污帶水質(zhì)呈灰色，近于多污帶，水體除還原作用外已出現(xiàn)氧化作用，如底泥中的硫化鐵部分被氧化生成氫氧化鐵。藍(lán)藻、綠藻等已有生成，原生動物的太陽蟲、吸管蟲等已出現(xiàn)，且貝藻類等少數(shù)軟體動物亦可在此生存。此帶的指示生物有大顫藻、小額藻、小球藻、臂尾水軟蟲等等。(2)-中污帶中氧化作用已占優(yōu)勢、綠色植物大量出現(xiàn)，溶解氧增加，硅藻、綠藻等大量出現(xiàn)，細(xì)菌數(shù)量顯著減少，雙鞭毛蟲類、貝類、各種昆蟲大量出現(xiàn)，已有色類。此帶的指示生物有水生束絲藻，變異直鏈硅藻、蚤狀水蚤、大型水蚤、帆口蟲、巨環(huán)旋輪蟲等等3） 寡污帶 寡污帶又稱貧污帶，此帶已完成自凈作用，有機(jī)物已被氧化或礦化，溶解氧近飽和，生物需氧量小于3mg/L，渾濁度低，水細(xì)菌數(shù)量極少 寡污帶生物學(xué)特征是有大量顯化植物生存，各種昆蟲和魚類種類較多表表3.1 污水系統(tǒng)的部分生物學(xué)、化學(xué)特征污水系統(tǒng)的部分生物學(xué)、化學(xué)特征表表3.1 污水系統(tǒng)的部分生物學(xué)、化學(xué)特征污水系統(tǒng)的部分生物學(xué)、化學(xué)特征表表3.1 污水系統(tǒng)的部分生物學(xué)、化學(xué)特征污水系統(tǒng)的部分生物學(xué)、化學(xué)特征三、氧化塘凈化廢水的機(jī)理 1. 好氧層的生物處理機(jī)理 C11H29O7N+14O2+H+11CO2+13H2O+NH4+ 14O2:C11H29O7N=448：287=1.56：1 即氧化塘中細(xì)菌氧化1g有機(jī)物需要的氧是1.56106CO2+16NO3-+HPO4-+122H2OC106H263O110N16P +138O2每生產(chǎn)1g的藻類細(xì)胞物質(zhì)能釋放出1.244g氧，以供好氧細(xì)菌進(jìn)行氧化作用。2. 厭氧層的生物處理機(jī)理塘底處于厭氣區(qū)，有機(jī)物質(zhì)在厭氧微生物作用下，首先由產(chǎn)酸菌分解有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生有機(jī)酸、醇、CO2、N2、H2、H2S等，再由產(chǎn)甲烷菌還原為H2O和CO2。3. 兼性層的生物處理機(jī)理主要存在大量兼性好氧菌和兼性厭氧菌，在氧充足時進(jìn)行有機(jī)物的徹底氧化，缺氧時進(jìn)行厭氧呼吸或發(fā)酵。4. 其他污染物去除機(jī)理利用氧化塘可以去除某些含毒物的廢水，也可以去除某些重金屬離子的廢水，如Cd、Cr、Cu、Ni等，主要通過在較高的pH值下形成難溶鹽或被水生生物通過食物鏈富集而去除。氧化塘中的病原菌和寄生蟲可以被紫外光照射殺死，或沉入塘底，受到細(xì)菌間拮抗作用，不易增殖而逐漸死亡。四、氧化塘分類 根據(jù)氧化塘內(nèi)溶解氧和在凈化中起主要作用的微生物種類，可將氧化塘分為好氧塘、厭氧塘、兼性塘和曝氣塘四種。 1. 好氧塘 塘深一般在0.5m左右，陽光可穿過水層到達(dá)塘底。藻類活動旺盛，靠藻類光合作用供氧，塘內(nèi)完全呈好氧狀態(tài)。好氧微生物在凈化廢水中起主要作用。 2. 厭氧塘 塘深在2m以上，最深可達(dá)6m。塘中僅有很薄的一層表面水層呈好氧狀態(tài)，好氧菌在這層活動，分解有機(jī)物，并消耗掉水中的溶解氧。塘的其余部分均呈厭氧狀態(tài)，塘內(nèi)幾乎無藻類生長，主要靠厭氧微生物對有機(jī)物進(jìn)行的厭氧呼吸和發(fā)酵作用去除污染物。厭氧塘多作為廢水的預(yù)處理，處理后水再由好氧塘處理方能排放。3. 兼性塘兼性氧化塘具有好氧塘和厭氧塘二者的特點。塘深一般在1-2.5m。在光線能通過的上部水層中，生長的藻類能進(jìn)行光合作用，呈好氧狀態(tài)。廢水中的有機(jī)物在好氧層中通過好氧微生物氧化分解。塘底層水及底泥處于無氧狀態(tài)，主要通過厭氧微生物的氧化分解作用降解有機(jī)物質(zhì)。在好氧層與厭氧層之間存在兼氧層，這層水一般在白晝有溶解氧存在，而在夜間又處于厭氧狀態(tài)，因而主要存在一些兼性微生物。 4. 曝氣塘 曝氣塘是經(jīng)過人工強(qiáng)化的氧化塘，在塘面上安裝表面曝氣設(shè)備，作為主要的供氧源。塘內(nèi)全部水層都保持好氧狀態(tài)，并充分混合，與曝氣的活性污泥法相似。能承受較高的廢水負(fù)荷，廢水在塘內(nèi)停留時間短，占地面積小，但機(jī)械費用高。由于塘內(nèi)廢水的混合和機(jī)械攪動，阻止了藻類的生長，故塘內(nèi)藻類極少，光合作用不強(qiáng)。由于供氧充足，微生物大量生長繁殖，可形成活性污泥絮體。 曝氣塘塘深3-5m，水力停留時間3-8d，不少于12h。BOD5去除率70%左右。出水BOD5較高，主要是活性污泥絮體殘留所致，提高出水水質(zhì)的關(guān)鍵在于去除這些物質(zhì)。第四節(jié) 厭氧生物處理簡介 厭氧處理廢水是在無氧條件下進(jìn)行的，是由厭氧微生物作用的結(jié)果。厭氧微生物在生命活動過程中不需要氧，有氧還會抑制或殺死這些微生物。這類微生物分為兩大類群：發(fā)酵細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌。廢水中的有機(jī)物在這些微生物聯(lián)合作用下，通過酸性發(fā)酵階段和產(chǎn)甲烷階段，最終被轉(zhuǎn)化成CH4、CO2等氣體，同時使廢水得到進(jìn)化。 酸性發(fā)酵階段是指微生物在分解有機(jī)物過程中產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，主要是揮發(fā)性脂肪酸和醇，使發(fā)酵環(huán)境中pH值下降，呈現(xiàn)酸性。 產(chǎn)甲烷階段是指微生物在這一階段中，分解第一階段產(chǎn)生的有機(jī)酸和醇，通過無氧呼吸產(chǎn)生CH4、CO2、H2S等，使發(fā)酵環(huán)境中pH值上升，此時水中的pH值可提高至7-8.第五節(jié) 廢水生化處理中主要微生物類群一、好氧處理主要微生物類群一、好氧處理主要微生物類群活性污泥中的主要菌群有假單胞桿菌（活性污泥中的主要菌群有假單胞桿菌（PseudomonasPseudomonas）、產(chǎn)堿桿菌屬）、產(chǎn)堿桿菌屬（AlcaligenesAlcaligenes）、無色桿菌屬（）、無色桿菌屬（AchromobacterAchromobacter）、微桿菌屬（）、微桿菌屬（MicrobacteriumMicrobacterium）、黃桿菌屬（）、黃桿菌屬（FlavobacteriumFlavobacterium）、動膠桿菌屬（）、動膠桿菌屬（ZoogloeaZoogloea）、芽孢桿菌屬（）、芽孢桿菌屬（BacillusBacillus）叢毛單胞菌屬（）叢毛單胞菌屬（ComamonasComamonas）、）、不動桿菌屬（不動桿菌屬（AcinetobcterAcinetobcter）、螺菌屬（）、螺菌屬（SpirillumSpirillum）、短）、短 桿菌屬（桿菌屬（BrevibacteriumBrevibacterium）、諾卡氏菌（）、諾卡氏菌（NocardiaNocardia）、絲狀菌（）、絲狀菌（Microthrixpar-Microthrixpar-vicellavicella）、亞硝化單胞菌屬（）、亞硝化單胞菌屬（NitromobacterNitromobacter）、蛭弧菌屬（）、蛭弧菌屬（BdellovibrioBdellovibrio）、糞大腸菌屬（）、糞大腸菌屬（ColiformColiform）等）等. .廢水好氧性處理中的真菌主要有曲霉屬、毛霉屬、青霉屬、根霉屬、廢水好氧性處理中的真菌主要有曲霉屬、毛霉屬、青霉屬、根霉屬、鐮刀霉屬、頭孢霉屬、木霉屬、地霉屬、水霉屬、等枝霉屬、珠霉屬鐮刀霉屬、頭孢霉屬、木霉屬、地霉屬、水霉屬、等枝霉屬、珠霉屬等。等。從活性污泥中分離出占優(yōu)勢的酵母和類似酵母菌有皮狀絲孢酵母屬、從活性污泥中分離出占優(yōu)勢的酵母和類似酵母菌有皮狀絲孢酵母屬、粘紅酵母、嬌紅酵母、熱帶假絲酵母、近平滑假絲酵母等。粘紅酵母、嬌紅酵母、熱帶假絲酵母、近平滑假絲酵母等。二、厭氧處理主要微生物類群在厭氧處理中微生物類群主要是細(xì)菌，分為兩大類：兼性厭氧菌和專性厭氧菌。三、廢水處理中原生動物 1、原生動物在廢水處理中的作用 1） 促進(jìn)膠團(tuán)絮凝作用 2）吞噬游離細(xì)菌和微小顆粒 3）分解代謝廢水中的有機(jī)物 4）作為指示生物 2、廢水處理中主要原生動物類群