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環境工程微生物學教學教案9水環境污染控制與治理的生態工程及微生物學原理.ppt

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第九章 污水生物處理 及微生物學原理9.1 污水生物處理中的生態系統 污水生物處理方法 根據微生物與氧的關系:好氧處理和厭氧處理微生物在構筑物生長狀態:活性污泥法和生物膜法 活性污泥(生物絮凝體)是由細菌、原生動物等微生物與懸浮物質、膠體物質混雜在一起形成的具有吸附分解有機物質能力的絮狀體。生物膜是附著在填料上呈薄膜狀的活性污泥。9.1.1 好氧活性污泥法 活性污泥法又稱曝氣法,是以廢水中的有機污染物作為培養基(底物),在人工曝氣充氧的條件下,對各種微生物群體進行混合連續培養,使之形成活性污泥。并利用活性污泥在水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀等作用,去除廢水中的有機污染物的廢水處理方法。 1. 好氧活性污泥的組成和性質 好氧活性污泥是由多種多樣的好氧微生物和兼性微生物(兼有少量的厭氧微生物)與污水中有機和無機固體物混凝交織在一起,形成的絮狀體或稱絨粒。組成:①具有活性的微生物群體(Ma);②微生物自身氧化的殘留物(Me);③原污水挾入的不能為微生物降解的惰性有機物質(Mi);④原污水挾入的無機物質(Mii)一、好氧活性污泥中的微生物群落 性質:① 絨粒大小0.02~0.2mm,比表面積20~100cm2/mL;② 顏色各異,正常為黃褐色的絮絨顆粒狀;③ 含水率99%左右,密度1.002~1.006;④ 具有沉降性能和生物活性,及吸附和氧化有機物的能力;⑤ 有自我繁殖的能力;⑥ 呈弱酸性(約6.7) 。 一、好氧活性污泥中的微生物群落 2. 好氧活性污泥的存在狀態 完全混合式曝氣池中,以懸浮狀態存在,池內任一點,微生物群落基本相同;推流式曝氣池中,各區段之間的微生物種群和數量有差異,隨推流方向微生物種類依次增多,在區段內各點微生物群落基本相同 一、好氧活性污泥中的微生物群落 3. 好氧活性污泥中的微生物群落 結構和功能的中心:菌膠團 其它微生物:酵母菌、霉菌、放線菌、藻類、原生動物和某些微型后生動物(輪蟲、線蟲等),及病原微生物?;钚晕勰嗟闹黧w細菌:多為G-,如動膠菌屬和叢毛單胞菌屬。 一、好氧活性污泥中的微生物群落 4. 活性污泥數量的指標(1) MLSS,即混合液懸浮固體濃度 —— 表示在單位容積混合液內所含有的活性污泥固體物質的總質量,單位以mg/L。MLSS=Ma+Me+Mi+Mii(2) MLVSS,即混合液揮發性懸浮固體濃度 —— 指混合液活性污泥中有機固體物質的濃度,單位為mg/L。MLVSS=Ma+Me+Mi一、好氧活性污泥中的微生物群落 5. 活性污泥的沉降-濃縮性能 (1) SV30 —— 污泥沉降比,混合液在量筒內靜置30min后所形成沉淀污泥的容積占原混合液容積的百分率,以%表示。作用:反應曝氣池正常運行的污泥量;控制剩余污泥的排放量;及早發現污泥膨脹等異?,F象的發生。 一、好氧活性污泥中的微生物群落 (2) SVI (Sludge Volume Index) —— 污泥體積指數(污泥指數),曝氣池出口處混合液經30min靜置沉淀后,每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的容積,以mL計,單位mL/g。SVI<100100~200>200污泥沉降性能良好一般較差,易膨脹☆ 一般??刂芐VI在50~150之間為宜。1.凈化廢水的作用機理 ① 生物絮凝② 生物吸附③ 生物氧化④ 沉淀作用二、好氧活性污泥凈化廢水的作用機理 2. 生物吸附、降解有機物的過程 ① 在有氧條件下,絮凝性微生物吸附廢水中的有機物;② 水解性細菌水解大分子有機物為小分子有機物,同時微生物合成自身細胞;③ 其它的微生物吸收或吞食未分解徹底的有機物。 二、好氧活性污泥凈化廢水的作用機理 A 推流式活性污泥法 三、好氧活性污泥法的幾種處理工藝流程 B 分段布水推流式活性污泥法 三、好氧活性污泥法的幾種處理工藝流程 C 完全混合式活性污泥法三、好氧活性污泥法的幾種處理工藝流程 D 氧化溝活性污泥法 三、好氧活性污泥法的幾種處理工藝流程 E 序批式間歇曝氣法(SBR) 三、好氧活性污泥法的幾種處理工藝流程 IV 排水階段I 進水階段II 反應階段III 沉淀階段V 待機階段SBR法的五個運行階段圖6-5 SBR法的五個運行階段示意圖F 接觸氧化穩定法 三、好氧活性污泥法的幾種處理工藝流程 菌膠團:狹義指動膠菌屬(Zoogloea)形成的細菌團塊,廣義指所有具有莢膜或粘液或明膠質的絮凝性細菌互相絮凝聚集形成的菌膠團塊。菌膠團細菌是活性污泥的主體,它的作用:具有很強的吸附、氧化分解有機物的能力。為原生動物、微型后生動物提供了良好的生存環境、附著場所。具有指示作用:通過菌膠團的顏色、透明度、數量、顆粒大小及結構的松緊程度可衡量好氧活性污泥的性能。四、菌膠團的作用 1. 指示作用 微生物出現的先后次序是:細菌→植物性鞭毛蟲→肉足類(變形蟲)→動物性鞭毛蟲→游泳型纖毛蟲→固著型纖毛蟲→輪蟲。(1) 根據微生物的演替判斷水質和污水處理程度及判斷活性污泥培養成熟程度 五、原生動物及微型后生動物的作用 活性污泥培養初期 活性污泥培養中期 活性污泥培養成熟期 鞭毛蟲游泳型纖毛蟲、鞭毛蟲 鐘蟲等固著型纖毛蟲、楯纖蟲、輪蟲 1. 指示作用(2) 根據原生動物種類判斷活性污泥和處理水質的好與壞 固著型纖毛蟲、輪蟲等出現,說明活性污泥正常、出水水質好; 草履蟲屬、眼蟲屬等出現,說明活性污泥結構松散,出水水質差; 線蟲出現則說明缺氧。(3) 根據原生動物遇惡劣環境改變個體形態及其變化過程判斷進水水質變化和運行中出現的問題。 五、原生動物及微型后生動物的作用2. 凈化作用腐生性營養的鞭毛蟲通過滲透作用吸收污水中溶解性有機物;動物性原生動物、微型后生動物吞食有機顆粒和游離細菌及其他微小生物;3. 促進絮凝和沉淀作用 原生動物分泌一定的粘液物協同和促使細菌發生絮凝作用;鐘蟲等固著型原生動物的尾柄周圍分泌粘性物質,許多尾柄交織粘集在一起和細菌凝聚成大的絮體。五、原生動物及微型后生動物的作用1. 間歇式曝氣培養—— 不同水質的活性污泥(1)菌種來源:① 取自污水處理廠的活性污泥;② 取自不同水質廢水處理廠的活性污泥;③ 取自相同水質廢水處理廠的活性污泥;④ 取自本廠集水池或沉淀池的下腳污泥或本廠污水長期流經的河流淤泥經擴大培養后備用。 六、好氧活性污泥的培養 1. 間歇式曝氣培養(2) 馴化 :用間歇式曝氣培養法馴化 進低濃度廢水培養→曝氣23h,沉淀1h,傾去上清夜→再進同濃度的新鮮廢水,繼續曝氣培養。每一濃度運行3~7d →調高一個濃度,如同前一個濃度的操作方法運行→逐級提高廢水濃度,一直到原廢水濃度為止 六、好氧活性污泥的培養(3) 培養:將馴化好的活性污泥改用連續曝氣培養法繼續培養。 菌膠團結構緊密,以鐘蟲等固著型纖毛蟲為主,有輪蟲出現; SV30達50%以上; SVI在100mL/g左右,鐘蟲等固著型纖毛蟲大量出現。(4) 運行2. 連續曝氣培養—— 相同水質的活性污泥接種適量活性污泥,維持DO=1mg/L左右,悶曝幾天;以小流量進入,每調整一個流量梯度要維持一周的運行時間;隨著進水流量逐漸增大,DO的濃度要逐漸提高;當進水達到設計流量時,工業廢水進水BOD5在200~300mg/L,MLSS維持在3000mg/L左右,DO維持在2~3mg/L為好;若生活污水的進水BOD5在150~250mg/L,MLSS維持在2000mg/L左右,DO維持在1~2mg/L。 六、好氧活性污泥的培養9.1.2 好氧生物膜法 生物膜法又稱生物過濾法,是指使廢水流過生長在固定支承物表面上的生物膜,并通過生物氧化和各相間的物質交換作用,去除廢水中有機污染物的廢水處理方法。構筑物:普通濾池、高負荷生物濾池、塔式生物濾池、生物轉盤、接觸氧化池 1. 好氧生物膜好氧生物膜是由多種多樣的好氧微生物和兼性厭氧微生物黏附在生物濾池濾料上或粘附在生物轉盤盤片上的一層帶粘性、薄膜狀的微生物混合群體。是生物膜法凈化污廢水的工作主體。 一、好氧生物膜中的微生物群落2. 好氧生物膜中的微生物群落及其功能微生物群落 生物膜生物 生物膜面生物 濾池掃除生物 微生物菌膠團為主,輔以浮游球衣菌、藻類等 固著型纖毛蟲、游泳型纖毛蟲輪蟲、線蟲、寡毛類 作用凈化、穩定污廢水水質 促進濾池凈化速度,提高濾池整體的處理效率 去除濾池內的污泥,防止污泥積聚和堵塞 3. 好氧生物膜的結構 生物濾池分上、中、下層。上層全是細菌,有少數鞭毛蟲中層微生物種類比上層稍多,有菌膠團、浮游球衣菌、鞭毛蟲、變形蟲、豆形蟲、腎形蟲等;下層微生物種類較多,有菌膠團、浮游球衣菌外,有以鐘蟲為主的固著型纖毛蟲和少數游泳型纖毛蟲及輪蟲。 一、好氧生物膜中的微生物群落4. 好氧生物膜的凈化作用機理 一、好氧生物膜中的微生物群落1. 自然掛膜法 2. 活性污泥掛膜法 3.優勢菌種掛膜法 二、好氧生物膜的培養9.2 活性污泥絲狀膨脹及其控制對策正?;钚晕勰啵壕z團占優勢,輔以少量的絲狀細菌,大量鐘蟲類的固著型纖毛蟲、旋輪蟲等組成的活性污泥。膨脹污泥:①由絲狀細菌引起的絲狀膨脹污泥;②由非絲狀細菌引起的菌膠團膨脹污泥。SVI>200mL/g標志著活性污泥發生膨脹。 SVI<200mL/g為正?;钚晕勰?,一般在50~150mL/g,最好在100mL/g左右;9.2.1 活性污泥絲狀膨脹的成因 一、活性污泥絲狀膨脹的致因微生物 由于絲狀細菌極度生長引起的活性污泥膨脹稱為活性污泥絲狀膨脹。 致因微生物常見的有諾卡氏菌屬、浮游球衣菌屬、微絲菌屬、發硫菌屬、貝日阿托氏菌屬等 二、活性污泥絲狀膨脹的環境因素1. 溫度2. 溶解氧3. 可溶性有機物及其種類 4. 有機物濃度或有機負荷 5. pH三、活性污泥絲狀膨脹的機理 可用表面積與容積比假說解釋:在單位體積中,呈絲狀擴展生長的絲狀細菌的表面積與容積之比較絮凝性菌膠團細菌的大,對有限制性的營養和環境條件的爭奪占優勢,絮凝性菌膠團細菌處于劣勢,絲狀細菌就能大量生長繁殖成優勢菌,從而引起活性污泥絲狀膨脹。優勢競爭表現在如下幾方面:① 對DO的競爭;②對可溶性有機物的競爭; ③對氮、磷的競爭; ④有機物沖擊負荷影響。 9.2.2 控制活性污泥絲狀膨脹的對策 1. 控制DO:溶解氧需控制在2mg/L以上 2.控制有機負荷:控制BOD5污泥負荷在0.2~0.3kg/kg MLSS·d為宜。3. 改革工藝① 活性污泥法改為生物膜法② 可將二次沉淀池的沉淀法改為氣浮法③采用A-B法、A/O系統、A2/O系統、A2/O2系統及SBR法處理工藝9.3 厭氧生物處理及其微生物 9.3.1 厭氧消化法——甲烷發酵 厭氧消化法是指在無氧條件下,由兼性微生物及專性厭氧微生物的作用下,將有機物降解,最終產物為二氧化碳和甲烷氣的生物處理方法。 9.3.1.1 甲烷發酵理論與機制 水解階段:復雜有機物?水解和發酵型細菌 ? 酸化階段 :簡單有機物 ?產氫、產乙酸細菌 ? 甲烷化階段:乙酸、氫氣?產甲烷菌 ? CH4 、CO2三階段理論甲烷發酵的三個階段產甲烷菌產生甲烷的機制 ① 14CH3COOH→14CH4+CO2 14CH3OH→14CH4+CO2 ② 2CH3CH2OH+14CO2→14CH4+2CH3COOH ③ 2C3H7COOH+CO2+H2O→CH4+4CH3COOH ④ 4H2+CO2→CH4+2H2O ⑤ 3H2+CO→CH4+H2O 2H2O+4CO →4CH4+3CO2 9.3.1.2 厭氧活性污泥的培養 1. 厭氧活性污泥的菌種來源 ① 牛、羊、豬、雞等禽畜糞便含有豐富的水解型細菌和產甲烷菌。② 城市生活污水處理廠的濃縮污泥③ 同類水質處理廠的厭氧活性污泥 2. 厭氧活性污泥的馴化與培養 9.3.1.2 厭氧活性污泥的培養3. 厭氧活性污泥的組成和性質 組成:水解細菌+發酵細菌+古菌+厭氧的原生動物性質:① 顏色呈灰色至黑色;② 具有生物吸附、降解和絮凝作用;③ 具有沉降性能;④ 直徑>0.5mm。9.3.2 光合細菌處理高濃度有機廢水 BOD5在10000mg/L以上的高濃度有機廢水可利用光合細菌(Photosyntetic Bacteria,PSB)處理 光合細菌是一類能進行光合作用的原核微生物的總稱,除藍細菌外,都能在厭氧光照條件下進行不產氧的光合作用。光合細菌:紅螺菌屬、紅假單胞菌屬和紅微菌屬。 光合細菌處理高濃度有機廢水的流程9.3.3 含硫酸鹽廢水的厭氧微生物處理 化學法降低SO42-,加CaO和Ca(OH)2生成CaSO4沉淀可去除。厭氧生物處理法,即SRB法。9.4 氧化塘中的微生物群落及其處理廢水機制 氧化塘(oxidation ponds),也叫穩定塘(stabilization ponds)或生物塘,是土地經過人工適當的修整,設圍堤和防滲層的池塘,是主要依靠自然生物凈化功能使污水得到凈化的一種污水生物處理技術。 1. 微生物群落: 藻類、細菌、霉菌、放線菌、原生動物、輪蟲、線蟲、浮游甲殼動物、寡毛類等2. 處理廢水的機制: ① 稀釋作用 ② 沉淀和絮凝 ③ 好氧微生物的代謝作用 ④ 厭氧微生物的代謝作用 ⑤ 浮游生物的作用 ⑥ 水生植物的作用3. 氧化塘的主要類型: ① 好氧塘 ② 兼性塘 ③ 厭氧塘 ④ 曝氣塘9.5 廢水厭氧生物處理設備 1. 普通消化池 2. 升流式厭氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket,UASB) 3. 擋板式厭氧反應器(anaerobic baffled reactor,ABR)作業:P247 6,12
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