第六章-环境污染物的生物净化方法.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 环境污染物的生物净化方法,本章将介绍以下内容：,废水的好氧生物处理,废水的厌氧生物处理,光合细菌法,废水的微生物脱氮除磷,固体废弃物的微生物处理,大气污染物的微生物处理,第一节 废水的好氧生物处理,（一）活性污泥法的原理,活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体处理有机废水的一类好氧生物处理方法。,注：,微生物絮体,由好气性微生物（细菌、真菌、原生动物和后生动物）及其代谢和吸附的有机物、无机物组成。,（二）活性污泥的净化反应过程,活性污泥系统对有机底物的降解是通过几个阶段和一系列作用完成的。包括以下阶段：,吸附阶段,摄取、分解阶段,凝聚、沉淀和浓缩,一、活性污泥法,（三）活性污泥中的微生物,1.形成活性污泥絮状体的细菌菌胶团细菌,菌胶团：这类细菌能形成胶状物，使细菌胶合在一起成为指状菌胶团，被定名为分枝状动胶杆菌（,Zoogloea ramigera,），为无芽孢杆菌，极生鞭毛、能运动、形成荚膜，可利用碳水化合物、明胶、酪素和蛋白胨，无硝化作用，不产生H,2,S，在灭菌的污水中通气纯培养能形成良好的絮状体。,菌胶团细菌是活性污泥的主体，它的作用：,具有很强的吸附、氧化分解有机物的能力。菌胶团的形成可使细菌避免被微型动物所吞噬，并且与污泥的沉降性能和二沉池能否有效泥水分离密切相关；,为原生动物、微型后生动物提供了良好的生存环境、附着场所。,菌胶团的形成机理：交替基质说和纤维素学说,2.活性污泥中的丝状细菌与污泥膨胀,也是活性污泥的重要组分。丝状细菌交叉穿织与菌胶团内，或附着生长于絮凝体表面。少数种类可游离于污泥絮凝体之间。,具有强氧化分解有机物能力，起到一定的净化作用。,主要有浮游球衣菌（,Sphaerotilus natans,）、贝氏硫细菌（,Beggiatoa,）、发硫细菌（,Thiothrix,）等。,丝状细菌在一定条件下会导致污泥膨胀现象。,污泥膨胀（sludgebulking）指污泥结构极度松散，体积增大、上浮，难于沉降分离影响出水水质的现象。,有非丝状菌性膨胀（因重金属、温度过高、营养缺乏引起）和丝状菌性膨胀（菌胶团细菌与丝状细菌竞争的结果）两种，前者系因黏性物质大量积累而引起，后者系丝状菌异常增长而引起。,分枝状动胶杆菌凝集在一起,丝状细菌,3.活性污泥中的真菌,主要为丝状真菌，已报道的有毛霉属、根霉属、曲霉属、青霉属、镰刀霉、木霉属、粘帚霉属、漆斑霉属等。,头孢霉属,粘帚霉属,青霉属,根霉属,镰刀霉,毛霉属,青霉属,4.活性污泥中的原生动物和微型后生动物,原生动物,：可作为处理系统运转管理的指标,运行初期以鞭毛虫类和根足虫类为主；然后是自由游泳的纤毛虫类；而当活性污泥成熟后则以匍匐型或附着型的纤毛虫占优势。,纤毛虫的作用：促进凝絮作用捕食细菌,微型后生动物,主要有轮虫、线虫和寡毛类。,多以细菌、原生动物以及活性污泥碎片为食。,（六）活性污泥法的主要类型及基本流程,出水,初沉池,曝气池,二沉池,进水,污泥,回流污泥,剩余污泥,标准活性污泥法的工艺流程图,1.推流式活性污泥法（CAS）,图63 推流式曝气池,2.短时爆气法（渐减爆气法）,曝气设备,进水,回流污泥,剩余污泥,出水,曝气池,沉淀池,3.阶段爆气法（SAAS）,出水,剩余污泥,回流污泥,进水,曝气池,沉淀池,4.其他几种活性污泥法,生物吸附法（AB法）,序批式间歇反应器（SBR法）,氧化沟法（Oxidation Ditch）,深水曝气活性污泥法,二、生物膜法,什么是生物膜法？,利用微生物在固体表面的附着生长对废水进行生物处理的技术方法。,（一）生物膜法的特点（与活性污泥法相比较）,微生物多样性高,生物膜各段的微生物类群不同,生物膜中的食物链较长,具有较高的脱氮能力,单位处理能力大,系统维护方便,操作运行方便,（二）生物膜的净化原理,附 着 水,载 体,水 膜,有机酸,有机物（养料）,氧气,二氧化碳、无机物,代谢产物,运动水,厌氧层,好氧层,废水,出水,空气,生物膜,生物膜去除有机物示意图,（三）生物膜中的微生物组成,细菌和真菌,在生物膜的好气层专性好气的芽孢杆菌占优势；,在厌气层可见到反硫化弧菌属,数量最多的是兼性菌，如假单胞菌属等,原生动物,纤毛虫居多。,微型后生动物,有轮虫类、线虫类、昆虫类等，个体数较多。,（四）固定床生物处理的主要类型,普通生物滤池,塔式生物滤池,生物转盘滤池,生物接触氧化滤池,出水,滤床,二次沉淀池,水池,进水,生物转盘滤池,普通,生物滤池,第二节 废水的厌氧生物处理,什么是厌氧生物处理（Anaerobic Process）,在厌氧条件下，利用厌氧微生物分解废水中的有机物并产生甲烷、二氧化碳的过程，又称厌氧发酵。,与好氧生物处理的区别：不以分子氧为受氢体（最终电子受体），以无机物、化合态盐、碳、硫、氮为受氢体，如CO、CO,2,、SO,4,2,、NO,3,等。,厌氧生物处理的优缺点,优点：耐有机负荷高；可生成甲烷；剩余污泥量少；无需充氧，能耗低；,缺点：污泥量增长慢，工艺过程启动时间长；对负荷变化、毒物敏感；故厌氧处理一般只用于预处理，要使废水达标排放，还需要进一步处理,一、厌氧生物处理的原理及过程,（一）厌氧生物处理的过程（三个阶段）,水解阶段：复杂有机物,水解和发酵性细菌,酸化阶段：简单有机物（可溶态）,产氢、产乙酸细菌,甲烷化阶段：简单有机酸类、醇类,产甲烷菌,CH,4,、CO,2,（二）厌氧反应器内的微生物,不产甲烷菌,细菌（起主要作用）、真菌和原生动物（数量不多），他们参与产甲烷阶段以前所有分解有机物过程，并产生小分子有机酸,产甲烷菌,其形态有八叠球状、杆状、球状、螺旋状,其特点：严格厌氧，代谢活动所需最佳pH值为6.77.2，只能利用少数的几种简单有机化合物，世代时间都较长，有的长达46d。,（三）厌氧生物处理的影响因素,温度,中温发酵3538，高温发酵52 55,pH值,中性环境，甲烷化阶段7.07.5,营养成分,BOD,5,：N：P=200：5：1,有机负荷,有些化学污染物超过一定浓度范围，对厌氧发酵有抑制作用。,二、厌氧生物处理的类型,普通厌氧反应器（AP）,厌氧接触反应器(ACP),上流式厌氧污泥床反应器（UASB）,厌氧生物滤池(SFF),厌氧流化床反应器(AFB),进水,出水,沼气,普通厌氧反应器,上流式厌氧池,厌氧处理的活性污泥,混合菌种来源：城市污水处理厂消化池污泥是理想的混合菌种来源，此外还有初沉池污泥、人畜粪便、有机废料等。,甲烷含量达55以上作为厌氧污泥培养成熟的指标，此时方可引入废水。,厌氧处理运行过程的安全,处理区禁烟火、防漏气、防人员沼气中毒,高浓度有机废水厌氧处理与好氧处理的经济分析,厌氧处理相对好氧处理可节省投资、占地面积，能提供干净的沼气能源，具有较高的经济效益，但出水还需经过好氧法的补充处理方能排放。,第三节 光合细菌法,1.什么是光合细菌?,光合细菌（PSB）是一类能进行光合作用的原核生物的总称。自然界中能以光合作用产能的细菌根据它们所含光合色素和电子供体的不同而分为产氧光合细菌(蓝细菌、原绿菌)和不产氧光合细菌(紫色细菌和绿色细菌)。,紫细菌（上图）,蓝细菌（左图）,2.光合细菌的特点,光合细菌既能在厌氧光照下以小分子有机物作为光合作用的电子供体，进行光能异氧生长，又能在好氧黑暗的条件下，以有机物作为呼吸基质，进行好氧异氧生长。,3.光合细菌在废水处理中的工艺流程,目前用于废水处理的PSB菌主要属于红螺菌科。只要在PSB处理系统中保持自然光和微好氧条件，就能有效处理废水。,高浓度大分子有机物降解成小分子有机物,小分子脂肪酸进一步降解，有机物浓度大幅降低,用藻类或好氧处理法使废水达到排放标准,可溶化处理,关键步骤,4.光合细菌在生产上的应用,净化水质；,作为鱼苗的开口饲料和饲料的添加剂。,减少鱼类病害的发生,培养有益藻类,第四节 废水的微生物脱氮除磷,一、微生物脱氮,1.微生物脱氮基本原理,生物脱氮主要通过硝化作用和反硝化作用来完成。,首先利用好氧段，由亚硝化细菌、硝化细菌的硝化作用，将NH,3,转化为NO,3,N，再利用缺氧段，由反硝化细菌将NO,3,N反硝化还原为N,2,，溢出水面释放到大气。,在微生物脱氮系统中硝化作用的稳定和硝化速度的提高是整个系统脱氮效率的一个关键。,微生物脱氮硝化作用段,硝化作用是指NH,3,被氧化成NO,2,，再被氧化成NO,3,的过程。,反应：NH,3,NO,2,NO,3,微生物：亚硝化细菌和硝化细菌，两者为化能自养菌，专性好氧，要求中性、弱碱性环境，以CO,2,为唯一碳源，最适温度25 30，pH值范围7.58.0。,微生物脱氮反硝化作用段,反硝化作用是指兼性厌氧的硝酸盐还原菌将硝酸盐还原为N,2,的过程。,反应：H NO,3,H,NO,2,N,2,O N,2,微生物：假单胞菌属的微生物在厌氧条件下利用NO,3,氧化有机质，获得能量，碳源来自有机物，最终电子受体为NO,3,、NO,2,，要求中性、弱碱性环境，最适温度10 35，pH值范围7.08.0，在一个有极低的DO、有NO,3,和有机物存在的环境，pH值和温度合适就会产生反硝化。,2.影响微生物脱氮的因素,pH值,硝化反应要耗碱，如果污水中没有足够的碱度，随着硝化的进行，pH值会急剧下降，而硝化细菌对pH十分敏感，硝化细菌和亚硝化细菌分别在7.07.8和7.78.1时活性最强，在这个范围以外，其活性就急剧下降。,温度,两类硝化细菌的最适温度在30左右。,溶解氧,硝化过程的DO一般应维持在1.02.0 mg/L。,DO对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对能进行反硝化作用的反硝化菌是有利的，因为这类菌为兼性厌氧菌。故工艺上最好使其交替处于好氧、缺氧的环境下，所以脱氮反应并不要求DO保持在零的状态。,碳源（作为微生物生长的必需能源）,废水中所含的有机碳源：当废水中所含碳（BOD,5,）与总氮的比值大于3：1时，无需外加碳源，即可达到脱氮目的。,外加碳源：当废水中所含碳（BOD,5,）与总氮的比值小于3：1时，需外加碳源，多采用甲醇。,内碳源：,内碳源指活性污泥微生物死亡、自溶后释放出来的有机碳，也称二次性基质。,利用内碳源，要求反应器的泥龄长、污泥负荷低，使微生物处于生长曲线稳定期的后部或衰亡期，反硝化速度极低，为前两种方法的十分之一左右。,利用内碳源，可使在废水碳氮比较低使不必外加碳源也可达到脱氮目的，并且污泥产率低可减少污泥处理的费用。,二、微生物除磷,1.微生物除磷的原理,就是利用积磷菌能够过量地，在数量上超过其生理,需要，从外部摄取磷，并将磷以聚合形式贮藏在菌,体内，形成高磷污泥，排出系统外，达到从废水中,除磷的效果。,PHB：聚-,-羟丁酸,厌氧放磷：,好氧吸磷：,厌氧条件下，积磷菌将体内的聚磷分解产生能量,释放,一部分能量用于吸收外界可溶性脂肪酸，形成PHB,另一部分能量用于生理活动需要,好氧条件下，PHB分解产生能量,一部分能量用于主动过量吸收环境中的 ，并合成聚磷,另一部分能量用于细胞正常生长繁殖,2.积磷菌,是一类生长较慢的细菌，早期研究认为主要是不动杆菌属（,Acinetobacter,），目前较多的研究认为，除磷过程中起主要作用的积磷菌是假单胞菌属和气单胞菌属。,除积磷菌外，还有发酵产酸菌和异氧好氧菌，后者为非积磷菌，对除磷贡献不大。,积磷菌与发酵产酸菌互不可分，密切相关。积磷菌一般只能利用低级的脂肪酸（如乙酸），不能直接利用大分子有机基质，这就需要发酵产酸菌降大分子物质降解为小分子物质。,气单胞菌属除具有积磷作用外，其主要功能是发酵产酸；假单胞菌和不动杆菌主要起积磷作用。,3.生物除磷的影响因素,碳源的浓度和种类,诱导积磷菌放磷的有机基质分为三类：,A类：乙酸、甲酸、丙酸等低分子有机酸，该类物质存在时放磷速度最快；,B类：乙醇、甲醇、柠檬酸、葡萄糖等需在厌氧条件下转化成A类基质后才能被积磷菌利用,C类：丁酸、乳酸和琥珀酸等，该类能否引发放磷与污泥的微生物有关,溶解氧,厌氧区DO存在对污泥的放磷不利，DO应小于0.2 mg/L；,好氧区的DO应大于2.0 mg/L，以保证积磷菌利用好氧代谢中释放的大量能量充分地吸磷。,硝酸盐和亚硝酸盐,厌氧区两者的存在会抑制厌氧发酵而不产生挥发性脂肪酸。,温度,对除磷影响较小,pH,中性或弱碱性环境,工艺的运行参数和运行方式,泥龄：泥龄越短（30d）除磷效果越好,厌氧区停留时间,第五节 固体废弃物的微生物处理,固体废弃物的定义,固体废弃物是指人类在某些生产、加工、流通、消费和日 常生活过程中产生的，在一定时间和地点未经利用而被丢弃的以固体或半固体形式存在的物质。从科学角度看，固体废弃物并不真正是毫无用处的“废物”。,固体废弃物处理的基本原则：,无害化、减量化、资源化,固体废弃物的微生物处理的主要方法：,堆肥法,卫生填埋法,厌氧发酵法,一、堆肥法（Compost）,什么是堆肥法？,指依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。,根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，堆肥法可分为：,好氧堆肥法,厌氧堆肥法,（一）好氧堆肥法,发热阶段,初期，主要由中温好氧的细菌和真菌利用堆肥中的易分解有机物，释放热量，使温度不断上升。,高温阶段,堆肥温度升至50以上进入高温阶段，好热性的微生物逐渐代替了中温微生物，一些复杂的有机物开始分解，腐殖质逐渐形成。病原性微生物逐渐被高温杀死。,降温和腐熟保肥阶段,当易分解有机物大部分被分解以后，剩下的是木质素等难分解有机物和新形成的腐殖质，好热性微生物的活动减弱，产热量下降，温度逐渐下降，中温性微生物又成为优势菌群，残余物进一步分解，腐殖质逐渐积累，堆肥进入腐熟阶段。,微生物学过程,图617 堆肥化过程的发展阶段,（二）厌氧堆肥法,厌氧堆肥法,指在不通气的条件下，将有机废弃物进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。,厌氧堆肥过程的两个阶段,酸性发酵阶段：产酸细菌分解有机物，产生有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氢等，使pH下降；,产气发酵阶段：主要由产甲烷细菌分解有机酸和醇，产生甲烷和二氧化碳，随着有机酸的下降，pH迅速上升。,厌氧堆肥法特点（与好氧堆肥相比较）,堆内不设通气系统，堆温低，腐熟及无害化所需时间较长，但方法简便、省工，在不急需用肥或劳力紧张的情况下可以采用。,图6-18 有机物的沼气发酵过程,二、卫生填埋（Sanitary Landfill）,什么是卫生填埋法？,指将垃圾在填埋场里分层填埋的处理方法。由废物层（一般厚度2.53.0m）和覆土层（一般厚度为0.20.3m）构成一个填埋单元，由一系列填埋单元构成一个填埋层，当填埋至设计高度后再盖上一层0.91.2m的土壤，压实后就得到了一个完整的卫生填埋场。,覆土层,废物层,第二层,第一层,不透水层,夯实粘土,图619 卫生填埋场示意图,1.填埋坑内微生物活动过程的四个阶段,好氧分解阶段,微生物利用垃圾空隙中的空气进行好氧分解。,厌氧分解不产甲烷阶段,微生物利用硝酸根和硫酸根作为氧源，产生硫化物、氮气和二氧化碳，硫酸盐还原菌和反硝化细菌的繁殖速度大于产甲烷细菌。,厌氧分解产甲烷阶段,当还原状态达到一定程度时开始产甲烷，坑内温度升至55时，进入稳定产气阶段。,稳定产气阶段,此阶段稳定地产生二氧化碳和甲烷。,2.填埋场渗沥水和气体收集,渗沥水,垃圾分解过程中产生的液体以及渗出的地下水和渗入的地表水统称为填埋场渗沥水。,渗沥水的性质主要取决于所埋垃圾的种类，数量取决于渗沥水的来源、填埋场的面积、垃圾状况和下层土情况等。,为防止渗沥水对地下水的污染可采取以下措施：,在填埋场底部构筑不透水层、集水管、集水井、监测井等；,对收集的渗沥水进行生物或物化处理。,气体收集,垃圾填埋后，由于微生物的厌氧发酵，产生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氢气、氮气、硫化氢等气体。,填埋5年后为甲烷发酵旺盛期，可对气体进行收集处理后作为能源进行利用。,浸出液的来源与支出,三、厌氧发酵（消化）,厌氧发酵的原理和过程,固体废弃物的厌氧发酵原理同厌氧堆肥，只是类似于高浓度有机废水的处理，在水相中进行，一般在厌氧发酵罐（池）中进行。,厌氧发酵的影响因素,有机物投入量,营养,粒度,发酵温度,发酵槽的搅拌,厌氧状态,加温,平均滞留时间,pH的影响,第六节 大气污染物的微生物处理,什么是大气污染物的微生物处理？,指利用微生物的生物化学作用，使大气污染物分解。转化为无害或少害物质。目前主要用来净化有机污染物特别是脱除臭味。,废气微生物处理的特点,设备简单、能耗低、不消耗有用的原料、安全可靠、无二次污染等。,废气生物处理的两个阶段,污染物由气相转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。,一、煤炭的微生物脱硫,细菌浸出法,利用细菌浸出液喷淋到煤堆上，把煤炭中不同类型的硫分解成可溶性铁盐和硫酸后滤出煤粉。,表面改性法,利用细菌的氧化作用或附着作用改变黄铁矿表面性质（疏水性），提高分离能力，从而将黄铁矿从煤中脱除。,煤中含有一定量的硫化物（主要是有机硫和无机黄铁矿硫），在燃烧时产生大量SO,2,等有害气体。,二、微生物对无机废气的处理,微生物对无机废气的处理主要利用一些化能自养菌如硝化细菌、硫化细菌和氢细菌等。,适合于微生物处理的无机废气污染组分主要有：氨和硫化氢。,硫化氢的生物处理,脱氮硫杆菌和排硫硫杆菌等细菌直接氧化,H,2,S S,氧化亚铁硫杆菌的间接氧化,2FeSO,4,+1/2O,2,+H,2,SO,4,Fe,2,(SO,4,),3,+H,2,O,H,2,S+Fe,2,(SO,4,),3,2FeSO,4,+H,2,SO,4,+S,微生物,氧化,微生物,化学吸收,三、微生物对有机废气的处理,微生物吸收法（Microorganism Absorption）,原理：利用微生物、营养物和水组成的吸收液处理废气，适合于处理可溶性的气态污染物。,装置：由吸收器（物理溶解过程）和废水反应器（生物处理过程）两部分组成。,微生物洗涤法（Microorganism Wash）,利用污水厂剩余污泥配制混合液作为吸收剂处理废气，对脱除复合型臭气效果较好。,微生物过滤法（Microorganism Adsorption）,利用含有微生物的固体颗粒吸收废气中的污染物。,包括以下类型：堆肥滤池、土壤滤池、微生物过滤箱,吸收设备填料塔,