污水生物处理系统中的主要微生物化作用
2023-06-24 18:47:39 1 举报AI智能生成
水处理微生物学 污水生物处理系统中的主要微生物化作用思维导图
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大纲/内容
无机污染物生物处理
<font color="#e74f4c">生物脱氮及参与的微生物</font><br>
脱氮微生物:硝化、反硝化细菌
<font color="#e74f4c">硝化菌</font><br>
<font color="#e74f4c">硝化菌</font>
<font color="#e74f4c">化能无机营养型(大多数)</font><br>
<font color="#e74f4c">喜附着在物体表面</font>
<font color="#e74f4c">最适pH值是中性</font><br>
<font color="#e74f4c">2NO2- + O2——>2NO3-</font><br>
<font color="#e74f4c">亚硝化菌</font>
<font color="#e74f4c">2 NH4+ + 3O2——>2NO2- + 2 H2O+ 4 H+</font><br>
<font color="#e74f4c">异养菌，可以利用有机碳源</font><br>
<font color="#e74f4c">要有充足的碳源</font><br>
<font color="#e74f4c">厌氧条件下培养</font>
<font color="#e74f4c">反硝化微生物生理特性</font>
1、厌氧反硝化脱氮 (电子供体是有机物)
2HNO3 + CH3CH2OH——> N2+2CO2 + 3H2O+ 2[H]<br>
2、厌氧氨氧化脱氮 (电子受体是NO2-)
NH3 + HNO2——> N2+ 2H2O<br>
3、厌氧氨氧化脱氮 (电子受体是NO3-)<br>
2 NH3 + HNO3——> 1.5 N2 + 3 H2O+[H]<br>
4、厌氧氨反硫化脱氮 (电子受体是SO4 2-)<br>
2NH3 + H2SO4——>N2 + S + 4HO<br>
生物脱氮<br>
首先经过硝化过程，然后利用反硝化细菌进行反硝化，将NO2-和NO3-转化为 N2，N2逸入大气，完成脱氮过程。<br>
<font color="#e74f4c">微生物脱氮原理</font>
<font color="#e74f4c">1.曝气池</font><br>
<font color="#e74f4c">氨化作用 有机氮——>NH3</font><br>
<font color="#e74f4c">好氧</font>
<font color="#e74f4c">2.硝化池</font><br>
<font color="#e74f4c">硝化作用 NH3——>N02-——>NO3-</font><br>
<font color="#e74f4c">好氧</font><br>
<font color="#e74f4c">3.反硝化池</font><br>
<font color="#e74f4c">反硝化作用 NO3-——>N2</font><br>
<font color="#e74f4c">厌氧</font>
<font color="#e74f4c">影响因素</font>
<font color="#e74f4c">硝化过程</font><br>
<font color="#e74f4c">（1）污泥龄</font><br>
<font color="#e74f4c">(2) 溶解氧 (DO)</font><br>
在 DO 低于0.5mg/L.时，亚硝酸氧化菌的活性受到抑制，而氨氧化菌对低溶解氧的耐受程度高于亚硝酸氧化菌。DO 低于 0.5mg/L时仍能正常代谢<br>
要维持正常的硝化效果
混合液<br>
DO一般应大于 2mg/L
生物膜法
应大于 3mg/L<br>
<font color="#e74f4c">(3)温度</font>
温度低于 12℃，硝化活性明显下降，30℃时活性最大。温度超过 30℃时，由于酶的变性，活性反而降低<br>
<font color="#e74f4c">(4) pH</font>
氨氧化菌的最适 pH 范围为 7.0~7.8，而亚硝酸氧化菌的最适 pH 范为7.7~8.1。过高或过低都会抑制硝化活性<br>
<font color="#e74f4c">(5)营养物质</font><br>
C/N 比影响活性污泥中硝化细菌所占的比例<br>
BOD5/TN 越小，即 BOD5浓度越低硝化菌的比例越大，硝化反应越易进行<br>
氨氮<br>
是硝化作用的主要基质，应保持一定浓度。但氨氮浓度大于100~200mg/L时，对硝化反应呈现抑制作用，氨氮浓度越高，抑制程度越大。
<font color="#e74f4c">(6)毒物</font>
大多数重金属和有机物对硝化菌具有抑制作用<br>
<font color="#e74f4c">反硝化作用</font>
<font color="#e74f4c">(1)营养物质</font><br>
BOD5与总氮之比大于3时，无需外加碳源，即可达到脱氮的目的<br>
<font color="#e74f4c">(2)溶解氧</font>
溶解氧浓度接近零时才开始进行反硝化作用。要获得较好的反硝化效果，对于活性污泥系统，溶解氧需保持在0.5mg/L 以下，对于生物膜系统，溶解氧需保持在 1.5mg/L 以下<br>
<font color="#e74f4c">(3)温度</font>
最佳温度为40℃<br>
低于0℃，反硝化菌的活动终止，温度超过 50℃时，由于酶的变性，反硝化活性急剧降低。<br>
<font color="#e74f4c">(4)pH</font>
最适合 pH 范围为 7.0~7.5，pH 高于8或低于6都会明显降低反硝化活性<br>
<font color="#e74f4c">生物除磷及参与的微生物</font>
除磷微生物:聚磷菌<br>
<font color="#e74f4c">又称聚磷菌，能过量吸磷并能储存磷的微生物。厌氧释磷，好氧超量吸磷的特性</font><br>
不动杆菌、假单胞杆菌、气单胞菌、诺卡氏菌、深红红螺菌、着色菌属、囊硫菌属、贝日阿托氏菌属、蜡状芽抱杆菌属等。
<font color="#e74f4c">聚磷菌的一般特点</font>
<font color="#e74f4c">1) 生长较慢，但因能积累和分解聚磷酸和PHB (聚-β-羟基丁酸)，所以更能适应厌氧和好氧交替的环境而成为优势菌种。</font><br>
<font color="#e74f4c">2) 大多数聚磷菌一般只能利用低级脂肪酸等小分子的有机质，不能直接利用和分解大分子有机质。</font>
<font color="#e74f4c">除磷的生物化学机制</font><br>
<font color="#e74f4c">(1) 好氧吸磷</font><br>
<font color="#e74f4c">磷的循环:从污水中大量摄取溶解性的磷酸盐</font><br>
三个用处
A 合成ATP<br>
B 合成多聚磷酸盐(异染颗粒
C 合成自身核酸
<font color="#e74f4c">能量:利用聚β-轻基丁酸(PHB)作为C源和能源，使其分解为乙酰CoA，乙酰CoA的大部分进入TCA和乙醛酸循环，产生ATP。</font><br>
<font color="#e74f4c">(2)厌氧释放磷</font>
<font color="#e74f4c">磷的循环:微生物体内的有机态磷或聚磷酸盐分解溶解性的磷酸盐形式释放到溶液中</font>
<font color="#e74f4c">能量</font><br>
<font color="#e74f4c">利用产生的ATP</font><br>
<font color="#e74f4c">主动摄取污水中的乙酸等溶解性低分子有机物</font>
<font color="#e74f4c">合成聚羟基脂肪酸(PHA)，聚β-羟基丁酸(PHB)</font><br>
含硫废水的生物处理<br>
含硫酸根废水的厌氧生物处理<br>
硫酸盐还原菌
含硫化氢废水的好氧生物处理<br>
将硫化物氧化成单质硫(S）或SO4 2-的菌:无色硫细菌等。<br>
<font color="#e74f4c">含金属例子废水的生物处理</font>
<font color="#e74f4c">生物沉淀处理法</font><br>
<font color="#e74f4c">硫酸盐还原菌在厌氧条件下把SO4 2-还原成硫化氢，废水中的金属离子与硫化氢生成金属硫化物沉淀而被去除。</font>
<font color="#e74f4c">生物还原处理法</font>
<font color="#e74f4c">六价铬(Cr6+): 厌氧条件下把Cr6+还原成无毒性的Cr3+，C3+在碱性条件下生成Cr(OH）3沉淀</font><br>
<font color="#e74f4c">生物氧化处理法</font><br>
<font color="#e74f4c">铁细菌在酸性条件下(pH=2)可以将Fe2+氧化成Fe3+，该性质已经成功地应用于矿山废水的生物氧化处理。</font>
<font color="#e74f4c">生物吸附处理法</font><br>
<font color="#e74f4c">利用微生物细胞作为吸附剂处理废水中的金属</font><br>
<font color="#e74f4c">生物处理法对污水水质的要求</font>
<font color="#e74f4c">酸碱度</font>
<font color="#e74f4c">对于好氧生物处理，pH应该在6~9之间</font><br>
<font color="#e74f4c">对于厌氧生物处理，pH应该保持在6.5~7.5之间</font>
<font color="#e74f4c">温度</font><br>
<font color="#e74f4c">对于大多数细菌，适宜温度为20~40℃</font><br>
<font color="#e74f4c">耐高温细菌为50~60℃</font>
<font color="#e74f4c">有害物质</font><br>
<font color="#e74f4c">多数重金属，如锌、铜、铅、铬等离子有毒性。某些非金属物质，如酚、甲醛、氰化物、硫化物等也有毒性。</font><br>
<font color="#e74f4c">污水中也不应含有过多的油类物质</font><br>
<font color="#e74f4c">营养物质</font>
<font color="#e74f4c">微生物繁殖必须要有各种营养</font>
<font color="#e74f4c">大量的包括:碳、氮、磷、硫等</font><br>
<font color="#e74f4c">微量包括:钾、钙、镁等</font>
<font color="#e74f4c">微量营养物质在微生物的生长代谢中作用</font>
<font color="#e74f4c">(1)作为辅酶以激活相关酶的活性</font><br>
<font color="#e74f4c">(2) 用于系统的电子传递</font>
<font color="#e74f4c">(3) 调节渗透压、氢离子浓度、氧化还原电位等</font>
<font color="#e74f4c">(4) 微生物的生长因子</font>
污水生物处理的基本原理<br>
其本原理<br>
利用微生物处理污水的方法叫做生物处理法
主要是用来除去污水中溶解的和胶体的有机污染物质以及氮、磷等营养物质，<br>亦可用于某些重金属离子和无机盐离子的处理<br>
基本类型<br>
对氧气要求的不同
厌氧生物处理
不供氧
好氧生物处理<br>
供氧
微生物的利用形态<br>
附着生长型<br>
生物滤池（好氧处理）<br>
悬浮生长型
活性污泥法中的曝气池
系统中的微生物
皆为混合培养微生物系统。包含一个完整的生态系统。各类生物构成一个食物网。<br>
生物滤池(微生物膜) 的食物链:细菌、真菌>原生动物>轮虫、线虫>昆虫
有机污染物<font color="#e74f4c">好氧生物处理</font>的基本原理及其主要微生物<br>
污水好氧生物处理
在有氧的情况下，借好氧微生物(主要是好氧菌)的作用来进行<br>
适用对象<br>
处理溶解和胶体类有机质
过程
细菌通过自身的生命活性 (氧化、还原、合成) 过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出能量;另一部分有机物转化为生物体所必须的营养物质，组成新的细胞。<br>
优点
基本没有臭气<br>
处理所需时间比较短<br>
处理效率高，如果条件适宜，一般可去除80%~90%的BOD5<br>
<font color="#e74f4c">活性污泥法处理构筑物内的微生物</font>
活性污泥的生物相十分复杂，除大量细菌以外，还有真菌、单胞藻类、原生动物、还可见到后生动物如轮虫、线虫等。
细菌:现已知道<font color="#e74f4c">埃希氏菌属、假单胞菌属、产碱杆菌属、芽抱杆菌属</font>的一些菌株均可以产生菌胶团<br>
真菌:主要为霉菌。已报道的有毛霉属、根霉属、曲霉属、青霉属、镰抱霉属、枝抱霉属、木霉属、地霉属等<br>
原生动物:以纤毛虫为主。原生动物是好氧性的生物，主要附聚在活性污泥的表面<br>
<font color="#e74f4c">原生动物在活性污泥中的作用</font>
<font color="#e74f4c">1)促进絮凝</font><br>
<font color="#e74f4c">部分能分泌粘液，促进生物絮凝，从而改善活性污泥的泥水分离特性。</font>
<font color="#e74f4c">2)净化作用</font>
<font color="#e74f4c">大部分原生动物是动物性营养，能吞食游离细菌和微小污泥，有利于改善水质。 腐生性营养的鞭毛虫等可吸收污水中的有机物。</font>
<font color="#e74f4c">3)指示作用</font>
<font color="#e74f4c">根据出现的原生动物的种类可以判断活性污泥的状态和处理水质的好坏。</font>
<font color="#e74f4c">水质好 (BOD<10~20):纤毛虫、钟虫</font>
<font color="#e74f4c">水质坏(BOD>20~30):鞭毛类原生动物、根足虫、变形虫</font><br>
<font color="#e74f4c">原生动物及微型后生动物出现的先后次序是:细菌一植物性鞭毛虫一肉足类一动物性鞭毛虫一游泳型纤毛虫、吸管虫一固着型纤毛虫一轮虫。</font>
<font color="#e74f4c">还可用原生动物及微型后生动物指示活性污泥培养程度</font>
<font color="#e74f4c">活性污泥培养初期 鞭毛虫、变形虫</font><br>
<font color="#e74f4c">活性污泥培养中期 游泳型纤毛虫、鞭毛虫</font>
<font color="#e74f4c">活性污泥培养成熟期 钟虫等固着型纤毛虫、纤虫、轮虫</font>
<font color="#e74f4c">随着活性污泥的逐步成熟，混合液中的原生动物的优势种类也会顺序变化，从肉足类、鞭毛类优势动物开始，依次出现游泳型纤毛虫、爬行型纤毛虫、附着型纤毛虫</font>
活性污泥法运行中微生物造成的问题
主要由污泥絮体结构的不正常引起
不凝聚和微小絮体<br>
原因
絮体本身不稳定而碎裂<br>
过度曝气，剪切力过大而被切成碎块
起泡沫
原因<br>
由丝状菌诺卡氏菌的异样增殖引起<br>
气泡进入丝状细菌的群体，浮在地面上，形成泡沫或一层浮渣(原因:高负荷、长泥龄)
<font color="#e74f4c">活性污泥膨胀</font>
<font color="#e74f4c">概念</font><br>
<font color="#e74f4c">在曝气池运行过程中、有时会出现污泥结构松散、沉降性能恶化，随水漂浮，溢出池外的异常现象</font><br>
<font color="#e74f4c">原因（重点）</font>
<font color="#e74f4c">丝状菌引起的污泥膨胀</font>
<font color="#e74f4c">原因</font>
<font color="#e74f4c">由丝状菌的异常增殖引起。低DO，污泥负荷低，营养不足(比例失调)、低pH</font>
<font color="#e74f4c">理想的絮体</font>
<font color="#e74f4c">丝状菌与絮体形成菌保持平衡</font><br>
<font color="#e74f4c">膨胀絮体</font>
<font color="#e74f4c">丝状菌从絮体中伸出，形成丝状菌和絮体网(搭桥)</font><br>
<font color="#e74f4c">细菌沿丝状菌凝聚，形成细长絮体</font><br>
<font color="#e74f4c">控制方法</font>
<font color="#e74f4c">控制负荷:0.2~0.45g/(kg*d)</font><br>
<font color="#e74f4c">控制营养比例:BOD:N:P=100:5:1</font><br>
<font color="#e74f4c">控制DO比例:>2mg.L;不足时有利于丝状菌的竞争</font>
<font color="#e74f4c">加氧化剂 (Cl、H,O、0;):有选择性地控制丝状微生物</font>
<font color="#e74f4c">投加混凝剂:改善污泥的絮凝</font>
<font color="#e74f4c">不出现丝状细菌时有时也会出现污泥膨胀——菌胶团碰撞。游离细菌产生菌胶团时会产生此现象</font>
菌胶团的作用
菌胶团对有机物的吸附和分解，为原生动物和微型后生动物提供了良好的生存环境。<br>
有很强的生物吸附能力和氧化分解有机物的能力。<br>
为原生动物、微后生动物提供附着场所。<br>
具有指示作用:通过菌胶团的颜色、透明度、数量、颗粒大小及结构的松紧程度可衡量好氧活性污泥的性能
生物膜法及其主要微生物
最常见
生物滤池
生物滤池中常见的微生物
由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物形成一个复杂的系统<br>
细菌:与活性污泥类似;硝化菌生活在膜内<br>
真菌:镰刀霉、青霉、毛菌、地霉<br>
藻类:主要生长在滤池表面，小球藻等<br>
原生动物:钟虫、盖纤虫、草履虫
后生动物/小动物:轮虫、蠕虫、昆虫
生物膜法与活性污泥的比较<br>
食物链比活性污泥长，原生动物、后生动物的量多<br>
微生物种类多，多样性大
生态系统稳定
增长速度慢的微生物也可以生长<br>
抗冲击性弱的微小动物也可以生长
硝化菌含量相对较多
有机污染物<font color="#e74f4c">厌氧生物处理</font>的基本原理及其主要微生物
<font color="#e74f4c">厌氧生物处理中的微生物</font><br>
<font color="#e74f4c">1.产酸细菌(不产甲烷细菌)</font>
<font color="#e74f4c">对酸碱度的要求不敏感(范围宽) : 4.5~8;</font><br>
<font color="#e74f4c">兼性厌氧或厌氧微生物</font>
1) 初级发酵细菌<br>
<font color="#e74f4c">主要为兼性及专性厌氧型异养微生物</font>
梭菌属，拟杆菌属，丁酸弧菌属，真杆菌属，双歧杆菌属<br>
2) 产氢产乙酸细菌
<font color="#e74f4c">该类菌产氢及乙酸，可供产甲烷菌利用，有赖于产甲烷细菌同化H2释放能量供其利用，因此二者形成共生关系。</font><br>
沃氏共养单胞菌，沃氏共养杆菌，脱硫弧菌属的某些种<br>
3) 同型产乙酸细菌
<font color="#e74f4c">有机无机混合营养型的专性厌氧菌，以二氧化碳作为最终受氢体生成乙酸。厌氧呼吸的唯一产物为乙酸</font>
伍氏醋酸杆菌，威氏醋酸杆菌，热自养梭菌<br>
<font color="#e74f4c">2.产甲烷菌</font>
利用氢的产甲烷菌
4H2+ CO2——> CH4+ 2H20<br>
利用乙酸的产甲烷菌
CH3COOH ——> CH4+ CO2<br>
孙氏甲烷丝菌、马氏甲烷八叠球菌、巴氏甲烷八叠球菌
产甲烷菌的一般特性<br>
<font color="#e74f4c">严格厌氧菌，对温度和pH变化敏感</font><br>
<font color="#e74f4c">中温菌: 25-40°C</font><br>
<font color="#e74f4c">高温菌: 50-60°C</font>
<font color="#e74f4c">pH: 6.8~7.2 (范围窄)</font>
<font color="#e74f4c">产酸过程中生成酸，从而降低pH——>抑制甲烷菌生长</font><br>
厌氧颗粒污泥<br>
是颗粒状厌氧污泥，大多呈卵形，也有的呈球形、棒形等，粒径一般在0.1-2mm之间，最大可达3-5mm。
颗粒污泥质软，有韧性及粘性，一般呈灰白色、淡黄色、暗绿色等。<br>
颗粒污泥的组成主要包括各类厌氧微生物、胞外多聚物和矿物质等，其VSS/SS比一般为70-80%、比重为1.01-1.05
厌氧颗粒污泥中的微生物类型与一般厌氧污泥类似，但细菌数远远多于一般污泥
常见的有: 孙氏甲烷丝菌、马氏甲烷八叠球菌、巴氏甲烷八叠球菌、伴生杆菌、伴生单胞菌等<br>
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