环境污染控制与治理中的微生物学.

• 1. 生物除磷原理 某些微生物在好氧时能大量吸收磷酸盐合成自身核酸和 ATP ， 并且能逆浓度过量吸磷合成贮能的多磷酸盐颗粒（异染粒和 PHB）在体内，供其内源呼吸用。这些细菌称为聚磷菌(PAO)。 在厌氧条件下，聚磷菌在分解体内的聚合磷酸盐的同时产生 ATP ，并利用 ATP 将废水中的脂肪酸等有机物摄入细胞，以 PHB（聚 β 羟基丁酸）及糖原等有机颗粒的形式贮存于细胞 内，同时将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出细胞。 然后转入好氧环境，聚磷菌又能利用聚β 羟基丁酸盐所释放 的能量来摄取废水中的磷，并合成聚磷酸盐贮存在细胞内。
28
厌氧活性污泥：由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的 有机杂质交织在一起形成的颗粒污泥。 厌氧活性污泥的微生物种类、组成、结构及污泥颗粒等 性质，与厌氧消化处理的效果好坏有很大关系。
29
二、光合细菌处理高浓度有机废水
BOD5在10000mg/L以上的高浓度有机废水（浓粪便水、豆 制品废水、食品加工废水、屠宰废水等）可用有机光合细 菌（PSB）处理。 利用光合细菌处理的 BOD5 去除效果可达 95% ，甚至达 98%。 常用的有机光合细菌有：红螺菌科的红螺菌属、红假单胞 菌属和红微菌属。
41
• 图
A/O 工艺流程示意图（除磷）
42
• A2/O工艺流程示意图
43
第五节 固体废弃物的微生物处理及其微生物群落
• 目前垃圾处理的方法主要有：堆肥法、填埋法和焚烧法。 其中堆肥法和填埋法为生物处理方法，用以处理可生物 降解的有机固体废弃物。 • 一、 堆肥法 • （一）概念 • 堆肥化使依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌和真菌等 微生物，有控制地促进可生物降解的有机物向稳定的腐 殖质转化的过程。堆肥是堆肥化的产品。堆肥是优质的 土壤改良剂和农肥。堆肥法就是利用堆肥化过程来处理 城市的生活垃圾及其他有机固体废弃物的方法。
2
第一节 污（废）水生物处理中的微生 物生态系统
3

废水的生物处理的方法很多，根据微生物与 氧的关系可分为好氧处理和厌氧处理。根据 微生物在构筑物中处于悬浮状态或固着状态， 可分为活性污泥法和生物膜法。活性污泥和 生物膜是净化污（废）水的工作主体。
4
一、好氧活性污泥法
• （一）好氧活性污泥中的微生物 • 1.好氧活性污泥的组成和性质 好氧活性污泥是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物 （兼有少量厌氧微生物）与污（废）水中的有机和无机固体 物混凝交织在一起所形成的絮状体。
31
第四节 废水的生物脱氮和除磷
32
一、废水脱氮除磷的目的意义
氮磷物质进入水体，就会造成很大的危害，其中最大的问 题就是引起水体富营养化。因此，废水的除磷脱氮十分重 要，尤其是当废水处理后被排入一些湖泊、海湾等敏感水 体时。
33
二、废水生物脱氮原理及工艺
• 1. 生物脱氮原理 生物脱氮首先是利用好氧过程，由亚硝化细菌和硝化细菌将 废水中的NH3转化成NO3- - N，再利用缺氧段经反硝化作用， 将NO3- - N 还原成氮气（N2 ），溢出水面释放到大气中，从 而减少水中的含氮物质，降低对水体的潜在威胁。
17
第二节 活性污泥丝状膨胀及其控制对 策
18
用活性污泥法处理废水，曝气池中的活性污泥，正常情 况下是由许多具有絮凝作用的絮凝细菌——菌胶团细菌 占优势，辅以少量的丝状细菌，大量钟虫类的固着型纤 毛虫、旋转虫等组成。 由于某些环境条件的变化，污泥会发生膨胀现象（可分 为由丝状细菌引起的丝状膨胀污泥和由非丝状细菌引起 的菌胶团膨胀污泥，而又以丝状膨胀污泥较为普遍）， 此时，二沉池中会发生泥水分离困难，池面飘泥严重， 造成出水水质极差。
35
•3. 脱氮的工艺 A/O 、 A2/O 、 A2O2 及 SBR 等均能取得较好的脱氮效果。经过 厌氧 - 好氧或缺氧 - 好氧的合理组合，既能除去 COD 和 BOD ， 又能进行脱氮，还能除磷。
36
• 图 A、B两种排列的A/O系统示意图 • N-硝化，DN-反硝化，S-沉淀池
37
三、废水生物除磷原理及工艺
第三节 厌氧生物处理中的微生物群落
高浓度有机废水或剩余活性污泥多用厌氧消化法 处理。高浓度有机废水还可用有机光合细菌处理。
26
一、厌氧消化－－甲烷发酵
沼气发酵，已有多年的研究历史，常用于将城市的垃圾、 粪便、污水、工业废水及生物处理的剩余污泥等的处理， 并从中获得可燃性气体——沼气（甲烷， CH4 ）。常用的 构筑物为发酵罐或消化池。 甲烷发酵的微生物群落与有氧环境中的不同，它们是由分 解蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素等的专性厌氧菌和兼性厌 氧菌及专性厌氧的产甲烷菌等组成。
34
•2. 参与生物脱氮的微生物 •(1) 硝化作用段微生物 亚硝化细菌和硝化细菌在自然界广泛分布，在土壤、淡水、 海水和污水处理系统中均有发现。它们是革兰氏阴性的好 氧菌，营化能无机营养。 •(2)反硝化作用段微生物 反硝化细菌是所有能以 NO3- 为最终电子受体，将 HNO3 还原 成N2的细菌总称。它包括许多种类的细菌。
30
三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理
高浓度的SO42-对微生物有毒害作用。 去除的方法有： • 化学法：加 CaO 和 Ca(OH)2 生成 CaSO4 沉淀，若加少量的 FeCL3，效果更佳。 • 厌氧微生物方法：用 SBR法，利用在厌氧条件下，硫酸盐 还原菌发生反硫化作用，以SO42-为最终电子受体，利用有 机物为供氢体，将SO42-还原成H2S从水中溢出。
环境污染控制与治理中的微 生物学
环境科学与工程
•主要内容： •第一节 污（废）水生物处理中的微生物 生态系统 •第二节 活性污泥丝状膨胀及其控制对策 •第三节 厌氧生物处理中的微生物群落 •第四节 废水的生物脱氮和除磷 •第五节 固体废弃物的微生物处理及其微生 物群落 •第六节 废气的生物处理 •第七节 环境监测与微生物
6
•2．好氧活性污泥的存在状态 •在完成混合式曝气池中，以悬浮状态存在，均匀分布； •在推流式曝气池内，随推流方向而有变化。 •3．好氧活性污泥的微生物群落 好氧活性污泥的结构和功能的中心是菌胶团 , 其主要组成 是细菌。在其上面生长有其他微生物，如酵母菌、霉菌、 放线菌、藻类、原生动物及微型后生动物等。 •4．好氧活性污泥中微生物的浓度和数量 常用MLSS（混合液悬浮固体）或MLVSS（混合液挥发性 悬浮固体）来表示。 一般城市污水处理中， MLSS 在2000-3000mg/L ，工业废 水在3000mg/L左右，高浓度工业废水在3000-5000 mg/L。 1ml好氧活性污泥中的细菌数在107-108个。
38
一般来说，微生物在增殖过程中，好氧摄取的磷比在厌 氧条件下所释放的磷多。 因此，如果能创造厌氧、缺氧和好氧条件的交替，让聚 磷菌首先在厌氧条件下释放磷，然后在好氧条件下充分 过量地吸磷，尔后通过排泥，就可以达到从废水中去除 磷物质的目的。
39
•2. 参与生物除磷的微生物 具有聚磷能力的微生物目前所知绝大多数是细菌。聚磷的 活性污泥是由许多好氧异氧菌、厌氧异氧菌和兼性厌氧菌 组成。实质上是产酸菌（统称）和聚磷菌的混合群体。 从种类上假单胞菌属、气单胞菌属和黄杆菌属等 60 多种。硝化杆菌中的亚硝化杆菌属、亚硝化球菌属、亚 硝化叶菌属和硝化杆菌属、硝化球菌属等也具有聚磷能力。
15
•3．好氧生物膜的结构 好氧生物膜在滤池内分布不同于活性污泥，生物膜附着在 滤料上不动，废水自上而下淋洒在生物膜上。因此，在滤 池的不同高度位置，由于微生物得到的营养不同，造成微 生物种类和数量的不同。
16
•（二）好氧生物膜净化废水的作用机理（以滤池为例） ①在生物滤池中，上层生物膜中的生物膜生物（絮凝性细 菌及其他微生物）和生物膜面生物（固着型纤毛虫、游泳 型纤毛虫及微型后生动物）吸附废水中的大分子有机物， 将其水解为小分子有机物。同时吸收溶解性有机物和经水 解的小分子有机物进入体内，并氧化分解之，微生物利用 吸收的营养构建自身细胞。 ②上一层生物膜的代谢产物流向下一层，被下一层的生物 膜生物吸收氧化。分解为二氧化碳和水。 ③老化的生物膜和游离细菌被滤池扫除生物吞食。
19
20
•（一）活性污泥丝状膨胀的致因微生物 由于丝状细菌极度生长引起的活性污泥膨胀称为活性污泥 丝状膨胀。活性污泥丝状膨胀的致因微生物种类很多，常 见的有：诺卡氏菌属、浮游球衣菌、微丝菌属、发硫菌属、 贝日阿托氏菌属等。
21
22
•丝状菌生长占优势的活性污泥
23
•（二）活性污泥丝状膨胀的成因 活性污泥丝状膨胀的成因有环境因素和微生物因素。主导 因素是丝状微生物过度生长。 环境因素促进丝状微生物过度生长。包括： ①温度、溶解氧、可溶性有机物及其种类、有机物浓度 （或有机负荷）等。 ②pH值的变化也可能会引起活性污泥丝状膨胀。 • 总之，引起活性污泥丝状膨胀的原因是比较复杂的， 要具体问题具体分析，然后采取相应的措施予以控制。
40
•3. 生物除磷的工艺 人们开发研究出多种废水生物除磷工艺，这些工艺在去除 废水中磷的同时，还能有效去除水中的有机物和进行硝化 或脱氮作用。按照运行方式，可分为连续式和间歇式（序 批式）两类。常见的生物除磷工艺有： Bardenpho生物除磷 工艺、 Phoredox 工艺、 A/O 及 A2/O 、 UCT 工艺、 VIP 工艺、旁 流除磷的Phostrip工艺、SBR等。
24
二、控制活性污泥丝状膨胀的对策
解决活性污泥丝状膨胀的问题，从根本上说是要控制引起 丝状微生物的过度生长的具体环境因子。 • 1．控制溶解氧：在2mg/L以上 • 2．控制有机负荷： • BOD污泥负荷在0.2~0.3kg/kgMLSS.d为宜。 • 3．改革工艺 • 如二沉池采用气浮法等
25
10
二、好氧生物膜法
• 主要类型： 生物滤池：普通生物滤池；高负荷生物滤池；塔式生物滤池 生物转盘 生物接触氧化法（淹没式生物滤池）
11
布水器
活性生物滤池
填料
12
13
生物转盘
14
•（一）好氧生物膜中的微生物 •1．好氧生物膜 好氧生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物 粘附在生物滤池滤料上或生物转盘盘片上的一层带粘性、 薄膜状的微生物混合群体。是生物膜法净化污水的工作主 体。 •2．好氧生物膜中的微生物及其功能 生物膜生物：以菌胶团为主；净化和降解作用； 膜面生物：固着型纤毛虫和游泳型纤毛虫，起促进滤池净 化速度，提高整体效率的作用； 滤池扫除生物：轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、顠体虫等， 起去除滤池内的污泥、防止污泥积聚和堵塞的功能。
27
•甲烷发酵理论与机制（四阶段理论）： 第一阶段：水解和发酵性细菌群 • 将复杂有机物如纤维素、淀粉等水解为单糖后，再酵 解为丙酮酸；将蛋白质水解为氨基酸，脱氨基后成有机酸 和氨；将脂类水解为各种低级脂肪酸和醇，如乙酸、丙酸、 丁酸、长链脂肪酸、乙醇、二氧化碳、氢、氨和硫化氢等。 第二阶段：产氢和产乙酸细菌群 • 把第一阶段的产物进一步分解为乙酸和氢气。 第三阶段：两组生理特性不同的专性厌氧的产甲烷菌群 • 一组将氢气和二氧化碳（或一氧化碳）合成甲烷；另 一组将乙酸脱羧生成甲烷和二氧化碳，或利用甲酸、甲醇 及甲基胺裂解为甲烷。 第四阶段：同型产乙酸细菌 • 将氢气和二氧化碳转化为乙酸
5
① 组成： 微生物（好氧、兼性及少量厌氧） + 固体杂质 （有机和无机） ② 性 质 ： 絮 状 ， 大 小 为 0.02-0.2mm ， 比 表 面 积 在 20100cm2/ml； ③ 颜色：生活污水一般为黄褐色，工业污水则与水质有关； ④ 含水率在99%，比重1.002-1.006，具有沉降性能； ⑤ pH在6-7，弱酸性，具一定的缓冲能力。
7
•活性污泥法的基本流程
废水 → 初沉池
→
曝气池
→
二沉池
→ 出水
剩余 污泥
回流污泥
8
显微镜下的活性污泥
9
•（二） 好氧活性污泥净化废水的作用机理 主要有两方面的作用： • 吸附有机物 • 降解有机物 •（三）菌胶团的作用 ①对有机物进行吸附和氧化分解 ②为原生动物和微型后生动物提供良好的生存环境 ③具有指示作用 •（四）原生动物及微型后生动物的作用 原生动物和微型后生动物在污（废）水生物处理和水体污染 及自净中起到三方面的作用： • （1）指示作用 • （2）净化作用 • （3）促进絮凝和沉淀作用