第十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

第十章污（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10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≤0．5mg/L氨氮≤15mg／L11.1污废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原理10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10污废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原理硝化3222NH+1.5OHNO+HO三、微生物脱氮原理、脱氮微生物及脱氮工艺1、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10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、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：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。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。10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DODO＜0.5mg/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。10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。10污废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原理2572223CHNO4.6NO2.8N1.2HO5CO4.6OH-（细胞）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。23235722231.08CHOHNO0.24HCO0.06CHNO0.47N1.68HOCOOH-（细胞）供氢体（碳源）电子受体10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：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——10污废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原理10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系统示意图N-硝化，DN-反硝化，S-沉淀池10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]10污废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原理10污废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原理10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HNO2后就转入反硝化阶段，可缩短曝气时间，节省运行费用。10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: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。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BOD10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。10污废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原理10污废水深度处理——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。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)10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、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P3、除磷的生物化学机制：10污废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原理10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。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）10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: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ＵＣＴ系统工艺流程图曝气池4混合液回流泵2压缩空气污泥回流泵3厌氧池1缺氧池2缺/好氧池3二沉池污泥回流混合液回流泵1进水泵进水曝气盘出水搅拌器1搅拌器2搅拌器3手动排泥剩余污泥阀慢速搅拌器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10污废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原理10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7～8。10.2微污染水源水预处理中的微生物学问题水源水(Rawwater)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。10.2微污染水源水预处理中的微生物学问题一、微污染水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。10.2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10.2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10.2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：10.3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10.3人工湿地中微生物与水生植物净化污（废)水的作用人工湿地生态系统净化废水过程10.3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10.3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