第10章环境工程微生物

表4-1 能过量积累聚磷盐的微生物
Caulobucter vibroides Chlorobium thiosulfatophilum Chromatium Clostridum sp. Claviceps purpurea Corynebacterium diphteriae 弧形柄杆菌 嗜硫代硫酸盐绿菌 着色菌属 梭菌属 白喉棒杆菌 白喉棒杆菌
单胞菌属、气单胞菌属和黄杆菌属等60多 个属，此外，部分亚硝化菌也有聚磷能力。
表4-1 能过量积累聚磷盐的微生物
Acetobacter suboxydans Acinetobacter calcoa ceticus A.lwoffi Aerobacter aerogenes (Klebsiella pneurnpniae) Azotobacter agilis A.vinelandii Bacillus subtilis Bacterium aerogenes B.cloacae B.friedlanderi 弱氧化醋酸杆菌 乙酸钙不动杆菌 鲁氏不动杆菌 产气气杆菌 敏捷固氮菌 棕色固氮菌 枯草杆菌 产气杆菌 阴沟杆菌 佛比杆菌
包括：亚硝化单胞菌、螺菌、球菌
革兰氏阴性菌
专性好氧，化能无机营养，氧化
NH3/NH4+为HNO2。
2）氧化亚硝酸细菌—硝化细菌
包括：硝化杆菌、螺菌、球菌 革兰氏阴性菌 专性好氧，化能有机或无机营养，氧化HNO2为
HNO3。
3）硝化段的运行操作 ① 泥龄（θSRT）：要大于硝化细菌的比增长速率,一
易引起水体富营养化
二、污、废水脱氮、除磷的具体指标 1、《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》 （GB18918-2002）
4.1.2.2 城镇污水处理厂出水排入GB3838 地表水Ⅲ类功 能水域（划定的饮用水水源保护区和游泳区除外）、 GB3097 海水二类功能水域和湖、库等封闭或半封闭 水域时，执行一级标准的B标准。
（磷）。
1）厌氧释磷
①产酸菌分解有机物
产酸菌在厌氧或缺氧条件下分解蛋白质、脂 肪和碳水化合物等大分子有机物为三类可快 速降解的基质： A类：乙酸、甲酸和丙酸等低分子有机酸； B类：乙醇、甲醇、柠檬酸和葡萄糖等； C类：丁酸、乳酸和琥珀酸等。
②聚磷菌释磷
聚磷细菌在厌氧条件下将体内储藏的多聚磷 酸盐分解，产生的磷酸盐进入液体中（放 磷），同时产生的能量ATP可供聚磷菌在厌 氧条件下生理活动之需，还可用于主动运输 吸收产酸菌提供的三类基质进入菌体细胞内 合成聚-β-羟丁酸（PHB）。
关于PHB合成的几种理论模型
的乙酸吸收理论: 质膜外的CH3COO-和H+结合成中性分 子，进入细胞内再水解成离子CH3COO-和 H+，产生的ATP驱动H +排到体外，重建质 子驱动力，使CH3COO-不断被输入细胞。 体内的乙酸被合成PHB。 其中乙酸合成PHB时的还原力 （NADH+H+）由三羧酸循环（TCA）提 供。
2）好氧聚磷—聚磷菌过剩摄磷
聚磷菌在好氧条件下，分解体内的聚-β-羟 丁酸（PHB）和外源基质，产生质子驱动 力，将体外的磷酸盐输送到体内合成ATP 和核酸，将过剩的磷酸盐聚合成细胞贮存 物：多聚磷酸盐。
P ～ P ～ 厌气 P 好气 P ＋ ATP
有机基质 厌氧区
产酸菌 乙酸、葡萄糖、丁酸
大部分
反硝化阶段
N2
传统硝化反硝化脱氮技术的缺点：

COD氧化和硝化耗能巨大，且在COD氧化 中，无形中失去贮存在COD内的大量化学能 (每kg COD约含1.4×107J代谢热)； 反硝化需消耗COD；



剩余污泥量大；
耗能造成大量二氧化碳释放，并进入大气。
2)亚硝酸型硝化反硝化脱氮技术的基本原理 ——将硝化过程控制在HNO2阶段而终止， 阻止NO2-的进一步硝化，随后直接进行反 硝化。 NH4+-N
般控制在5d以上 ② 溶氧：一般控制在1.2~2.0mg/L ③ 曝气时间：控制适度曝气时间（4~8h甚至更长）。 ④ pH值：控制pH值为偏碱性（7.5~8.0）：投加 NaHCO3 ——？ 硝化过程消耗了碱性物质NH3，生成HNO3，水中 pH下降，对硝化细菌生长不利 ⑤ 温度：大多数硝化菌的最适温度为25~30℃之间。
四、微生物除磷原理、工艺及其微生物

虽然磷在农业上十分重要，但是它可引起水 体污染，是造成富营养化的重要因子。受磷 污染的水体，藻类大量繁殖，藻体死亡后分 解会使水体产生霉味和臭味。许多种类还会 产生毒素，并通过食物链影响人类的健康。 随着工农业生产的增长，人口的增加，含磷 洗涤剂和农药、农肥的大量使用，近年来水 体磷污染日益加剧。另外，也导致了沿海海 域曾多次发生赤潮事件。
生态实验室开发
2. 同时硝化反硝化技术（simulaneous nitrification and denitrification, SND）
反应原理
当好氧环境与缺氧环境在一个反应器 中同时存在，硝化和反硝化在同一反应器 中同时进行。
3. 厌氧氨氧化技术（anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX）
C.xerose Escherichia coli Hydrogenomonas sp. Micrococcus lysodeikticus
干燥棒杆菌 大肠杆菌 氢单胞菌 溶壁微球菌
表4-1 能过量积累聚磷盐的微生物
Mycobacterium avium M.chelonei M.phlei M.smegmatis M.thamnopheos M.tuberculosis Nitrobacter sp. Nitrococcus denitrificans Nitrosococcus Nitrosomona europeae 鸟分枝杆菌 龟分枝杆菌 草分枝杆菌 耻垢分枝杆菌 蛇分枝杆菌 结核分枝杆菌 硝化杆菌属 反硝化硝化球菌 亚硝化球菌 欧洲亚硝化单胞菌
硝化阶段
NO2--N
反硝化阶段
N2
总反应式：
2NH4++3O2→NO2-+2H2O + 4H + 2NO2-+3H(电子供体有机物) →1/2 N2 + H2O + OH-
3）典型工艺
①SHARON工艺（single reactor for high ammonium removal over nitrite，亚硝化脱 氮）——荷兰Delft大学开发 ②OLAND工艺（oxygen limited autotrophic nitrification denitrification，氧 限制自养硝化反硝化）—比利时GENT微生物
四、微生物除磷原理、工艺及其微生物

（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. 微生物除磷原理 依靠聚磷菌（兼性厌氧菌） 厌氧时释放磷，好氧时聚磷，再 通过排泥从污水中除去细菌
2）EM的组成
EM是以光合细菌、放线菌、酵母菌和 乳酸菌为主的5科10属80多种有益微生物复 合培养而成的一种新型微生物活菌剂。
3）EM脱氮的原理

硝化过程： 2NH3+3O2→2HNO2+2H2O 2HNO2+O2 →2HNO3

反硝化过程：
Leabharlann Baidu
NO3-+CH3OH+H2CO3→C5H7O2N+H2O+2HCO3NO2-+CH3OH+H2CO3→C5H7O2N+H2O+2HCO3C5H7O2N+NO3-→CO2+NH3+OH-
反应原理
在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以 NH4+作为电子供体，以NO3-或NO2-作为电 子受体，将NH4+ 、NO3-或NO2-转变成N2。 5 NH4+ +3 NO2- →4 N2+ 9H2O + 2H+ NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O
4. EM脱氮技术
1）什么是EM？
EM是有效微生物群（effective microorganisms）的缩写，是20世纪80年 代初期由日本琉球大学比嘉照夫教授发明， 株式会社EM研究机构研制的一种新型复 合微生物制剂。
2. 缺氧—好氧生物脱氮系统（A/O工艺）
？
废 水
缺 氧 反 硝 化 回流 沉淀池1 好 氧 脱 碳 好 氧 硝 化
沉淀池
出水
缺氧活性污泥回流
好氧活性污泥回流
A/O脱氮工艺（前置反硝化生物脱氮系统）
脱氮原理 1）缺氧反硝化
反应：NO3-—N反硝化还原为N2，溢出
水面释放到大气
碳源：原水中BOD
一级标准的B标准


废水总磷含量
≤1．5（1）mg/L
氨氮（以N计） ≤8（15）mg／L
二、污、废水脱氮、除磷的具体指标 2、《污水综合排放标准》（GB8978-1996）
4.1.1 排入GB3838 地表水Ⅲ类水域（划定的保护区和游 泳区除外）和排入GB3097 中二类海域的污水，执行 一级标准。
好氧区
（P）去除
部分回 流做种
PHB PHB
水中P
聚P 聚P 聚P 聚P
ATP+ PO43P 聚P
合成
分解
聚P
聚磷菌
聚磷菌
O2
聚磷菌
聚磷菌
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
P O
O
P O
O
P O
O
P O
O
P O
O
线状多聚磷酸盐
2. 聚磷细菌
—聚磷活性污泥：产酸菌和聚磷菌的混合
体
产酸菌：发酵产酸菌 聚磷菌：包括不动杆菌-莫拉氏菌群、假

提问：硝化脱氮时有时需要补碱 （Na2CO3或NaOH)?
硝化作用消耗碱（NH4+、CO3-），水pH下降；

补充碳源、升高pH

提问：硝化菌世代周期长，容易从活性污泥系 统中被洗掉，如何解决？ 挂生物膜或投加悬浮填料 定期投菌

（二）硝化、脱氮微生物 1. 硝化作用段微生物 1）氧化氨的细菌—亚硝化细菌
硝酸盐来源：回流出水中的硝化产物
2）好氧脱碳硝化


脱碳——氧化去除COD
脱碳菌——好氧有机物呼吸的细菌，以有机物为碳源 硝化菌——好氧氨盐呼吸的细菌，以 碳酸盐为碳源 （NH4+→NO2-→NO3-) 提问：为什么先脱碳、后脱氮？ 脱碳菌的代谢产物是硝化菌的碳源； 有机碳源丰富时，脱碳菌世代周期短生长迅速 ， 硝化菌氧利用不足，生长缓慢；
反硝化 反应器
回流污泥
II
处理水
好氧段 剩余污泥
缺氧段
剩余污泥
两级生物脱氮系统
脱氮原理
1）好氧段：脱碳硝化
脱碳——氧化去除BOD、COD
硝化——NH3/NH4+→NO2-→NO3 硝化反应消耗碱度，因此要加碱，防止pH值下降
2）缺氧段—反硝化
反硝化：NO3--N还原为N2，溢出水面释放到大气 碳源：既可以投加CH3OH，也可引入原水中BOD
①Comeau/Wentzel
关于PHB合成的几种理论模型
②
Mino 模型: 其关于聚磷菌生化途径的生化描述与 Comeau/Wentzel 模型基本一致，但认 为其中乙酸合成PHB时的还原力 （NADH+H+）是糖原代谢提供的，包 括EMP和ED（ 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡 萄糖酸裂解途径）途径提供。
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
第一节 污、废水脱氮、除磷与微生物学原理 一、污、废水脱氮、除磷的目的和意义
污水一级处理去除废水中的砂砾及大的悬浮
固体
污水二级处理去除废水中的大部分的可溶性
有机物
二级处理出水中的氮、磷未能达到排放标准
氮、磷是生物重要的营养源，排入天然水体
（三）生物脱氮新技术 1. 亚硝酸型硝化反硝化技术 2. 同时硝化反硝化脱氮技术 3. 厌氧氨氧化技术 4. EM脱氮技术 5.好氧反氨化脱氮技术 6.电极生物膜反硝化技术 7. 固定化微生物脱氮技术
1. 亚硝酸型硝化反硝化技术
1）传统硝化反硝化脱氮技术
NH4+-N NO2--N
硝化阶段
NO3--N
一级标准

废水磷酸盐含量(以P计)
≤0．5mg/L
氨氮（以N计） ≤15mg／L
三、微生物脱氮工艺、原理及其微生物
（一）微生物脱氮工艺 1. 两级生物脱氮系统
2.
缺氧—好氧生物脱氮系统（即A/O工艺）
1. 两级生物脱氮系统
CH2OH 碱 去除BOD 硝化氮化 回流污泥 沉淀池 I
N2
沉淀池
原污水
2. 反硝化作用段微生物
1）反硝化细菌 所有能以NO3-为最终电子受体，将HNO3 还原为N2的细菌的总称 包括：假单胞菌属、副球菌属、产碱菌 属 革兰氏阴性菌 专性厌氧或兼氧。
2）反硝化段的运行操作
碳源：有机物（葡萄糖、甲醇等） 最终电子受体：
NO2- 、NO3 溶氧：反硝化菌是兼性厌氧菌，以在厌 氧、好氧交替的环境中生活为宜，一般 溶解氧应控制在0.5mg/L以下。 pH值：最适pH值为7.0~8.0 温度：10~35℃，反硝化速率随温度增高 而提高，60~75 ℃反硝化速率达到最大值