第十章 污(废)水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理-李宁

第二篇微生物生态与环境生态工程中的微生物应用李宁第十章污（废）水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理第一节污（废）水深度处理-----脱氮、除磷与微生物学原理第二节微污染水源水预处理中的微生物学原理(略)第三节人工湿地中微生物与水生植物净化污（废）水的作用(略)第四节饮用水的消毒与其微生物学效应(略)重点/难点：污（废）水深度处理废水生物处理的基本过程第一节污（废）水深度处理-----脱氮、除磷与微生物学原理4一、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。

5废水或污水中的营养元素（N、P）对水体和人类的危害有哪些？(1) 使水味变得腥臭难闻；(2) 降低水体的透明度；(3) 消耗水体的溶解氧；(4) 向水体释放有毒物质；例如：NO3−和NO2−可被转化为亚硝胺(三致物质) ；水中NO2−高，可导致婴儿患变性血色蛋白症“Bluebaby”；•污、废水脱氮、除磷的具体指标⏹一级标准⏹废水磷含量在≤0．5mg/L⏹氨氮≤15mg／L二、废水生物脱氮原理及工艺问题：1、生物脱氮的机理？2、生物脱氮的影响因素？10二、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NH 3转化成NO 3--N ，再利用缺氧段经反硝化作用，将NO 3--N还原成氮气（N 2），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。

11（1）氨化（Ammonification ）（2）硝化（Nitrification ）（3）反硝化（Denitrification ）（1）Ammonification•微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强，并释放出氨的微生物称为氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例：–RCHNH 2COOH + H 2O →RCOHCOOH + NH3–RCHNH 2COOH + O2 →RCOCOOH + CO 2+ NH3（2）Nitrification•硝化反应是在好氧条件下，自养型的硝化菌将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。

两组自养型硝化菌分步完成：–①亚硝酸盐细菌（Nitrosomonas）；–②硝酸盐细菌（Nitrobacter）。

•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。

生长率低，对环境条件变化较为敏感。

温度，溶解氧，污泥龄，pH，有机负荷等都会对它产生影响。

（2）Nitrification•硝化细菌同化合成细胞的反应式：•NH4++1.86O2+0.99CaCO3→0.98NO3-+0.02C5H7NO2+0.89CO2+1.93H2O+0.99Ca2+•每氧化1gNH4+-N为NO3--N，要消耗4.25gO2、7.07g碱度（以CaCO3计）和0.85g无机碳。

合成0.16g新细胞。

（2）Nitrification。

比生长速率μ：每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比生长速率。

它是表征微生物生长速率的一个参数，也是发酵动力学中的一个重要参数。

其大小为0.693除以倍增时间td （菌体量倍增）。

（3）Denitrification•反硝化反应是指在无氧的条件下,反硝化菌将硝酸盐或亚硝酸盐再被还原为气态氮（N2）的过程。

•反硝化菌属异养，兼性厌氧菌，在有氧存在时，它会以O2为电子进行呼吸；在无氧而有NO3-或NO2-存在时，则以NO3-或NO2-为电子受体，以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。

硝酸盐（NO 3-）亚硝酸盐（NO 2-）一氧化氮（NO ）一氧化二氮（N 2O ）氮气（N 2）硝酸盐还原酶亚硝酸盐还原酶NO 还原酶N 2O 还原酶大气反硝化过程与气态氮化物（3）Denitrification•外源反硝化：2CH 3OH+HNO 3+Ca(OH)2→0.2C 5H 7NO 2+0.4N 2+6[H]+CaCO 3+3.6[OH]每利用1g NO 3-反硝化，消耗1.03g 甲醇，产生0.37g 新细胞和1.61g 碱度•内源反硝化C 5H 7NO 2+4.6NO 3-→2.8N 2+1.2H 2O+5CO 2+4.6OH -反硝化反应是指在无氧的条件下,反硝化菌将硝酸盐或亚硝酸盐在被还原为气态氮（N 2）的过程。

（3）Denitrification•厌氧氨氧化脱氮：厌氧细菌，NH3以为供氢体（电子供体），以NO2-或NO3-为最终电子受体的一类氧化氨为N2的细菌。

NH3+HNO2→N2+2H2O2NH3+HNO3→1.5N2+3H2O+[H]•厌氧氨反硫化脱氮：NH3以为供氢体（电子供体），以SO42-为最终电子受体的一类氧化氨为N2的细菌。

2NH3+H2SO4→N2+S+4H2O（3）Denitrification碳源(BOD5/TKN>3)若碳源不够则需外加碳源（甲醇）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。

24•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25微生物脱氮工艺、原理及其微生物生物脱氮工艺三段生物脱氮工艺：将有机物氧化、硝化以及反硝化段独立开来，每一部分都有其自己的沉淀池和各自独立的污泥回流系统。

废水好氧脱碳缺氧反硝化沉淀池好氧硝化沉淀池1好氧活性污泥回流缺氧活性污泥回流出水回流？•活性污泥法典型工艺——A/O工艺（缺氧、好氧工艺）A/O脱氮工艺两级滤池法工艺流程好氧脱碳硝化滤池进水厌氧反硝化滤池出水甲醇补充反硝化菌的碳源！利用进水中的BOD三、废水生物除磷原理及工艺•（BOD：N：P）100：5：1——微生物除碳的同时吸收磷元素用以合成细胞物质和合成ATP等，但只去除污水中约19％左右的磷。

某些高含磷废水中残留的磷还相当高，故需用除磷工艺处理。

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)。

厌氧放磷部分污泥回流接种沉淀脱磷●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。

•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。

●从种类上来看，聚磷能力强、数量占优势的有不动杆菌属（莫拉氏菌群）、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。

生物除磷的影响因素•①溶解氧：在厌氧反应器内，DO< 0.2 mg/L；在好氧反应器内，DO为2mg/L左右。

•②污泥龄：污泥龄为30d，除磷率为40%；污泥龄为17d，除磷率为50%；污泥龄为5d时，除磷率高达87%；•③温度：在5-30°C的范围内，都可以取得较好的除磷效果；•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。

•图A/O工艺流程示意图（除磷）•A2/O工艺流程示意图同步脱氮除磷工艺•Anaerobic/Anoxic/Oxic •UCT工艺Anaerobic/Anoxic/Oxic工艺进水沉淀池厌氧池缺氧池好氧池剩余污泥出水内回流污泥回流进气管Anaerobic/Anoxic/Oxic工艺•工艺特点：–(1) 工艺流程比较简单；–(2) 厌氧、缺氧、好氧交替运行，不利于丝状菌繁殖，无污泥膨胀之虞；–(3) 无需投药，运行费用低；–(4) 污泥中含磷浓度高，具有很高的肥效。

UCT工艺（University of Cape town）UCT工艺（University of Capetown）•工艺特点：–（1）类似于A2/O工艺的脱氮除磷工艺；–（2）与A2/O工艺的不同之处在于沉淀池污泥是回流到缺氧池而不是回流到厌氧池，这样可以防止由于硝酸盐氮进入厌氧池，破坏厌氧池的厌氧状态而影响系统的除磷效率；–（3）增加了从缺氧池到厌氧池的缺氧池混合液回流，由缺氧池向厌氧池回流的混合液中含有较多的溶解性BOD，而硝酸盐很少，为厌氧段内所进行的发酵等提供了最优条件。

生物脱氮新技术传统的脱氮理论认为，把NH4+-N从废水中去除的过程必须通过先硝化而后再反硝化的过程才能实现，而近年来的许多研究表明，硝化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用；反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化；而且，许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，基于上述认识，一些脱氮新工艺如同步硝化反硝化和全程自养脱氮等相继被开发出来，它们在脱氮过程中成功地解决了碳源矛盾和碱度平衡等传统硝化反硝化生物脱氮难以解决的问题，极大地推动了高效率生物完全脱氮的发展，同时也为各行业废水的高效生物脱氮处理技术的开发提供了新的思路和依据。

生物脱氮新技术•短程硝化反硝化•同步硝化/反硝化脱氮•厌氧氨氧化•全程自养脱氮短程硝化反硝化•从微生物学的角度看，短程硝化反硝化并不是什么新东西。

但在废水生物脱氮领域，一直流行着全程硝化和全程反硝化的理念和做法。

习惯成自然，突破传统理念的束缚就成了一种创新。

事实上，短程硝化反硝化工艺也确实具有不同于传统生物脱氮工艺的微生物特性。

经济学原理•短程硝化反硝化省略了NO 2-氧化到NO 3-及将NO 3-还原为NO 2-两个阶段NH 4++1.502 NO 2-+H 2O+2H +NH 4++ 2.0O 2NO 3-+H 2O+2H +短程硝化作用硝化作用供氧量节省25%6NO 2-+ 3CH 3OH + 3CO 23N 2+ 6HCO 3-+ 3H 2O 6NO 3-+ 5CH 3OH + CO 23N 2+ 6HCO 3-+ 7H 2O短程反硝化作用反硝化作用甲醇消耗量节省40%微生物学原理•基质专一性和物种远缘性•倍增时间的差异性。