微生物與環(huán)境保護(hù)

1、n活性污泥法的原理 活性污泥法是利用懸浮生長(zhǎng)的微生物絮體處理有機(jī)廢 水的一類好氧生物處理方法。 注：微生物絮體微生物絮體由好氣性微生物（細(xì)菌、真菌、原生動(dòng) 物和后生動(dòng)物）及其代謝和吸附的有機(jī)物、無機(jī)物組成。 n活性污泥的凈化反應(yīng)過程 活性污泥系統(tǒng)對(duì)有機(jī)底物的降解是通過幾個(gè)階段和一系 列作用完成的。包括以下階段： 絮凝和吸附階段 活性污泥中微生物的代謝和增殖 活性污泥的凝聚、沉淀和濃縮 n形成活性污泥絮狀體的細(xì)菌菌膠團(tuán)細(xì)菌 菌膠團(tuán)：狹義指動(dòng)膠菌屬（Zoogloea）形成的細(xì)菌團(tuán) 塊，廣義指所有具有莢膜或粘液或明膠質(zhì)的絮凝性細(xì) 菌互相絮凝聚集形成的菌膠團(tuán)塊。 菌膠團(tuán)細(xì)菌是活性污泥的主體，它的作用：

2、 n具有很強(qiáng)的吸附、氧化分解有機(jī)物的能力。菌膠團(tuán)的形成可 使細(xì)菌避免被微型動(dòng)物所吞噬，并且與污泥的沉降性能和二 沉池能否有效泥水分離密切相關(guān)； n為原生動(dòng)物、微型后生動(dòng)物提供了良好的生存環(huán)境、附著場(chǎng) 所。 n絲狀細(xì)菌 它的作用有兩方面： n一方面：是活性污泥的重要組分，交叉穿織與菌膠 團(tuán)內(nèi)，或附著生長(zhǎng)于絮狀體表面，具有強(qiáng)氧化分解 有機(jī)物能力，起到一定的凈化作用。 n另一方面：當(dāng)絲狀菌的數(shù)量超過菌膠團(tuán)細(xì)菌時(shí)，可 使絮狀體沉降性能下降，嚴(yán)重時(shí)可引發(fā)污泥膨脹 （bulking）現(xiàn)象。 活性污泥中的微生物 n原生動(dòng)物及微型后生動(dòng)物 凈化作用：腐生性營養(yǎng)的原生動(dòng)物可吸收溶解 性有機(jī)物，動(dòng)物性營養(yǎng)的原生動(dòng)

3、物可吞食有機(jī) 顆粒、游離細(xì)菌及其它微小生物 促進(jìn)絮凝和沉淀作用 指示作用：可作為處理系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)管理的指標(biāo) n真菌 圖1 各種形態(tài)的細(xì)菌 活性污泥凈化反應(yīng)的影響因素 n溶解氧（DO） 曝氣池出口處的混合液的DO濃度保持在2mg/L左右， 可使活性污泥保持良好的凈化功能。 n水溫 活性污泥微生物的最適溫度范圍：1530。 n營養(yǎng)物質(zhì) 微生物對(duì)氮和磷的需要量可按BOD：N：P100：5： 1來考慮。 npH 活性污泥微生物的最適pH范圍：6.58.5。 n有毒和有抑制物質(zhì) 如重金屬、氰化物、硫化氫、酚、醇、醛、染料等 活性污泥法的基本特征 n利用生物絮狀體為生化反應(yīng)的主體物 n利用曝氣設(shè)備向生化反應(yīng)系

4、統(tǒng)分散空氣或氧氣，為微生物提 供氧源 n對(duì)體系進(jìn)行混合攪拌以增加接觸和加速生化反應(yīng)傳質(zhì)過程 n采樣沉淀方式去除有機(jī)物，降低出水中的微生物的固體含量 n通過回流使沉淀池濃縮的微生物絮凝體返回到反應(yīng)系統(tǒng) n為保證系統(tǒng)內(nèi)生物細(xì)胞平均停留的時(shí)間的穩(wěn)定，經(jīng)常排出一 部分生物固體。 活性污泥法的基本工藝流程 圖2 活性污泥法的基本流程 活性污泥法的主要運(yùn)行方式（1） 按廢水和回流污泥的進(jìn)入方式及其在曝氣池中的混合方式活性 污泥法主要有兩大運(yùn)行方式：推流式和完全混合式。 n推流式 推流式活性污泥曝氣池有若干個(gè)狹長(zhǎng)的流槽，廢水從一端 進(jìn)入，另一端流出。隨水流的過程，底物降解，微生物增 長(zhǎng)；從池首端到尾端，混合

5、液內(nèi)影響活性污泥凈化功能的 各種因素。 特點(diǎn)：在曝氣池的任何斷面上都存在有機(jī)基質(zhì)的濃度梯度， 因此存在基質(zhì)降解動(dòng)力，BOD降解菌為優(yōu)勢(shì)菌，可避免發(fā) 生污泥膨脹現(xiàn)象、運(yùn)行可采用多種方式，能夠增加凈化功 能如脫氮、除磷等。 圖3 推流式曝氣池 活性污泥法的主要運(yùn)行方式（2） n完全混合式 廢水進(jìn)入曝氣池后在攪拌下立即與池內(nèi)活性污泥混合 液混合，從而使進(jìn)水得到良好的稀釋，污泥與廢水得 到充分混合，可以最大限度地承受廢水水質(zhì)變化的沖 擊。 特點(diǎn)：能夠承受高濃度廢水，對(duì)沖擊負(fù)荷有一定的適 應(yīng)能力；需氧全池要求相同，能夠節(jié)省動(dòng)力；可使曝 氣池與沉淀池合建，無需單獨(dú)設(shè)置污泥回流系統(tǒng)，易 于運(yùn)行管理。 圖6

6、氧化溝 n什么是生物膜法？ 利用微生物在固體表面的附著生長(zhǎng)對(duì)廢水進(jìn)行生物處 理的技術(shù)方法。 n生物膜法的特征 通過廢水與生物膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使廢水與生物膜接觸， 進(jìn)行固液兩相的物質(zhì)交換，并在膜內(nèi)進(jìn)行有機(jī)物的生 物氧化和降解，使廢水得到凈化，同時(shí)，生物膜內(nèi)微 生物不斷得以生長(zhǎng)和繁殖。 生物膜中的微生物組成 n細(xì)菌和真菌 在生物膜的好氣層專性好氣的芽孢桿菌占優(yōu)勢(shì)； 在厭氣層可見到反硫化弧菌屬 數(shù)量最多的是兼性菌，如假單胞菌屬等 n原生動(dòng)物 纖毛蟲居多。 n微型后生動(dòng)物 如輪蟲類、線蟲類、昆蟲類等，個(gè)體數(shù)較多。 生物膜的凈化原理 附 著 水 載 體 水 膜 有機(jī)酸有機(jī)物（養(yǎng)料） 氧氣 二氧化碳、無機(jī)物

7、 代謝產(chǎn)物 運(yùn)動(dòng)水 厭氧層好氧層 廢水 出水空氣 生物膜 圖8 生物膜去除有機(jī)物示意圖 生物膜法的特點(diǎn)（與活性污泥法相比較） n微生物多樣性高 n生物膜各段的微生物類群不同 n生物膜中的食物鏈較長(zhǎng) n具有較高的脫氮能力 n單位處理能力大 n系統(tǒng)維護(hù)方便 n操作運(yùn)行方便 固定床生物處理的主要類型 n普通生物濾池 n塔式生物濾池 n生物轉(zhuǎn)盤濾池 n生物接觸氧化濾池 圖9 生物轉(zhuǎn)盤 圖10 普通生物濾池 流化床生物處理技術(shù) n什么是流化床生物處理技術(shù)？ 使廢水通過運(yùn)動(dòng)態(tài)并附著生長(zhǎng)有生物膜的顆粒床，廢 水中的基質(zhì)在床內(nèi)同均勻分散的生物膜相接觸而獲得 降解去除，故在流化床中既有生物膜，又有活性污泥。 n

8、根據(jù)反應(yīng)器中的微生物的營養(yǎng)形式，可分為好氧流化 床和厭氧流化床 n好氧生物流化床 n流化床中生物膜中的指示生物 濾膜生物 中間濾膜生物 非濾膜生物 濾膜清掃生物 n什么是厭氧生物處理？ 在厭氧條件下，利用厭氧微生物分解廢水中的有機(jī)物 并產(chǎn)生甲烷、二氧化碳的過程，又稱厭氧發(fā)酵。 與好氧生物處理的區(qū)別：不以分子氧為受氫體（最終 電子受體），以無機(jī)物、化合態(tài)鹽、碳、硫、氮為受 氫體，如CO、CO2、SO4 2、NO3等。 n厭氧生物處理的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：耐有機(jī)負(fù)荷高；可生成甲烷；剩余污泥量少； 無需充氧，能耗低； 缺點(diǎn)：污泥量增長(zhǎng)慢，工藝過程啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)；對(duì)負(fù)荷 變化、毒物敏感；故厭氧處理一般只用于預(yù)處

9、理，要 使廢水達(dá)標(biāo)排放，還需要進(jìn)一步處理 厭氧生物處理的過程（三個(gè)階段） n水解階段：復(fù)雜有機(jī)物水解和發(fā)酵性細(xì)菌 n酸化階段 ：簡(jiǎn)單有機(jī)物（可溶態(tài)） 產(chǎn)氫、產(chǎn)乙 酸細(xì)菌 n甲烷化階段： 簡(jiǎn)單有機(jī)酸類、醇類產(chǎn)甲烷菌 CH4、CO2 厭氧反應(yīng)器內(nèi)的微生物 n不產(chǎn)甲烷菌 細(xì)菌（以厭氧菌、兼性菌為主）、真菌，參與產(chǎn)甲烷 階段以前所有分解有機(jī)物過程，并產(chǎn)生小分子有機(jī)酸 n產(chǎn)甲烷菌 其形態(tài)有八疊球狀、桿狀、球狀、螺旋狀 其特點(diǎn)：嚴(yán)格厭氧，代謝活動(dòng)所需最佳pH值為6.7 7.2，只能利用少數(shù)的幾種簡(jiǎn)單化合物 厭氧生物處理的影響因素 n溫度 中溫發(fā)酵3538 ，高溫發(fā)酵52 55 npH值 中性環(huán)境，甲烷化階

10、段7.07.5 n營養(yǎng)成分 BOD5 ：N ：P n有機(jī)負(fù)荷 圖11 上流式厭氧池 微生物脫氮基本原理 n生物脫氮主要通過硝化作用和反硝化作用來完成。 n首先利用好氧段，由亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌的硝化作用， 將NH3 轉(zhuǎn)化為NO3N，再利用缺氧段，由反硝化細(xì)菌將 NO3N反硝化還原為N2，溢出水面釋放到大氣。 微生物脫氮硝化作用段 n硝化作用是指NH3被氧化成NO2，再被氧化成NO3 的過程。 n反應(yīng)： NH3 NO2 NO3 n微生物：亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌，兩者為化能自養(yǎng)菌， 專性好氧，要求中性、弱堿性環(huán)境，以CO2為唯一碳 源，最適溫度25 30 ，pH值范圍7.58.0。 原理： 好氧吸磷

11、： 一部分能量用于吸收外界可 溶性脂肪酸，形成PHB 厭氧放磷： 厭氧條件下，積磷菌將體內(nèi) 的聚磷分解產(chǎn)生能量 另一部分能量用于生 理活動(dòng)需要 好氧條件下，PHB分解產(chǎn)生 能量 一部分能量用于主動(dòng)過量吸收 環(huán)境中的磷，并合成聚磷 另一部分能量用于細(xì) 胞正常生長(zhǎng)繁殖 另一部分能量用于生 理活動(dòng)需要 另一部分能量用于生 理活動(dòng)需要 生物除磷中的微生物 n積磷菌 是一類生長(zhǎng)緩慢的細(xì)菌，在厭氧條件下，分解體內(nèi)的 聚磷來獲得能量生長(zhǎng)繁殖，在好氧條件和外界營養(yǎng)基 質(zhì)少的情況下，分解體內(nèi)的PHB獲得能量而生長(zhǎng)繁殖， 故它與不積磷菌相比更能適應(yīng)厭氧、好氧交替的環(huán)境 而成為優(yōu)勢(shì)菌群。 目前認(rèn)為，在微生物除磷過程

12、中起主要作用的是假單 胞菌屬、和氣單胞菌屬。 n發(fā)酵產(chǎn)酸菌和積磷菌的關(guān)系 積磷菌只能利用低級(jí)的脂肪酸，不能直接利用大分子 有機(jī)基質(zhì)，而發(fā)酵產(chǎn)酸菌可將大分子物質(zhì)降解為小分 子，故在除磷過程中這兩類菌是互不可分、密切相關(guān) 的。 n固體廢棄物的分類 n固體廢棄物處理的基本原則： 無害化、減量化、資源化 n固體廢棄物的微生物處理的主要方法： 堆肥法 衛(wèi)生填埋法 厭氧發(fā)酵法 n什么是堆肥法？ 指依靠自然界廣泛分布的細(xì)菌、放線菌、真菌 等微生物有控制地促進(jìn)可被生物降解的有機(jī)物 向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過程。 n堆肥：堆肥化的產(chǎn)物。 n根據(jù)處理過程中起作用的微生物對(duì)氧氣要 求的不同，堆肥法可分為： 好氧

13、堆肥法 厭氧堆肥法 好氧堆肥法的微生物學(xué)過程 n發(fā)熱階段 初期，主要由中溫好氧的細(xì)菌和真菌利用堆肥中的易分解 有機(jī)物，釋放熱量，使溫度不斷上升。 n高溫階段 堆肥溫度升至50以上進(jìn)入高溫階段，好熱性的微生物逐 漸代替了中溫微生物，一些復(fù)雜的有機(jī)物開始分解，腐殖 質(zhì)逐漸形成。病原性微生物逐漸被高溫殺死。 n降溫和腐熟保肥階段 當(dāng)易分解有機(jī)物大部分被分解以后，剩下的是木質(zhì)素等難 分解有機(jī)物和新形成的腐殖質(zhì)，好熱性微生物的活動(dòng)減弱， 產(chǎn)熱量下降，溫度逐漸下降，中溫性微生物又成為優(yōu)勢(shì)菌 群，殘余物進(jìn)一步分解，腐殖質(zhì)逐漸積累，堆肥進(jìn)入腐熟 階段。 圖17 堆肥化過程的發(fā)展階段 好氧堆肥的影響因素 n有機(jī)

14、質(zhì)含量 有機(jī)質(zhì)含量含量過低，產(chǎn)生的熱量不足以維持堆肥所需溫度； 有機(jī)質(zhì)含量含量過高不利于通風(fēng)供氧從而產(chǎn)生厭氧和發(fā)臭。 n水分 水分過高不利于升溫和通風(fēng)； 水分過低，不能滿足微生物生長(zhǎng)需要，有機(jī)物也不能分解。 n溫度 溫度過低將大大延長(zhǎng)堆肥時(shí)間； 溫度過高對(duì)微生物產(chǎn)生不利影響。 n碳氮比 碳氮比小，升溫快，但最高溫度較低； 碳氮比大，升溫慢，但最高溫度較高。 n氮磷比 堆肥原料的氮磷比一般在75150之間。 厭氧堆肥法 n厭氧堆肥法 指在不通氣的條件下，將有機(jī)廢棄物進(jìn)行厭氧發(fā)酵， 制成有機(jī)肥料，使固體廢棄物無害化的過程。 n厭氧堆肥過程的兩個(gè)階段 酸性發(fā)酵階段：產(chǎn)酸細(xì)菌分解有機(jī)物，產(chǎn)生有機(jī)酸、

15、醇、二氧化碳、氨、硫化氫等，使pH下降； 產(chǎn)氣發(fā)酵階段：主要由產(chǎn)甲烷細(xì)菌分解有機(jī)酸和醇， 產(chǎn)生甲烷和二氧化碳，隨著有機(jī)酸的下降，pH迅速上 升。 n厭氧堆肥法特點(diǎn)（與好氧堆肥相比較） 堆內(nèi)不設(shè)通氣系統(tǒng)，堆溫低，腐熟及無害化所需時(shí)間 較長(zhǎng)，但方法簡(jiǎn)便、省工，在不急需用肥或勞力緊張 的情況下可以采用。 圖18 有機(jī)物的沼氣發(fā)酵過程 4.2 衛(wèi)生填埋（Sanitary Landfill） n什么是衛(wèi)生填埋法？ 指將垃圾在填埋場(chǎng)里分層填埋的處理方法。由廢物層 （一般厚度2.53.0m）和覆土層（一般厚度為0.2 0.3m）構(gòu)成一個(gè)填埋單元，由一系列填埋單元構(gòu)成一個(gè) 填埋層，當(dāng)填埋至設(shè)計(jì)高度后再蓋上一層

16、0.91.2m的 土壤，壓實(shí)后就得到了一個(gè)完整的衛(wèi)生填埋場(chǎng)。 覆土層 廢物層 第二層 第一層 不透水層 夯實(shí)粘土 圖19 衛(wèi)生填埋場(chǎng)示意圖 填埋坑內(nèi)微生物活動(dòng)過程的四個(gè)階段 n好氧分解階段 微生物利用垃圾空隙中的空氣進(jìn)行好氧分解。 n厭氧分解不產(chǎn)甲烷階段 微生物利用硝酸根和硫酸根作為氧源，產(chǎn)生硫化物、 氮?dú)夂投趸?，硫酸鹽還原菌和反硝化細(xì)菌的繁殖 速度大于產(chǎn)甲烷細(xì)菌。 n厭氧分解產(chǎn)甲烷階段 當(dāng)還原狀態(tài)達(dá)到一定程度時(shí)開始產(chǎn)甲烷，坑內(nèi)溫度升 至55時(shí)，進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)氣階段。 n穩(wěn)定產(chǎn)氣階段 此階段穩(wěn)定地產(chǎn)生二氧化碳和甲烷。 填埋場(chǎng)滲瀝水和氣體收集 n滲瀝水 垃圾分解過程中產(chǎn)生的液體以及滲出的地下水和

17、滲入的地 表水統(tǒng)稱為填埋場(chǎng)滲瀝水。 滲瀝水的性質(zhì)主要取決于所埋垃圾的種類，數(shù)量取決于滲 瀝水的來源、填埋場(chǎng)的面積、垃圾狀況和下層土情況等。 為防止?jié)B瀝水對(duì)地下水的污染可采取以下措施： n在填埋場(chǎng)底部構(gòu)筑不透水層、集水管、集水井、監(jiān)測(cè)井等； n對(duì)收集的滲瀝水進(jìn)行生物或物化處理。 n氣體收集 垃圾填埋后，由于微生物的厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生甲烷、二氧化 碳、氨、一氧化碳、氫氣、氮?dú)?、硫化氫等氣體。 填埋5年后為甲烷發(fā)酵旺盛期，可對(duì)氣體進(jìn)行收集處理后 作為能源進(jìn)行利用。 圖20 浸出液的來源與支出 n什么是大氣污染物的微生物處理？ 指利用微生物的生物化學(xué)作用，使大氣污染物分解。 轉(zhuǎn)化為無害或少害物質(zhì)。目前主要

18、用來凈化有機(jī)污染 物特別是脫除臭味。 n廢氣微生物處理的特點(diǎn) 設(shè)備簡(jiǎn)單、能耗低、不消耗有用的原料、安全可靠、 無二次污染等。 n廢氣生物處理的兩個(gè)階段 污染物由氣相轉(zhuǎn)入液相或固相表面的液膜中； 污染物在液相或固相表面被微生物降解。 微生物對(duì)無機(jī)廢氣的處理 n微生物對(duì)無機(jī)廢氣的處理主要利用一些化能自養(yǎng) 菌如硝化細(xì)菌、硫化細(xì)菌和氫細(xì)菌等。 n適合于微生物處理的無機(jī)廢氣污染組分主要有： 氨和硫化氫。 n例如：硫化氫的生物處理 微生物對(duì)有機(jī)廢氣的處理 n微生物吸收法（Microorganism Absorption） 原理：利用微生物、營養(yǎng)物和水組成的吸收液處理廢氣， 適合于處理可溶性的氣態(tài)污染物。

19、裝置：由吸收器（物理溶解過程）和廢水反應(yīng)器（生物 處理過程）兩部分組成。 n微生物洗滌法（Microorganism Wash） 利用污水廠剩余污泥配制混合液作為吸收劑處理廢氣， 對(duì)脫除復(fù)合型臭氣效果較好。 n微生物過濾法（Microorganism Adsorption） 利用含有微生物的固體顆粒吸收廢氣中的污染物。 包括以下類型：堆肥濾池、土壤濾池、微生物過濾箱 圖21 吸收設(shè)備填料塔 圖6 氧化溝 n什么是生物膜法？ 利用微生物在固體表面的附著生長(zhǎng)對(duì)廢水進(jìn)行生物處 理的技術(shù)方法。 n生物膜法的特征 通過廢水與生物膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使廢水與生物膜接觸， 進(jìn)行固液兩相的物質(zhì)交換，并在膜內(nèi)進(jìn)行有機(jī)物的生 物氧化和降解，使廢水得到凈化，同時(shí)，生物膜內(nèi)微 生物不斷得以生長(zhǎng)和繁殖。 生物膜的凈化原理 附 著 水 載 體 水 膜 有機(jī)酸有機(jī)物（養(yǎng)料） 氧氣 二氧化碳、無機(jī)物 代謝產(chǎn)物 運(yùn)動(dòng)