第十章污（废）水深度处理和微污染水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水源水预处理中的微生物学原理第一节脱氮、除磷的微生物学原理第二节微污染水源水预处理的微生物学原理第三节人工湿地第四节饮用水消毒

第一节脱氮、除磷的微生物学原理 一、污水、废水脱氮、除磷的意义 • 引起水体富营养化水华赤潮

威胁人体健康 例如：NO3-和NO2-在水体中可被转化为亚硝胺（三致性毒物：致癌、致畸、致突变）；中体中的NO2-可导致婴儿正铁血红蛋白血症（蓝血人病、bluebaby）

我国污水、废水脱氮除磷的部分指标

二、天然水体中氮、磷的来源 • 生活污水 • 工业废水 • 化肥和农药 • 禽畜粪便

三、微生物脱氮 （一）脱氮原理好氧阶段：亚硝化细菌和硝化细菌的作用，将NH3转化为NO3-和NO2- 缺氧阶段：反硝化细菌将NO3-和NO2-还原为N2，进入大气

（二）硝化、脱氮微生物 • 硝化作用微生物在自然界分布很广泛，均为G-细菌氧化氨的细菌氧化NO2-的细菌

氧化氨的细菌： • ①好氧的氨氧化细菌（亚硝化细菌） • 氧化NH3为NO2，从中获得能量供细胞固定CO2； • 25~30°C，pH7.5~8.0，亚硝化球菌代时：8~12h，亚硝化螺菌代时24h； • 菌体内含淡黄至淡红的细胞色素 • 注：另有厌氧氨氧化细菌和厌氧反硫化细菌 • ②氧化亚硝酸细菌（硝化细菌） • 氧化NO2为N2，从中获得能量供细胞固定CO2； • 25~30°C，pH7.5~8.0，代时：8h~数天 • 菌体内含淡黄至淡红的细胞色素 • 一些种类具有特殊的细胞内储存结构：羧化体、多聚磷酸盐等

消化过程的运行操作 由于硝化细菌代时较长，为保证硝化彻底，需要注意： • 泥龄（悬浮固体停留时间SRT）：一般为5天以上 • DO（一般控制在1.2~2.0 mg/L，<0.5mg/L硝化作用停止） • 曝气时间（水力停留时间） • 碱度（酸性对硝化细菌不利，可加入NaHCO3） • 温度

2. 反硝化作用微生物 • 将NO3-还原为N2 • 种类多（假单胞菌属种类最多） • 注：一些细菌在一定条件下只将NO3-还原为NO2-，对水生动物和人类产生毒害

反硝化作用的运行的关键参数： • 碳源：葡萄糖、乳糖、甲醇、乙醇等有机物 • pH：7~8 • 温度（Q10 1.5~3.0，在60~75°C之间反硝化速率最大） • DO（<0.2mg/L）

硝化阶段与反硝化阶段的对比

反硝化作用的类型 传统意义上的反硝化反应：

（三）微生物脱氮工艺 • 包括单级反硝化和多级反硝化 • 目前常用的有三种组合工艺（针对不同水质）序批式间歇反应器（SBR）

缺氧（Anoxic） 厌氧（Anaerobic）好氧（Oxic）

三段式生物脱氮工艺： 将有机物氧化、硝化以及反硝化阶段独立开，每个阶段都有独立的沉淀池和污泥回流系统

其它新的反硝化途径

四、微生物脱磷 微生物处理有机污染的过程中，去除污水中19%的磷，残留的磷仍较高，故需要专门的除磷处理

（一）除磷原理 聚磷菌（PAO） • 种类：主要包括假单胞菌属、黄杆菌属、气单胞菌属等不动杆菌 • 生理：有氧条件下，大量吸收磷酸盐合成核酸和ATP，并且可逆浓度梯度过量吸收磷合成多聚磷酸盐颗粒（异染粒）和聚β-氧基丁酸（PHB），供内源呼吸。在缺氧条件下，释放磷酸盐至体外。通常好氧吸收的磷比厌氧释放的磷多。 • 过程：在缺氧条件先让聚磷菌放磷，再在有氧条件下过量吸收磷

利用微生物除磷的工艺多种多样。通常在去除磷的同时，还能一定程度上去除有机污染物和氮。利用微生物除磷的工艺多种多样。通常在去除磷的同时，还能一定程度上去除有机污染物和氮。 • 按照运行方式，可分为连续式和序批式两类。（二）除磷工艺流程

工艺流程

微生物除磷的影响因素 • 溶解氧：厌氧反应器，DO<0.2mg/L；好氧反应器，DO=2mg/L • 泥龄：30d，除磷率为40%；17d，除磷率为50%；5d，除磷率87% • 温度：5~30 °C，除磷效果好

第二节微污染水源水预处理中的微生物原理 微污染水源水：受到有机物、氨氮、磷及有毒污染物较低程度污染的水源水。引黄济青工程青岛棘洪滩水库

微污染水源水中可能含有致癌物的前体，经加氯消毒后会三氯甲烷、二氯乙酸等“三致”物。微污染水源水中可能含有致癌物的前体，经加氯消毒后会三氯甲烷、二氯乙酸等“三致”物。 • 微污染水源水含有较高氨氮，导致供水管亚硝化细菌过量繁殖，影响供水管通畅。 • 残留有机物引起管道中异养菌滋生。 • 低浓度毒物直接危害人体健康一、微污染水源水预处理的目的和意义

二、水源水的污染源和污染物 • 污染源？ • 工业废水、生活污水、农业农药和化肥使用、养殖废水、未达标的处理水。 • 污染物？ • 有机物、氨氮、藻类分泌物、酚、氰化物、重金属、农药

三、微污染水源水微生物预处理 • 均采用生物膜法：生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床 • 由于微污染水源水中有机物含量远低于普通污水，普遍存在微生物碳源不足，反硝化困难等问题。 • 加入外源性碳源 • 应用对碳源需求低的新技术 • 预处理方式： • 混合——沉淀——快砂滤——慢砂滤——清水储罐——出水

四、水源水预处理的运行条件 微生物生态系统：贫营养环境。包括硝化细菌。反硝化细菌、藻类、原生动物、微型后生动物。生物膜：固定微生物，截留有机污染物供氢体：加入外源性的甲醇、乙醇、糖等溶解氧：>4mg/L 水温：>20°C pH：中性

第三节人工湿地 生物多样性最高的生态系统 “地球之肾”！

中国湿地概况

若尔盖湿地（四川省阿坝）

巴音布鲁克（新疆天山）

三江平原湿地(黑龙江)

黄河三角洲(山东)

扎龙保护区 (黑龙江)

辽河三角洲湿地（渤海辽东湾）

人工湿地生态系统

一、人工湿地处理污水的原理

二、人工湿地的组成

植物 ①回收利用污水中可利用态的营养物质, 吸附、富集重金属和一些有毒有害物质; ②为根区好氧微生物输送氧气; ③增强和维持介质的水力传输。 • 植物对不同的污染物质具有一定的针对性：对氮磷去除效果较好的湿地植物，如茭白、芦苇、水烛、灯心草。对重金属有较好的去除作用的植物是：宽叶香蒲，且对Pb、Zn、Cd 等重金属有较好的去除作用。

湿地植物的选择原则： ①净化能力，耐污能力和抗寒、抗热能力强，对不同的污染物采用相应的植物种类； ②选择在本地适应性好的植物，最好是本地植物； ③根系发达、生物量大； ④抗病虫害能力强； ⑤最好有广泛用途或经济价值； ⑥易管理，综合利用价值高。

微生物 人工湿地系统中的微生物主要去除污水中的有机质和N，某些难降解的有机物质和有毒物质需要运用微生物的诱发变异特性，培育驯化适宜吸收和消化这些有机物质和有毒物质的优势细菌，进行降解。人工湿地中微生物的活动是湿地净化污水的最主要因素。现有研究已经发现在BOD5、COD 以及氮等降解的过程中微生物都发挥了重要作用。

优势菌种：假单胞杆菌属Pseudomonas、产碱杆菌属Alcaligens 黄杆菌属Flavobacterium。生长快速，含有降解质粒，是分解有机物的主体微生物种群。此外，对于有些难降解的有机物和有毒物须运用微生物诱导变异特性，培育驯化适宜吸收和消化这些物质的优势种，进行降解。 • 微生物数目和种类与污水净化效果有一定的关系。其数量越多则去除率越高。其中污水中BOD5的去除率与湿地细菌总数显著相关，氨氮的去除率与硝化细菌和反硝化细菌的数量密切相关，污水中总大肠杆菌的去除率与湿地原生动物和放线菌数量也存在显著相关性。

动物在食物链与营养级的生态平衡中起到重要作用, 对人工湿地污水处理系统的稳定性作出了重要贡献。蚯蚓(Drilonema) 能起到清洁垃圾的作用, 从而减少了排泥次数。蚯蚓和沙蚕(Nereisdiversicolor) 对重金属有富集作用, 可以推测这些动物对污水中的重金属去除也能起一些作用。蚯蚓沙蚕

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