脫氮除磷與微生物學(xué)原理(23)

1、環(huán)境工程微生物學(xué)環(huán)境工程微生物學(xué) 第二十三講 第二篇第二篇 第十章第十章 污廢水深污廢水深度處理和微生物污染源水預(yù)度處理和微生物污染源水預(yù)處理中的微生物學(xué)原理（處理中的微生物學(xué)原理（1 1）第一節(jié)第一節(jié) 污廢水深度處理污廢水深度處理脫氮、除磷與脫氮、除磷與微生物學(xué)原理微生物學(xué)原理v一、污廢水脫氮、除磷的目的和意義一、污廢水脫氮、除磷的目的和意義 v氮、磷是藻類(lèi)生長(zhǎng)的限制因子，水體中氮、磷濃度增高會(huì)導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化。事實(shí)上，現(xiàn)在水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，據(jù)報(bào)道，1991年我國(guó)共發(fā)生赤潮38次，1992年增加至50次，造成魚(yú)類(lèi)和其他生物大量死亡，對(duì)海洋漁業(yè)資源造成水體溶解氧下降。此外，飲用水中

2、硝態(tài)氮超過(guò)10mg/l會(huì)引起嬰兒的高鐵血紅蛋白癥。v為此，對(duì)于水體中氮、磷的去除已越來(lái)越受到重視，許多國(guó)家對(duì)廢水氮、磷都制訂了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。常規(guī)的活性污泥主要去除廢水中含碳化合物，而對(duì)氮、磷去除率很低。鑒于此情況，廢水的脫氮除磷技術(shù)近年來(lái)得到迅速發(fā)展。微生物脫氮除磷技術(shù)由于具有處理效果好，處理過(guò)程穩(wěn)定可靠、處理成本低，操作管理方便等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛運(yùn)用，為水體中氮、磷的去除提供了有效手段。v今后，微生物脫氮除磷技術(shù)的發(fā)展方向就目前看主要有以下幾個(gè)方面：v1、開(kāi)放、研制和采用成本低廉、效果穩(wěn)定的新工藝。v2、微生物除磷工藝如果同時(shí)具有脫氮能力將比單純的除磷工藝具有更大市場(chǎng)。脫氮需要較長(zhǎng)的停留時(shí)間

3、，使糸統(tǒng)達(dá)到硝化，但糸統(tǒng)中no3的存在將影響積磷菌的厭氮放磷，泥齡長(zhǎng)也會(huì)降低除磷效果，所以在一個(gè)糸統(tǒng)中如何兼顧脫氮除磷使糸統(tǒng)同時(shí)達(dá)到較好的脫氮除磷效果是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。v3、利用微生物技術(shù)強(qiáng)化脫氮除磷過(guò)程，提高處理效果。生物脫氮系統(tǒng)中由于硝化細(xì)菌世代時(shí)間長(zhǎng)，容易從系統(tǒng)中流失，受低溫等不利的環(huán)境條件影響較大，所以常常達(dá)到良好硝化效果而影響系統(tǒng)脫氮效率，除了使用生物膜系統(tǒng)外，在活性污泥系統(tǒng)中使用投菌法，即在需要時(shí)或定期向系統(tǒng)投加硝化細(xì)菌也是一條有效途徑。目前已有研究者在研究硝化菌的大量培養(yǎng)技術(shù)。在生物除磷系統(tǒng)中也可通過(guò)投加積磷菌制劑來(lái)提高或保持系統(tǒng)的除磷效果。v二、天然水體氮、磷的來(lái)源二、天然

4、水體氮、磷的來(lái)源v有下面幾個(gè)方面：v1、來(lái)自城市生活污水；v2、來(lái)自農(nóng)業(yè)施肥（氮）和噴灑農(nóng)藥（磷）；v3、來(lái)自工業(yè)廢水（化肥廠、印染廠、焦化廠及洗滌劑等生產(chǎn)廢水）；v4、食品加工、罐頭食品加工及被服洗滌服務(wù)行業(yè)的廢水；v5、禽畜糞便水v三、微生物脫氮工藝、原理及其微生物三、微生物脫氮工藝、原理及其微生物v（一）微生物脫氮工藝（一）微生物脫氮工藝v可采用a/o（厭氧/好氧）、a2/o（厭氧/缺氧/好氧）、a2/o2（厭氧/缺氧/好氧/好氧）sbr（間歇活性污泥法）等工藝均可取得較好脫氮效果。v（二）脫氮原理（二）脫氮原理v生物脫氮主要是通過(guò)硝化作用和反硝化作用來(lái)完成的。v首先利用設(shè)施內(nèi)好氧段，由

5、亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌作用，將nh3轉(zhuǎn)化為no3n（硝化氮）。再利用缺氧段經(jīng)反硝化細(xì)菌將no3n（硝化氮）反硝化還原為氮?dú)猓╪2），溢出水面釋放到大氣，n2參于自然界物質(zhì)循環(huán)。水中含氮物質(zhì)大量減少，降低出水潛在危險(xiǎn)性。v（三）硝化、脫氮微生物（三）硝化、脫氮微生物v亞硝化細(xì)菌和硫化細(xì)菌是革蘭氏陰性菌。在污水處理糸統(tǒng)和自然環(huán)境中，硝化細(xì)菌有附著表面和在細(xì)胞束內(nèi)生長(zhǎng)的傾向，形成胞囊結(jié)構(gòu)和菌膠團(tuán)。v（1 1）氧化氨的細(xì)菌）氧化氨的細(xì)菌v為專(zhuān)性好氧菌，在低氧壓下能生長(zhǎng)?；軣o(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)，氧化nh3為hno2，從中獲得能量供合成細(xì)胞和固定co2。在最適條件下（溫度2530，ph為7.58.0）亞硝化球菌的世代

6、時(shí)間為810h。亞硝化螺菌的世代時(shí)間為24h。v（2 2）氧化亞硝酸細(xì)菌）氧化亞硝酸細(xì)菌v大多數(shù)氧化亞硝酸細(xì)菌在ph7.58.0，溫度2530，其世代隨環(huán)境可變，由8h到幾天。v(3)(3)硝化段的運(yùn)行操作硝化段的運(yùn)行操作: :v硝化細(xì)菌的世代時(shí)間普遍比異養(yǎng)菌的世代時(shí)間長(zhǎng),為了硝化作用徹底,保證有足夠數(shù)量活性強(qiáng)的硝化細(xì)菌(107個(gè)/ml以上)，在運(yùn)行操作上要掌握幾個(gè)關(guān)鍵。v泥齡（即懸浮固體停留時(shí)間srt）是重要控制指標(biāo)，可通過(guò)排泥控制泥齡，一般控制在五天以上，泥齡要大于硝化細(xì)菌的比生長(zhǎng)速度。否則，泥齡過(guò)短硝化細(xì)菌會(huì)流失，硝化速率低。用生物接觸氧化法有利于硝化作用。v要供給足夠氧，處理生活污水時(shí)

7、，溶解氧一般控制在1.22.0mg/l為宜.工藝廢水則要看廢水的有機(jī)物濃度(cod和bod)和nh3含量的高低,適當(dāng)提高溶解氧。v控制適度的曝氣時(shí)間（或說(shuō)水力停留時(shí)間），普通的活性污泥法的曝氣時(shí)間為46h甚至8h。v在硝化過(guò)程中，消耗了堿性物質(zhì)nh3，生成hno3，維持堿度，中和hno3，使ph維持在偏堿性（ph7.58.0），滿足硝化細(xì)菌對(duì)ph的需要。v溫度，大多數(shù)硝化細(xì)菌生長(zhǎng)的最適溫度為2530，低至-5，高至60?？梢詫⑺鼈儜?yīng)用于污水和廢水生物處理中。v2 2、反硝化作用段細(xì)菌、反硝化作用段細(xì)菌v（1 1）反硝化細(xì)菌）反硝化細(xì)菌v反硝化細(xì)菌是所有能以no3最終電子受體，將hno3還原為n

8、2的細(xì)菌總稱(chēng)。種類(lèi)很多，其中的假單孢菌屬內(nèi)能進(jìn)行反硝化的種最多。v（2 2）反硝化段運(yùn)行操作）反硝化段運(yùn)行操作 v反硝化段運(yùn)行操作關(guān)鍵指標(biāo)有：vphph：v硝化反應(yīng)在消耗堿，如果污水中沒(méi)有足夠的堿度，則隨著硝化的進(jìn)行，ph會(huì)急劇下降，而且硝化細(xì)菌對(duì)ph十分敏感，亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌分別在ph7.07.8和活性最強(qiáng)，ph值在這個(gè)范圍以外，其活性便急劇下降。可見(jiàn)ph是影響硝化速度的重要因素。vph值也影響反硝化的速率。不同的學(xué)者以不同的反硝化細(xì)菌或不同來(lái)源的污泥進(jìn)行試驗(yàn)，所報(bào)道的最適ph值范圍略有不同，但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為反硝化的最佳ph范圍在中性和微堿性。由于反硝化作用是由各種非專(zhuān)性反硝化細(xì)菌共同參

9、于下進(jìn)行的，所以水糸中ph值的影響并不明顯。v環(huán)境的ph值可影響到反硝化的最終產(chǎn)物。當(dāng)ph低于6.06.5時(shí)，最終產(chǎn)物以n2o占優(yōu)勢(shì)；當(dāng)ph值大于8時(shí),會(huì)出現(xiàn)no2-的積累,且ph值越高, no2-積累越多, 經(jīng)深入研究,發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)閜h抑制了亞硝酸鹽還原酶的活性而對(duì)硝酸鹽還原酶的活性影響不大所致。v生物脫氮過(guò)程中,通常把硝化段運(yùn)行的ph值控制在7.28.0之間,反硝化段p控制在7.59.2之間。v溫度：溫度：v硝化反應(yīng)速度受溫度影響很大，其原因在于溫度對(duì)硝化細(xì)菌的增殖速度和活性影響很大。兩類(lèi)硝化細(xì)菌的最宜溫度為30左右。v研究表明溫度對(duì)反硝化速度的影響大小與反硝化設(shè)備的類(lèi)型（微生物懸浮生長(zhǎng)型

10、或固著型）、硝酸鹽負(fù)荷率等因素有關(guān)。v溶解氧：溶解氧：v溶解氧濃度影響硝化反應(yīng)速度和硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速度。硝化過(guò)程的溶解氧濃度，一般建議應(yīng)維持在1.0mg/l2.0mg/l。v溶解氧對(duì)反硝化脫氮有抑制作用，其機(jī)制為阻抑硝酸鹽還原酶的形成或者僅僅充當(dāng)電子受體從而競(jìng)爭(zhēng)性地阻礙了硝酸鹽的還原。雖然氧對(duì)反硝化脫氮有抑制作用，但氧的存在對(duì)能進(jìn)行反硝化作用的反硝化菌卻是有利的，因?yàn)檫@類(lèi)菌為兼性厭氧菌，菌體內(nèi)的某些酶糸統(tǒng)組分只有在有氧時(shí)才能合成，因而在工藝上最好使這些反硝化菌（即污泥）交替處于好氧、缺氧的環(huán)境條件下。v在懸浮污泥反硝化系統(tǒng)中，缺氧段溶解氧應(yīng)控制在05mg/l以下，由于污泥絮凝物內(nèi)部仍呈厭氧狀態(tài)

11、，同時(shí)可進(jìn)行反硝化作用，故而脫氮反應(yīng)并不要求溶解氧保持在零的狀態(tài)。在膜法反硝化系統(tǒng)中，菌周?chē)h(huán)境的氧分壓與大環(huán)境的氧分壓不同，即使濾池內(nèi)有一定的溶解氧，生物膜內(nèi)層仍呈缺氧狀態(tài)，因此，當(dāng)缺氧段溶解氧控制在1mg/l2mg/l以下時(shí)也不影響反硝化的進(jìn)行。v碳源：碳源：v碳源物質(zhì)主要是通過(guò)影響反硝化細(xì)菌的活性來(lái)影響處理系統(tǒng)的脫氮效率。能為反硝化細(xì)菌所利用的碳源是多種多樣的，但從廢水中處理生物脫氮的角度來(lái)看可分三類(lèi)：v廢水中所含的有機(jī)碳源廢水中所含的有機(jī)碳源v廢水中各種有機(jī)基質(zhì)，例如有機(jī)酸類(lèi)、醇類(lèi)、碳水化合物或烷烴類(lèi)、苯酸鹽類(lèi)、酚類(lèi)和其他的苯衍生物都可以作為反硝化過(guò)程中的電子供體（碳源）。一般認(rèn)為，

12、當(dāng)廢水中所含碳（bod5）與總氮的比值3：1時(shí)，無(wú)需外加碳源，即可達(dá)到脫氮目的，這類(lèi)碳源最經(jīng)濟(jì)，因而為大多數(shù)微生物脫氮系統(tǒng)所采用。v外加碳源外加碳源v當(dāng)廢水bod5與總氮比值小于3：1時(shí)，需另加碳源才能達(dá)到理想的去氮效果。外加碳源大多數(shù)采用甲醇，因?yàn)樗趸纸猱a(chǎn)物為二氧化碳和水，不留任何難分解的中間產(chǎn)物，價(jià)格也較低廉。歐美各國(guó)在飲用水的反硝化中采用乙醇，避免殘余的甲醇對(duì)人體的毒性作用，但費(fèi)用比甲醇略高。為了降低成本，目前已利用淀粉廠、釀造廠、豆制品廠等的高濃度有機(jī)廢水作為反硝化外加碳源。國(guó)內(nèi)在硝化廢水的生物脫氮方面已成功采用副產(chǎn)品粗酚作為外加碳。徐亞同曾試驗(yàn)采用污水處理廠內(nèi)厭氧消化污泥上清液作

13、為城市廢水生物脫氮的碳源，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)它的組分中80%以上是揮發(fā)性脂肪酸，因此它作碳源時(shí)反硝化速度比甲、乙醇作碳源還要快，但缺點(diǎn)是將大量的氮帶入到處理系統(tǒng)中，增加了系統(tǒng)氮的負(fù)荷。v內(nèi)碳源內(nèi)碳源v內(nèi)碳源主要指活性污泥微生物死亡，自溶后釋放出來(lái)的有機(jī)碳，也稱(chēng)為二次性基質(zhì)。為利用內(nèi)碳源來(lái)進(jìn)行反硝化脫氮，要求反應(yīng)器的泥齡長(zhǎng)，污泥負(fù)荷低，使微生物處于生長(zhǎng)曲線穩(wěn)定期的后部或衰亡期。這樣，反應(yīng)器的容積相應(yīng)增大，負(fù)荷率低。經(jīng)測(cè)定，內(nèi)碳源的反硝化速率極低，約為上述兩種方法的十分之一左右。它的優(yōu)點(diǎn)是在廢水碳氮比低時(shí)不必外加碳源也可達(dá)到脫氮目的，此外由于污泥產(chǎn)率低而減少了污泥處置的費(fèi)用。v3 3、生物脫氮工藝選擇、生

14、物脫氮工藝選擇v反硝化有單級(jí)反硝化和多級(jí)反硝化。根據(jù)不同水質(zhì)，通常有以下三種碳氧化、硝化和反硝化三者的組合工藝。v以外還有濾池反硝化糸統(tǒng)、氧化溝反硝化糸統(tǒng)等。v 處理含nh3n廢水的效果好與差，除了掌握運(yùn)行操作的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)外，硝化和反硝化的合理組合方式和順序?qū)μ岣遪h3n的去除率有很大關(guān)系。如何選擇工藝？一級(jí)硝化反硝化好還是多級(jí)硝化反硝化好，要依據(jù)水質(zhì)而定，主要看cod負(fù)荷（化學(xué)需氧量）和nh3n負(fù)荷（或說(shuō)cod和nh3n濃度）高低。v負(fù)荷低級(jí)數(shù)少于負(fù)荷高級(jí)數(shù)多效果好，而且運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)。原因是硝化過(guò)程產(chǎn)生的酸需要加堿中和。在硝化過(guò)程中當(dāng)ph下降至6.5左右，及時(shí)轉(zhuǎn)入反硝化過(guò)程，依靠反硝化提高

15、堿度，滿足其自身ph要求。同理，反硝化過(guò)程也要及時(shí)轉(zhuǎn)入硝化過(guò)程。合理調(diào)整硝化和反硝化，可以節(jié)省堿的用量，甚至不加堿，也可以得到好的處理效果，大大節(jié)省運(yùn)行開(kāi)支v 采用“捷徑反硝化”即硝化作用產(chǎn)生hno2后就轉(zhuǎn)入反硝化階段，可縮短曝氣時(shí)間，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。v廢水中的c：n大于2.86時(shí)反硝化正常。低于這比值，反硝化出現(xiàn)碳源不足，要投加外碳源。v四、微生物除磷原理、工藝及其微生物四、微生物除磷原理、工藝及其微生物v在普通廢水生化處理過(guò)程中，微生物除磷的同時(shí)吸收元素用以合成細(xì)胞物質(zhì)和合成atp等，但只去除污水中約19%左右的磷。殘留在出水中的磷還相當(dāng)高。故需用除磷工藝處理。v（一）微生物除磷原理（一）微

16、生物除磷原理v根據(jù)某些微生物在好氧時(shí)不僅能大量吸收磷酸鹽（po43）合成自身核酸和atp，而且能逆濃度梯度過(guò)量吸磷合成貯能的多聚磷酸鹽顆粒（即異染顆粒）于體內(nèi)，供其內(nèi)源呼吸用。稱(chēng)這些細(xì)菌為聚磷菌。聚磷菌在厭氧時(shí)又能釋放磷酸鹽（po43）于體外。故可創(chuàng)造厭氧、缺氧和好氧環(huán)境，讓聚磷菌先在含磷污廢水中厭氧放磷，可達(dá)到減少污、廢水中磷含量的目的。v（二）聚磷細(xì)菌（二）聚磷細(xì)菌v具有聚磷能力的微生物就目前所知絕大多數(shù)是細(xì)菌。聚磷的活性污泥是由許多好氧異養(yǎng)菌、厭氧異養(yǎng)菌和兼性厭氧菌組成。實(shí)質(zhì)是產(chǎn)酸菌（統(tǒng)稱(chēng)）和聚磷菌的混合群體。v對(duì)于廢水生物除磷工藝中的積磷菌，早期的研究認(rèn)為主要是不動(dòng)桿菌（本教課書(shū)上說(shuō)是

17、不動(dòng)桿菌），而目前較多的研究則認(rèn)為，微生物除磷過(guò)程中起主要作用的積磷菌是假單胞菌屬（pseudomonas）和氣單胞菌屬（aeromonas），而不是不動(dòng)桿菌。 v此外，朱懷蘭等通過(guò)對(duì)間歇式活性污泥法除磷處理工藝中積磷菌的研究，分離出上述幾種積磷菌以外，還有棒狀菌群和腸桿菌等。brodixch（伯樂(lè)的克次）等人通過(guò)研究認(rèn)為，不動(dòng)桿菌僅是總積磷菌的1%10%，而假單胞桿菌和氣單胞桿菌可占15%20%。此外，他們還發(fā)現(xiàn)諾卡氏菌（nocardia）體內(nèi)具有聚磷顆粒。目前，有關(guān)積磷菌中哪些或哪幾種菌群占主要地位的問(wèn)題，尚需進(jìn)一步研究。v（三）除磷的生物化學(xué)機(jī)制（三）除磷的生物化學(xué)機(jī)制v1 1、厭氧釋放

18、磷的過(guò)程、厭氧釋放磷的過(guò)程v在厭氧條件下，積磷細(xì)菌將體內(nèi)儲(chǔ)藏的聚磷分解，產(chǎn)生的磷酸鹽進(jìn)入液體中（放磷），同時(shí)產(chǎn)生的能量可供積磷菌在厭氧壓抑條件下生理活動(dòng)之需，還可用于主動(dòng)吸收外界環(huán)境中的可溶性脂肪酸，在菌體內(nèi)以聚羥丁酸（phb）的形式儲(chǔ)存。細(xì)胞外的乙酸轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)生成乙酰coa（乙酰輔酶a）的過(guò)程需要耗能，這部分能量來(lái)自菌體內(nèi)聚磷的分解，聚磷分解導(dǎo)致了可溶性磷酸鹽從菌體內(nèi)的釋放和金屬陽(yáng)離子轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外。v2 2、好氧吸磷過(guò)程、好氧吸磷過(guò)程v在好氧條件下，積磷菌菌體內(nèi)的聚羥丁酸（phb）分解成乙酰coa （乙酰輔酶a） ，一部分用于細(xì)胞合成，大部分進(jìn)入三羧循環(huán)和乙醛酸循環(huán)，產(chǎn)生氫離子和電子；從聚羥丁酸（phb）分解過(guò)程中也產(chǎn)生氫離子和電子，這兩部分氫離子和電子經(jīng)過(guò)電子傳遞產(chǎn)生能量，同時(shí)消耗氧。產(chǎn)生的能量一部分供積磷菌正常的生長(zhǎng)繁殖，另一部分供其主動(dòng)吸引環(huán)境中的磷，并合成聚磷，使能量?jī)?chǔ)存在聚磷的高能磷酸鍵中，這就導(dǎo)致菌體從外界吸收可溶性的磷酸鹽和金屬陽(yáng)離子進(jìn)入體內(nèi)。v積磷菌是一類(lèi)生長(zhǎng)較慢的細(xì)菌，它之所以能在厭氧和好氧系統(tǒng)中占優(yōu)勢(shì)，與其能夠進(jìn)行聚磷和儲(chǔ)存與分解聚羥丁酸（phb）有關(guān)。在厭氧條件下，積磷菌不能分解外界的有機(jī)物來(lái)獲得能量，可以分解體內(nèi)的聚磷來(lái)獲得能量而生長(zhǎng)繁殖。因此，積磷菌同不積磷