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

1.08CH3OH

NO3-

0.24H2CO3
0.06C5H7 NO2 （细胞）
0.47N2
1.68H2O

CO2

OH
供氢体（碳源） 电子受体
C5H7 NO2 （细胞）
4.6NO3-
2.8N2
1.2H2 O

5CO2

4.6OH
10 污废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原 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
硝 化 反硝化
NH3 +1.5O2 HNO2 +H2O 短程硝化、亚硝化
0.5O2 +HNO2 HNO3 全程硝化、亚硝化+硝化
2HNO3 +CH3CH2OH N2 2CO2 2[H] 3H2O
NH3 +HNO2 N2 +2H2O 2NH3+HNO3 1.5N2 3H2O [H] 2NH3 +H2SO4 N2 +S+4H2O
≤15mg／L
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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
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三、微生物脱氮原理、脱氮微生物及脱氮工艺
1、脱氮原理：
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。
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。
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7～8 60～75℃
——
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。
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倒置反硝化
缺氧（Anoxic） 厌 氧 （ Anaerobic ） 好氧（Oxic）
工艺简介
常见的脱磷工艺如下图所示
进
出
水
水
部分污泥回流接种
厌氧 放磷
好氧 聚磷
沉淀 脱磷
剩余污 泥处理
10 污废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原 理
图 A/O工艺流程示意图（除磷）
微生物除磷工艺流程
A/O（Anaerobic/Oxic）法:
进水
厌氧池
好氧池
出水 沉淀池
回流
A/A/O（Anaerobic/Anoxic/Oxic）法:
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：
乙酸 聚P 聚磷菌
厌氧释放磷
好氧吸磷
部分回流
水中P
做种
P
PHB
PHB
聚磷菌
O2 聚磷菌
大部分 （P）去除
聚聚聚PP聚P聚PP
聚磷菌
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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。
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。
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。
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3、除磷的生物化学机制：
有机基质 产酸菌
A/O脱氮工艺
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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
10 污废水深度处理——脱氮、除磷与微生 物学原理
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。
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DO
DO＜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
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。
11.1 污废水深度处理——脱氮、除磷与微 生物学原理
污、废水脱氮、除磷的具体指标
一级标准
源自文库
废水磷含量在≤0．5mg/L
氨氮
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 厌氧条件下，积磷菌将体内
(小于0.2mg／L )
的聚磷分解产生能量
一部分能量用于吸收外界 可溶性脂肪酸，形成PHB
另一部分能量用于生 理活动需要
好氧吸磷
(大于2mg／L )
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
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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。
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
10 污废水深度处理——脱氮、除磷与微生 物学原理
运行阶段 运行操作
反应
氧气
pH 温度 曝气时间
硝化阶段
NH3→NO3－ 供给足够的氧
7.5～8.0 20～30℃
30h
反硝化阶段
NO3－→N2 低溶解氧
进水 厌氧池
缺氧池
好氧池
出水 沉淀池
回流
图6－16 A/O和 A/A/O法工艺流程示意图
压缩空气
进水
缺氧池 缺氧池 厌氧池
慢速搅拌器反硝化细聚菌磷利菌用将厌好其氧体发区内酵中贮菌回存将的污聚水磷中酸的好可氧生池物 流液中的盐硝分酸解盐，降以释解及放的污其大水生分中存子聚所有磷需机菌能物在量转利化用为污水中残留的
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甲醇
利用进水
进水
中的BOD
好氧 脱碳 硝化 滤池
厌氧 反硝
化 滤池
出水
两级滤池法工艺流程
补充反硝化菌的碳源！
10 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
反硝化生物化学反应机制： NO3- 硝酸还2e原酶NO2 亚硝酸还e 原酶NO 氧化氮还e 原酶N2O 氧化亚+氮e还原酶N2
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。
传统反硝化
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
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活性污泥法典型工艺——A/O工艺[缺氧（anoxic）、好氧 （oxic）工艺]
缺
废 水
氧 反
沉淀池1
硝
化
好好 氧氧 脱硝 碳化
回流
沉淀池2 出水
缺氧活性污泥回流
好氧活性污泥回流
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
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)。
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
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。
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
二沉池 的有机基质进行V反F硝A这化类，分达子有量机较基低质的的发同酵时中，主要通过
到同时除磷脱氮间的产效物果。。聚磷分菌解利其用体其内合贮成存自的PHB所放
身的细胞质，出大的量能繁量殖缺维/好。持氧池其3 生长，同时缺氧池2
曝气池4
过量搅摄拌取器 环3 境中的溶解搅拌态器磷2 。
曝气盘
硝化菌将污水中的氨氮转化
10.2 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。
出水
成为硝酸盐。
进水泵
厌氧池 1 搅拌器1
污泥回流
污泥回流泵3
混合液回流泵 2
剩余污泥阀
手动排泥
混合液回流泵 1
ＵＣＴ系统工艺流程图
10 污废水深度处理——脱氮、除磷与微生物学原 理
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
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。