教学用-污废水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理

第四章污、废水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理内容提要了解脱氮、除磷的目的和意义及天然水体中氮、磷的来源理解微生物脱氮、除磷原理及相关微生物了解微污染水源水预处理的目的和意义、水源水污染源和污染物、微污染水源水微生物预处理过程及微生物群落了解饮用水的消毒及其微生物学效应重点、难点、授课学时重点废水微生物脱氮除磷水源水微生物预处理工艺的微生物学原理水消毒的微生物学效应。难点微生物脱氮除磷的原理和生物化学机制。授课学时：3学时

第一节污、废水深度处理

——微生物脱氮除磷工艺、原理水体中N、P浓度过高会导致水体的富营养化。二级处理主要以去除废水中的可溶性有机物为主，对于N、P的去除效率很低，难以达到严格的排放标准。

一、污、废水脱氮、除磷的目的和意义污水一级处理：除去废水中的砂砾及大的悬浮固体污水二级处理（生物处理）：去除COD70～90％、BOD590％以上。产生NH3-N、NO3-－N、PO43-、SO42-，25％的N和19％左右的P被微生物吸收合成细胞A/O脱氮工艺废水好氧脱碳缺氧反硝化沉淀池2好氧硝化沉淀池1好氧活性污泥回流缺氧活性污泥回流出水回流？二、微生物脱氮工艺、原理及其微生物（一）微生物脱氮工艺P253～254活性污泥法典型工艺——A/O工艺（缺氧、好氧工艺）（二）脱氮原理：硝化作用、反硝化作用生物脱氮主要通过硝化作用和反硝化作用来完成。NH3－NNO3―-NN2↑

好氧条件亚硝化细菌硝化细菌缺氧条件反硝化细菌1.硝化作用段微生物（三）硝化、脱氮微生物硝化作用是指NH3被氧化成NO2－，再被氧化成NO3－的过程。反应：

第一步：亚硝化反应

NH4＋＋1.5O2→NO2－＋2H＋＋H2O

第二步：硝化反应NO2－＋0.5O2→NO3－微生物：亚硝化细菌和硝化细菌 两者为化能自养菌，G－，专性好氧，要求中性、弱碱性环境，pH值范围7.5～8.0，以CO2为唯一碳源，最适温度25～30℃。硝化段的运行操作

硝化细菌的世代时间普遍比异养菌的世代时间长泥龄（悬浮固体停留时间，SRT，SludgeRetainTime）

每日新增污泥平均停留在曝气池中的天数，曝气池全部活性污泥平均更新一次所需的时间

污泥龄不能短于活性污泥中微生物的世代时间，否则曝气池中的污泥会都消失。硝化段的运行操作要供给足够的DO：

O2=4.33（N被氧化），mg/L

控制适度的曝气时间(水力停留时间

)

控制pH值在7.5～8.0：

每氧化1gNH3，消耗7.14g碱度（CaCO3）

温度：25～30℃2.反硝化作用段细菌

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N2的过程。反应：HNO3→HNO2→NO→

N2O→N2微生物：反硝化细菌运行操作关键：碳源、NO3－、NO2－、pH值、DO、温度等微生物：反硝化细菌

异养型兼性厌氧菌，在缺氧条件下利用NO3－氧化有机物获得能量，碳源来自有机物，最终电子受体为NO3－和NO2－，要求中性、弱碱性环境，pH＝7.0～8.0，最适温度10～35℃。运行操作关键——碳源外源反硝化：利用外来碳源，以NO3－为最终电子受体，氧化有机物合成细胞物质。内源反硝化(硝化细菌内源呼吸)：以机体内的有机物为碳源，以NO3－为最终电子受体。废水中所含的有机碳源：BOD5:TN＞3:1时，无需外加碳源，即可达到脱氮目的。外加碳源：BOD5:TN＜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。运行操作关键最终电子受体是NO3－和NO2－最适pH为7～8温度T＝10～35℃DO

＜0.2mg/L3.生物脱氮工艺选择三级生物脱氮工艺A/O(Anoxic-Oxic)脱氮工艺Bardenpho工艺同步硝化和反硝化工艺(1)三级生物脱氮工艺传统活性污泥法脱氮工艺

沉淀池(除BOD)曝气池曝气池(硝化)沉淀池反硝化池沉淀池甲醇N2回流污泥剩余污泥剩余污泥剩余污泥回流污泥回流污泥进水出水沉淀池反硝化曝气池沉淀池除BOD氨化、硝化进水出水回流污泥剩余污泥回流污泥剩余污泥甲醇N2碱两级生物脱氮工艺(2)A/O(Anoxic-Oxic)脱氮工艺

a.后置反硝化A/O脱氮系统

后曝气曝气池沉淀池除BOD氨化、硝化进水出水回流污泥剩余污泥缺氧N2反硝化曝气池沉淀池除BOD氨化、硝化进水出水回流污泥剩余污泥缺氧N2反硝化硝化液回流b.前置反硝化A/O脱氮系统(3)Bardenpho工艺

前两段同A/O法工艺，好氧池1流出的硝酸盐导入缺氧池2，反硝化细菌可利用细菌衰亡后释放的基质作为碳源进行反硝化，污泥最后进入好氧池2，以吹脱氮气，提高污泥沉降性能。沉淀池进水出水回流污泥剩余污泥缺氧1N2好氧1缺氧2好氧2混合液回流N2(4)同步硝化(N)和反硝化(D)工艺

4.脱氮组合工艺的顺序排列原则

①负荷低，级数少；负荷高，级数多。②合理调整硝化和反硝化过程，以节省碱的用量。③采用“捷径反硝化”以缩短曝气时间（短程反硝化）。即硝化作用产生HNO2后就转入反硝化阶段。④废水中BOD5:TN＞2.86四、生物除磷原理、工艺及微生物

1.微生物除磷原理

厌氧放磷：好氧吸磷：厌氧条件下，聚磷菌将体内的聚磷分解产生能量，释放PO43－一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PO43－，并合成聚磷另一部分能量用于细胞正常生长繁殖另一部分能量用于生理活动需要另一部分能量用于生理活动需要2.聚磷细菌聚磷菌：是一类生长缓慢的细菌(包括好氧异养菌、厌氧异养菌和兼性异养菌)，在厌氧条件下，分解体内的聚磷来获得能量生长繁殖，在好氧条件和外界营养基质少的情况下，分解体内的PHB获得能量而生长繁殖。发酵产酸菌和聚磷菌的关系：聚磷菌只能利用低级的脂肪酸，不能直接利用大分子有机基质，而发酵产酸菌可将大分子物质降解为小分子

，故在除磷过程中这两类菌是互不可分、密切相关。3.除磷工艺流程

(1)A/O（Anaerobic/Oxic）法

A/O除磷工艺流程(2)Phostrip工艺

旁流除磷-Phostrip工艺流程4.除磷工艺运行条件

(1)碳源的浓度和种类诱导聚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类基质后才能被聚磷菌利用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

(2)溶解氧厌氧区DO存在对聚磷菌的放磷不利，DO应小于0.2mg/L；好氧区的DO应大于2.0mg/L，以保证聚磷菌利用好氧代谢中释放的大量能量充分地吸磷。(3)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。(4)温度

30℃左右(5)pH

中性或弱碱性环境(pH＝7～8)

五、同步脱氮除磷工艺

1.A2/O（Anaerobic/Anoxic/Oxic）法

A2/O工艺流程2.氧化沟脱氮除磷工艺氧化沟脱氮除磷工艺流程3.SBR法脱氮除磷工艺

Ⅰ进水阶段Ⅱ反应阶段Ⅲ沉淀阶段Ⅳ排水阶段Ⅴ闲置阶段第二节

微污染水源水预处理中的微生物学问题

一、微污染水源水预处理的目的和意义

微污染水源水是受到有机物、氨氮、磷及有毒污染物较低程度污染的水源水。经传统工艺处理后，未能有效去除污染物。饮用水中存在的有机污染物对人体具有一定的危害作用。

二、生物预处理的特点

生物预处理是指在常规净水工艺之前增设生物处理工艺，借助于微生物群体的新陈代谢活动，对水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污染物进行初步去除的过程

。特点：(1)能有效去除原水中可生物降解的有机物；

(2)使出水更安全可靠；(3)能较好地去除低浓度有机物；

(4)能去除氨氮、铁、锰等污染物；(5)具有经济、有效的特点。三、生物预处理工艺——生物膜法

1.曝气生物过滤法(BiologicalAeratedFiltration,BAF)2.生物接触氧化法(BiologicalContactOxidation,BCO)

3.生物活性碳技术(BiologicalActivatedCarbon,BAC)

四、水源水预处理的运行条件1.微生物：适应贫营养环境的微生物2.供氢体：甲醇、乙醇和糖3.DO4.水温和pH第三节

饮用水的消毒及其微生物学效应消毒方法1.煮沸法

最原始的方法，简单有效。机理：直接快速破坏病原菌的蛋白质，使其凝固发生不可逆变性。2.加氯消毒

液氯消毒的机理

主要是次氯酸起作用。次氯酸进入细菌内部，与菌体蛋白和酶蛋白的－NH2和－SH反应从而氧化和破坏细菌菌体蛋白和酶蛋白，达到杀菌作用。氯消毒效果的影响因素：pH消毒剂的用量饮用水通常以消毒剂与水接触后30min后游离余氯量不低于0.3mg/L，管网末梢的游离余氯量不低于0.05mg/L为标准。游离性余氯指HClO、ClO－、Cl－游离氯的剩余氯。化合性余氯指氯胺的剩余氯。

3.二氧化氯消毒机理：破坏微生物体内的酶和蛋白质。独特性:①ClO2对细胞壁有较强的吸附和穿透能力，在同等条件下灭活微生物的机会增加；②ClO2有较强的氧化能力，其理论氧化能力是自由氯的2.6倍；③ClO2通过两种机理灭活微生物，一是C