第十章废水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理

1、脱氮、除磷工艺与微生物学原理微污染水源水预处理中的微生物学问题人工湿地中微生物与水生植物净化污水的作用饮用水的消毒及其微生物学效应第一节第一节 污（废）水深度处理污（废）水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理脱氮、除磷与微生物学原理 一、污（废）水脱氮、除磷的目的和意义一、污（废）水脱氮、除磷的目的和意义氮、磷污染的危害性：氮、磷污染的危害性：一级处理： 物理处理 沙砾及大的悬浮固体 COD去除30%二级处理：生物处理 有机物 COD 70-90%，BOD5 90%但出水中的氮和磷含量仍有未达到排放标准的 水体富营养化水体富营养化初沉池初沉池进水进水回流污泥回流污泥沉砂池格栅格栅出水出水一级处理一

2、级处理二级处理二级处理剩余污泥剩余污泥 城市生活污水 工业废水 农肥(N)和农药(P) 动物粪便二、天然水体中氮、磷的来源二、天然水体中氮、磷的来源（一）脱氮原理（一）脱氮原理三、微生物脱氮原理、脱氮微生物及脱氮工艺1.1.硝化硝化 短程硝化短程硝化:NH:NH3 3+1.5O+1.5O2 2 HNO HNO2 2+H+H2 2O O 全程硝化全程硝化: NH: NH3 3+1.5O+1.5O2 2 HNO HNO2 2+H+H2 2O O 0.5O 0.5O2 2+HNO+HNO2 2 HNO HNO3 32. 2. 反硝化反硝化 反硝化脱氮反硝化脱氮:2HNO:2HNO3 3+CH+CH3

3、 3CHCH3 3OH NOH N2 2+CO+CO2 2+2H+3H+2H+3H2 2O O 厌氧氨氧化脱氮厌氧氨氧化脱氮:NH:NH3 3+HNO+HNO2 2 N N2 2+2H+2H2 2O O 2NH 2NH3 3+HNO+HNO3 3 1.5N 1.5N2 2+3H+3H2 2O+HO+H 厌氧氨反硫化脱氮厌氧氨反硫化脱氮:2NH:2NH3 3+H+H2 2SOSO4 4 N N2 2+S+4H+S+4H2 2O O（二）硝化、脱氮微生物（二）硝化、脱氮微生物 1、硝化作用段及微生物：包括亚硝化微生物、硝化微生物，好氧，G-，无机化能营养，个别有机化能营养。（1 1）氧化氨的细菌）

4、氧化氨的细菌：好氧氨氧化细菌（亚硝化细菌）：好氧氨氧化细菌（亚硝化细菌）： NH3+1.5O2 HNO2+H2O以NH3为供氢体，O2为最终电子受体，化能无机营养，专性好氧，最适温度25-30（2-30），最适pH7.5-8.0（5.8-8.5）。常见菌：亚硝化单胞菌、亚硝化螺菌、亚硝化球菌、亚硝化叶状菌。 厌氧氨氧化细菌厌氧氨氧化细菌：NH3+HNO2 N2+2H2O2NH3+HNO3 1.5N2+3H2O+H供氢体供氢体最终电子受体厌氧氨反硫化脱氮厌氧氨反硫化脱氮: : 2NH3+H2SO4 N2+S+4H2O供氢体 最终电子受体（2 2）硝化细菌）硝化细菌：最适温度25-30，最适pH7

5、.5-8.0。NO2-浓度在2-30mmol/L时化能无机营养最好，常见菌有硝化杆菌、硝化螺菌、硝化球菌。 （3 3）硝化过程的运行操作：）硝化过程的运行操作： 泥龄：悬浮固体停留时间SRT，用表示。可通过排泥控制泥龄，一般控制在5d以上，泥龄要大于硝化细菌的比生长速率。 = 1/N+KNd N硝化菌比生长速率 KNd硝化菌衰减速率工作着的活性污泥量与每日排出的剩余污泥量的比值NH4+1.86O2+0.99CaCO3 0.98NO3-+0.02C5H7NO2+0.89CO2+1.93H2O+0.99Ca2+1 4.25 7.07 溶解氧溶解氧：一般维持在1.22.0mg/L。溶解氧小于 0.5

6、mg/L，硝化作用停止。 需氧量的计算：O2 =4.25N,被氧化O2为氧气的质量浓度，mg/LN,被氧化为被氧化的N的质量浓度， mg/L水力停留时间水力停留时间：普通活性污泥法曝气时间4-6h。针对废水情况确定。 pH pH：硝化反应导致pH下降，而硝化细菌对pH十分敏感，亚硝酸细菌、硝酸细菌生长最适pH是7.5-8.0,可投加碳酸氢钠维持碱度。 碱度需要量： 碱度=7.07N, 被氧化 温度温度：最适温度25-30 ，其温度范围比较广泛，可被应用于各种污水和废水的生物处理中。2 2、反硝化作用段及其细菌、反硝化作用段及其细菌（1）反硝化细菌）反硝化细菌：能以NO3-为最终电子受体，将硝酸

7、还原为氮气的细菌。假单胞菌属（2 2）反硝化段运行操作关键指标）反硝化段运行操作关键指标碳源（电子供体）：葡萄糖、乳酸、丙酮酸、甲醇等pH（由碱度控制）：7-8最终电子受体：NO3-和NO2-、温度：10-35 内，逐渐增大，在65-70 间达到最大值溶解氧：0.2mg/LNO3-NO2-NON2ON2氧化亚氮还原酶氧化氮还原酶硝酸盐还原酶亚硝酸盐还原酶传统的反硝化生物过程如下：传统的反硝化生物过程如下：反硝化类型：反硝化类型：外源反硝化外源反硝化：利用外来碳源，NO3-为最终电子受体，合成自 身细胞物质内源反硝化内源反硝化；以机体内的有机物为碳源厌氧氨氧化脱氮厌氧氨氧化脱氮： NH3+HNO

8、2 N2+2H2O（三）微生物脱氮工艺的选择：CODCOD：用化学氧化剂(如高锰酸钾、重铬酸钾)氧化水中需氧污染物质时所消耗的氧化剂的量。是评定水质污染程度的重要综合指标之一。 COD的数值越大，则水体污染越严重。CODCODCrCr BODBOD：指有溶解氧条件下，好氧微生物降解有机物所消耗的DO的量。 BODBOD5 5:20 ，5天生物降解所消耗的DO量。 四、微生物除磷原理、除磷微生物及其工艺四、微生物除磷原理、除磷微生物及其工艺1、聚磷细菌：能够吸收磷酸盐合成多聚磷酸盐（异、聚磷细菌：能够吸收磷酸盐合成多聚磷酸盐（异染颗粒）储存在细胞内，种类较多，其中聚磷能力强染颗粒）储存在细胞内，

9、种类较多，其中聚磷能力强的优势菌有不动杆菌的优势菌有不动杆菌莫拉氏菌群、假单胞菌属、莫拉氏菌群、假单胞菌属、气单胞菌属、黄杆菌属等。气单胞菌属、黄杆菌属等。3 3、除磷的生物化学机制、除磷的生物化学机制：（1）厌氧放磷厌氧放磷：在厌氧条件下，产酸菌将大分子物质分解为3类可快速降解的基质，除磷细菌分解聚磷释放磷，产生ATP，利用合成的ATP主动吸收3类基质合成聚-羟基丁酸（PHB）。2 2、微生物除磷原理：、微生物除磷原理：厌氧放磷 好氧吸磷 沉淀排泥（2 2）好氧吸磷）好氧吸磷： 聚磷菌在好氧条件下，分解机体内的PHB和外源基质，产生质子驱动力将体外的PO43-输送到体内合成ATP和核酸，将过

10、剩的PO43-聚合成细胞贮存物多聚磷酸盐，细胞增殖。5、运行条件：根据水质选用、运行条件：根据水质选用 P3364、除磷工艺流程、除磷工艺流程 一、微污染水源预处理的目的和意义一、微污染水源预处理的目的和意义 二、水源水污染源和污染物二、水源水污染源和污染物污染源污染源：未经处理工业废水、生活污水、农药灌溉和养殖业排放水，未达到排放标准的处理水污染物：污染物：有机物、氨氮、藻类分泌物、挥发酚、氰化物、重金属和农药三、微污染水源水微生物预处理及微生物群落三、微污染水源水微生物预处理及微生物群落1 1、微生物预处理工艺：均采用膜法生物处理、微生物预处理工艺：均采用膜法生物处理 生物转盘、接触氧化法

11、、生物滤池、生物流化床、生物陶粒反应器。工艺的选取要根据水质和处理目的，填料的选择要根据填料对微生物的附着力和耐腐蚀性。 处理目的处理目的：去除有机物、氨氮反硝化工艺， 微污染水源水有机物含量低，外加碳源 2 2、水源水预处理的运行条件、水源水预处理的运行条件（1 1）微生物：适应）微生物：适应贫营养的微生物异养除碳菌、硝化细菌、反硝化细菌、藻类、原生动物、微型后生动物组成生态系，生物膜法（2 2）供氢体：）供氢体：需外加供氢体。低浓度的乙醇或糖类（3 3）溶解氧：）溶解氧：水流量大时，好氧DO需4mg/L以上，反硝化DO0.2mg/L（4 4）水温和）水温和pHpH 人工湿地人工湿地是指人工

12、建造的类似于沼泽的湿地内，放置一定高度的填料，其上种植特定的水生植物，在水生植物根系周围生长着丰富多样的微生物群落，基质、水生植物与微生物构成一个类似于天然沼泽地的特殊生态系统。 人工湿地生态系统净化污水的原理是利用人工湿地生态系统净化污水的原理是利用系统中的系统中的物理、化学、生物的物理、化学、生物的协同作用，通过协同作用，通过土壤过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收土壤过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。即污和微生物分解来实现对污水的高效净化。即污水在沿一定方向流动的过程中，在水在沿一定方向流动的过程中，在湿地土壤、湿地土壤、植物和微生物植物和微生物共同

13、作用下得到了高效的净化。共同作用下得到了高效的净化。 （一）基质（一）基质多为当地土壤、或在土壤上铺沙、砾石、煤渣等。作用作用：为微生物生长提供基质；为湿地植物提供载体和营养物质；吸附和过滤作用。基本要素：基质、湿地植物和微生物基本要素：基质、湿地植物和微生物分为浮水性、挺水性和沉水性。挺水性为主。浮水性和挺水性主要吸收氨氮，沉水性主要吸收磷 水葱水葱 水水美人蕉美人蕉作用作用：发达的根系直接吸收水中有机污染物将氧气运送到根系，供根系微生物需要根系分泌物为微生物提供营养和能源水菖蒲水菖蒲灯芯草灯芯草种类和数量由以下因素决定：湿地植物根系分泌种类和数量由以下因素决定：湿地植物根系分泌物的种类和数

14、量；污（废）水的种类；水中溶解物的种类和数量；污（废）水的种类；水中溶解氧的含量。氧的含量。微生物种类有：细菌（硝化细菌、反硝化细菌、微生物种类有：细菌（硝化细菌、反硝化细菌、硫化细菌、反硫化细菌、磷细菌、纤维素分解菌、硫化细菌、反硫化细菌、磷细菌、纤维素分解菌、固氮菌等）、真菌、放线菌、原生动物、藻类等固氮菌等）、真菌、放线菌、原生动物、藻类等作用作用：分泌生长激素、细胞分裂素等化学信号物质与植物进行交流，激素可刺激植物根毛的发育，提高根吸收营养物质的能力。 人工湿地生态系统可以独立处理人工湿地生态系统可以独立处理污（废）水，也可以污（废）水，也可以和各种处理设备合理搭配组合，进行各种污（废

15、）水的深和各种处理设备合理搭配组合，进行各种污（废）水的深度处理。度处理。 人工湿地生态系统处理污（废）水的效果与有机负荷、人工湿地生态系统处理污（废）水的效果与有机负荷、水力停留时间有关。水力停留时间有关。 应用人工湿地处理的污（废）水有：生活污水、污泥应用人工湿地处理的污（废）水有：生活污水、污泥渗出液、油田采用水、农业废水、矿山酸性废水、禽畜养渗出液、油田采用水、农业废水、矿山酸性废水、禽畜养殖废水、食品加工废水、酿酒废水和毛纺织废水等。殖废水、食品加工废水、酿酒废水和毛纺织废水等。优点优点造价和运行费用低，易于维护造价和运行费用低，易于维护可进行有效可靠的废水处理可进行有效可靠的废水处

16、理可缓冲对水力和污染负荷的冲击可缓冲对水力和污染负荷的冲击可产生综合效益可产生综合效益问题与展望问题与展望占地面积大占地面积大氮磷除去率较低氮磷除去率较低受气候条件限制较大受气候条件限制较大污水对植物影响研究不足污水对植物影响研究不足加强对特殊废水处理的研究加强对特殊废水处理的研究一、水消毒的重要性一、水消毒的重要性：水是疾病传播的媒介之一二、水的消毒方法二、水的消毒方法（一）煮沸法（一）煮沸法：最原始但简单有效（二）加氯消毒（二）加氯消毒：液氯、漂白粉（Ca(ClO)2）、氯胺是常用的消毒剂。用量依水源有机物污染程度而定，饮用水通常以消毒剂与水接触30min后游离余氯量不低于0.3mg/L

17、，管网末梢游离余氯量不低于0.05mg/L为标准。氯气杀菌机制氯气杀菌机制：Cl2+H2OHOCl+H+Cl- HOClH+OCl-有效的杀菌物是HOCl，OCl-与细菌相排斥不能进入体内，HOCl可破坏细菌细胞质膜，与蛋白质、酶中的-NH2、-SH反应使之失活。pH低时，HOCl、Cl-为主，pH高时OCl-为主，pH 6-6.7时HOCl和Cl-相等，因此pH值较低时加氯消毒较好。效果检验效果检验：大肠杆菌数，余氯。缺点缺点：加氯后可与水中烷烃、芳香烃反应产生三氯甲烷等致癌物。对策对策：更换消毒剂，如ClO2、O3、NaClO2、NH3Cl等；活性碳吸附去除三氯甲烷；生物法预处理水源水。（三）臭氧消毒（三）臭氧消毒 制备制备：紫外灯通电时，可使氧气转变为臭氧，现场制备 机制机制：产生超氧阴离子自由基 优点优点：杀菌和杀病毒速度比氯气高；无臭无味；无毒害产物；去除水中有机污染物时，可使有些不可降解的