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1、第十章 污水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理杨毅红重要知识点回顾v水环境污染生物处理的主要方法包括？v第九章介绍的水污染生物处理方法主要针对的污染物是什么？水处理如何更进一步？v污水的深度处理脱氮除磷v微污染水源水该如何处理？v人工湿地也能处理污水吗？v从水源到饮用，饮用水如何消毒？内容提要v第一节第一节 污污、废水深度处理、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v第二节第二节 微微污染水源水预处理中的微生物学问题污染水源水预处理中的微生物学问题v第三节第三节 人工人工湿地中微生物与水生植物净化污水的作用湿地中微生物与水生植物净化污水的作用v第四节第四节 饮用水饮
2、用水的消毒及其微生物学效应的消毒及其微生物学效应第一节 污水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理p一、污（废）水脱氮、除磷的目的和意义p二、天然水体中氮、磷的来源p三、微生物脱氮原理、脱氮微生物及脱氮工艺三、微生物脱氮原理、脱氮微生物及脱氮工艺p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 氮磷物质进入水体，氮磷物质进入水体，就会造成很大的危害，就会造成很大的危害，其中最大的问题就是引其中最大的问题就是引起起水体富营养化水体富营养化。因此，。因此，废水的除磷脱氮十分重废水的除磷脱氮十分重要，尤其是当废水处理要，尤其是当废水处理后被排入一些湖泊、海后被排入一些湖泊、海
3、湾等敏感水体时。湾等敏感水体时。一、污、废水脱氮、除磷的目的和意义一、污、废水脱氮、除磷的目的和意义废水或污水中的营养元素（N、P）对水体和人类的危害v(1) 使水味变得腥臭难闻；v(2) 降低水体的透明度；v(3) 消耗水体的溶解氧；v(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:n废水磷含量在05mg/Ln氨氮 15mgL污、废水脱氮、除磷的具体指标二、天然水体中氮、磷的来源二、天然水体中氮、磷的来源提问：提问：有哪些？有哪些？ u 城市生活污水u 农肥（
4、氮）和喷洒农药u 工业废水u 禽畜粪便水三、微生物脱氮原理、脱氮微生物及其工艺u 硝硝 化化3222NH +1.5OHNO +H O（一）脱氮（一）脱氮原理原理：2230.5O +HNOHNO3322222HNO +CH CH OHN2CO2H3H O3222NH +HNON +2H O33222NH +HNO1.5N3H O H324222NH +H SON +S+4H Ou 反硝化反硝化好氧段好氧段，由亚硝化细菌和硝化细菌的硝化作用，将，由亚硝化细菌和硝化细菌的硝化作用，将NHNH3 3转化为转化为NONO3 3NN； 缺氧段缺氧段，经反硝化细菌将，经反硝化细菌将NONO3 3NN反硝化还
5、原为氮气，溢出水面释放到反硝化还原为氮气，溢出水面释放到大气，大气，NN2 2参与自然界物质循环，水中含氮物质大量减少。参与自然界物质循环，水中含氮物质大量减少。厌氧氨氧化的发现v 1977年奥地利理论化学家Broda根据化学反应热力学，预言自然界存在以硝酸盐或亚硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应，因为与以氧为氧化剂的氨氧化反应相比，以亚硝酸盐和硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应所释放的自由能一点也不逊色。既然自然界存在自养型亚硝酸细菌能够催化反应1，那么理论上也应该存在另一种自养型细菌，能够催化厌氧氨氧化反应。v 十多年后，Mulder等人在生物脱氮流化床反应器内发现了厌氧氨氧化菌的存在。接着，van de
6、 Graaf等人又以多种方法证明，厌氧氨氧化是一个生物反应。经过长期努力，Strous等人采用梯度离心技术，成功的分离了厌氧氨氧化菌。谱系分析证明，被分离的两种厌氧氨氧化菌(Brocadia anammoxidans和Kuenenstuttgartiensis)都属于分支横生的浮霉细菌。（二）硝化、脱氮微生物p1. 硝化作用段及微生物v（1）氧化氨的细菌v（2）氧化亚硝酸细菌v（3）硝化过程的运行操作1. 1. 硝化作用段及微生物硝化作用段及微生物u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。是，绝大多数营营养。：好氧氨氧化细菌，氧化NH3为HNO2，从中
7、获得能量供合成细胞和固定CO2。（2530 ,7.58.0，亚硝化球菌代时：812h，亚硝化螺菌属代时24h） 另有厌氧氨氧化细菌及厌氧反硫化细菌。：即硝化细菌。 （2530, 7.58.0，亚硝酸230mmol/L，代时8h几天）（3 3）硝化段的运行操作）硝化段的运行操作u硝化细菌世代时间普遍比异氧菌的世代时间长，为保证硝化彻底，需注意：v泥龄（悬浮固体停留时间SRT）：一般为5天以上v足够DO（1.22.0mg/L，0.5mg/L硝化作用停止）v适度曝气时间（水力停留时间）：味精废水，30hv适当维持碱度：酸性对硝化细菌不利，投NaHCO3v温度：25-30泥龄定义：每日新增污泥平均停留
8、在曝气池中的天数。即曝气池全部活性污泥平均更新一次所需的时间。v反映了活性污泥吸附有机物以后，进行稳定氧化的时间长短。v污泥龄越长，有机物氧化稳定得越彻底，处理效果越好，剩余污泥量越少。v但是污泥龄也不能太长，否则污泥会老化，影响沉淀效果。v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。2. 2. 反硝化作用段及其细菌反硝化作用段及其细菌u反硝化细菌是所有能以NO3-为最终电子受体，将HNO3还原成N2的细菌总称。它包括许多种类的细菌。 其中的假单胞菌属内能进行反硝化的种最多。u有很多细菌只将HNO3还原到HNO2而积累，不形成N2。含HNO2的水排入水体，会对水生动物
9、产生毒害。反硝化段运行操作反硝化段运行操作u关键指标： 碳源：有机物（葡萄糖、乳酸、丙酮酸、甲醇、乙醇） pH：78 最终电子受体：NO3-和NO2- 溶解氧0.2mg/L反硝化类型反硝化类型2eeee2223NONONON ON +-硝酸还原酶亚硝酸还原酶氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶p 外源反硝化外源反硝化： 利用利用外来碳源，以外来碳源，以NONO3 3- -为最终电子受体，氧化有机物合成细胞。为最终电子受体，氧化有机物合成细胞。p 内源反硝化内源反硝化： 以以机体内的有机物为碳源，以机体内的有机物为碳源，以NONO3 3- -为最终电子受体为最终电子受体。p厌氧氨氧化脱氮：厌氧氨氧化脱氮：
10、 利用利用HNOHNO2 2氧化氧化NHNH3 3为为NN2 2。同时去除。同时去除NHNH3 3和和HNOHNO2 2传统的反硝化生物化学反应（三）微生物脱氮工艺的选择（三）微生物脱氮工艺的选择 反反硝化有单级反硝化和多级反硝化。根据不同水硝化有单级反硝化和多级反硝化。根据不同水质，有三种组合工艺。质，有三种组合工艺。 工艺选择主要看工艺选择主要看CODCOD负荷和负荷和NHNH3 3-N-N负荷。负荷。图 A、B两种排列的A/O系统示意图N-硝化，DN-反硝化，S-沉淀池缺氧缺氧（AnoxicAnoxic）厌氧厌氧（AnaerobicAnaerobic）好氧好氧（OxicOxic）A/OA
11、/O、A A2 2/O/O、A A2 2/O/O2 2三段生物脱氮工艺： 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。废废水水好好氧氧脱脱碳碳缺缺氧氧反反硝硝化化沉淀池沉淀池好好氧氧硝硝化化沉淀池沉淀池1好氧活性污泥回流缺氧活性污泥回流出水出水回流回流v活性污泥法典型工艺活性污泥法典型工艺A/O工艺（缺氧、好工艺（缺氧、好氧工艺）氧工艺）v提问：提问：硝化脱氮时有时需要补碱（硝化脱氮时有时需要补碱（Na2CO3或或NaOH)?v硝化作用消耗碱（硝化作用消耗碱（NH4+、CO3-），），水水pH下降；下降；v提问：提问：硝化菌世代周期长，容易从活性
12、污泥系统中硝化菌世代周期长，容易从活性污泥系统中被洗掉，如何解决？被洗掉，如何解决？v挂生物膜或投加悬浮填料挂生物膜或投加悬浮填料v定期投菌定期投菌好氧好氧脱碳脱碳硝化硝化滤池滤池进水进水厌氧厌氧反硝反硝化化 滤池滤池 补充反硝化菌的碳源补充反硝化菌的碳源！(C:N大于大于2.86)利用进水中的BODSBRSBR（序列间歇式活性污泥法（序列间歇式活性污泥法 ）工艺操作过程）工艺操作过程捷径反硝化： 硝化作用产生HNO2后就转入反硝化阶段，可缩短曝气时间，节省运行费用。反硝化中的碳氮比反硝化中的碳氮比u反硝化需要碳源作电子供体。反硝化需要碳源作电子供体。uC:NC:N2.862.86，反硝化正常
13、。，反硝化正常。u补充碳源，甲醇或乙醇、内碳源、废水本身组补充碳源，甲醇或乙醇、内碳源、废水本身组成物质。成物质。（一）微生物（一）微生物除磷原理除磷原理： （BOD：N：P）100：5：1微生物除碳的同时吸收磷元微生物除碳的同时吸收磷元素用以合成细胞物质和合成素用以合成细胞物质和合成ATP等，等，但只去除污水中约但只去除污水中约19左右的磷左右的磷。某些高含磷废水中残留的磷还相当高，故需用除。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。磷工艺处理。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聚磷酸盐颗粒（异染粒和PHB）在体内，供其内源呼吸用。在厌
14、氧条件下，又能释放磷酸盐于体外。好氧摄取的磷比在厌氧条件下所释放的磷多。 创造厌氧、缺氧和好氧环境，让聚磷菌厌氧放磷，再好氧充分过量吸磷，然后通过排泥去除磷。四、微生物除磷原理、工艺及其微生物厌氧放磷(小于0.2mgL )厌氧条件下，积磷菌将体内的聚磷分解产生能量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磷(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一部分能量用于吸收外界可溶性脂肪酸，形成PHB好氧吸磷(大于2mgL )（二）聚磷细菌（二）聚磷细菌p 具有聚磷能力的微生物目前
15、所知绝大多数是细菌。p聚磷的活性污泥是由许多好氧异养菌、厌氧异养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。p 从种类上来看，聚磷能力强、数量占优势的有（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。 聚聚P聚聚P聚聚P聚聚P部分回流部分回流做种做种大部分大部分（P）去除去除（三）除磷的生物化学机制（三）除磷的生物化学机制n好氧时好氧时：大量繁殖（大量繁殖（消耗消耗好氧好氧状态能源状态能源聚聚-羟基丁二酸羟基丁二酸（PHB）， n 逆浓度梯度过量吸磷（逆浓度梯度过量吸磷（
16、贮备贮备厌氧厌氧状态能源状态能源多聚磷酸盐颗多聚磷酸盐颗粒粒(即异染颗粒即异染颗粒) ）；）；n厌厌氧时氧时：正相反正相反不繁殖不繁殖，释放磷酸盐释放磷酸盐于体外（产生能量供其于体外（产生能量供其储备储备消耗消耗好氧好氧状态能源状态能源PHB）。（四）除磷工艺流程（四）除磷工艺流程p 人们人们开发研究出多种废水生物除磷工艺，这些工艺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）两类间歇式（序批式
17、）两类。p常见常见的生物除磷工艺的生物除磷工艺有：有：BardenphoBardenpho生物除磷工艺、生物除磷工艺、PhoredoxPhoredox工艺、工艺、A/OA/O及及A A2 2/O/O、UCTUCT工艺、工艺、VIPVIP工艺、旁工艺、旁硫除磷的硫除磷的PhostripPhostrip工艺、工艺、SBRSBR等。等。工艺简介常见的脱磷工艺如下图所示常见的脱磷工艺如下图所示进进水水厌氧放磷好氧聚磷出出水水部分污泥回流接种剩余污剩余污泥处理泥处理沉淀脱磷微生物除磷工艺流程A/O（Anaerobic/Oxic）法:A/A/O（Anaerobic/Anoxic/Oxic）法:厌氧池缺氧池
18、好氧池沉淀池进水出水回流进水厌氧池好氧池回流出水沉淀池图616 A/O和 A/A/O法工艺流程示意图生物除磷的影响因素v溶解氧：在厌氧反应器内，DO10,pH10,水体中水体中ClCl2 2几乎全部生成几乎全部生成OClOCl- -，到，到负电负电荷的荷的OClOCl- -不能不能进进入菌体入菌体杀杀死死细细菌菌。水温对加氯消毒的影响当水的当水的pH值较低时加氯消毒的效果较好，值较低时加氯消毒的效果较好，HOCl 可以破坏细菌细胞质膜，进入菌体内的可以破坏细菌细胞质膜，进入菌体内的HOCl能够与菌能够与菌体蛋白与酶蛋白中的氨基体蛋白与酶蛋白中的氨基NH2和和SH 以及遗传物质以及遗传物质核酸反
19、应而达到杀菌作用。核酸反应而达到杀菌作用。HOClHOClOCl-OCl-pH对加氯消毒的影响对加氯消毒的影响（三）臭氧（三）臭氧（O3）消毒）消毒 由于加氯消毒可能产生三致物，用臭氧代替可以避由于加氯消毒可能产生三致物，用臭氧代替可以避免三致物的产生。免三致物的产生。臭氧杀菌、杀病毒的速率高于氯气，臭氧杀菌、杀病毒的速率高于氯气，而且不会造成异味，提高溶解氧量。而且不会造成异味，提高溶解氧量。臭氧消毒的杀菌臭氧消毒的杀菌能力，必须在投加能力，必须在投加量超过量超过一定数量后才能显现，因为一定数量后才能显现，因为臭氧先消耗于氧化有机物，其后消耗于杀菌。臭氧先消耗于氧化有机物，其后消耗于杀菌。（
20、四）过氧化氢（四）过氧化氢（H2O2）消毒）消毒 H2O2是一种活泼的氧化剂，可以用于净化程度是一种活泼的氧化剂，可以用于净化程度高的饮用水消毒，但高的饮用水消毒，但H2O2不是对所有的微生物都不是对所有的微生物都有作用，很多好氧菌和兼性厌氧具有过氧化氢酶，有作用，很多好氧菌和兼性厌氧具有过氧化氢酶，能将能将H2O2分解为分解为O2和和H2O而使之失效。而使之失效。（五）紫外辐射消毒（五）紫外辐射消毒 紫外辐射消毒适用于优质水和纯水的消毒。紫外线杀紫外辐射消毒适用于优质水和纯水的消毒。紫外线杀菌的机制为：菌的机制为：破坏蛋白质结构使其变性；破坏核酸分破坏蛋白质结构使其变性；破坏核酸分子的结构，如：引起胸腺嘧啶形成胸腺嘧啶二聚体子的结构，如：引起胸腺嘧啶形成胸腺嘧啶二聚体,DNA,DNA发发生水合反应导致细菌死亡。生水合反应导致细菌死亡。（六）微电解消毒（六）微电解消毒 适用于优质饮用水消毒。在电场的作用下，微电适用于优质饮用水消毒。在电场的作用下，微电解解H2O产生活性氧（产生活性氧（O2-、OH-）和）和H+。 O2-和和OH-具具有强氧化能力，可以杀死水中的细菌和藻类。活性氧有强氧化能力，可以杀死水中的细菌和藻类。活性氧还可以与水中氯离子作用生成还可以与水中氯离子作用生成HOCl，增强杀菌能力；，增强杀菌能力；还可氧化水中的还可氧化水中的NO2-和和NH3为为NO3-。
YYH-第十章 污水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理
