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

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水环境污染生物处理的主要方法包括？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？污水的深度处理—脱氮除磷微污染水源水该如何处理？人工湿地也能处理污水吗？从水源到饮用，饮用水如何消毒？内容提要第一节污、废水深度处理-脱氮除磷与微生物学原理第二节微污染水源水预处理中的微生物学问题第三节人工湿地中微生物与水生植物净化污水的作用第四节饮用水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一、污（废）水脱氮、除磷的目的和意义二、天然水体中氮、磷的来源三、微生物脱氮原理、脱氮微生物及脱氮工艺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，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。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(1)使水味变得腥臭难闻；(2)降低水体的透明度；(3)消耗水体的溶解氧；(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:废水磷含量在≤0．5mg/L氨氮≤15mg／L污、废水脱氮、除磷的具体指标二、天然水体中氮、磷的来源提问：有哪些？城市生活污水农肥（氮）和喷洒农药工业废水禽畜粪便水三、微生物脱氮原理、脱氮微生物及其工艺硝化3222NH+1.5OHNO+HO（一）脱氮原理：2230.5O+HNOHNO3322222HNO+CHCHOHN2CO2[H]3HO3222NH+HNON+2HO33222NH+HNO1.5N3HO[H]324222NH+HSON+S+4HO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+硝化厌氧氨氧化脱氮厌氧氨氧化脱氮厌氧氨反硫化脱氮厌氧氨氧化的发现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。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，vandeGraaf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(Brocadiaanammoxidans和Kuenenstuttgartiensis)都属于分支横生的浮霉细菌。（二）硝化、脱氮微生物1.硝化作用段及微生物（1）氧化氨的细菌（2）氧化亚硝酸细菌（3）硝化过程的运行操作1.硝化作用段及微生物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：①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。（25~30℃,7.5~8.0，亚硝化球菌代时：8~12h，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。氧化亚硝酸细菌：即硝化细菌。（25~30℃,7.5~8.0，亚硝酸2~30mmol/L，代时8h~几天）（3）硝化段的运行操作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：泥龄（悬浮固体停留时间SRT）：一般为5天以上足够DO（1.2~2.0mg/L，＜0.5mg/L硝化作用停止）适度曝气时间（水力停留时间）：味精废水，30h适当维持碱度：酸性对硝化细菌不利，投NaHCO3温度：25-30泥龄定义：每日新增污泥平均停留在曝气池中的天数。即曝气池全部活性污泥平均更新一次所需的时间。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。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。2.反硝化作用段及其细菌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。反硝化段运行操作关键指标：碳源：有机物（葡萄糖、乳酸、丙酮酸、甲醇、乙醇）pH：7～8最终电子受体：NO3-和NO2-溶解氧＜0.2mg/L运行阶段运行操作硝化阶段反硝化阶段反应NH3→NO3－NO3－→N2氧气供给足够的氧低溶解氧pH7.5～8.07～8温度20～30℃60～75℃曝气时间30h——反硝化类型2eeee2223NONONONON+-硝酸还原酶亚硝酸还原酶氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶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。厌氧氨氧化脱氮：利用HNO2氧化NH3为N2。同时去除NH3和HNO2传统的反硝化生物化学反应（三）微生物脱氮工艺的选择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系统示意图N-硝化，DN-反硝化，S-沉淀池缺氧（Anoxic）厌氧（Anaerobic）好氧（Oxic）A/O、A2/O、A2/O2倒置反硝化传统反硝化三段生物脱氮工艺：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。A/O脱氮工艺废水好氧脱碳缺氧反硝化沉淀池好氧硝化沉淀池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、好氧工艺）提问：硝化脱氮时有时需要补碱（Na2CO3或NaOH)?硝化作用消耗碱（NH4+、CO3-），水pH下降；提问：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？挂生物膜或投加悬浮填料定期投菌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！(C:N大于2.86)利用进水中的BODSBR（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反硝化需要碳源作电子供体。C:N＞2.86，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。（一）微生物除磷原理：（BOD：N：P）100：5：1——微生物除碳的同时吸收磷元素用以合成细胞物质和合成ATP等，但只去除污水中约19％左右的磷。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。聚磷菌(PAO)：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0.2mg／L)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2mg／L)（二）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、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。有机基质厌氧释放磷好氧吸磷乙酸P聚磷菌聚磷菌O2聚磷菌聚磷菌产酸菌聚PPHBPHB聚P聚P聚P聚P聚P部分回流做种大部分（P）去除水中P（三）除磷的生物化学机制好氧时：大量繁殖（消耗好氧状态能源——聚β-羟基丁二酸（PHB）），逆浓度梯度过量吸磷（贮备厌氧状态能源——多聚磷酸盐颗粒(即异染颗粒)）；厌氧时：正相反——不繁殖，释放磷酸盐于体外（产生能量供其储备消耗好氧状态能源——PHB）。（四）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。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6－16A/O和A/A/O法工艺流程示意图生物除磷的影响因素①溶解氧：在厌氧反应器内，DO0.2mg/L；在好氧反应器内，DO为2mg/L左右。②污泥龄：污泥龄为30d，除磷率为40%；污泥龄为17d，除磷率为50%；污泥龄为5d时，除磷率高达87%；③温度：在5-30°C的范围内，都可以取得较好的除磷效果；同步脱氮除磷工艺Anaerobic/Anoxic/OxicUCT工艺Anaerobic/Anoxic/Oxic工艺进水沉淀池厌氧池缺氧池好氧池剩余污泥出水内回流污泥回流进气管Anaerobic/Anoxic/Oxic工艺工艺特点：(1)工艺流程比较简单；(2)厌氧、缺氧、好氧交替运行，不利于丝状菌繁殖，无污泥膨胀之虞；(3)无需投药，运行费用低；(4)污泥中含磷浓度高，具有很高的肥效。UCT工艺（UniversityofCapetown）UCT工艺（UniversityofCapetown）工艺特点：（1）类似于A2/O工艺的脱氮除磷工艺；（2）与A2/O工艺的不同之处在于沉淀池污泥是回流到缺氧池而不是回流到厌氧池，好处？可以防止由于硝酸盐氮进入厌氧池，破坏厌氧池的厌氧状态而影响系统的除磷效率；（3）增加了从缺氧池到厌氧池的缺氧池混合液回流，由缺氧池向厌氧池回流的混合液中含有较多的溶解性BOD，而硝酸盐很少，为厌氧段内所进行的发酵等提供了最优条件。生物脱氮新技术传统的脱氮理论：NH4+-N去除的过程必须先硝化再反硝化近年来：许多研究表明，硝化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用；反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化；而且，许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌。脱氮新工艺如同步硝化反硝化和全程自养脱氮等相继被开发出来，它们在脱氮过程中成功地解决了碳源矛盾和碱度平衡等传统硝化反硝化生物脱氮难以解决的问题，极大地推动了高效率生物完全脱氮的发展，同时也为各行业废水的高效生物脱氮处理技术的开发提供了新的思路和依据。生