環(huán)境污染控制與治理中的微生物學課件

1、環(huán)境污染控制與治理中的微生物學環(huán)境污染控制與治理中的微生物學主要內(nèi)容：第一節(jié) 污（廢）水生物處理中的微生物生態(tài)系統(tǒng) 第二節(jié) 活性污泥絲狀膨脹及其控制對策第三節(jié) 厭氧生物處理中的微生物群落第四節(jié) 廢水的生物脫氮和除磷第五節(jié) 固體廢棄物的微生物處理及其微生物群落 第六節(jié) 廢氣的生物處理第七節(jié) 環(huán)境監(jiān)測與微生物2主要內(nèi)容：4第一節(jié) 污（廢）水生物處理中的微生物生態(tài)系統(tǒng) 3第一節(jié) 污（廢）水生物處理中的微生物生態(tài)系統(tǒng) 5 廢水的生物處理的方法很多，根據(jù)微生物與氧的關(guān)系可分為好氧處理和厭氧處理。根據(jù)微生物在構(gòu)筑物中處于懸浮狀態(tài)或固著狀態(tài)，可分為活性污泥法和生物膜法?；钚晕勰嗪蜕锬な莾艋郏◤U）水的工作

2、主體。4 廢水的生物處理的方法很多，根據(jù)微生物與氧的關(guān)系可分為好氧處一、好氧活性污泥法（一）好氧活性污泥中的微生物1.好氧活性污泥的組成和性質(zhì)好氧活性污泥是由多種多樣的好氧微生物和兼性厭氧微生物（兼有少量厭氧微生物）與污（廢）水中的有機和無機固體物混凝交織在一起所形成的絮狀體。 5一、好氧活性污泥法（一）好氧活性污泥中的微生物7組成： 微生物（好氧、兼性及少量厭氧） + 固體雜質(zhì)（有機和無機）性質(zhì)：絮狀，大小為0.02-0.2mm，比表面積在20-100cm2/ml；顏色：生活污水一般為黃褐色，工業(yè)污水則與水質(zhì)有關(guān)；含水率在99%，比重1.002-1.006，具有沉降性能；pH在6-7，弱酸性

3、，具一定的緩沖能力。6組成： 微生物（好氧、兼性及少量厭氧） + 固體雜質(zhì)（有機2好氧活性污泥的存在狀態(tài)在完成混合式曝氣池中，以懸浮狀態(tài)存在，均勻分布；在推流式曝氣池內(nèi)，隨推流方向而有變化。3好氧活性污泥的微生物群落好氧活性污泥的結(jié)構(gòu)和功能的中心是菌膠團,其主要組成是細菌。在其上面生長有其他微生物，如酵母菌、霉菌、放線菌、藻類、原生動物及微型后生動物等。4好氧活性污泥中微生物的濃度和數(shù)量常用MLSS（混合液懸浮固體）或MLVSS（混合液揮發(fā)性懸浮固體）來表示。一般城市污水處理中，MLSS在2000-3000mg/L，工業(yè)廢水在3000mg/L左右，高濃度工業(yè)廢水在3000-5000 mg/L。

4、1ml好氧活性污泥中的細菌數(shù)在107-108個。72好氧活性污泥的存在狀態(tài)9活性污泥法的基本流程8初沉池曝氣池二沉池廢水出水回流污泥剩余污泥活性污泥法的基本流程10初沉池曝氣池二沉池廢水出水回顯微鏡下的活性污泥9顯微鏡下的活性污泥11（二） 好氧活性污泥凈化廢水的作用機理主要有兩方面的作用： 吸附有機物 降解有機物（三）菌膠團的作用對有機物進行吸附和氧化分解為原生動物和微型后生動物提供良好的生存環(huán)境具有指示作用（四）原生動物及微型后生動物的作用原生動物和微型后生動物在污（廢）水生物處理和水體污染及自凈中起到三方面的作用： （1）指示作用 （2）凈化作用 （3）促進絮凝和沉淀作用10（二） 好氧

5、活性污泥凈化廢水的作用機理12二、好氧生物膜法主要類型：生物濾池：普通生物濾池；高負荷生物濾池；塔式生物濾池生物轉(zhuǎn)盤生物接觸氧化法（淹沒式生物濾池）11二、好氧生物膜法主要類型：1312活性生物濾池布水器填料14活性生物濾池布水器填料1315生物轉(zhuǎn)盤14生物轉(zhuǎn)盤16（一）好氧生物膜中的微生物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粘附在生物濾池濾料上或生物轉(zhuǎn)盤盤片上的一層帶粘性、薄膜狀的微生物混合群體。是生物膜法凈化污水的工作主體。2好氧生物膜中的微生物及其功能生物膜生物：以菌膠團為主；凈化和降解作用；膜面生物：固著型纖毛蟲和游泳型纖毛蟲，起促進濾池凈化速度，提高整體效率

6、的作用；濾池掃除生物：輪蟲、線蟲、寡毛類的沙蠶、顠體蟲等，起去除濾池內(nèi)的污泥、防止污泥積聚和堵塞的功能。15（一）好氧生物膜中的微生物173好氧生物膜的結(jié)構(gòu)好氧生物膜在濾池內(nèi)分布不同于活性污泥，生物膜附著在濾料上不動，廢水自上而下淋灑在生物膜上。因此，在濾池的不同高度位置，由于微生物得到的營養(yǎng)不同，造成微生物種類和數(shù)量的不同。163好氧生物膜的結(jié)構(gòu)18（二）好氧生物膜凈化廢水的作用機理（以濾池為例）在生物濾池中，上層生物膜中的生物膜生物（絮凝性細菌及其他微生物）和生物膜面生物（固著型纖毛蟲、游泳型纖毛蟲及微型后生動物）吸附廢水中的大分子有機物，將其水解為小分子有機物。同時吸收溶解性有機物和經(jīng)水

7、解的小分子有機物進入體內(nèi)，并氧化分解之，微生物利用吸收的營養(yǎng)構(gòu)建自身細胞。上一層生物膜的代謝產(chǎn)物流向下一層，被下一層的生物膜生物吸收氧化。分解為二氧化碳和水。老化的生物膜和游離細菌被濾池掃除生物吞食。17（二）好氧生物膜凈化廢水的作用機理（以濾池為例）19第二節(jié) 活性污泥絲狀膨脹及其控制對策18第二節(jié) 活性污泥絲狀膨脹及其控制對策20 用活性污泥法處理廢水，曝氣池中的活性污泥，正常情況下是由許多具有絮凝作用的絮凝細菌菌膠團細菌占優(yōu)勢，輔以少量的絲狀細菌，大量鐘蟲類的固著型纖毛蟲、旋轉(zhuǎn)蟲等組成。由于某些環(huán)境條件的變化，污泥會發(fā)生膨脹現(xiàn)象（可分為由絲狀細菌引起的絲狀膨脹污泥和由非絲狀細菌引起的菌膠

8、團膨脹污泥，而又以絲狀膨脹污泥較為普遍），此時，二沉池中會發(fā)生泥水分離困難，池面飄泥嚴重，造成出水水質(zhì)極差。19 用活性污泥法處理廢水，曝氣池中的活性污泥，正常情況下是由許2022（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?；钚晕勰嘟z狀膨脹的致因微生物種類很多，常見的有：諾卡氏菌屬、浮游球衣菌、微絲菌屬、發(fā)硫菌屬、貝日阿托氏菌屬等。21（一）活性污泥絲狀膨脹的致因微生物232224絲狀菌生長占優(yōu)勢的活性污泥23絲狀菌生長占優(yōu)勢的活性污泥25（二）活性污泥絲狀膨脹的成因活性污泥絲狀膨脹的成因有環(huán)境因素和微生物因素。主導因素是絲狀微生物過度生長。環(huán)

9、境因素促進絲狀微生物過度生長。包括：溫度、溶解氧、可溶性有機物及其種類、有機物濃度（或有機負荷）等。pH值的變化也可能會引起活性污泥絲狀膨脹。 總之，引起活性污泥絲狀膨脹的原因是比較復雜的，要具體問題具體分析，然后采取相應的措施予以控制。24（二）活性污泥絲狀膨脹的成因26二、控制活性污泥絲狀膨脹的對策解決活性污泥絲狀膨脹的問題，從根本上說是要控制引起絲狀微生物的過度生長的具體環(huán)境因子。1控制溶解氧：在2mg/L以上2控制有機負荷： BOD污泥負荷在0.20.3kg/kgMLSS.d為宜。3改革工藝 如二沉池采用氣浮法等25二、控制活性污泥絲狀膨脹的對策解決活性污泥絲狀膨脹的問題，從第三節(jié) 厭

10、氧生物處理中的微生物群落 高濃度有機廢水或剩余活性污泥多用厭氧消化法處理。高濃度有機廢水還可用有機光合細菌處理。26第三節(jié) 厭氧生物處理中的微生物群落 高濃度有機一、厭氧消化甲烷發(fā)酵沼氣發(fā)酵，已有多年的研究歷史，常用于將城市的垃圾、糞便、污水、工業(yè)廢水及生物處理的剩余污泥等的處理，并從中獲得可燃性氣體沼氣（甲烷，CH4）。常用的構(gòu)筑物為發(fā)酵罐或消化池。甲烷發(fā)酵的微生物群落與有氧環(huán)境中的不同，它們是由分解蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、纖維素等的專性厭氧菌和兼性厭氧菌及專性厭氧的產(chǎn)甲烷菌等組成。 27一、厭氧消化甲烷發(fā)酵沼氣發(fā)酵，已有多年的研究歷史，常用于甲烷發(fā)酵理論與機制（四階段理論）：第一階段：水解和發(fā)

11、酵性細菌群 將復雜有機物如纖維素、淀粉等水解為單糖后，再酵解為丙酮酸；將蛋白質(zhì)水解為氨基酸，脫氨基后成有機酸和氨；將脂類水解為各種低級脂肪酸和醇，如乙酸、丙酸、丁酸、長鏈脂肪酸、乙醇、二氧化碳、氫、氨和硫化氫等。第二階段：產(chǎn)氫和產(chǎn)乙酸細菌群 把第一階段的產(chǎn)物進一步分解為乙酸和氫氣。 第三階段：兩組生理特性不同的專性厭氧的產(chǎn)甲烷菌群 一組將氫氣和二氧化碳（或一氧化碳）合成甲烷；另一組將乙酸脫羧生成甲烷和二氧化碳，或利用甲酸、甲醇及甲基胺裂解為甲烷。第四階段：同型產(chǎn)乙酸細菌 將氫氣和二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙酸28甲烷發(fā)酵理論與機制（四階段理論）：30厭氧活性污泥：由兼性厭氧菌和專性厭氧菌與廢水中的有機雜質(zhì)

12、交織在一起形成的顆粒污泥。厭氧活性污泥的微生物種類、組成、結(jié)構(gòu)及污泥顆粒等性質(zhì)，與厭氧消化處理的效果好壞有很大關(guān)系。29厭氧活性污泥：由兼性厭氧菌和專性厭氧菌與廢水中的有機雜質(zhì)交織二、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（濃糞便水、豆制品廢水、食品加工廢水、屠宰廢水等）可用有機光合細菌（PSB）處理。利用光合細菌處理的BOD5 去除效果可達95%，甚至達98%。常用的有機光合細菌有：紅螺菌科的紅螺菌屬、紅假單胞菌屬和紅微菌屬。30二、光合細菌處理高濃度有機廢水BOD5在10000mg/L以三、含硫酸鹽廢水的厭氧微生物處理高濃度的SO42-對微生物有毒害作用

13、。去除的方法有：化學法：加CaO和Ca(OH)2生成CaSO4沉淀，若加少量的FeCL3，效果更佳。厭氧微生物方法：用SBR法，利用在厭氧條件下，硫酸鹽還原菌發(fā)生反硫化作用，以SO42-為最終電子受體，利用有機物為供氫體，將SO42-還原成H2S從水中溢出。31三、含硫酸鹽廢水的厭氧微生物處理高濃度的SO42-對微生物有第四節(jié) 廢水的生物脫氮和除磷32第四節(jié) 廢水的生物脫氮和除磷34一、廢水脫氮除磷的目的意義氮磷物質(zhì)進入水體，就會造成很大的危害，其中最大的問題就是引起水體富營養(yǎng)化。因此，廢水的除磷脫氮十分重要，尤其是當廢水處理后被排入一些湖泊、海灣等敏感水體時。 33一、廢水脫氮除磷的目的意義

14、氮磷物質(zhì)進入水體，就會造成很大的危二、廢水生物脫氮原理及工藝 1. 生物脫氮原理生物脫氮首先是利用好氧過程，由亞硝化細菌和硝化細菌將廢水中的NH3轉(zhuǎn)化成NO3- - N，再利用缺氧段經(jīng)反硝化作用，將NO3- - N還原成氮氣（N2），溢出水面釋放到大氣中，從而減少水中的含氮物質(zhì)，降低對水體的潛在威脅。 34二、廢水生物脫氮原理及工藝 1. 生物脫氮原理362. 參與生物脫氮的微生物(1) 硝化作用段微生物亞硝化細菌和硝化細菌在自然界廣泛分布，在土壤、淡水、海水和污水處理系統(tǒng)中均有發(fā)現(xiàn)。它們是革蘭氏陰性的好氧菌，營化能無機營養(yǎng)。 (2)反硝化作用段微生物反硝化細菌是所有能以NO3-為最終電子受體

15、，將HNO3還原成N2的細菌總稱。它包括許多種類的細菌。 352. 參與生物脫氮的微生物373. 脫氮的工藝A/O、A2/O、A2O2及SBR等均能取得較好的脫氮效果。經(jīng)過厭氧-好氧或缺氧-好氧的合理組合，既能除去COD和BOD，又能進行脫氮，還能除磷。 363. 脫氮的工藝38圖 A、B兩種排列的A/O系統(tǒng)示意圖N-硝化，DN-反硝化，S-沉淀池37圖 A、B兩種排列的A/O系統(tǒng)示意圖39三、廢水生物除磷原理及工藝 1. 生物除磷原理某些微生物在好氧時能大量吸收磷酸鹽合成自身核酸和ATP，并且能逆濃度過量吸磷合成貯能的多磷酸鹽顆粒（異染粒和PHB）在體內(nèi)，供其內(nèi)源呼吸用。這些細菌稱為聚磷菌(

16、PAO)。在厭氧條件下，聚磷菌在分解體內(nèi)的聚合磷酸鹽的同時產(chǎn)生ATP，并利用ATP將廢水中的脂肪酸等有機物攝入細胞，以PHB（聚羥基丁酸）及糖原等有機顆粒的形式貯存于細胞內(nèi)，同時將分解聚磷酸鹽所產(chǎn)生的磷酸排出細胞。然后轉(zhuǎn)入好氧環(huán)境，聚磷菌又能利用聚羥基丁酸鹽所釋放的能量來攝取廢水中的磷，并合成聚磷酸鹽貯存在細胞內(nèi)。38三、廢水生物除磷原理及工藝 1. 生物除磷原理40一般來說，微生物在增殖過程中，好氧攝取的磷比在厭氧條件下所釋放的磷多。因此，如果能創(chuàng)造厭氧、缺氧和好氧條件的交替，讓聚磷菌首先在厭氧條件下釋放磷，然后在好氧條件下充分過量地吸磷，爾后通過排泥，就可以達到從廢水中去除磷物質(zhì)的目的。

17、39一般來說，微生物在增殖過程中，好氧攝取的磷比在厭氧條件下所釋2. 參與生物除磷的微生物具有聚磷能力的微生物目前所知絕大多數(shù)是細菌。聚磷的活性污泥是由許多好氧異氧菌、厭氧異氧菌和兼性厭氧菌組成。實質(zhì)上是產(chǎn)酸菌（統(tǒng)稱）和聚磷菌的混合群體。從種類上來看，聚磷能力強、數(shù)量占優(yōu)勢的有不動桿菌屬（莫拉氏菌群）、假單胞菌屬、氣單胞菌屬和黃桿菌屬等60多種。硝化桿菌中的亞硝化桿菌屬、亞硝化球菌屬、亞硝化葉菌屬和硝化桿菌屬、硝化球菌屬等也具有聚磷能力。 402. 參與生物除磷的微生物423. 生物除磷的工藝人們開發(fā)研究出多種廢水生物除磷工藝，這些工藝在去除廢水中磷的同時，還能有效去除水中的有機物和進行硝化或

18、脫氮作用。按照運行方式，可分為連續(xù)式和間歇式（序批式）兩類。常見的生物除磷工藝有：Bardenpho生物除磷工藝、Phoredox工藝、A/O及A2/O、UCT工藝、VIP工藝、旁流除磷的Phostrip工藝、SBR等。413. 生物除磷的工藝43圖 A/O工藝流程示意圖（除磷）42圖 A/O工藝流程示意圖（除磷）44A2/O工藝流程示意圖43A2/O工藝流程示意圖45第五節(jié) 固體廢棄物的微生物處理及其微生物群落 目前垃圾處理的方法主要有：堆肥法、填埋法和焚燒法。其中堆肥法和填埋法為生物處理方法，用以處理可生物降解的有機固體廢棄物。 一、 堆肥法（一）概念堆肥化使依靠自然界廣泛分布的細菌、放線

19、菌和真菌等微生物，有控制地促進可生物降解的有機物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程。堆肥是堆肥化的產(chǎn)品。堆肥是優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑和農(nóng)肥。堆肥法就是利用堆肥化過程來處理城市的生活垃圾及其他有機固體廢棄物的方法。 44第五節(jié) 固體廢棄物的微生物處理及其微生物群落 目前垃圾處理的（二）好氧堆肥好氧堆肥在通氣條件下，利用好氧微生物分解大分子有機固體廢棄物為小分子有機物，部分有機物被礦化成無機物。在好氧堆肥過程中，會釋放出大量的熱能，使溫度升高，可達50-65，甚至80-90，最后有機固體廢棄物被完全腐熟成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。在整個堆肥過程中，有微生物的演替，各類微生物分別作用。堆肥工藝有：靜態(tài)堆肥工藝、高溫動態(tài)堆肥工藝

20、、立倉式堆肥工藝、滾筒式堆肥工藝等。45（二）好氧堆肥47二、 衛(wèi)生填埋法及滲濾液 衛(wèi)生填埋法是在堆肥法的基礎上發(fā)展起來的，其處理原理與厭氧堆肥原理相同，均利用好氧微生物、兼性厭氧微生物和厭氧微生物處理。 衛(wèi)生填埋要求采取各種預防措施，以盡量減少填埋場地對周圍環(huán)境、大氣和地下水源的污染。46二、 衛(wèi)生填埋法及滲濾液48圖 衛(wèi)生填埋場示意圖（引自馬文漪，楊柳燕. 環(huán)境微生物工程. 南京：南京大學出版社，1998） 47圖 衛(wèi)生填埋場示意圖49第六節(jié) 廢氣的生物處理一、 廢氣的處理方法 廢氣的處理方法有物理和化學的方法，如吸附、吸收、氧化及等離子體轉(zhuǎn)化等。也有生物法，生物法是最經(jīng)濟有效的方法。生物

21、凈化有植物凈化法和微生物凈化法。植物凈化法就是利用植物吸收和轉(zhuǎn)化大氣中的污染物，包括二氧化碳，放出氧氣清潔空氣。微生物凈化法是利用處理裝置對氣態(tài)污染物進行處理，如生物吸收池、生物洗滌池、生物滴濾池和生物過濾池。48第六節(jié) 廢氣的生物處理一、 廢氣的處理方法50生物吸收裝置流程 49生物吸收裝置流程 51二、 含硫惡臭污染物及NH3、CO2的微生物處理（一）含硫惡臭污染物的凈化如H2S、甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫醚和二甲基亞礬等。有許多細菌能對含硫惡臭污染物進行凈化。（二）NH3、CO2的凈化將NH3溶于水中成NH4+，通入生物滴濾池，利用硝化作用將其氧化成NO2-和NO3-。對于CO2，利用植物和藻類，光合作用同化。（三）揮發(fā)性有機物的生物處理包括苯及其衍生物、酚及其衍生物、醇類、醛類、酮類、