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1、环境工程微生物学 第二十三讲,第二篇 第十章 污废水深度处理和微生物污染源水预处理中的微生物学原理（1）,第一节 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,一、污废水脱氮、除磷的目的和意义 氮、磷是藻类生长的限制因子，水体中氮、磷浓度增高会导致水体的富营养化。事实上，现在水体富营养化问题越来越严重，据报道，1991年我国共发生赤潮38次，1992年增加至50次，造成鱼类和其他生物大量死亡，对海洋渔业资源造成水体溶解氧下降。此外，饮用水中硝态氮超过10mg/L会引起婴儿的高铁血红蛋白症。,为此，对于水体中氮、磷的去除已越来越受到重视，许多国家对废水氮、磷都制订了严格的排放标准。常规的活性污泥主要去
2、除废水中含碳化合物，而对氮、磷去除率很低。鉴于此情况，废水的脱氮除磷技术近年来得到迅速发展。微生物脱氮除磷技术由于具有处理效果好，处理过程稳定可靠、处理成本低，操作管理方便等优点而得到广泛运用，为水体中氮、磷的去除提供了有效手段。,今后，微生物脱氮除磷技术的发展方向就目前看主要有以下几个方面： 1、开放、研制和采用成本低廉、效果稳定的新工艺。 2、微生物除磷工艺如果同时具有脱氮能力将比单纯的除磷工艺具有更大市场。脱氮需要较长的停留时间，使糸统达到硝化，但糸统中NO3的存在将影响积磷菌的厌氮放磷，泥龄长也会降低除磷效果，所以在一个糸统中如何兼顾脱氮除磷使糸统同时达到较好的脱氮除磷效果是一个值得研
3、究的问题。,3、利用微生物技术强化脱氮除磷过程，提高处理效果。生物脱氮系统中由于硝化细菌世代时间长，容易从系统中流失，受低温等不利的环境条件影响较大，所以常常达到良好硝化效果而影响系统脱氮效率，除了使用生物膜系统外，在活性污泥系统中使用投菌法，即在需要时或定期向系统投加硝化细菌也是一条有效途径。目前已有研究者在研究硝化菌的大量培养技术。在生物除磷系统中也可通过投加积磷菌制剂来提高或保持系统的除磷效果。,二、天然水体氮、磷的来源 有下面几个方面： 1、来自城市生活污水； 2、来自农业施肥（氮）和喷洒农药（磷）； 3、来自工业废水（化肥厂、印染厂、焦化厂及洗涤剂等生产废水）； 4、食品加工、罐头食
4、品加工及被服洗涤服务行业的废水； 5、禽畜粪便水,三、微生物脱氮工艺、原理及其微生物 （一）微生物脱氮工艺 可采用A/O（厌氧/好氧）、A2/O（厌氧/缺氧/好氧）、A2/O2（厌氧/缺氧/好氧/好氧）SBR（间歇活性污泥法）等工艺均可取得较好脱氮效果。 （二）脱氮原理 生物脱氮主要是通过硝化作用和反硝化作用来完成的。 首先利用设施内好氧段，由亚硝化细菌和硝化细菌作用，将NH3转化为NO3N（硝化氮）。再利用缺氧段经反硝化细菌将NO3N（硝化氮）反硝化还原为氮气（N2），溢出水面释放到大气，N2参于自然界物质循环。水中含氮物质大量减少，降低出水潜在危险性。,（三）硝化、脱氮微生物 亚硝化细菌和
5、硫化细菌是革兰氏阴性菌。在污水处理糸统和自然环境中，硝化细菌有附着表面和在细胞束内生长的倾向，形成胞囊结构和菌胶团。 （1）氧化氨的细菌 为专性好氧菌，在低氧压下能生长。化能无机营养，氧化NH3为HNO2，从中获得能量供合成细胞和固定CO2。在最适条件下（温度2530，PH为7.58.0）亚硝化球菌的世代时间为810h。亚硝化螺菌的世代时间为24h。,（2）氧化亚硝酸细菌 大多数氧化亚硝酸细菌在PH7.58.0，温度2530，其世代随环境可变，由8h到几天。 (3)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,为了硝化作用彻底,保证有足够数量活性强的硝化细菌(107个/mL以
6、上)，在运行操作上要掌握几个关键。,泥龄（即悬浮固体停留时间SRT）是重要控制指标，可通过排泥控制泥龄，一般控制在五天以上，泥龄要大于硝化细菌的比生长速度。否则，泥龄过短硝化细菌会流失，硝化速率低。用生物接触氧化法有利于硝化作用。 要供给足够氧，处理生活污水时，溶解氧一般控制在1.22.0mg/L为宜.工艺废水则要看废水的有机物浓度(COD和BOD)和NH3含量的高低,适当提高溶解氧。,控制适度的曝气时间（或说水力停留时间），普通的活性污泥法的曝气时间为46h甚至8h。 在硝化过程中，消耗了碱性物质NH3，生成HNO3，维持碱度，中和HNO3，使PH维持在偏碱性（PH7.58.0），满足硝化细
7、菌对PH的需要。 温度，大多数硝化细菌生长的最适温度为2530，低至-5，高至60。可以将它们应用于污水和废水生物处理中。,2、反硝化作用段细菌 （1）反硝化细菌 反硝化细菌是所有能以NO3最终电子受体，将HNO3还原为N2的细菌总称。种类很多，其中的假单孢菌属内能进行反硝化的种最多。 （2）反硝化段运行操作 反硝化段运行操作关键指标有： PH： 硝化反应在消耗碱，如果污水中没有足够的碱度，则随着硝化的进行，PH会急剧下降，而且硝化细菌对PH十分敏感，亚硝酸细菌和硝酸细菌分别在PH7.07.8和活性最强，PH值在这个范围以外，其活性便急剧下降。可见PH是影响硝化速度的重要因素。,PH值也影响反
8、硝化的速率。不同的学者以不同的反硝化细菌或不同来源的污泥进行试验，所报道的最适PH值范围略有不同，但大多数学者认为反硝化的最佳PH范围在中性和微碱性。由于反硝化作用是由各种非专性反硝化细菌共同参于下进行的，所以水糸中PH值的影响并不明显。,环境的PH值可影响到反硝化的最终产物。当PH低于6.06.5时，最终产物以N2O占优势；当PH值大于8时,会出现NO2-的积累,且PH值越高, NO2-积累越多, 经深入研究,发现这是因为PH抑制了亚硝酸盐还原酶的活性而对硝酸盐还原酶的活性影响不大所致。 生物脱氮过程中,通常把硝化段运行的PH值控制在7.28.0之间,反硝化段P控制在7.59.2之间。,温度
9、： 硝化反应速度受温度影响很大，其原因在于温度对硝化细菌的增殖速度和活性影响很大。两类硝化细菌的最宜温度为30左右。 研究表明温度对反硝化速度的影响大小与反硝化设备的类型（微生物悬浮生长型或固着型）、硝酸盐负荷率等因素有关。,溶解氧： 溶解氧浓度影响硝化反应速度和硝化细菌的生长速度。硝化过程的溶解氧浓度，一般建议应维持在1.0mg/L2.0mg/L。 溶解氧对反硝化脱氮有抑制作用，其机制为阻抑硝酸盐还原酶的形成或者仅仅充当电子受体从而竞争性地阻碍了硝酸盐的还原。虽然氧对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对能进行反硝化作用的反硝化菌却是有利的，因为这类菌为兼性厌氧菌，菌体内的某些酶糸统组分只有在有
10、氧时才能合成，因而在工艺上最好使这些反硝化菌（即污泥）交替处于好氧、缺氧的环境条件下。,在悬浮污泥反硝化系统中，缺氧段溶解氧应控制在05mg/L以下，由于污泥絮凝物内部仍呈厌氧状态，同时可进行反硝化作用，故而脱氮反应并不要求溶解氧保持在零的状态。在膜法反硝化系统中，菌周围微环境的氧分压与大环境的氧分压不同，即使滤池内有一定的溶解氧，生物膜内层仍呈缺氧状态，因此，当缺氧段溶解氧控制在1mg/L2mg/L以下时也不影响反硝化的进行。,碳源： 碳源物质主要是通过影响反硝化细菌的活性来影响处理系统的脱氮效率。能为反硝化细菌所利用的碳源是多种多样的，但从废水中处理生物脱氮的角度来看可分三类： 废水中所含
11、的有机碳源 废水中各种有机基质，例如有机酸类、醇类、碳水化合物或烷烃类、苯酸盐类、酚类和其他的苯衍生物都可以作为反硝化过程中的电子供体（碳源）。一般认为，当废水中所含碳（BOD5）与总氮的比值3：1时，无需外加碳源，即可达到脱氮目的，这类碳源最经济，因而为大多数微生物脱氮系统所采用。,外加碳源 当废水BOD5与总氮比值小于3：1时，需另加碳源才能达到理想的去氮效果。外加碳源大多数采用甲醇，因为它氧化分解产物为二氧化碳和水，不留任何难分解的中间产物，价格也较低廉。欧美各国在饮用水的反硝化中采用乙醇，避免残余的甲醇对人体的毒性作用，但费用比甲醇略高。为了降低成本，目前已利用淀粉厂、酿造厂、豆制品厂
12、等的高浓度有机废水作为反硝化外加碳源。国内在硝化废水的生物脱氮方面已成功采用副产品粗酚作为外加碳。徐亚同曾试验采用污水处理厂内厌氧消化污泥上清液作为城市废水生物脱氮的碳源，经测试发现它的组分中80%以上是挥发性脂肪酸，因此它作碳源时反硝化速度比甲、乙醇作碳源还要快，但缺点是将大量的氮带入到处理系统中，增加了系统氮的负荷。,内碳源 内碳源主要指活性污泥微生物死亡，自溶后释放出来的有机碳，也称为二次性基质。为利用内碳源来进行反硝化脱氮，要求反应器的泥龄长，污泥负荷低，使微生物处于生长曲线稳定期的后部或衰亡期。这样，反应器的容积相应增大，负荷率低。经测定，内碳源的反硝化速率极低，约为上述两种方法的十
13、分之一左右。它的优点是在废水碳氮比低时不必外加碳源也可达到脱氮目的，此外由于污泥产率低而减少了污泥处置的费用。,3、生物脱氮工艺选择 反硝化有单级反硝化和多级反硝化。根据不同水质，通常有以下三种碳氧化、硝化和反硝化三者的组合工艺。,以外还有滤池反硝化糸统、氧化沟反硝化糸统等。 处理含NH3N废水的效果好与差，除了掌握运行操作的几个关键指标外，硝化和反硝化的合理组合方式和顺序对提高NH3N的去除率有很大关系。如何选择工艺？一级硝化反硝化好还是多级硝化反硝化好，要依据水质而定，主要看COD负荷（化学需氧量）和NH3N负荷（或说COD和NH3N浓度）高低。,负荷低级数少于负荷高级数多效果好，而且运行
14、费用经济。原因是硝化过程产生的酸需要加碱中和。在硝化过程中当PH下降至6.5左右，及时转入反硝化过程，依靠反硝化提高碱度，满足其自身PH要求。同理，反硝化过程也要及时转入硝化过程。合理调整硝化和反硝化，可以节省碱的用量，甚至不加碱，也可以得到好的处理效果，大大节省运行开支,采用“捷径反硝化”即硝化作用产生HNO2后就转入反硝化阶段，可缩短曝气时间，节省运行费用。 废水中的C：N大于2.86时反硝化正常。低于这比值，反硝化出现碳源不足，要投加外碳源。,四、微生物除磷原理、工艺及其微生物 在普通废水生化处理过程中，微生物除磷的同时吸收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
15、磷。残留在出水中的磷还相当高。故需用除磷工艺处理。,（一）微生物除磷原理 根据某些微生物在好氧时不仅能大量吸收磷酸盐（PO43）合成自身核酸和ATP，而且能逆浓度梯度过量吸磷合成贮能的多聚磷酸盐颗粒（即异染颗粒）于体内，供其内源呼吸用。称这些细菌为聚磷菌。聚磷菌在厌氧时又能释放磷酸盐（PO43）于体外。故可创造厌氧、缺氧和好氧环境，让聚磷菌先在含磷污废水中厌氧放磷，可达到减少污、废水中磷含量的目的。,（二）聚磷细菌 具有聚磷能力的微生物就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养菌、厌氧异养菌和兼性厌氧菌组成。实质是产酸菌（统称）和聚磷菌的混合群体。 对于废水生物除磷工艺中的积磷菌
16、，早期的研究认为主要是不动杆菌（本教课书上说是不动杆菌），而目前较多的研究则认为，微生物除磷过程中起主要作用的积磷菌是假单胞菌属（pseudomonas）和气单胞菌属（Aeromonas），而不是不动杆菌。,此外，朱怀兰等通过对间歇式活性污泥法除磷处理工艺中积磷菌的研究，分离出上述几种积磷菌以外，还有棒状菌群和肠杆菌等。Brodixch（伯乐的克次）等人通过研究认为，不动杆菌仅是总积磷菌的1%10%，而假单胞杆菌和气单胞杆菌可占15%20%。此外，他们还发现诺卡氏菌（Nocardia）体内具有聚磷颗粒。目前，有关积磷菌中哪些或哪几种菌群占主要地位的问题，尚需进一步研究。,（三）除磷的生物化学机
17、制 1、厌氧释放磷的过程 在厌氧条件下，积磷细菌将体内储藏的聚磷分解，产生的磷酸盐进入液体中（放磷），同时产生的能量可供积磷菌在厌氧压抑条件下生理活动之需，还可用于主动吸收外界环境中的可溶性脂肪酸，在菌体内以聚羟丁酸（PHB）的形式储存。细胞外的乙酸转移到细胞内生成乙酰COA（乙酰辅酶A）的过程需要耗能，这部分能量来自菌体内聚磷的分解，聚磷分解导致了可溶性磷酸盐从菌体内的释放和金属阳离子转移到细胞外。,2、好氧吸磷过程 在好氧条件下，积磷菌菌体内的聚羟丁酸（PHB）分解成乙酰COA （乙酰辅酶A） ，一部分用于细胞合成，大部分进入三羧循环和乙醛酸循环，产生氢离子和电子；从聚羟丁酸（PHB）分解
18、过程中也产生氢离子和电子，这两部分氢离子和电子经过电子传递产生能量，同时消耗氧。产生的能量一部分供积磷菌正常的生长繁殖，另一部分供其主动吸引环境中的磷，并合成聚磷，使能量储存在聚磷的高能磷酸键中，这就导致菌体从外界吸收可溶性的磷酸盐和金属阳离子进入体内。,积磷菌是一类生长较慢的细菌，它之所以能在厌氧和好氧系统中占优势，与其能够进行聚磷和储存与分解聚羟丁酸（PHB）有关。在厌氧条件下，积磷菌不能分解外界的有机物来获得能量，可以分解体内的聚磷来获得能量而生长繁殖。因此，积磷菌同不积磷菌的微生物相比，更能适应厌氧和好氧交替的环境而成为优势菌群。,（四）除磷工艺流程 目前研究和实际应用较为广泛的微生物
19、除磷工艺主要有以下几种： 1、A/O法 2、A2/O法 3、间歇式活性污泥生物除磷法 以上三种工艺在控制活性污泥丝状膨胀的对策中讲过。 4、Bardenpho法（鲍德佛） 原是脱氮系统，但已证明其同时具有除磷效果。 5、phoredox法（佛瑞道克斯） 6、UCT法 7、phostrip法（佛斯日扑）,（五）运行条件 以上各种工艺流程各有优缺点，可根据水质选用。以上工艺即能除磷又能脱氮，都是用厌氧、缺氧和好氧的方法加以排列组合。但它们的工作主体硝化细菌和除磷细菌的生理稍有不同，两者为争碳源而有矛盾。因此，要分别创造一个适合它们各自生理需要的生态环境。故有以上多种工艺流程。 为达到良好的除磷效果，要求NO3（硝酸盐）NO2（亚硝酸盐）极低，溶解氧在0.2mg/L以下，氧还原电位低于150mv（毫伏），温度30左右，PH78。 要使除磷效果较好，故废水的TKN：COD（总氮比化学需氧量）控制在0.08mgN/mgCOD以下，BOD5：TP的比大于20，可使出水总磷（TP）小于1mg/L。,布置作业 1、污废水为什么要脱氮除磷？ 2、参于脱氮的微生物有哪些？它们有什么生理作用什么 3、叫捷径反硝化？在生产中它有何义？ 4、脱氮运行管理中要掌握哪些关键才能获得高得脱氮效果？,