脫氮除磷與微生物學(xué)原理(23)課件

環(huán)境工程微生物學(xué)

第二十三講

第二篇第十章污廢水深度處理和微生物污染源水預(yù)處理中的微生物學(xué)原理（1）第一節(jié)污廢水深度處理—脫氮、除磷與微生物學(xué)原理一、污廢水脫氮、除磷的目的和意義氮、磷是藻類生長(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，飲用水中硝態(tài)氮超過(guò)10mg/L會(huì)引起嬰兒的高鐵血紅蛋白癥。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。3、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。二、天然水體氮、磷的來(lái)源有下面幾個(gè)方面：1、來(lái)自城市生活污水；2、來(lái)自農(nóng)業(yè)施肥（氮）和噴灑農(nóng)藥（磷）；3、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）；4、食品加工、罐頭食品加工及被服洗滌服務(wù)行業(yè)的廢水；5、禽畜糞便水三、微生物脫氮工藝、原理及其微生物（一）微生物脫氮工藝可采用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。（二）脫氮原理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。首先利用設(shè)施內(nèi)好氧段，由亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌作用，將NH3轉(zhuǎn)化為NO3——N（硝化氮）。再利用缺氧段經(jīng)反硝化細(xì)菌將NO3——N（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。（2）氧化亞硝酸細(xì)菌大多數(shù)氧化亞硝酸細(xì)菌在PH7.5～8.0，溫度25℃～30℃，其世代隨環(huán)境可變，由8h到幾天。(3)硝化段的運(yùn)行操作: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。①泥齡（即懸浮固體停留時(shí)間θSRT）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。②要供給足夠氧，處理生活污水時(shí)，溶解氧一般控制在1.2～2.0mg/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。③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4～6h甚至8h。④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（PH7.5～8.0），滿足硝化細(xì)菌對(duì)PH的需要。⑤溫度，大多數(shù)硝化細(xì)菌生長(zhǎng)的最適溫度為25℃～30℃，低至-5℃，高至60℃?？梢詫⑺鼈儜?yīng)用于污水和廢水生物處理中。PH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性反硝化細(xì)菌共同參于下進(jìn)行的，所以水糸中PH值的影響并不明顯。環(huán)境的PH值可影響到反硝化的最終產(chǎn)物。當(dāng)PH低于6.0～6.5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)镻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。生物脫氮過(guò)程中,通常把硝化段運(yùn)行的PH值控制在7.2～8.0之間,反硝化段P控制在7.5～9.2之間。溫度：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。兩類硝化細(xì)菌的最宜溫度為30℃左右。研究表明溫度對(duì)反硝化速度的影響大小與反硝化設(shè)備的類型（微生物懸浮生長(zhǎng)型或固著型）、硝酸鹽負(fù)荷率等因素有關(guān)。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)，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，菌周圍微環(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/L～2mg/L以下時(shí)也不影響反硝化的進(jìn)行。碳源：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：①?gòu)U水中所含的有機(jī)碳源廢水中各種有機(jī)基質(zhì)，例如有機(jī)酸類、醇類、碳水化合物或烷烴類、苯酸鹽類、酚類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，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。②外加碳源當(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。3、生物脫氮工藝選擇反硝化有單級(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。以外還有濾池反硝化糸統(tǒng)、氧化溝反硝化糸統(tǒng)等。處理含NH3—N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岣逳H3—N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NH3—N負(fù)荷（或說(shuō)COD和NH3—N濃度）高低。

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。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。四、微生物除磷原理、工藝及其微生物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。（一）微生物除磷原理根據(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。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。（三）除磷的生物化學(xué)機(jī)制1、厭氧釋放磷的過(guò)程在厭氧條件下，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—β—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。2、好氧吸磷過(guò)程在好氧條件下，積磷菌菌體內(nèi)的聚—β—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—β—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)。積磷菌是一類生長(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—β—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，積磷菌同不積磷菌的微生物相比，更能適應(yīng)厭氧和好氧交替的環(huán)境而成為優(yōu)勢(shì)菌群。（四）除磷工藝流程目前研究和實(shí)際應(yīng)用較為廣泛的微生物除磷工藝主要有以下幾種：1、A/O法2、A2/O法3、間歇式活性污泥生物除磷法以上三種工藝在控制活性污泥絲狀膨脹的對(duì)策中講過(guò)。4、Bardenpho法（鮑德佛）原是脫氮系統(tǒng)，但已證明其同時(shí)具有除磷效果。5、phoredox法（佛瑞道克斯）6、UCT法7、phostrip法（佛斯日撲）

（五）運(yùn)行條件以上各種工藝流程各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)水質(zhì)選用。以上工藝即能除磷又能脫氮，都是用厭氧、缺氧和好氧的方法加以排列組合。但它們的工作主體硝化細(xì)菌和除磷細(xì)菌的生理稍有不同，兩者為爭(zhēng)碳源而有矛盾。因此，要分別創(chuàng)造一個(gè)適合它們各自生理需要的生態(tài)環(huán)境。故有以上多種工藝流程。為達(dá)到良好的除磷效果，要求NO3—（硝酸鹽）NO2—（亞硝酸鹽