脱氮除磷与微生物学原理(23)

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1、环境工程微生物学 第二十三讲 第二篇 第十章 污废水深 度处理和微生物污染源水预 处理中的微生物学原理（1 ）第一节 污废水深度处理脱氮、除磷与 微生物学原理v一、污废水脱氮、除磷的目的和意义 v氮、磷是藻类生长的限制因子，水体中氮、磷浓度增高会导 致水体的富营养化。事实上，现在水体富营养化问题越来越 严重，据报道，1991年我国共发生赤潮38次，1992年增加至 50次，造成鱼类和其他生物大量死亡，对海洋渔业资源造成 水体溶解氧下降。此外，饮用水中硝态氮超过10mg/L会引起 婴儿的高铁血红蛋白症。v为此，对于水体中氮、磷的去除已越来越受到重视，许多国 家对废水氮、磷都制订了严格的排放标准。

2、常规的活性污泥 主要去除废水中含碳化合物，而对氮、磷去除率很低。鉴于 此情况，废水的脱氮除磷技术近年来得到迅速发展。微生物 脱氮除磷技术由于具有处理效果好，处理过程稳定可靠、处 理成本低，操作管理方便等优点而得到广泛运用，为水体中 氮、磷的去除提供了有效手段。v今后，微生物脱氮除磷技术的发展方向就目前看主要有以下 几个方面：v1、开放、研制和采用成本低廉、效果稳定的新工艺。v2、微生物除磷工艺如果同时具有脱氮能力将比单纯的除磷 工艺具有更大市场。脱氮需要较长的停留时间，使糸统达到 硝化，但糸统中NO3的存在将影响积磷菌的厌氮放磷，泥 龄长也会降低除磷效果，所以在一个糸统中如何兼顾脱氮除 磷使糸

3、统同时达到较好的脱氮除磷效果是一个值得研究的问 题。v3、利用微生物技术强化脱氮除磷过程，提高处理效果。生 物脱氮系统中由于硝化细菌世代时间长，容易从系统中流失 ，受低温等不利的环境条件影响较大，所以常常达到良好硝 化效果而影响系统脱氮效率，除了使用生物膜系统外，在活 性污泥系统中使用投菌法，即在需要时或定期向系统投加硝 化细菌也是一条有效途径。目前已有研究者在研究硝化菌的 大量培养技术。在生物除磷系统中也可通过投加积磷菌制剂 来提高或保持系统的除磷效果。v二、天然水体氮、磷的来源v有下面几个方面：v1、来自城市生活污水；v2、来自农业施肥（氮）和喷洒农药（磷）；v3、来自工业废水（化肥厂、印

4、染厂、焦化厂及洗涤剂等生 产废水）；v4、食品加工、罐头食品加工及被服洗涤服务行业的废水；v5、禽畜粪便水v三、微生物脱氮工艺、原理及其微生物v（一）微生物脱氮工艺v可采用A/O（厌氧/好氧）、A2/O（厌氧/缺氧/好氧）、 A2/O2（厌氧/缺氧/好氧/好氧）SBR（间歇活性污泥法）等 工艺均可取得较好脱氮效果。v（二）脱氮原理v生物脱氮主要是通过硝化作用和反硝化作用来完成的。v首先利用设施内好氧段，由亚硝化细菌和硝化细菌作用，将 NH3转化为NO3N（硝化氮）。再利用缺氧段经反硝化细 菌将NO3N（硝化氮）反硝化还原为氮气（N2），溢出水 面释放到大气，N2参于自然界物质循环。水中含氮物质

5、大量 减少，降低出水潜在危险性。v（三）硝化、脱氮微生物v亚硝化细菌和硫化细菌是革兰氏阴性菌。在污水处理糸统和 自然环境中，硝化细菌有附着表面和在细胞束内生长的倾向 ，形成胞囊结构和菌胶团。v（1）氧化氨的细菌v为专性好氧菌，在低氧压下能生长。化能无机营养，氧化 NH3为HNO2，从中获得能量供合成细胞和固定CO2。在最适条 件下（温度2530，PH为7.58.0）亚硝化球菌的世代 时间为810h。亚硝化螺菌的世代时间为24h。v（2）氧化亚硝酸细菌v大多数氧化亚硝酸细菌在PH7.58.0，温度2530，其 世代随环境可变，由8h到几天。v(3)硝化段的运行操作:v硝化细菌的世代时间普遍比异养

6、菌的世代时间长,为了硝化 作用彻底,保证有足够数量活性强的硝化细菌(107个/mL以上 )，在运行操作上要掌握几个关键。v泥龄（即悬浮固体停留时间SRT）是重要控制指标，可 通过排泥控制泥龄，一般控制在五天以上，泥龄要大于硝化 细菌的比生长速度。否则，泥龄过短硝化细菌会流失，硝化 速率低。用生物接触氧化法有利于硝化作用。v要供给足够氧，处理生活污水时，溶解氧一般控制在1.2 2.0mg/L为宜.工艺废水则要看废水的有机物浓度(COD和 BOD)和NH3含量的高低,适当提高溶解氧。v控制适度的曝气时间（或说水力停留时间），普通的活性 污泥法的曝气时间为46h甚至8h。v在硝化过程中，消耗了碱性物

7、质NH3，生成HNO3，维持碱 度，中和HNO3，使PH维持在偏碱性（PH7.58.0），满足硝 化细菌对PH的需要。v温度，大多数硝化细菌生长的最适温度为2530，低 至-5，高至60。可以将它们应用于污水和废水生物处理 中。v2、反硝化作用段细菌v（1）反硝化细菌v反硝化细菌是所有能以NO3最终电子受体，将HNO3还原为N2 的细菌总称。种类很多，其中的假单孢菌属内能进行反硝化 的种最多。v（2）反硝化段运行操作 v反硝化段运行操作关键指标有：vPH：v硝化反应在消耗碱，如果污水中没有足够的碱度，则随着硝 化的进行，PH会急剧下降，而且硝化细菌对PH十分敏感，亚 硝酸细菌和硝酸细菌分别在P

8、H7.07.8和活性最强，PH值在 这个范围以外，其活性便急剧下降。可见PH是影响硝化速度 的重要因素。vPH值也影响反硝化的速率。不同的学者以不同的反硝化细菌 或不同来源的污泥进行试验，所报道的最适PH值范围略有不 同，但大多数学者认为反硝化的最佳PH范围在中性和微碱性 。由于反硝化作用是由各种非专性反硝化细菌共同参于下进 行的，所以水糸中PH值的影响并不明显。v环境的PH值可影响到反硝化的最终产物。当PH低于6.06.5 时，最终产物以N2O占优势；当PH值大于8时,会出现NO2-的 积累,且PH值越高, NO2-积累越多, 经深入研究,发现这是因 为PH抑制了亚硝酸盐还原酶的活性而对硝酸

9、盐还原酶的活性 影响不大所致。v生物脱氮过程中,通常把硝化段运行的PH值控制在7.28.0 之间,反硝化段P控制在7.59.2之间。v温度：v硝化反应速度受温度影响很大，其原因在于温度对硝化细菌 的增殖速度和活性影响很大。两类硝化细菌的最宜温度为 30左右。v研究表明温度对反硝化速度的影响大小与反硝化设备的类型 （微生物悬浮生长型或固着型）、硝酸盐负荷率等因素有关 。v溶解氧：v溶解氧浓度影响硝化反应速度和硝化细菌的生长速度。硝化 过程的溶解氧浓度，一般建议应维持在1.0mg/L2.0mg/L。v溶解氧对反硝化脱氮有抑制作用，其机制为阻抑硝酸盐还原 酶的形成或者仅仅充当电子受体从而竞争性地阻碍

10、了硝酸盐 的还原。虽然氧对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对能 进行反硝化作用的反硝化菌却是有利的，因为这类菌为兼性 厌氧菌，菌体内的某些酶糸统组分只有在有氧时才能合成， 因而在工艺上最好使这些反硝化菌（即污泥）交替处于好氧 、缺氧的环境条件下。v在悬浮污泥反硝化系统中，缺氧段溶解氧应控制在05mg/L以 下，由于污泥絮凝物内部仍呈厌氧状态，同时可进行反硝化 作用，故而脱氮反应并不要求溶解氧保持在零的状态。在膜 法反硝化系统中，菌周围微环境的氧分压与大环境的氧分压 不同，即使滤池内有一定的溶解氧，生物膜内层仍呈缺氧状 态，因此，当缺氧段溶解氧控制在1mg/L2mg/L以下时也不 影响反硝化的进

11、行。v碳源：v碳源物质主要是通过影响反硝化细菌的活性来影响处理系统 的脱氮效率。能为反硝化细菌所利用的碳源是多种多样的， 但从废水中处理生物脱氮的角度来看可分三类：v废水中所含的有机碳源v废水中各种有机基质，例如有机酸类、醇类、碳水化合物或 烷烃类、苯酸盐类、酚类和其他的苯衍生物都可以作为反硝 化过程中的电子供体（碳源）。一般认为，当废水中所含碳 （BOD5）与总氮的比值3：1时，无需外加碳源，即可达到脱 氮目的，这类碳源最经济，因而为大多数微生物脱氮系统所 采用。v外加碳源v当废水BOD5与总氮比值小于3：1时，需另加碳源才能达到理 想的去氮效果。外加碳源大多数采用甲醇，因为它氧化分解 产物

12、为二氧化碳和水，不留任何难分解的中间产物，价格也 较低廉。欧美各国在饮用水的反硝化中采用乙醇，避免残余 的甲醇对人体的毒性作用，但费用比甲醇略高。为了降低成 本，目前已利用淀粉厂、酿造厂、豆制品厂等的高浓度有机 废水作为反硝化外加碳源。国内在硝化废水的生物脱氮方面 已成功采用副产品粗酚作为外加碳。徐亚同曾试验采用污水 处理厂内厌氧消化污泥上清液作为城市废水生物脱氮的碳源 ，经测试发现它的组分中80%以上是挥发性脂肪酸，因此它 作碳源时反硝化速度比甲、乙醇作碳源还要快，但缺点是将 大量的氮带入到处理系统中，增加了系统氮的负荷。v内碳源v内碳源主要指活性污泥微生物死亡，自溶后释放出来的有机 碳，也

13、称为二次性基质。为利用内碳源来进行反硝化脱氮， 要求反应器的泥龄长，污泥负荷低，使微生物处于生长曲线 稳定期的后部或衰亡期。这样，反应器的容积相应增大，负 荷率低。经测定，内碳源的反硝化速率极低，约为上述两种 方法的十分之一左右。它的优点是在废水碳氮比低时不必外 加碳源也可达到脱氮目的，此外由于污泥产率低而减少了污 泥处置的费用。v3、生物脱氮工艺选择v反硝化有单级反硝化和多级反硝化。根据不同水质，通常有 以下三种碳氧化、硝化和反硝化三者的组合工艺。v以外还有滤池反硝化糸统、氧化沟反硝化糸统等。v 处理含NH3N废水的效果好与差，除了掌握运行操作的几 个关键指标外，硝化和反硝化的合理组合方式和

14、顺序对提高 NH3N的去除率有很大关系。如何选择工艺？一级硝化 反硝化好还是多级硝化反硝化好，要依据水质而定，主要 看COD负荷（化学需氧量）和NH3N负荷（或说COD和NH3N 浓度）高低。v负荷低级数少于负荷高级数多效果好，而且运行费用经济。 原因是硝化过程产生的酸需要加碱中和。在硝化过程中当PH 下降至6.5左右，及时转入反硝化过程，依靠反硝化提高碱 度，满足其自身PH要求。同理，反硝化过程也要及时转入硝 化过程。合理调整硝化和反硝化，可以节省碱的用量，甚至 不加碱，也可以得到好的处理效果，大大节省运行开支v 采用“捷径反硝化”即硝化作用产生HNO2后就转入反硝化 阶段，可缩短曝气时间，

15、节省运行费用。v废水中的C：N大于2.86时反硝化正常。低于这比值，反硝化 出现碳源不足，要投加外碳源。v四、微生物除磷原理、工艺及其微生物v在普通废水生化处理过程中，微生物除磷的同时吸收元素用 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。残留在出水中的磷还相当高。故需用除磷工艺处理。v（一）微生物除磷原理v根据某些微生物在好氧时不仅能大量吸收磷酸盐（PO43） 合成自身核酸和ATP，而且能逆浓度梯度过量吸磷合成贮能 的多聚磷酸盐颗粒（即异染颗粒）于体内，供其内源呼吸用 。称这些细菌为聚磷菌。聚磷菌在厌氧时又能释放磷酸盐（ PO43）于体外。故可创造厌氧、缺氧和好氧环境，让

16、聚磷 菌先在含磷污废水中厌氧放磷，可达到减少污、废水中磷含 量的目的。v（二）聚磷细菌v具有聚磷能力的微生物就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。实质是产酸菌（统称）和聚磷菌的混合群体。v对于废水生物除磷工艺中的积磷菌，早期的研究认为主要是 不动杆菌（本教课书上说是不动杆菌），而目前较多的研究 则认为，微生物除磷过程中起主要作用的积磷菌是假单胞菌 属（pseudomonas）和气单胞菌属（Aeromonas），而不是不 动杆菌。 v此外，朱怀兰等通过对间歇式活性污泥法除磷处理工艺中积 磷菌的研究，分离出上述几种积磷菌以外，还有棒状菌群和 肠杆菌等。Brodixch（伯乐的克次）等人通过研究认为，不 动杆菌仅是总积磷菌的1%10%，而假单胞杆菌和气单胞杆 菌可占15%20%。此外，他们还发现诺卡氏菌（Nocardia） 体内具有聚磷颗粒。目前，有关积磷菌中哪些或哪几种菌群 占主要地位的问题，尚需进一步研究。v（三）除磷的生物化