第十章污、廢水深度處理和微污染水源預處理中的微生物學原理

第一節污、廢水深度處理——脫氮除磷與微生物學原理一、污、廢水脫氮除磷的目的意義氮、磷污染的危害性：水體富營養化造成水體黑臭對人及生物有毒害作用二、水體中氮、磷的來源城市生活污水和工業廢水、農田肥料和動物糞尿有機氮NH3-NNO2-NO3-N2（二）脫氮原理：

氨化好氧好氧亞硝化硝化三、微生物脫氮工藝、原理及微生物（一）脫氮工藝：A/O、A2/O、A2O2、SBR（一）

硝化、脫氮微生物1、硝化作用微生物：包括亞硝化微生物、硝化微生物，好氧，G-，無機化能營養，個別有機化能營養

（1）亞硝化細菌（氧化氨的細菌）：化能無機營養，專性好氧，最適溫度25-30℃（5-30℃），最適pH7.5-8.0（5.8-8.5），常見菌：亞硝化單胞菌、亞硝化螺菌、亞硝化球菌、亞硝化葉狀菌。

（2）硝化細菌：最適溫度25-30℃，最適pH7.5-8.0。NO2-濃度在2-30mmol/L時化能無機營養最好，常見菌有硝化桿菌、硝化螺菌、硝化球菌。（3）硝化段的操作：①

泥齡：懸浮固體停留時間SRT。可通過排泥控制泥齡一般在5d以上，要大于硝化細菌的比生長速率。SRT=1/（μN-KNd）。μN——硝化菌比生長速率，KNd——硝化菌衰減速率，gNVSS/gNVSS·d（NVSS硝化細菌細胞物質）硝化作用所需最小固體停留時間為SRTmin=1/μN

max，15℃時硝化細菌μN

max0.45d-1。由于污水的水質和負荷逐日有波動，為了在已知氨氮和溶解氧條件下運行能達到穩定的硝化，須對理論SRT增加一個安全系數得出設計SRT。②溶解氧：一般維持在1.2~2.0mg/L。溶解氧小于0.5mg/L，硝化作用停止。需氧量的計算：O2=4.33（N被氧化）mg/L。每氧化1gNH3需消耗4.33g氧。③水力停留時間：普通活性污泥法曝氣時間4-6h④pH：硝化反應導致pH下降，而硝化細菌對pH十分敏感，亞硝酸細菌、硝酸細菌分別在7.0~7.8、7.7~8.1活性最強。可投加碳酸氫鈉、碳酸鈣維持堿度。需要量：堿度=7.14（N被氧化）mg/L⑤溫度：兩類硝化細菌的最宜溫度為30℃左右，在不同工藝和不同硝酸鹽負荷率下，溫度的影響大小不同，硝酸鹽負荷越低，影響越小。2、反硝化作用段細菌（1）反硝化作用細菌：能以NO3-為最終電子受體，將硝酸還原為氮氣的細菌，種類很多。（2）反硝化段運行操作反硝化生物過程如下：NO3-NO2-NON2ON2硝酸鹽還原酶亞硝酸鹽還原酶氧化亞氮還原酶氧化氮還原酶最適pH7-8，最適溫度10-35℃，溶解氧<0.2mg/L，反應的能量來源于有機物的氧化①碳源：a、廢水中有機基質一般認為BOD5：N>3：1時，無須外加碳源b、外加碳源BOD5：N<3：1時，需外加碳源，常用甲醇。外源反硝化細胞合成的經典反應式：NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.06C5H7NO2+0.47N2↑+1.68H2O+CO2+OH-每利用1gNO3-反硝化，消耗2.47g甲醇，產生0.45g新細胞和3.57g堿度。c、內源碳指微生物死亡、自溶后釋放出來的有機碳，也稱二次性基質。要利用內源碳要求反應器的泥齡長，污泥負荷低，使微生物處于生長曲線靜止期的后部或衰亡期。C5H7NO2+4.6NO3-→2.8N2↑+1.2H2O+5CO2+4.6OH-速率低，僅為外加碳源的1/10，優點是在C：N低時無須外加外來碳源也能達到脫氮目的而且污泥產量低。②溫度最適宜的溫度是15-35℃。③pH影響反硝化速率和反硝化最終產物。最適pH范圍7.0-8.0之間。對終產物的影響：pH<6.0-6.5時，N2O占優勢；pH>8，NO2-積累。PH越高，NO2-積累越多。高pH抑制了亞硝酸鹽還原酶的活性。④溶解氧氧只有在溶溶解氧為為零的時時候，反反硝化速速率才達達到最高高，當溶溶解氧達達到1mg/L時，反反硝化速速率接近近零。主主要機制制是氧抑抑制了硝硝酸鹽還還原酶的的形成。。此外，，氧可作作為電子子受體，，競爭性性阻礙硝硝酸鹽的的還原。。⑤毒物NH3、NO2、O2、pH。。NH3分子（非非離子））濃度過過高抑制制反硝化化反應。。3、生物物脫氮工工藝：反硝化有有單級、多多級反硝硝化。根據不不同水質質，通常常有三種種碳氧化化、硝化化、反硝硝化的組組合工藝藝。選擇擇工藝時時應根據據水質而而定，主主要看COD負負荷和NH3-N負荷荷，負荷荷低級數數少較好好，負荷荷高級數數多較好好。原因因是硝化化過程產產酸pH下降，，及時轉轉入反硝硝化提高高堿度，，可滿足足自身要要求，降降低生產產成本。。（1）多多級懸浮浮污泥法法：傳統統工藝（2）A/O工工藝兩級濾池池法工藝藝流程好氧脫碳碳硝化濾池進水厭氧反硝硝化濾池出水甲醇利用進水水中的BODA/O脫脫氮工藝藝廢水好氧脫碳碳缺氧反硝硝化沉淀池好氧硝化化沉淀池1好氧活性污泥泥回流缺氧活性污泥泥回流出水回流四、微生生物除磷磷原理、、工藝及及微生物物1、除磷磷原理（1）生物積磷磷作用：某些微微生物在在某些環環境條件件下，有有過量積積聚磷酸酸鹽的作作用，這這些細菌菌稱為聚磷菌.當細菌生生活在營營養豐富富環境里里開始大大量繁殖殖即將進進入對數數生長期期時，從從外界吸吸收大量量可溶性性磷酸鹽鹽，在體體內合成成多聚磷磷酸鹽并并積累起起來.當細菌進進入靜止止期時，，大部分分細胞已已停止繁繁殖，對對磷的需需要已經經很低，，若環境境中磷有有余，細細胞又有有一定能能量，便便能從外外界吸收收磷，形形成異染顆粒粒。（2）生物誘導導的化學學沉淀作作用：由于污污泥微生生物的代代謝作用用，導致致環境pH上升升，使廢廢水中的的溶解性性磷酸鹽鹽化學性性地沉積積于污泥泥上從而而隨污泥泥的排放放而去除除。2、聚磷磷細菌：：種類較較多，其其中聚磷磷能力強強的優勢勢菌有不不動桿菌菌——莫莫拉氏菌菌群、假假單胞菌菌屬、氣氣單胞菌菌屬、黃黃桿菌屬屬等。3、除磷磷的生物物化學機機制：除磷細菌菌特別適適宜在好氧-厭厭氧交替替循環的系統中中大量繁繁殖和過過量積聚聚磷。除除磷細菌菌首先在在厭氧條條件下釋釋放磷合合成聚ββ-羥基基丁酸（（PHB），而而后在好好氧條件件下，以以PHB為碳源源，吸收收磷酸鹽鹽合成多多聚磷酸酸鹽。（1）厭厭氧釋放放磷：除磷細菌菌只能在在低級脂脂肪酸類類小分子子有機基基質上生生長，在在厭氧區區中能大大量吸收收產酸菌菌產生的的發酵產產物———揮發性性脂肪酸酸（VHA），，但混合合液中VHA僅僅5mg/L，，而大多多數污泥泥微生物物的生長長速度都都比除磷磷細菌快快，如何競爭爭？Comeau的的乙酸吸吸收理論論：乙酸合成成PHB的反應式式：C6H12O6→2CH3COOH+4H++4e-CH3COOH+2ATP+CoASH→CH3COSCoA+2ADP+2Pi2CH3COSCoA→CH3COCH2COSCoA+CoASH→CH3CHOHCH2COSCoA→PHB+CoASHATP由多多聚磷酸鹽鹽分解產生生。因此積磷細細菌在厭氧氧時與其他他污泥微生生物競爭中中具有雙重優勢：一方面產產生的ATP可使它它在厭氧不不利條件下下比其他好好氧性異養養菌更易存存活，另一一方面使供供給其他微微生物的基基質不斷減減少，使其其他菌無法法很好的生生長。（2）好氧氧吸磷：除磷細菌將將積累的PHB好氧氧分解，釋釋放出大量量能量，供供其生長。。當環境中中有溶解磷磷存在時，，一部分能能量可供積積磷菌主動動吸收磷酸酸鹽，并以以多聚形式式存在。聚P聚P聚P聚P部分回流做種大部分（P）去除除水中P4、除磷工工藝流程（1）Bardenpho工藝：四個完全全混合活性性污泥反應應池串聯而而成，1、、3不曝氣氣，2、4曝氣，污污水在第2池停留時時間較長，，完全硝化化后進入第第3池（缺缺氧），發發生反硝化化，進入第第4池曝氣氣驅走氮氣氣，并除磷磷。（2）Phoredox工工藝：在缺氧1池前增設設一個厭氧氧發酵區，，從二沉池池回流的污污泥在此與與進水混合合，好氧池池中污泥混混合液回流流僅入缺氧氧區，厭氧氧區中的厭厭氧環境較較易達到。。（3）UCT工藝藝：Universityofcapetownprocess（4）VIP工藝藝：VerginlapolytechnicInsituteandstateuniversity，與與（3）類類似。厭氧：既不存在溶溶解氧，也也不存在NO3-、SO42-等結合氧缺氧：不存在溶解解氧，但存存在結合氧氧。5、運行條條件：根據據水質選用用（1）注意控制硝硝酸鹽：是提高除除磷效果的的關鍵之一一。硝酸鹽鹽濃度提高高，放磷量量下降，反反硝化細菌菌與積磷菌菌爭奪碳源源，會競爭爭性抑制放放磷。（2）基質：A——乙酸酸、甲酸、、丙酸等低低分子有機機酸；B——乙醇醇、甲醇、、檸檬酸、、葡萄糖；；C——丁酸酸、乳酸、、琥珀酸。。A類存在時時放磷速度度較大，所所誘導的厭厭氧放磷量量呈線性關關系；B類類必須在厭厭氧條件下下轉化為A類物質后后才能被積積磷菌利用用；C類能能否引起放放磷與污泥泥微生物組組成有關。。（3）pH：pH<5.2，磷大量量而快速釋釋放，由細細胞自溶和和磷酸鹽在在酸性條件件下溶解引引起的，因因此無效；；pH>9.5，先出現現磷凈吸收收而后釋放放。堿性條條件下生成成一些磷酸酸鎂、鈣的的沉淀，吸吸附到污泥泥絮體中；；pH7-8最佳。。（4）溫度：溫度上升升，放磷速速度增加，，10-30℃可提提高5倍。。第二節微微污染染水源水預預處理中的的微生物原原理一、微污染染水源預處處理的目的的意義微污染水源源水的危害害：影響公公眾健康、、增加投入入，提高水水價二、水源水水污染源和和污染物污染源：有機污染物物：天然有機物物：腐殖質質、藻類有有機物、非非溶解性有有機物（顆顆粒態）人工合成有有機物：有有毒有機污污染物，難難于降解在在環境中有有一定殘留留水平，具具有生物富富集性，三三致和毒性性。石油污污染物是典典型污染物物。三、微污染染水源水微微生物預處處理及微生生物群落1、處理工藝：：均采用膜法生物處理生物轉盤———適于處處理污染嚴嚴重的源水水、接觸氧氧化法、生生物濾池、、生物流化化床、生物物陶粒反應應器。工藝藝的選取要要根據水質質和處理目目的，填料料的選擇要要根據填料料對微生物物的附著力力和耐腐蝕蝕性。處理目的：去除有機機物、氨氮氮——反硝硝化工藝，，要外加碳碳源，2、水源水水預處理的的運行條件件（1）微生生物：貧營養菌，如土壤桿桿菌、嗜水水氣單胞菌菌、黃桿菌菌、纖毛菌菌等，對可可利用基質質有較大的的親和力，，且呼吸速速率低，因因此可以充充分利用水水中的有機機物（2）供氫氫體：若要去除除有機物和和氨氮，需需外加供氫氫體（3）溶解解氧：水流量大大時，溶解解氧需4mg/L以以上（4）水溫溫和pH第三節人人工濕地中中微生物與與水生植物物凈化污（（廢）水的的作用一、人工濕濕地生態系系統人工濕地是是指人工建建造的類似似于沼澤的的濕地內，放置一定高高度的填料料，其上種種植特定的的水生植物物，在水生生植物根系系周圍生長長著豐富多多樣的微生生物群落，，基質、水生生植物與微微生物構成一個類類似于天然然沼澤地的的特殊生態態系統二、人工濕濕地凈化污污（廢）水水的基本原原理人工濕地生生態系統凈凈化污水的的原理是利利用系統中中的物理、化學學、生物的協同作用用，通過土土壤過濾、、吸附、沉沉淀、離子子交換、植植物吸收和和微生物分分解來實現現對污水的的高效凈化化。即污水水在沿一定定方向流動動的過程中中，在濕地地土壤、植植物和微生生物共同作作用下得到到了高效的的凈化。三、人工濕濕地各組成成的功能（一）基質質目前廣泛應應用的人工工濕地主要要由沙粒、、沙土、土土壤、石塊塊為基質作用：為微生物生生長提供基基質為濕地植物物提供載體體和營養物物質吸附和過濾濾作用基本要素：：基質、濕濕生植物和和微生物（二）濕地地水生植物物分為浮水性性、挺水性性和沉水性性。挺水性性為主。浮水性和挺挺水性主要要吸收氨氮氮，沉水性性吸收磷水蔥水美人蕉作用：發達的根系系直接吸收收水中有機機污染物將氧氣運送送到根系，，提供根系系微生物需需要根系分泌物物為微生物物提供營養養和能源水菖蒲燈芯草（三）根際際和根面微微生物種類和數量量由以下因因素決定：濕地植物物根系分泌泌物的種類類和數量；；污廢水的的種類；水水中溶解氧氧的含量。。微生物種類類有：細菌、、硝化細菌菌、反硝化化細菌、硫硫化細菌、、反硫化細細菌、磷細細菌、纖維維素分解菌菌、固氮菌菌、真菌、、放線菌、、原生動物物、藻類等等四、人工濕濕地生態系系統處理污污廢水的效效果主要應用類類型:表層流濕地地（廢水水水平流動，，通過濕地地而沉淀））——地表濕濕地滲漏濕地（（廢水垂直直流入，經經滲透沉積積后排水去去除）——垂直流流濕地潛流濕地優點造價和運行行費用低，，易于維護護可進行有效效可靠的廢廢水處理可緩沖對水水力和污染染負荷的沖沖擊可產生綜合合效益問題與展望望占地面積大大氮磷除去率率較低受氣候條件件限制較大大污水對植物物影響研究究不足加強對特殊殊廢水處理理的研究第四節飲用水的消消毒及其微微生物學效效應一、水消毒毒的重要性性：水是疾疾病傳播的的媒介之一一二、水的消消毒方法（一）煮沸沸法：最原始但但簡單有效效（二）加氯氯消毒：液氯、漂漂白粉（Ca（Cl）2）、氯胺是是常用的消消毒劑。用用量依水源源有機物污污染程度而而定，飲用用水通常以以消毒劑與與水接觸30min后游離余氯量量不低于0.3mg/L，管管網末梢游游離余氯量量不低于0.05mg/L為為標準。折點加氯法法：2NH3+3Cl2→N2+6HCl，折點點3×71/28≈≈7.6倍倍。含NH4+加氯產生NH2Cl、NHCl2，轉變為氮氮氣，使反反應向右不不斷進行，，此時余氯氯含量最少少（折點）），加氯比比例：mCl2/mNH3-N=8：1~10：1，控制pH6-8。氯氣殺菌機機制：Cl2+H2O→HOCl+H++Cl-HOCl→→H++OCl-有效的