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1、第十一章 污（废）水深度处理和微污染源水预处理中的微生物学原理,污（废）水深度处理脱氮除磷与微生物学原理 微污染水源水预处理中的微生物学问题 人工湿地中微生物与水生植物净化污（废）水的作用 引用水的消毒及其微生物学效应,11.1 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。,污、废水脱氮、除磷的具体指标,一级标准废水磷含量在05mg/L氨氮 15mgL,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,11.
2、1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,二、天然水体中氮、磷的来源,城市生活污水 农肥（氮）和喷洒农药 工业废水 禽畜粪便水,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,硝 化,三、微生物脱氮原理、脱氮微生物及脱氮工艺,1、脱氮原理：,反硝化,好氧段，由亚硝化细菌和硝化细菌的硝化作用，将NH3转化为NO3-N；缺氧段，经反硝化细菌将NO3-N反硝化还原为氮气，溢出水面释放到大气，N2参与自然界物质循环，水中含氮物质大量减少。,短程硝化、亚硝化,全程硝化、亚硝化+硝化,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,2、硝化作用段微生物,亚硝化细菌和硝化细菌在自然界广泛分布，在土壤、
3、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，绝大多数营化能无机营养。氧化氨的细菌：好氧氨氧化细菌，氧化NH3为HNO2，从中获得能量供合成细胞和固定CO2。另有厌氧氨氧化细菌及厌氧反硫化细菌。氧化亚硝酸细菌：即硝化细菌。,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,硝化段的运行操作,硝化段运行（硝化细菌世代时间普遍比异氧菌的世代时间长）泥龄（悬浮固体停留时间SRT）泥龄大于硝化细菌的比生长速率。足够DO DO0.5mg/L硝化作用停止。适度曝气时间适当维持碱度温度,泥龄定义为每日新增污泥平均停留在曝气池中的天数，也就是曝气池全部活性污泥平均更新一次所需的时间。反映了活性
4、污泥吸附有机物以后，进行稳定氧化的时间长短。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。但是污泥龄也不能太长，否则污泥会老化，影响沉淀效果。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。,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,3、反硝化作用段微生物,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。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，会对水生动物产生毒害。,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,
5、反硝化生物化学反应机制：,外源反硝化：利用外来碳源，以NO3-为最终电子受体，氧化有机物合成细胞。内源反硝化：以机体内的有机物为碳源，以NO3-为最终电子受体。,供氢体（碳源）,电子受体,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,反硝化段运行操作,关键指标：碳源：有机物 pH：78 最终电子受体：NO3-和NO2-溶解氧0.2mg/L,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,4、生物脱氮工艺,反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。,工艺选择主要看COD负荷和NH3-N负荷。,图 A、B两种排列的A/O系
6、统示意图N-硝化，DN-反硝化，S-沉淀池,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,缺氧（Anoxic）厌氧（Anaerobic）好氧（Oxic）,倒置反硝化,传统反硝化,A/O脱氮工艺,废水,好氧脱碳,缺氧反硝化,沉淀池2,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（anoxic）、好氧（oxic）工艺,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,SBR（序列间歇式活性污泥法）工艺操作过程,捷径反硝化：硝化作用产生HNO
7、2后就转入反硝化阶段，可缩短曝气时间，节省运行费用。,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,反硝化中的碳氮比反硝化需要碳源作电子供体。C:N2.86，反硝化正常。补充碳源，甲醇或乙醇、内碳源、废水本身组成物质。,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,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,脱氮工艺选择依据水质而定COD负荷和NH3-N负荷合理调整硝化、反硝化BOD5:TN（C:N）大于2.86时反硝化正常，低于此值，需投加外加碳源。,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,11.1 污
8、废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,四、微生物除磷原理、工艺及其微生物,1、微生物除磷原理：,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聚磷酸盐颗粒（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)。在厌氧条件下，聚磷菌又能释放磷酸盐于体外。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。,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),11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,2、聚磷细菌：,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养菌、
9、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。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。,大部分（P）去除,3、除磷的生物化学机制：,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,4、除磷工艺流程：,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
10、。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、旁硫除磷的Phostrip工艺、SBR等。,工艺简介,常见的脱磷工艺如下图所示,进水,厌氧放磷,好氧聚磷,出水,部分污泥回流接种,剩余污泥处理,沉淀脱磷,图 A/O工艺流程示意图（除磷）,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,微生物除磷工艺流程,A/O（Anaerobic/Oxic）法:,A/A/O（Anaerobic/Anoxic/Oxic）法:,图616 A/O和 A/A/O法工艺流程示意图,系统工艺流程图,厌氧池 厌氧发酵菌将污水中的可生物降解的大分子有机物
11、转化为VFA这类分子量较低的发酵中间产物。聚磷菌利用其合成自身的细胞质，大量繁殖。,缺氧池聚磷菌将其体内贮存的聚磷酸盐分解，释放其生存所需能量,缺氧池反硝化细菌利用好氧区中回流液中的硝酸盐以及污水中的有机基质进行反硝化，达到同时除磷脱氮的效果。,好氧池聚磷菌在利用污水中残留的有机基质的同时，主要通过分解其体内贮存的PHB所放出的能量维持其生长，同时过量摄取环境中的溶解态磷。硝化菌将污水中的氨氮转化成为硝酸盐。,图 A2/O工艺流程示意图,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,11.1 污废水深度处理脱氮、除磷与微生物学原理,5、运行条件：,厌氧、缺氧和好氧的方法加以排列组合。为达到
12、良好的除磷效果，要求NO3-、NO2-极低，溶解氧在0.2mg/L以下，氧化还原电位低于150mv，温度30，pH在78。,11.2 微污染水源水预处理中的微生物学问题,水源水(Raw water)地表水：江、河、湖泊、水库。地下水：常常未经处理直接引用。,中国水资源现状 2001年2004年，具有灾害性特征的水污染事件3988起，平均每天3起。世界上污水排放量最大、增加速度最快的国家之一。436条河流污染（532条主要的河流）。根据中国预防医学科学院环境卫生监测所公布的资料，目前中国主要大城市中只有23%的居民饮水符合卫标准的要求。,11.2 微污染水源水预处理中的微生物学问题,一、微污染水
13、源水预处理的目的和意义,对于广泛的污染物质，水源水处理能力有限。要增加处理能力，代价高昂。现有工艺对有机物、金属、氨氮去除能力差。,11.2 微污染水源水预处理中的微生物学问题,二、水源水污染源和污染物,污染源：未经处理的工业废水、生活污水、农业灌溉和养殖业排放水、未达标的处理水。污染物 重金属：汞、镉等。有机物：苯、酚、农药等。藻类分泌物。微生物污染。,常规处理加深度处理与预处理、常规处理加深度处理,11.2 微污染水源水预处理中的微生物学问题,三、微污染水源水预处理及微生物群落,1、微生物预处理工艺 本质：水源水生物处理技术的本质是水体天然净化的人工化。原理：微生物吸附降解。生物膜法：生物
14、滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等。填料：考虑填料对微生物的附着力和耐腐蚀性。目标：有机物和氨氮,11.2 微污染水源水预处理中的微生物学问题,2、水源水预处理的运行条件 微生物：适应贫营养的异养除碳、硝化细菌和反硝化细菌、藻类、原生动物和微型后生动物组成的生态系。供氢体：甲醇、乙醇、糖等。电极生物膜反应器微电解水放H2。DO：一般在4mg/L以上，能满足氧化有机物和硝化作用的需要，反硝化难以维持。水温和pH：,11.3 人工湿地中微生物与水生植物净化污（废)水的作用,一、人工湿地生态系统模拟自然湿地的人工生态系统。4要素：水体、基质、水生植物和微生物,11.3 人工湿地中微生物与水生
15、植物净化污（废)水的作用,人工湿地生态系统净化废水过程,11.3 人工湿地中微生物与水生植物净化污（废)水的作用,二、人工湿地净化污（废）水的基本原理,基质-微生物-植物的复合生态系统的物理、化学和生物的协调作用,11.3 人工湿地中微生物与水生植物净化污（废)水的作用,三、人工湿地各组成的功能,（一）基质 土壤或其上铺沙、砾石、煤渣、矿渣等 作用：为微生物的生长提供稳定的附着基质为湿地植物提供载体、扎根的温床和营养物质对污染物具有吸附和过滤作用,11.3 人工湿地中微生物与水生植物净化污（废)水的作用,三、人工湿地各组成的功能,（二）湿地水生植物 浮水、挺水和沉水（多）特点：发达的根系 作用
16、：富集污染物维持湿地水力运输产氧供给微生物所需根系分泌物为微生物提供营养和能源,11.3 人工湿地中微生物与水生植物净化污（废)水的作用,三、人工湿地各组成的功能,（三）微生物 多种微生物种类 和植物共栖 作用：降解污染物为植物提供养分,11.4 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）其中只有更少的病原菌能经食道进入肠道引起疾病。口中溶菌酶；正常胃酸pH3.2。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。,水相关的流行病学资料WHO：80%的疾病,50%儿童死亡与饮用水相关。WHO指出饮用水中对人体两类主要的威胁：细菌和
17、病毒；有机污染物。,11.4 饮用水的消毒及其微生物学效应,二、水的消毒方法,1、煮沸法 最原始的方法，简便、有效。高温快速破坏病原菌的蛋白质，使其凝固发生不可逆变性。,物理方法：煮沸、紫外辐射化学方法：投加消毒剂（氯、臭氧、过氧化氢等）,11.4 饮用水的消毒及其微生物学效应,2、加氯消毒 最为方便、有效和经济实用的消毒方法。,液氯：特异臭味的黄绿色气体，很强的氧化能力。氯加压液化，便于储藏和运输。漂白粉：含Ca(OCl)2、CaCl2、Ca(OH)2混合物。氯胺：NH2Cl和NHCl2。二氧化氯：ClO2。,11.4 饮用水的消毒及其微生物学效应,2、加氯消毒 有效氯：含氯化合物中具有杀菌
18、能力的有效成分。次氯酸：强氧化剂，具有较强的渗透进入微生物细胞的能力，与菌体蛋白和酶蛋白中的NH2和SH反应而达到杀菌作用。,11.4 饮用水的消毒及其微生物学效应,影响加氯消毒的因素 pH：较低时加氯消毒效果较好。次氯酸的电离pH37，HOCl占大部分，中性的HOCl进入细胞内杀死细菌。pH10,细菌表面带负电荷，OCl-无法进入菌体内。水的浑浊度：高时，降低了杀菌效果，消毒前要进行混凝沉淀和过滤处理。水温：水温高杀菌作用快。加氯量和接触时间,11.4 饮用水的消毒及其微生物学效应,需氯量与余氯 需氯量：氯不仅与微生物作用，还要氧化水中的有机物和还原性物质，其需要的氯的总量。余氯：为保证消毒
19、效果，加氯量必须超过水的需氯量，使在氧化和杀菌后还能剩余一些有效氯。游离性余氯：HOCl、OCl-、Cl2，杀菌力强；结合性余氯：NH2Cl、NHCl2，杀菌力较弱；,11.4 饮用水的消毒及其微生物学效应,加氯生成的“三致”物 三致：致癌、致畸、致突变 含卤素有机物：三卤甲烷类（THMS）有机物等，如氯仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷、三溴甲烷等。水源水中含有多种有机物如腐殖酸、乙醛、乙醇、丙酮等作为前体物，可与水中的氯反应生成THMS。,11.4 饮用水的消毒及其微生物学效应,加氯消毒已经应用数十年，在防止水介传染病的发生与流行上起了很大的作用。它带来了饮水的微生物学安全，但带来了化学上的不
20、安全。解决的途径有三方面：消毒前尽量消减水中的有机物（“三致”前体物）改用其它适宜的消毒剂 通过理、化、生物等方法吸附或破坏饮水中已生成的含卤素有机物,11.4 饮用水的消毒及其微生物学效应,3、臭氧（O3）消毒 臭氧是强氧化剂，由空气中的氧在高压电流作用下制取。臭氧加入水中放出新生氧（O），有很强的氧化能力，能氧化水中的有机物并杀死细菌及其芽孢。投加量超过某一数量，才有杀菌消毒作用。优点：杀菌、杀病毒的速率高于氯气。与氨不起作用，也不会产生用氯消毒经常产生的氯酚气味。提高溶解氧量。缺点：无持续杀菌作用。产生臭氧耗点多，费用高。,11.4 饮用水的消毒及其微生物学效应,4、过氧化氢（H2O2）消毒 活泼的氧化剂，只对不具有过氧化氢酶的微生物起作用。5、紫外辐射消毒 破坏蛋白质结构而变性 破坏核酸分子的结构6、微电解消毒 微电解水产生活性氧和H+。活性氧具有强氧化能力，可杀死细菌及藻类。与水中氯离子作用生成HOCl，更增强杀菌能力。氧化水中的NH3和NO2-为NO3-。,
