微生物污废水深度处理和微污染水源水的微生物处理
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环境微生物基础教学课件
天津工业大学
第四章 污废水深度处理和微污 染水源水的微生物处理
2018/11/30
1
环境微生物基础教学课件
天津工业大学
本章内容
第一节 微生物脱氮、脱磷原理 1. 脱氮脱磷的意义 2. 微生物脱氮原理及微生物 3. 微生物脱磷原理及微生物 第二节 微污染水源水的预处理 1. 微污染水源水的概念和存在形式 2. 微污染水的生物处理目的 3. 微污染水源水微生物处理方法 4. 微污染水源水处理中微生物群落
一、脱氮，脱磷的目的和意义 • 水体中氮磷的主要来源 ？
污水经过一级处理
污水生物二级处理
COD去除率30％
COD去除率70-90％
NO3—N，NO2—N，NH3-N，PO43-，SO42其中吸收25％的N和19％的P
2018/11/30
剩余的N、P？
4
环境微生物基础教学课件
天津工业大学
一级标准污水综合排放标准GB8978-1996中 规定： • 废水磷含量在≤0.5mg/L • 氨氮 ≤15mg／L
2NH3 H2SO 4 N2 S 4H2O
短程反硝化类型 √
NO2 有机质 N2
2018/11/30 13
反硝化菌
• 兼性厌氧，异养型，以有机碳源葡萄糖、甲醇、 乳糖、丙酮酸为碳源； • 氧浓度低于0.2mg/L时利于反硝化； • 有电子受体即碳源； • 温度10-35℃； • pH7-8。
缺氧活性污泥回流
好氧活性污泥回流
A/O脱氮工艺
2018/11/30 16
环境微生物基础教学课件
天津工业大学
三.脱磷作用及其微生物
微生物进行好氧反应中，吸收营养物比例为 BOD:N:P=100:5:1, 但只去除污水中约19％左右的磷， 剩余P可以通过生物脱磷方法去除。
脱磷原理：依靠聚磷菌（兼性厌氧菌）聚磷， 再从水中除去这些细菌。 聚磷菌
• 内源碳，细胞死亡溶解析出的有机物。
C5H7 NO2 4.6NO 2.8N 1.2H O 5CO 4.6OH 3 2 2 2 -
2018/11/30
15
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2. 脱氮工艺
回流
废 水
缺 氧 反 硝 化
沉淀池1
好 氧 脱 碳
好 氧 硝 化
沉淀池 出水
环境微生物基础教学课件
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传播方式：虫卵通过病人粪便 污染水体。
2018/11/30
35
环境微生物基础教学课件
天津工业大学
饮用水的消毒非常重要。
2018/11/30
36
环境微生物基础教学课件
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二、水的消毒方法
2018/11/30 聚磷菌
聚P 聚P 聚P 聚P
PHB 聚磷菌 O2 PHB 聚磷菌 聚P
18 聚磷菌
环境微生物基础教学课件
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2. 聚磷菌
不动杆菌——莫拉氏菌群、假单胞菌属、气单 胞菌属、黄杆菌属等。亚硝化杆菌属、亚硝化叶菌 属、亚硝化球菌属、硝化杆菌属、硝化球菌属。
2018/11/30
2018/11/30
28
环境微生物基础教学课件
天津工业大学
• 溶解氧。溶解氧一般在4mg/l，能够满足好 氧过程中的需要。反硝化过程中要求缺氧 条件，生物膜较厚能够达到局部的厌氧和 亏氧。
反硝化阶段放在好氧阶段之前，既可以添加 一定的碳源维持反硝化，又能够使水中多余有机 物在好氧阶段分解掉。
2018/11/30
19
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3. 除磷工艺
A /Байду номын сангаас法除磷工艺
沉淀池 原废水 释放磷 （厌氧） 回流污泥 （含磷污泥）
曝气池 （去除BOD5， 吸收磷）
处理水
（好氧）
剩余污泥
厌氧－好氧除磷工艺流程
2018/11/30
20
环境微生物基础教学课件
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第二节 微污染水源水的预处理
1．微污染水源水的概念和存在形式 微污染水源水是受到有机物、氨氮、磷及有毒 污染物较低程度的水源水。
2018/11/30 22
环境微生物基础教学课件
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3. 微污染水源水微生物处理方法
贫营养水中微生物的特性
微生物细胞与有机物营养接触的机会少 很多，而吸收有机营养的唯一途经就是接触。 在这种水体中，微生物较少以游离态存在， 99％以上的微生物都固着在某种介质表面， 形成贫营养生物膜。
2018/11/30
需要适应贫营养环境的异养生物，除碳菌，硝 化细菌，反硝化细菌，藻类，原生动物，微型后生 动物组成的生态系统。
2018/11/30
26
环境微生物基础教学课件
天津工业大学
诺卡氏菌属和假单胞菌是优势菌属
• 诺卡氏菌属是丝状菌，适合在贫营养环境中生活。 丝状菌的菌丝织成生物膜的经纬，使生物膜具有稳 定的结构。 • 杆菌和球菌类微生物在生物膜上的生长主要是以丝 状菌为骨架。 • 在这种骨架上大量的微生物形成各种菌胶团。 • 菌胶团以外的荚膜物质增强了生物膜对环境的抵抗 力，减少了原生动物对细菌的吞噬作用。 • 微型动物对有机物的去除和生物膜的更新起到了积 极的作用。
23
环境微生物基础教学课件
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处理微污染水源水的工艺常用生物膜法。
生物膜法
能够截留微生物和有机物，保证 处理系统中有足够的高效降解有 机物和去除氨氮的微生物群落。
活性污泥法 要求较高的有机浓度和营养物质 生物膜法中有：生物滤池，生物转盘，生物流化 床，生物接触氧化法。
2018/11/30 24
2018/11/30
14
环境微生物基础教学课件
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外源反硝化及内源反硝化
• 常加入甲醇或者乙醇作为外源碳，或者以部分 污水作为外源碳（补充碳源）；
6NO 3-+5CH3OH 5CO2+3N2+7H2O+6OH-
2CH3OH HNO3 Ca(OH)2 0.2C5H7 NO2 0.4N2 6[H] CaCO3 3.6[OH ]
2018/11/30 9
环境微生物基础教学课件
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氧化亚硝酸的细菌 -硝化菌
• • • • • 生长pH值范围7.5-8.0； 温度为25-30℃； 亚硝酸的浓度为2-30mmoL/L时，生长最好； 世代时间随环境的变化改变，8h-几天； 硝化杆菌属既能无机化能营养又可以有机化能营 养。在化能无机营养下比有机营养生长快。硝化 螺菌属在有机营养下生长比无机营养下生长快； • 大多数的硝化菌属细胞质内都含有贮存物，如肝 糖，多聚磷酸盐，聚β-羟基丁酸盐（PHB）； • 含有淡黄至淡红的细胞色素。
2018/11/30
33
环境微生物基础教学课件
天津工业大学
•革兰氏阴性，有鞭毛 •传播方式：水及食物，与 病人或带菌动物接触，主要 由病人带菌的粪便污染水体 而传播。
霍乱弧菌
致病原因——外毒素：霍乱弧菌由口进入人体小肠 中，大量繁殖释放出外毒素破坏肠细胞膜，肠细胞 大量脱水、电解质失衡。 2018/11/30 34
2018/11/30
12
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反硝化作用段及微生物
反硝化脱氮 2HNO3 CH3CH2OH N2 2CO2 2[H] 3H2O 厌氧氨氧化 √ NH3 HNO2 N 2 2H2O
2NH3 HNO3 1.5N2 3H2O [H] 厌氧氨反硫化脱氮 √
2018/11/30 2
第三节 人工湿地中微生物与水生植物的净 化作用 • 人工湿地生态系统 • 人工湿地净化污水的基本原理 • 人工湿地各组成的功能 • 人工湿地处理污水的效果 第四节 饮用水消毒 • 消毒的重要性 • 消毒方法
2018/11/30 3
环境微生物基础教学课件
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第一节 微生物脱氮、脱磷原理
在好氧时
大量吸收磷酸盐
2018/11/30
合成自身核酸和ATP 多聚磷酸盐颗粒（异染粒）
17
环境微生物基础教学课件
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1．除磷的微生物原理 厌氧放磷
三种基质低级脂肪酸 葡萄糖，甲醇乙醇 丁酸，乳酸，琥珀酸。
有机基质
好氧吸磷
大部分
好氧区
厌氧区
产酸菌
部分回流 做菌种
大量吸收 水中P
（P）去除
有机酸等 PO43聚P
工业废水 自 然 水 体
2018/11/30
生活污水
农业灌溉 养殖业排放
有机物、氨氮、藻类 分泌物、挥发酚、氰化 物、重金属、农药等。
21
环境微生物基础教学课件
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2．微污染水的生物处理的目的
• 自来水厂传统的饮用水处理采用混凝 -沉淀 - 过滤 - 消毒的方法。水中的有机物的去除 只达到20-30％。 • 有机物还会使过滤效率下降，过滤池的使 用周期缩短。 • 用来消毒的氯等物质与烷烃等有机物反应， 产生卤代烃三氯甲烷和二氯乙酸等致癌前 体物。
• 此类水中病原菌若经水传播， 在消化道滋生导致 疾病—肠道传染病；
• 肠道传染病如伤寒，痢疾，霍乱；病毒性肝炎， 脊髓灰质炎。 • 一些借水传播的寄生虫病，如血吸虫等。
2018/11/30 31
环境微生物基础教学课件
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在地面普通水中可生存 1～3周，井水中可生存 约１周，在粪坑及污水 中可生存1～2个月。
全程硝化
NH3 1.5O2 HNO2 H 2O 0.5O2 HNO2 HNO3
2018/11/30
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微生物
• 氧化氨的细菌 –亚硝化菌 • 氧化亚硝酸的细菌 -硝化菌
2018/11/30
8
环境微生物基础教学课件
天津工业大学
氧化氨的细菌 –亚硝化菌
专性好氧菌,G-； 低氧下生长，高氧浓度和光照都会影响生长； 无机化能营养型； 最适合温度为25-30℃，温度范围5-30℃； 最适pH值为7.5-8.0，pH值范围5.8-8.5； 世代时间长。在最适的条件下，亚硝化球菌的世 代时间是8-12小时，亚硝化螺菌属的时代时间是 24小时； • 含淡黄至红色的细胞色素。 • • • • • •
伤寒沙门氏菌
通过内毒素致病(内毒素是其细胞壁的成分， 化学成分为脂多糖，当细菌死亡分裂时会释放到 环境中。)
2018/11/30 32
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•37 ℃能耐20天，加热到60℃ 能耐10min，对1％的石炭酸， 可抵抗半小时。 •传播方式：食物和饮用水
痢疾杆菌
内毒素——损害了人体肠道细胞，引起肠 道痉挛、腹泻等症状。
2018/11/30
5
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二．微生物脱氮的原理及微生物
1．生物脱氮原理
有机氮生物好氧氧化
化 好除 氧有 氧机 碳
NH3-N 好 氧 硝 化
2018/11/30
N2
NO2- , NO3-
6
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硝化作用段及微生物 短程硝化
NH3 1.5O2 HNO2 H2O
2018/11/30 10
环境微生物基础教学课件
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主要的亚硝化和硝化细菌有：
• 亚硝化单胞菌属，球菌属，螺菌属，叶菌 属，弧菌属； • 硝化杆菌属，刺菌属，球菌属，螺菌属。
2018/11/30
11
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运行中的控制：
• 充足的氧，1.2-2.0mg/L，浓度小于0.5mg/L，硝化 作用停止； • 碱度控制在7.5-8.0； • 控制BOD5，20-30mg/L； • 温度-5-60℃； • 控制泥龄，保证泥龄在5天以上； • 硝化过程产生硝酸，pH下降，适当添加NaHCO3。
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进水
出水 填料
生物接触氧化法
曝气
•国内的蚌埠淮河、宁波姚江、嘉兴新滕塘应用了生 物接触氧化法处理水源水。 •同济大学设计的深圳水库水源水生物接触氧化处理 渠工程规模为400×104m3/d。
2018/11/30 25
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4. 微污染水源水处理中微生物群落
微型动物生长过于丰富，就会取食生物膜或者 使生物膜与有机物接触减少，生物膜脱落，产 27 生负面的影响。
2018/11/30
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5. 预处理的运行条件
•
供氢体。保证反硝化阶段的进行，必须保 证有足够的有机物作为碳源供氢体。
一般加入甲醇作为供氢体，但这种方法增加 运行费用，甲醇还有毒性。可以用乙醇和糖代 替，还有人提出用微电解生物膜反应器中的微 电解水产生的H2作为供氢体。
29
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• 水温和pH 。温度升高，对有机物和氨氮的 去除有利，20℃以上处理效果好。
深圳水库的年平均水温在23.6℃，pH值7。
2018/11/30
30
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第三节 饮用水的消毒及其微生物学效应
一、水消毒的重要性 • 水中的细菌只有很少的一部分是病原菌（或称致 病菌）；
天津工业大学
第四章 污废水深度处理和微污 染水源水的微生物处理
2018/11/30
1
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本章内容
第一节 微生物脱氮、脱磷原理 1. 脱氮脱磷的意义 2. 微生物脱氮原理及微生物 3. 微生物脱磷原理及微生物 第二节 微污染水源水的预处理 1. 微污染水源水的概念和存在形式 2. 微污染水的生物处理目的 3. 微污染水源水微生物处理方法 4. 微污染水源水处理中微生物群落
一、脱氮，脱磷的目的和意义 • 水体中氮磷的主要来源 ？
污水经过一级处理
污水生物二级处理
COD去除率30％
COD去除率70-90％
NO3—N，NO2—N，NH3-N，PO43-，SO42其中吸收25％的N和19％的P
2018/11/30
剩余的N、P？
4
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一级标准污水综合排放标准GB8978-1996中 规定： • 废水磷含量在≤0.5mg/L • 氨氮 ≤15mg／L
2NH3 H2SO 4 N2 S 4H2O
短程反硝化类型 √
NO2 有机质 N2
2018/11/30 13
反硝化菌
• 兼性厌氧，异养型，以有机碳源葡萄糖、甲醇、 乳糖、丙酮酸为碳源； • 氧浓度低于0.2mg/L时利于反硝化； • 有电子受体即碳源； • 温度10-35℃； • pH7-8。
缺氧活性污泥回流
好氧活性污泥回流
A/O脱氮工艺
2018/11/30 16
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三.脱磷作用及其微生物
微生物进行好氧反应中，吸收营养物比例为 BOD:N:P=100:5:1, 但只去除污水中约19％左右的磷， 剩余P可以通过生物脱磷方法去除。
脱磷原理：依靠聚磷菌（兼性厌氧菌）聚磷， 再从水中除去这些细菌。 聚磷菌
• 内源碳，细胞死亡溶解析出的有机物。
C5H7 NO2 4.6NO 2.8N 1.2H O 5CO 4.6OH 3 2 2 2 -
2018/11/30
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2. 脱氮工艺
回流
废 水
缺 氧 反 硝 化
沉淀池1
好 氧 脱 碳
好 氧 硝 化
沉淀池 出水
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传播方式：虫卵通过病人粪便 污染水体。
2018/11/30
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饮用水的消毒非常重要。
2018/11/30
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二、水的消毒方法
2018/11/30 聚磷菌
聚P 聚P 聚P 聚P
PHB 聚磷菌 O2 PHB 聚磷菌 聚P
18 聚磷菌
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2. 聚磷菌
不动杆菌——莫拉氏菌群、假单胞菌属、气单 胞菌属、黄杆菌属等。亚硝化杆菌属、亚硝化叶菌 属、亚硝化球菌属、硝化杆菌属、硝化球菌属。
2018/11/30
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• 溶解氧。溶解氧一般在4mg/l，能够满足好 氧过程中的需要。反硝化过程中要求缺氧 条件，生物膜较厚能够达到局部的厌氧和 亏氧。
反硝化阶段放在好氧阶段之前，既可以添加 一定的碳源维持反硝化，又能够使水中多余有机 物在好氧阶段分解掉。
2018/11/30
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3. 除磷工艺
A /Байду номын сангаас法除磷工艺
沉淀池 原废水 释放磷 （厌氧） 回流污泥 （含磷污泥）
曝气池 （去除BOD5， 吸收磷）
处理水
（好氧）
剩余污泥
厌氧－好氧除磷工艺流程
2018/11/30
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第二节 微污染水源水的预处理
1．微污染水源水的概念和存在形式 微污染水源水是受到有机物、氨氮、磷及有毒 污染物较低程度的水源水。
2018/11/30 22
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3. 微污染水源水微生物处理方法
贫营养水中微生物的特性
微生物细胞与有机物营养接触的机会少 很多，而吸收有机营养的唯一途经就是接触。 在这种水体中，微生物较少以游离态存在， 99％以上的微生物都固着在某种介质表面， 形成贫营养生物膜。
2018/11/30
需要适应贫营养环境的异养生物，除碳菌，硝 化细菌，反硝化细菌，藻类，原生动物，微型后生 动物组成的生态系统。
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诺卡氏菌属和假单胞菌是优势菌属
• 诺卡氏菌属是丝状菌，适合在贫营养环境中生活。 丝状菌的菌丝织成生物膜的经纬，使生物膜具有稳 定的结构。 • 杆菌和球菌类微生物在生物膜上的生长主要是以丝 状菌为骨架。 • 在这种骨架上大量的微生物形成各种菌胶团。 • 菌胶团以外的荚膜物质增强了生物膜对环境的抵抗 力，减少了原生动物对细菌的吞噬作用。 • 微型动物对有机物的去除和生物膜的更新起到了积 极的作用。
23
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处理微污染水源水的工艺常用生物膜法。
生物膜法
能够截留微生物和有机物，保证 处理系统中有足够的高效降解有 机物和去除氨氮的微生物群落。
活性污泥法 要求较高的有机浓度和营养物质 生物膜法中有：生物滤池，生物转盘，生物流化 床，生物接触氧化法。
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外源反硝化及内源反硝化
• 常加入甲醇或者乙醇作为外源碳，或者以部分 污水作为外源碳（补充碳源）；
6NO 3-+5CH3OH 5CO2+3N2+7H2O+6OH-
2CH3OH HNO3 Ca(OH)2 0.2C5H7 NO2 0.4N2 6[H] CaCO3 3.6[OH ]
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氧化亚硝酸的细菌 -硝化菌
• • • • • 生长pH值范围7.5-8.0； 温度为25-30℃； 亚硝酸的浓度为2-30mmoL/L时，生长最好； 世代时间随环境的变化改变，8h-几天； 硝化杆菌属既能无机化能营养又可以有机化能营 养。在化能无机营养下比有机营养生长快。硝化 螺菌属在有机营养下生长比无机营养下生长快； • 大多数的硝化菌属细胞质内都含有贮存物，如肝 糖，多聚磷酸盐，聚β-羟基丁酸盐（PHB）； • 含有淡黄至淡红的细胞色素。
2018/11/30
33
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•革兰氏阴性，有鞭毛 •传播方式：水及食物，与 病人或带菌动物接触，主要 由病人带菌的粪便污染水体 而传播。
霍乱弧菌
致病原因——外毒素：霍乱弧菌由口进入人体小肠 中，大量繁殖释放出外毒素破坏肠细胞膜，肠细胞 大量脱水、电解质失衡。 2018/11/30 34
2018/11/30
12
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反硝化作用段及微生物
反硝化脱氮 2HNO3 CH3CH2OH N2 2CO2 2[H] 3H2O 厌氧氨氧化 √ NH3 HNO2 N 2 2H2O
2NH3 HNO3 1.5N2 3H2O [H] 厌氧氨反硫化脱氮 √
2018/11/30 2
第三节 人工湿地中微生物与水生植物的净 化作用 • 人工湿地生态系统 • 人工湿地净化污水的基本原理 • 人工湿地各组成的功能 • 人工湿地处理污水的效果 第四节 饮用水消毒 • 消毒的重要性 • 消毒方法
2018/11/30 3
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第一节 微生物脱氮、脱磷原理
在好氧时
大量吸收磷酸盐
2018/11/30
合成自身核酸和ATP 多聚磷酸盐颗粒（异染粒）
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1．除磷的微生物原理 厌氧放磷
三种基质低级脂肪酸 葡萄糖，甲醇乙醇 丁酸，乳酸，琥珀酸。
有机基质
好氧吸磷
大部分
好氧区
厌氧区
产酸菌
部分回流 做菌种
大量吸收 水中P
（P）去除
有机酸等 PO43聚P
工业废水 自 然 水 体
2018/11/30
生活污水
农业灌溉 养殖业排放
有机物、氨氮、藻类 分泌物、挥发酚、氰化 物、重金属、农药等。
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2．微污染水的生物处理的目的
• 自来水厂传统的饮用水处理采用混凝 -沉淀 - 过滤 - 消毒的方法。水中的有机物的去除 只达到20-30％。 • 有机物还会使过滤效率下降，过滤池的使 用周期缩短。 • 用来消毒的氯等物质与烷烃等有机物反应， 产生卤代烃三氯甲烷和二氯乙酸等致癌前 体物。
• 此类水中病原菌若经水传播， 在消化道滋生导致 疾病—肠道传染病；
• 肠道传染病如伤寒，痢疾，霍乱；病毒性肝炎， 脊髓灰质炎。 • 一些借水传播的寄生虫病，如血吸虫等。
2018/11/30 31
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在地面普通水中可生存 1～3周，井水中可生存 约１周，在粪坑及污水 中可生存1～2个月。
全程硝化
NH3 1.5O2 HNO2 H 2O 0.5O2 HNO2 HNO3
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微生物
• 氧化氨的细菌 –亚硝化菌 • 氧化亚硝酸的细菌 -硝化菌
2018/11/30
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氧化氨的细菌 –亚硝化菌
专性好氧菌,G-； 低氧下生长，高氧浓度和光照都会影响生长； 无机化能营养型； 最适合温度为25-30℃，温度范围5-30℃； 最适pH值为7.5-8.0，pH值范围5.8-8.5； 世代时间长。在最适的条件下，亚硝化球菌的世 代时间是8-12小时，亚硝化螺菌属的时代时间是 24小时； • 含淡黄至红色的细胞色素。 • • • • • •
伤寒沙门氏菌
通过内毒素致病(内毒素是其细胞壁的成分， 化学成分为脂多糖，当细菌死亡分裂时会释放到 环境中。)
2018/11/30 32
环境微生物基础教学课件
天津工业大学
•37 ℃能耐20天，加热到60℃ 能耐10min，对1％的石炭酸， 可抵抗半小时。 •传播方式：食物和饮用水
痢疾杆菌
内毒素——损害了人体肠道细胞，引起肠 道痉挛、腹泻等症状。
2018/11/30
5
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二．微生物脱氮的原理及微生物
1．生物脱氮原理
有机氮生物好氧氧化
化 好除 氧有 氧机 碳
NH3-N 好 氧 硝 化
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N2
NO2- , NO3-
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硝化作用段及微生物 短程硝化
NH3 1.5O2 HNO2 H2O
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主要的亚硝化和硝化细菌有：
• 亚硝化单胞菌属，球菌属，螺菌属，叶菌 属，弧菌属； • 硝化杆菌属，刺菌属，球菌属，螺菌属。
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运行中的控制：
• 充足的氧，1.2-2.0mg/L，浓度小于0.5mg/L，硝化 作用停止； • 碱度控制在7.5-8.0； • 控制BOD5，20-30mg/L； • 温度-5-60℃； • 控制泥龄，保证泥龄在5天以上； • 硝化过程产生硝酸，pH下降，适当添加NaHCO3。
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进水
出水 填料
生物接触氧化法
曝气
•国内的蚌埠淮河、宁波姚江、嘉兴新滕塘应用了生 物接触氧化法处理水源水。 •同济大学设计的深圳水库水源水生物接触氧化处理 渠工程规模为400×104m3/d。
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4. 微污染水源水处理中微生物群落
微型动物生长过于丰富，就会取食生物膜或者 使生物膜与有机物接触减少，生物膜脱落，产 27 生负面的影响。
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5. 预处理的运行条件
•
供氢体。保证反硝化阶段的进行，必须保 证有足够的有机物作为碳源供氢体。
一般加入甲醇作为供氢体，但这种方法增加 运行费用，甲醇还有毒性。可以用乙醇和糖代 替，还有人提出用微电解生物膜反应器中的微 电解水产生的H2作为供氢体。
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• 水温和pH 。温度升高，对有机物和氨氮的 去除有利，20℃以上处理效果好。
深圳水库的年平均水温在23.6℃，pH值7。
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第三节 饮用水的消毒及其微生物学效应
一、水消毒的重要性 • 水中的细菌只有很少的一部分是病原菌（或称致 病菌）；