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1、污 废水深度处理和微污染水源预处理中的微生物学原理 主讲人 王世庆 二0一0年五月 一 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意义氮 磷污染的危害性 水体富营养化 造成水体黑臭 对人及生物有毒害作用 二 水体中氮 磷的来源城市生活污水和工业废水 农田肥料和动物粪尿 有机氮 NH3 N NO2 NO3 N2 二 脱氮原理 氨化好氧好氧 亚硝化硝化 三 微生物脱氮工艺 原理及微生物 一 脱氮工艺 A O A2 O A2O2 SBR 一 硝化 脱氮微生物1 硝化作用微生物 包括亚硝化微生物 硝化微生物 好氧 G 无机化能营养 个别有机化能营养 1 亚硝化细菌 氧化氨的细
2、菌 化能无机营养 专性好氧 最适温度25 30 5 30 最适pH7 5 8 0 5 8 8 5 常见菌 亚硝化单胞菌 亚硝化螺菌 亚硝化球菌 亚硝化叶状菌 2 硝化细菌 最适温度25 30 最适pH7 5 8 0 NO2 浓度在2 30mmol L时化能无机营养最好 常见菌有硝化杆菌 硝化螺菌 硝化球菌 3 硝化段的操作 泥龄 悬浮固体停留时间SRT 可通过排泥控制泥龄一般在5d以上 要大于硝化细菌的比生长速率 SRT 1 N KNd N 硝化菌比生长速率 KNd 硝化菌衰减速率 gNVSS gNVSS d NVSS硝化细菌细胞物质 硝化作用所需最小固体停留时间为SRTmin 1 Nmax
3、15 时硝化细菌 Nmax0 45d 1 由于污水的水质和负荷逐日有波动 为了在已知氨氮和溶解氧条件下运行能达到稳定的硝化 须对理论SRT增加一个安全系数得出设计SRT 溶解氧 一般维持在1 2 2 0mg L 溶解氧小于0 5mg L 硝化作用停止 需氧量的计算 O2 4 33 N被氧化 mg L 每氧化1gNH3需消耗4 33g氧 水力停留时间 普通活性污泥法曝气时间4 6h pH 硝化反应导致pH下降 而硝化细菌对pH十分敏感 亚硝酸细菌 硝酸细菌分别在7 0 7 8 7 7 8 1活性最强 可投加碳酸氢钠 碳酸钙维持碱度 需要量 碱度 7 14 N被氧化 mg L 温度 两类硝化细菌的
4、最宜温度为30 左右 在不同工艺和不同硝酸盐负荷率下 温度的影响大小不同 硝酸盐负荷越低 影响越小 2 反硝化作用段细菌 1 反硝化作用细菌 能以NO3 为最终电子受体 将硝酸还原为氮气的细菌 种类很多 2 反硝化段运行操作反硝化生物过程如下 NO3 NO2 NO N2O N2 硝酸盐还原酶亚硝酸盐还原酶 氧化亚氮还原酶 氧化氮还原酶 最适pH7 8 最适温度10 35 溶解氧 0 2mg L 反应的能量来源于有机物的氧化 碳源 a 废水中有机基质一般认为BOD5 N 3 1时 无须外加碳源b 外加碳源BOD5 N 3 1时 需外加碳源 常用甲醇 外源反硝化细胞合成的经典反应式 NO3 1 0
5、8CH3OH 0 24H2CO3 0 06C5H7NO2 0 47N2 1 68H2O CO2 OH 每利用1gNO3 反硝化 消耗2 47g甲醇 产生0 45g新细胞和3 57g碱度 c 内源碳指微生物死亡 自溶后释放出来的有机碳 也称二次性基质 要利用内源碳要求反应器的泥龄长 污泥负荷低 使微生物处于生长曲线静止期的后部或衰亡期 C5H7NO2 4 6NO3 2 8N2 1 2H2O 5CO2 4 6OH 速率低 仅为外加碳源的1 10 优点是在C N低时无须外加外来碳源也能达到脱氮目的而且污泥产量低 温度最适宜的温度是15 35 pH影响反硝化速率和反硝化最终产物 最适pH范围7 0 8
6、 0之间 对终产物的影响 pH8 NO2 积累 PH越高 NO2 积累越多 高pH抑制了亚硝酸盐还原酶的活性 溶解氧只有在溶解氧为零的时候 反硝化速率才达到最高 当溶解氧达到1mg L时 反硝化速率接近零 主要机制是氧抑制了硝酸盐还原酶的形成 此外 氧可作为电子受体 竞争性阻碍硝酸盐的还原 毒物NH3 NO2 O2 pH NH3分子 非离子 浓度过高抑制反硝化反应 3 生物脱氮工艺 反硝化有单级 多级反硝化 根据不同水质 通常有三种碳氧化 硝化 反硝化的组合工艺 选择工艺时应根据水质而定 主要看COD负荷和NH3 N负荷 负荷低级数少较好 负荷高级数多较好 原因是硝化过程产酸pH下降 及时转入
7、反硝化提高碱度 可满足自身要求 降低生产成本 1 多级悬浮污泥法 传统工艺 2 A O工艺 两级BAF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 利用进水中的BOD 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 四 微生物除磷原理 工艺及微生物1 除磷原理 1 生物积磷作用 某些微生物在某些环境条件下 有过量积聚磷酸盐的作用 这些细菌称为聚磷菌 当细菌生活在营养丰富环境里开始大量繁殖即将进入对数生长期时 从外界吸收大量可溶性磷酸盐 在体内合成多聚磷酸盐并积累起来 当细菌进入静止期时 大部分细胞已停
8、止繁殖 对磷的需要已经很低 若环境中磷有余 细胞又有一定能量 便能从外界吸收磷 形成异染颗粒 2 生物诱导的化学沉淀作用 由于污泥微生物的代谢作用 导致环境pH上升 使废水中的溶解性磷酸盐化学性地沉积于污泥上从而随污泥的排放而去除 2 聚磷细菌 种类较多 其中聚磷能力强的优势菌有不动杆菌 莫拉氏菌群 假单胞菌属 气单胞菌属 黄杆菌属等 3 除磷的生物化学机制 除磷细菌特别适宜在好氧 厌氧交替循环的系统中大量繁殖和过量积聚磷 除磷细菌首先在厌氧条件下释放磷合成聚 羟基丁酸 PHB 而后在好氧条件下 以PHB为碳源 吸收磷酸盐合成多聚磷酸盐 1 厌氧释放磷 除磷细菌只能在低级脂肪酸类小分子有机基质
9、上生长 在厌氧区中能大量吸收产酸菌产生的发酵产物 挥发性脂肪酸 VHA 但混合液中VHA仅5mg L 而大多数污泥微生物的生长速度都比除磷细菌快 如何竞争 Comeau的乙酸吸收理论 乙酸合成PHB的反应式 C6H12O6 2CH3COOH 4H 4e CH3COOH 2ATP CoASH CH3COSCoA 2ADP 2Pi2CH3COSCoA CH3COCH2COSCoA CoASH CH3CHOHCH2COSCoA PHB CoASHATP由多聚磷酸盐分解产生 因此积磷细菌在厌氧时与其他污泥微生物竞争中具有双重优势 一方面产生的ATP可使它在厌氧不利条件下比其他好氧性异养菌更易存活 另一
10、方面使供给其他微生物的基质不断减少 使其他菌无法很好的生长 2 好氧吸磷 除磷细菌将积累的PHB好氧分解 释放出大量能量 供其生长 当环境中有溶解磷存在时 一部分能量可供积磷菌主动吸收磷酸盐 并以多聚形式存在 大部分 P 去除 4 除磷工艺流程 1 Bardenpho工艺 四个完全混合活性污泥反应池串联而成 1 3不曝气 2 4曝气 污水在第2池停留时间较长 完全硝化后进入第3池 缺氧 发生反硝化 进入第4池曝气驱走氮气 并除磷 2 Phoredox工艺 在缺氧1池前增设一个厌氧发酵区 从二沉池回流的污泥在此与进水混合 好氧池中污泥混合液回流仅入缺氧区 厌氧区中的厌氧环境较易达到 3 UCT工
11、艺 Universityofcapetownprocess 4 VIP工艺 VerginlapolytechnicInsituteandstateuniversity 与 3 类似 厌氧 既不存在溶解氧 也不存在NO3 SO42 等结合氧缺氧 不存在溶解氧 但存在结合氧 5 运行条件 根据水质选用 1 注意控制硝酸盐 是提高除磷效果的关键之一 硝酸盐浓度提高 放磷量下降 反硝化细菌与积磷菌争夺碳源 会竞争性抑制放磷 2 基质 A 乙酸 甲酸 丙酸等低分子有机酸 B 乙醇 甲醇 柠檬酸 葡萄糖 C 丁酸 乳酸 琥珀酸 A类存在时放磷速度较大 所诱导的厌氧放磷量呈线性关系 B类必须在厌氧条件下转化
12、为A类物质后才能被积磷菌利用 C类能否引起放磷与污泥微生物组成有关 3 pH pH9 5 先出现磷净吸收而后释放 碱性条件下生成一些磷酸镁 钙的沉淀 吸附到污泥絮体中 pH7 8最佳 4 温度 温度上升 放磷速度增加 10 30 可提高5倍 二 微污染水源水预处理中的微生物原理 一 微污染水源预处理的目的意义微污染水源水的危害 影响公众健康 增加投入 提高水价 二 水源水污染源和污染物污染源 有机污染物 天然有机物 腐殖质 藻类有机物 非溶解性有机物 颗粒态 人工合成有机物 有毒有机污染物 难于降解在环境中有一定残留水平 具有生物富集性 三致和毒性 石油污染物是典型污染物 三 微污染水源水微生
13、物预处理及微生物群落1 处理工艺 均采用膜法生物处理生物转盘 适于处理污染严重的源水 接触氧化法 生物滤池 生物流化床 生物陶粒反应器 工艺的选取要根据水质和处理目的 填料的选择要根据填料对微生物的附着力和耐腐蚀性 处理目的 去除有机物 氨氮 反硝化工艺 要外加碳源 2 水源水预处理的运行条件 1 微生物 贫营养菌 如土壤杆菌 嗜水气单胞菌 黄杆菌 纤毛菌等 对可利用基质有较大的亲和力 且呼吸速率低 因此可以充分利用水中的有机物 2 供氢体 若要去除有机物和氨氮 需外加供氢体 3 溶解氧 水流量大时 溶解氧需4mg L以上 4 水温和pH 三 人工湿地中微生物与水生植物净化污 废 水的作用 一
14、 人工湿地生态系统 人工湿地是指人工建造的类似于沼泽的湿地内 放置一定高度的填料 其上种植特定的水生植物 在水生植物根系周围生长着丰富多样的微生物群落 基质 水生植物与微生物构成一个类似于天然沼泽地的特殊生态系统 二 人工湿地净化污 废 水的基本原理 人工湿地生态系统净化污水的原理是利用系统中的物理 化学 生物的协同作用 通过土壤过滤 吸附 沉淀 离子交换 植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化 即污水在沿一定方向流动的过程中 在湿地土壤 植物和微生物共同作用下得到了高效的净化 三 人工湿地各组成的功能 一 基质目前广泛应用的人工湿地主要由沙粒 沙土 土壤 石块为基质作用 为微生物生长提供
15、基质为湿地植物提供载体和营养物质吸附和过滤作用 基本要素 基质 湿生植物和微生物 二 湿地水生植物 分为浮水性 挺水性和沉水性 挺水性为主 浮水性和挺水性主要吸收氨氮 沉水性吸收磷 水葱 水美人蕉 作用 发达的根系直接吸收水中有机污染物将氧气运送到根系 提供根系微生物需要根系分泌物为微生物提供营养和能源 水菖蒲 三 根际和根面微生物 种类和数量由以下因素决定 湿地植物根系分泌物的种类和数量 污废水的种类 水中溶解氧的含量 微生物种类有 细菌 硝化细菌 反硝化细菌 硫化细菌 反硫化细菌 磷细菌 纤维素分解菌 固氮菌 真菌 放线菌 原生动物 藻类等 四 人工湿地生态系统处理污废水的效果 主要应用类
16、型 表层流湿地 废水水平流动 通过湿地而沉淀 地表湿地渗漏湿地 废水垂直流入 经渗透沉积后排水去除 垂直流湿地潜流湿地 优点造价和运行费用低 易于维护可进行有效可靠的废水处理可缓冲对水力和污染负荷的冲击可产生综合效益 问题与展望占地面积大氮磷除去率较低受气候条件限制较大污水对植物影响研究不足加强对特殊废水处理的研究 四 饮用水的消毒及其微生物学效应 一 水消毒的重要性 水是疾病传播的媒介之一二 水的消毒方法 一 煮沸法 最原始但简单有效 二 加氯消毒 液氯 漂白粉 Ca Cl 2 氯胺是常用的消毒剂 用量依水源有机物污染程度而定 饮用水通常以消毒剂与水接触30min后游离余氯量不低于0 3mg L 管网末梢游离余氯量不低于0 05mg L为标准 折点加氯法 2NH3 3Cl2 N2 6HCl 折点3 71 28 7 6倍 含NH4 加氯产生NH2Cl NHCl2 转变为氮气 使反应向右不断进行 此时余氯含量最少 折点 加氯比例 mCl2 mNH3 N 8 1 10 1 控制pH6 8 氯气杀菌机制 Cl2 H2O HOCl H Cl HOCl H OCl 有效的杀菌物是HOCl OCl
