7丁国际废水生物处理微生物学及其应用

废水生物处理微生物学及其应用废水处理方法物理学化学生物学《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）污水厂标准，一级A最酷；总磷零点五，氨氮一个五，总氮三个五，COD十个五。废水工业废水生活污水碳水化合物、蛋白质、脂肪、油脂、有机酸、醇、醛、酮、酚碳水化合物蛋白质脂肪洗涤剂含氮物质不含氮物质微生物参与分解好氧微生物好氧分解厌氧微生物厌氧分解主要内容第一节不含氮有机物的分解第二节含氮有机物的分解第三节无机元素的转化第四节废水生物处理中的微生物第五节水体污染、自净与指示生物第一节不含氮有机物的分解不含氮有机物：碳水化合物、脂肪、酚、醛、酮、某些有机酸、烃和合成洗涤剂等。碳水化合物是由碳、氢和氧3种元素组成。占到生活污水中有机物的40－50%。单糖：葡萄糖二糖：蔗糖、乳糖、麦芽糖多糖：淀粉、纤维素、半纤维素碳水化合物一碳水化合物的分解葡萄糖糖酵解作用丙酮酸发酵有氧无氧各种发酵产物三羧酸循环被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。碳水化合物水解二脂肪的转化脂肪脂肪酶甘油脂肪酸简单的酸+CO2+CH4CO2+H2O厌氧好氧水解好氧第二节含氮有机物的分解污水中的含氮有机物：蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、硝基化合物等。生活污水中所含氮主要是以铵离子或尿素形式存在。氮是当今污水处理的主要去除对象。一氮的循环自然界中除植物利用无机氮转变为有机氮外，其它各转变过程均由微生物作用氨化作用硝化作用反硝化作用生物体有机酸NO3-NH4+NO2-NON2O大气N2反硝化作用生物固氮二蛋白质的转化（一）氨化作用1.蛋白质是由很多氨基酸（RCHNH2COOH）分子组成。2.蛋白质生物化学转化的第一步是水解。即转变为氨基酸。3.然后氨基酸发生脱氨基作用产生氨和不含氮的化合物。4.脱氨基作用可在有氧或无氧条件下进行。5.有机氮转变为氨氮过程称为氨化作用。6.参与氨化的细菌叫做氨化菌。好氧性有：荧光假单胞菌、灵杆菌；厌氧性有：腐败梭菌；兼性菌有变形杆菌。（二）硝化作用1.氨在好氧硝化细菌的呼吸过程中转变为亚硝酸，然后转变为硝酸的过程称为硝化作用。2.硝化作用由两类硝化菌完成。一类是亚硝酸菌（又称氨氧化菌）包括亚硝化单胞菌、亚硝化球菌、亚硝化螺菌和亚硝化叶菌。另一类是硝酸菌（又称亚硝酸氧化菌）包括硝化杆菌、硝化球菌和硝化囊菌。3.硝化菌是无芽孢的G（-）菌、大多为自养菌、偏好中性或偏碱性。对毒物敏感。专性好氧菌，在氧化过程中均以氧作为最终电子受体4.硝化是脱氮过程的限速步骤。（1）亚硝酸形成阶段2NH3+3O2亚硝酸细菌2HNO2+2H2O+ATP2HNO2+O2硝酸细菌2HNO3+ATPHNO2毒性很强，累积起来对植物有毒害。HNO3是植物吸收利用的有效氮素养料。（2）硝酸形成阶段（二）硝化作用硝化作用进行的条件:O2NH3碱性物质（中和产生的亚硝酸和硝酸）不需有机物存在蛋白质最终被氧化成：CO2、H2O、HNO3、H2SO4（硫化作用：H2S被氧化成S和H2SO4）（二）硝化作用（三）反硝化作用硝酸盐在通气不良环境中（缺氧），被反硝化细菌还原成NO2或N2的过程。1反硝化过程C6H12O6+4NO3-6H20+6CO2+2N2+ATP缺氧反硝化细菌N2NO3-NO2-NON2O微生物吸收利用硝酸盐有两种完全不同的用途。一是利用其中的氮作为氮源，称为同化性硝酸还原作用：NO3-→NH4+→有机态氮。许多细菌、放线菌和霉菌能利用硝酸盐做为氮素营养。另一用途是利用NO2-和NO3-为呼吸作用的最终电子受体，把硝酸还原成氮（N2），称为反硝化作用或脱氮作用：NO3-→NO2-→N2↑。能进行反硝化作用的只有少数细菌，这个生理群称为反硝化菌。反硝化细菌大多是异养菌，例如脱氮小球菌、反硝化假单胞菌等，它们以有机物为氮源和能源，进行无氧呼吸。反硝化作用发生的条件NO3-,NO2-有机物质存在氧气＜0.5mg/L（三）反硝化作用（四）生物脱氮基本原理污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被异养型微生物氧化分解，转化为氨氮，然后由自养型硝化细菌将其转化为NO3-，最后再由反硝化细菌将NO3-还原为N2。含氮有机物氨化细菌NH4+-N氨化作用亚硝酸细菌NO2--N硝酸细菌NO3--N硝化作用有O2反硝化细菌反硝化作用无O2N2AN/O工艺流程示意图Q：为何将AN放在前面？反硝化影响因素：1.溶解氧：活性污泥0.5mg/L；生物膜法1.5mg/L2.温度：0-40℃3.pH：最适7.0-7.54.营养物质：需BOD5/TN3，否则需外加甲醇等碳源。硝化影响因素：（为什么？）1.泥龄：一般大于20-30d2.溶解氧：活性污泥2mg/L；生物膜法3mg/L3.温度：12-30℃4.pH：氨氧化菌最适7.0-7.8；亚硝酸氧化菌最适7.7-8.1（如何控制？）5.营养物质：碳氮比越小越好；氨氮小于100-200mg/L6.毒物：对毒物敏感生物脱氮技术理论上可能的脱氮途径：NH4+→NO2-→NO3-→NO2-→N2NH4+→NO2-→N2NH4+→N21、亚硝酸型生物脱氮技术（1）原理亚硝酸硝化-反硝化过程：NH4+→NO2-→N2（2）优点①在硝化阶段没有NO3-，使耗氧量减少，可降低曝气能耗;②在反硝化阶段没有NO3-，可减少有机碳源的用量，降低了运行费用;③由于减少了两步反应使反应时间缩短，反应器容积可减少。（3）SHARON工艺最小污泥停留时间温度硝化细菌亚硝化细菌（4）OLAND工艺原理：控制溶解氧浓度，使硝化过程进行到氧化为阶段。氧亲和力亚硝酸菌氧饱和常数：0.2-0.4mg/L硝酸菌氧饱和常数：1.2-1.5mg/L注：氧饱和常数越小与氧亲和力越大。（5）生物膜内亚硝化工艺基本原理与OLAND相同，但可以避免因氧不足而引起的污泥膨胀。2、好氧反硝化技术（1）原理有些好氧反硝化菌等同时也是异养硝化菌，能够在好氧条件下直接将氨转化成气态产物。好氧反硝化过程：NH4+→N2（2）优点①完全脱氮;②强化磷的去除;③降低曝气要求，可节省能耗，减少反应器容积。3、ANAMMOX技术（厌氧氨氧化技术）（1）原理在厌氧条件下，以氨为电子供体，以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，将氨氧化成氮气。厌氧氨氧化过程：NH4++NO2-→N2（2）优点①厌氧氨氧化是自养的微生物过程,不需投加有机物以维持反硝化,无需供氧和炭源；且污泥产率低。②厌氧氨氧化最大比基质转化率较低，这使得厌氧氨氧化要求较长的反应停留时间。NH2OH+NH3→N2H4+H2ON2H4→N2+4[H]HNO2+4[H]→NH2OH+H2ONH3+HNO2→N2+2H2OHNO2+H2O+NAD→HNO3+NADH2启动3月后4月后4、SBR工艺（间歇曝气活性污泥工艺、序批式活性污泥工艺）改进的SBR工艺应用实例SBR改进工艺ICEASDAT-IATCASTUNITANK实例昆明第三污水厂天津开发区污水厂镇江新区污水厂上海某污水厂第三节无机元素的转化磷的转化1不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。Ca3（PO4）2CaHPO4（1）Ca3（PO4）2+2CO2+2H2O2CaHPO4+Ca（HCO3）2（2）Ca3（PO4）2+2HNO32CaHPO4+Ca（NO3）2（3）Ca3（PO4）2+H2SO42CaHPO4+CaSO42有机磷化物磷酸盐生物除磷原理聚磷菌一类的细菌，可以过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并将其以聚合形态储存在体内，形成高磷污泥。将高磷污泥排出系统，就可以实现污水除磷。生物除磷分两步进行：聚磷菌的放磷（厌氧条件）聚磷菌的磷过量摄取（好氧条件）聚磷菌的放磷（厌氧）ATP聚磷菌细胞内的聚磷酸盐分解PO43-废水中脂肪酸PHB、糖原储存在细胞内PHB(聚β羟基丁酸)聚磷菌的磷过量摄取（好氧）细胞内的PHB分解ATP废水磷聚磷菌聚磷酸盐储存在细胞内好氧时摄取的磷多于厌氧时释放的磷厌氧－好氧系统生物除磷过程图1聚磷菌的典型特征是细胞内含有异染颗粒。一般只能利用低级脂肪酸等小分子有机物，不能直接利用和分解大分子有机质。主要有：不动杆菌、假单胞菌、气单胞菌等。除聚磷菌外，还有发酵产酸菌和异养好氧菌参与生物除磷过程。参与生物除磷的微生物影响生物除磷的因素1.溶解氧/氧化还原电位：厌氧时Eh＝-200～300mv。好氧DO2mg/L2.温度：低温影响不大3.pH：中性、弱碱性4.硝酸盐与亚硝酸盐浓度：厌氧时0.2mg/L5.碳源：进水BOD5/TP15-306.泥龄：一般3.5-7d第四节废水生物处理中的微生物一废水处理中的几个概念二废水的好氧生物处理三废水的厌氧生物处理四生物法处理废水对水质的要求一废水生物处理中的一些概念废水生物处理法：利用微生物处理废水的方法。根据对氧气的要求好氧生物处理厌氧生物处理生物处理单元：处理废水的微生物处理构筑物处理系统生态系统：生物与生物、生物与非生物（环境）之间的相互关系。各类处理系统中的微生物都为混合培养的微生物系统。基本概念：有机物的生物分解：通过一系列的生化反应，最终将有机物分解成小分子有机物或简单无机物的过程。根据是否有氧气存在的条件下进行，生物分解分为好氧分解和厌氧分解两种。好氧分解最终产物是稳定而无臭的物质，包括二氧化碳、水、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等。厌氧分解最终产物主要是甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢等。好氧处理和厌氧处理:通常低浓度（COD＜1500mg/L）的有机污染物废水适合用好氧处理。对于高浓度有机污废水（COD≥1500mg/L）用厌氧处理更为适宜。为什么过高COD的废水不宜用好氧法？有机物浓度过高，好氧生物代谢迅速，水中溶解氧难以即时供应，好氧生物生长受限，很难保证处理质量，而厌氧生物则没有这种限制。活性污泥法和生物膜法：根据微生物在人工水处理设备中微生物所处状态的不同来进行的划分。原理：活性污泥法——模拟水体自净微生物在设备中呈悬浮状态，与废水接触使之净化的方法；生物膜法——模拟土壤自净微生物附着于其他物体表面上成薄膜状，与污废水接触使之净化的方法。活性污泥既有好氧活性污泥法，也有厌氧活性污泥法，生物膜法既有好氧生物膜法也有厌氧生物膜法。二废水的好氧生物处理及处理构筑物内的微生物（一）废水的好氧生物处理1定义在有氧的情况下，借好氧M的作用，对有机物进行氧化分解。能量（氧化）无机物细胞物质（合成）有机物+氧+M2废水好氧生物处理作用对象溶解的有机物——直接渗入细胞内被吸收固体的、胶体的有机物——间接吸收附在菌体外，由细菌所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，渗入细胞。3废水好氧生物处理的优缺点优点：无臭气、时间短。处理效果较好。缺点：设备复杂，能耗大。4废水好氧生物处理的方法活性污泥法★、生物膜法★（生物滤池、生物转盘）。什么是活性污泥？活性污泥中起主要作用的是什么物质？？曝气池中形成的污泥（微生物群）！菌胶团！活性污泥法是一种应用最广的废水好氧生物处理技术（二）好氧活性污泥法中的微生物1什么是好氧活性污泥好氧活性污泥是在曝气状态下由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)与污(废)水中有机的和无机固体物混凝交织在一起，形成的絮状体。活性污泥的形成是一种自然现象。例如，如果向一桶含粪便污水中不断地加入空气，并持续维持水中的溶解氧，经过一段时间后，就会产生褐色絮花状的泥粒，在显微镜下会看到，污泥里充满了各种各样的微生物，这就是典型的好氧活性污泥。微生物在设备中呈悬浮状态。2好氧活性污泥的组成和性质（1）组成好氧微生物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)与其上吸附的有机的和无机的固体杂质组成。（2）好氧活性污泥的性质颜色一般为棕褐色，黑色可能厌氧，白色可能无机物过多含水率在99％左右密度为1．002~1．006大小为0.02~0.2mm比表面积为20~100cm2／ml之间弱酸性(pH约为6.7)当进水改变时，对进水pH的变化有一定的承受能力。3好氧活性污泥中的微生物群落中心是能起絮凝作用的细菌形成的菌胶团，在其上生长着其他微生物。如酵母菌、