第六章-微生物在水处理中的应用.doc

第六章 微生物在水处理中的应用本章重点：1.介绍微生物在水处理中的几种基本方法；2.介绍微生物在污水处理中的几种常见应用；3. 介绍微生物在给水处理中的几种常见应用。6.1基本处理方法6.1.1好氧处理一、废水好氧处理时COD的转化在废水的生物处理中，可降解的有机物在转化为简单无机物的同时，其一部分又通过合成代谢转化为增殖了的细胞物质。此外，在任何废水的生物处理中，可降解的有机物总或多或少地部分残留在废水中，这部分有机物未被降解，也未被转化为细胞物质。则全部废水的COD关系可表示为：CODtot总COD，即totalCOD。CODbd可生物降解的COD，即biodegradable COD。CODres难以降解的COD，即biolofical resistant COD。CODcells转化为细胞物质的COD。CODubd实际未降解的可降解COD，即unbiodegrable COD。 （6-1）及 （6-2）在废水的好氧生物处理中，被除去的COD（即CODrem）是转变为无机物的COD和转变为细胞的COD之和，即： (6-3)经好氧处理后，COD的去除率为： （6-4）其中的就是经处理后废水中残留的COD总量。废水在好氧处理后，经二沉池沉淀除去细胞物质，其流出液测定的COD，实际上是之和。二、好氧处理的生物化学特点从有氧呼吸的原理出发，我们可以从微生物学角度理解好氧生物处理法的一些特点，例如：其一，它需要消耗氧气。（1）有机物的完全氧化 （6-5）（2）细胞物质的合成(包括有机物氧化，并以NH3作氮源)（6-6）（3）细胞物质的氧化(自身分解) （6-7）其二，好氧呼吸的特点决定了好氧生物处理具有较高的污泥产率。三、好氧活性污泥处理的生物类群在活性污泥处理中微生物以絮凝物的形式存在，这是直径为0.050.5mm絮状化的微生物聚集体，它是由大量活细菌与其他微生物及吸附于其上的无生命物质构成。有机物的降解主要由细菌完成，其中重要的细菌有动胶菌属(Zoogloea)、假单胞菌属(Pseudomonas)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、无色杆菌属(Achromobacter)、黄杆菌属(Flavobacterzum)、芽孢杆菌属(Bacillus)、杆菌属(Bacterium)、微球菌属(Micrococcus)等。6.1.2厌氧处理含有有机污染物的废水在无溶解氧(即厌氧)条件下的微生物处理称为厌氧生物处理或厌氧处理。厌氧条件下微生物通过无氧呼吸和发酵作用使有机物降解。高分子量有机物的厌氧降解可以分为以下4个阶段：（1）水解阶段在此阶段高分子有机物被微生物释放的胞外酶分解为小分子，以便能透过细胞膜，为微生物进一步利用。（2）发酵(或酸化)阶段在此阶段，上述小分子有机物被发酵细菌在细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到细胞外。这一阶段的主要产物是挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids，简写作VFA)、醇类、乳酸及二氧化碳、氢气、氨和硫化氢等。（3）产乙酸阶段上一阶段产生的脂肪酸、醇类被进一步转化为乙酸以及二氧化碳、氢气，并合成新的细胞物质。（4）产甲烷阶段在此阶段，乙酸、氢气、二氧化碳等转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。二、厌氧生物处理中的微生物类群水解、酸化过程由大量的、各种各样的发酵细菌完成，其中重要的类群有梭状芽孢杆菌属(Clostridium)和拟杆菌属(Bacteriodes)。其他重要的细菌还有丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、真细菌属(Eubacterium)、双歧杆菌属(Bifidbacterium)等。三、废水厌氧处理中COD的转化在厌氧处理中，有机物的氧化在无分子氧参与的情况下完成，因此厌氧处理后产物的全部COD与处理前相同。但是，由于所产甲烷和细胞物质由水中分离，使水中污染物COD浓度下降，由此使废水得以净化。复杂有机物 碳水化合物、蛋白质、脂类 (1) 水解 简 单 溶 解 性 有 机 物(1) 发酵脂肪酸、醇类（丙酸、丁酸、乙醇、乳酸等）(2) 产氢产乙酸 氢 气 乙酸 二氧化碳 （3）同型产乙酸 （4） （5）产甲烷作用 甲烷 二氧化碳 (1)发酵性细菌，（2）产氢产乙酸细菌，（3）同型产乙酸菌， （4）利用H2和CO2的产甲烷菌，（5）分解乙酸的产甲烷菌图6-1有机物厌氧降解过程示意图6.1.3兼氧将厌氧过程控制在水解或酸化阶段，利用兼性水解产酸菌难降解的复杂有机物转化为简单有机物，将有利于后段的好氧处理。在此过程中主要通过控制环境的pH、通氧量、温度、时间等，抑制甲烷菌的生长。常用于处理印染废水、焦化废水、表面活性剂。6.2微生物在污水处理中的应用6.2.1活性污泥法一、活性污泥法的基本原理1.活性污泥法的概念与工艺流程活性污泥法是指利用活性污泥微生物处理有机废水的生物处理方法，是目前污水处理技术领域中应用最为广泛的技术之一。活性污泥处理系统主要由活性污泥反应器即曝气池、二沉池、污泥回流系统和曝气及空气扩散系统等组成。活性污泥法的主要处理流程为：来自初次沉淀池或其他预处理装置的污水从曝气池的一端进入，从二次沉淀池连续回流的活性污泥，于此同步进入曝气池；从空压机站送来的压缩空气，通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入污水中，其作用除向污水充氧外，还使曝气池内的污水、活性污泥处于剧烈搅动的状态，形成混合液。活性污泥与污水互相混合，与污染物充分接触，使活性污泥反应得以正常进行。活性污泥反应进行的结果，污水中有机污染物得到降解而被去除，活性污泥本身得以繁衍增长，污水则得以净化处理。经过活性污泥净化作用后的混合液，由曝气池的另一端流出并进入二次沉淀池，活性污泥通过沉淀与污水分离，澄清后的污水作为处理水排出系统。经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出，其中一部分作为接种污泥回流曝气池，多余的一部分则作为剩余污泥排出系统。图6-2所示为活性污泥处理系统的基本流程。进水曝气池二次沉淀池空气剩余污泥出水图6-2 好氧活性污泥法基本流程2活性污泥法的基本特征活性污泥法尽管因处理的目的和对象不同，有许多运行方式和工艺，但它们的主要特征是相同的，具体表现在：利用生物絮凝体为生化反应的主体物；利用曝气设备向生化反应系统分散空气或氧气，为微生物提供氧源；对体系进行混合搅拌以增加接触和加速生化反应传质过程；采用沉淀方式去除生物体，降低出水中微生物的固体含量；通过回流使在沉淀池浓缩的活性污泥微生物返回到反应系统；为保证系统内生物细胞平均停留时间的稳定，经常排出一部分生物固体，即剩余污泥。3活性污泥的基本特征（1）活性污泥的形态与组成正常的活性污泥在外观上呈黄褐色的絮绒颗粒状，又称为“生物絮凝体”，其粒径一般介于0.020.2mm之间。在活性污泥上栖息着具有强大生命力的微生物群体。除了大量的微生物以外，活性污泥中还夹杂着由污水带入的有机和无机固体物质，在有机固体物质中，包括某些惰性的难为细菌摄取、利用的所谓难降解物质。综合而言，活性污泥由4部分物质所组成：具有活性的微生物群体；微生物自身氧化的残留物；原污水挟入的不能为微生物降解的惰性有机物质；原污水挟入的无机物质。（2）活性污泥中的微生物菌胶团细菌。能形成活性污泥絮状体(floc)的细菌称为菌胶团细菌。它们是构成活性污泥絮状体的主要成分，有很强的吸附、氧化有机物的能力。丝状细菌。丝状细菌也是活性污泥微生物的重要组成成分。丝状细菌在活性污泥中交叉穿织于菌胶团内，或附着生长于絮凝体表面，少数种类也可游离于污泥絮凝体之间。真菌。活性污泥中的真菌主要是腐生或寄生的丝状菌。这些真菌具有分解碳水化合物、脂肪、蛋白质及其他含氮化合物的功能，但若大量异常的增殖会导致产生污泥膨胀现象。原生动物。原生动物对废水的净化也起着重要作用，而且可作为处理系统运转管理的一种指标。在活性污泥系统启动的初期，活性污泥尚未得到良好的培育，混合液中游离细菌居多，处理水水质欠佳，此时出现的原生动物，最初为肉足虫类(如变形虫)占优势，继之出现的则是以游泳型的纤毛虫，如豆形虫、肾形虫、草履虫等为主。当活性污泥菌胶团培育成熟，结构良好，活性较强，成为处理系统微生物的主要存在形式时，处理水水质良好，此时出现的原生动物则将以带柄固着(着生)型的纤毛虫，如钟虫、等枝虫、独缩虫、聚缩虫和盖纤虫等为主。通过显微镜的镜检，能够观察到出现在活性污泥中的原生动物，并可辨别认定其种属，据此能够判断处理水质的优劣。微型后生动物。后生动物在活性污泥系统中并不经常出现，只有在处理水质良好时才有一些微型后生动物存在，主要有轮虫、线虫和寡毛类。（3）活性污泥的数量指标混合液悬浮固体(MLSS)浓度又称混合液污泥浓度，它表示的是在单位容积混合液内所含有的活性污泥固体物质的总质量，单位为mg/L，但也可以使用g/L,g/m3或kg/m3。混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)浓度是指混合液活性污泥中有机固体物质的浓度，以质量表示，单位与MLSS的相同。在一般情况下，MLVSSMLSS值比较固定，对于生活污水，常为0.75左右。（4）活性污泥的沉降性能指标 、污泥沉降比(SV)又称30min沉淀率；为混合液在量筒内静置30min后所形成沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分数，以表示。污泥体积指数或称污泥指数(SVI)的物理意义是曝气池出口处的混合液经30min静沉后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积，以毫升(mL)计。其计算式为： SVI=SV(mL/L)÷MLSS(g/L)SVI值能够反映出活性污泥的凝聚、沉淀性能。通常，当SVI<100时，沉淀性能良好；当SVI=100200时，沉淀性一般；而当SVI>200时，沉淀性较差，污泥易膨胀。一般常控制SVI在50150之间为宜，但根据污水性质不同，这个指标也有差异。如污水中溶解性有机物含量高时，正常的SVI值可能较高；相反，污水中含无机悬浮物较多时，正常的SVI值可能较低。6.2.2生物膜法一、生物膜法净化污水的机理1生物膜及其结构污水的生物膜处理法的实质是使细菌和真菌一类的微生物和原生动物、后生动物一类的微型动物附着在滤料或某些载体上生长繁育，并在其上形成膜状生物污泥生物膜。污水与生物膜接触时，其中的有机污染物作为营养物质，为生物膜上的微生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也得到繁衍增殖。污水与滤料或某种载体流动接触，经过一段时间后，后者的表面将会为一种膜状污泥，即生物膜所覆盖，生物膜逐渐成熟，其上由细菌及各种微生物组成的生态系及其对有机物的降解功能达到了平衡和稳定状态。从开始形成到成熟，生物膜要经历潜伏和生长两个阶段。2生物膜对有机物质的降解及其生长空气中的氧溶解于流动的水层中，从那里通过附着水层传递给生物膜，供微生物用于呼吸；污水中的有机污染物则由流动水层传递给附着水层，然后进入生物膜，并通过细菌的代谢活动而被降解，使污水在其流动过程中逐步得到净化；微生物的代谢产物如H2O等则通过附着水层进入流动水层，并随其排走，而CO2及厌氧层分解产物如H2S、NH3以及CH4等气态代谢产物则从水层逸出进入气流中。在正常运行情况下，整个反应系统中的生物膜各个部分总是交替脱落的，系统内活性生物膜数量相对稳定，净化效果良好。过厚的生物膜并不能增大底物利用速度，却可能造成堵塞，影响正常通风。因此，当废水浓度较大时，生物膜增长过快，水流的冲刷力也应加大，如依靠原废水不能保证其冲刷能力时，可以采用处理出水回流，以稀释进水和加大水力负荷，从而维持良好的生物膜活性和合适的膜厚度。3生物膜中的微生物生物膜中的微生物主要有细菌(包括好氧、厌氧及兼氧细菌)、真菌、放线菌、原生动物(主要是纤毛虫)和微型后生动物，其中藻类和微型后生动物比活性污泥法中多见。在生物膜的好氧层专性好氧的芽孢杆菌属(Bacillus)的细菌占优势；在厌氧层有诸如脱硫化弧菌属(Desulfovibrio)一类的专性厌氧细菌存在于膜和滤料的界面上。滤膜上数量最多的细菌则是兼性细菌，主要有假单胞菌属(Pseudomonas)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、黄杆菌属(Flavobacterium)、五色杆菌属(Achromobacter)、微球菌属(Micrococcus)、动胶杆菌属(Zoogloea)等。另外，还存在有大肠杆菌和产气杆菌等肠道杆菌。在生物膜上还经常能见到丝状微生物，如球衣细菌(Sphaerotilus)、贝氏硫细菌(Beggiatoa)和发硫细菌(Thiothrix)等，后两种往往存在于膜的厌氧层。在好气层还可能生长有丝状真菌，它们只存在于有溶解氧的层次内。在生物膜中出现的后生动物有轮虫类、线虫类、昆虫类、腹足类、寡毛类等。生物膜上出现的轮虫类的种类与活性污泥的大体相同，但数量更多。线虫类也比活性污泥中多，而且很少受到季节性变化的影响，数量相对稳定。生物膜上出现的顠体虫属(Aeolosoma)、仙女虫属(Nais)、吻盲虫属(Pristina)等寡毛类，在每毫克干生物膜中有时可达到1000个以上。4生物膜法的主要特征（1）生物多样性高，能存活世代时间较长的微生物（2）食物链长（3）具有较强的脱氮能力 （4）优势菌群随水处理程度呈现规律性分布 （5）操作运行稳定生物膜处理法的各种工艺，对流入原污水水质、水量的变化都具有较强的适应性。（6）污泥沉降性能好，宜于固液分离 （7）能够处理低浓度有机废水 （8）易维护，能耗低表6-1 活性污泥法和生物滤池法比较项目活性污泥法生物滤池法基建项目较低 低占地面积少，适于土地紧缺地价昂贵的地区多，约为活性污泥法的lO倍运行费用高低运行技术要求高，需要连续监视运行情况低，不需要连续监视运行情况天气影响潮湿天气工作好，干燥天气稍差，受低温影响小夏季工作好，冬季易于积水结冰废水性质对毒物冲击、负荷变化和废水种类敏感，有污泥膨胀问题抗冲击负荷和有毒物质，适用于多种污水，无污泥膨胀问题出水水质除膨胀外悬浮固体低悬浮固体较高二次污泥体积大，含水量高，难于脱水，稳定性低体积小，含水少，高度稳定能量需求高，需要曝气混合，污泥回流低，自然通风，重力过流静水头小高公害气味小，无蚊蝇，会有噪声气味中等，有蚊蝇，无噪声耐久性不耐久，维护要求低不耐久，维护要求高合成洗涤剂可能有泡沫，特别在有扩散器时泡沫少生物膜法有以下几种类型：生物滤池 一般建成长方形或圆形池子(钢筋混凝土或砖石结构)，池内装有滤料(石子、炉渣或塑料滤料等)，滤料层上有布水装置，下有排水系统。生物滤池分普通生物滤池(conventional biological filter)和高负荷生物滤池(high rate biological filter)。塔式生物滤池(biological tower) 塔高724m，采用塑料滤料(聚氯乙烯和聚丙烯)，内部通风良好，水流紊动剧烈，水力冲刷较强。普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池的工作特点如表6-2。 生物转盘(biologlcal disc) 1960年德国斯图加特工业大学设计的一种方法，在废水池子安装转盘，像水车一样旋转，转盘浸入水中吸附有机物获得营养，转盘离开水后获得氧气。生物接触氧化(biological contact oxidation) 在池中装填一定数量生的填料，使之淹没在水中，附着在填料上的微生物要依靠机械充氧获得氧气，氧化分解有机物，又称淹没式生物滤池，是介于活性污泥法和生物滤池法之间的处理工艺。一般停留时间为0.5 h1.5h，BOD负荷l6 BOD kg/(m3·d)，去除效率8090(BOD5)。表6-2 普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池等的比较项目普通生物滤池高负荷生物滤池塔示生物滤池水力负荷m3/(m2d)15103090150有机负荷BODkg/( m2d)0.10.20.81.224有机物去除率（%）859575907080高度（m）1.83.00.92.4724生物流化床(biological fluidized bed) 为提高生物膜法的处理效率，以砂、焦炭或活性炭等细小惰性材料作为生物膜载体，废水(先经充氧或床内充氧)自下向上流过滤床使载体层呈流动状态，加大了生物膜表面积与废水和氧的接触。MLSS为840g/L，有机负荷16BODkg/(m3·d)。停留时间1545 min，BOD和氮去除率>90。6.2.3厌氧处理法厌氧生物法是一种既节能又产能的废水生物处理工艺。同好氧处理法相比，厌氧处理法具有许多明显的优点：有机负荷高，去除率高。能降解许多在好氧条件下难以降解的合成化学品。能源动力消耗少，且产能。剩余污泥量少。设备投资少，运行费用低。厌氧污泥可长期贮存，为季节性或间歇式运行提供方便。但是厌氧处理也有很明显的缺点，主要有以下几方面：污泥增加缓慢，对毒物敏感，启动时间长。一般第一次启动要花812周左右的时间。出水水质一般达不到排放标准。由于进水浓度高，即使去除率很高，也难达到排放标准，故还需进一步处理，通常通过厌氧和好氧(A/O)串联运行解决。操作控制较为复杂。特别是初次启动操作，需对操作人员进行一定的技术培训。沼气易燃。要有安全措施防止爆炸事故。一、废水厌氧生物处理的微生物学原理（一）有机物厌氧消化的微生物学过程两段理论: 在第一阶段，复杂的有机物，如糖类、脂类和蛋白质等，在产酸菌(厌氧和兼性厌氧菌)的作用下被分解成为低分子的中间产物，主要是一些低分子有机酸和醇类，如乙酸、丙酸、丁酸、乙醇等，并有H2、CO2、NH4+和H2S等产生。因为该阶段中有大量的脂肪酸产生，使发酵液的pH值降低，所以，此阶段被称为酸性发酵阶段或产酸阶段。在第二阶段，专性厌氧菌产甲烷菌将第一阶段产生的中间产物继续分解成CH4、CO2和H2O等,此阶段被称为碱性发酵阶段或产甲烷阶段。三阶段理论: 第一阶段为水解发酵阶段。在该阶段，复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先分解成简单的有机物，如纤维素经水解转化成较简单的糖类、蛋白质转化成较简单的氨基酸、脂类转化成脂肪酸和甘油等。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等。参与这个阶段的水解发酵菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。第二阶段为产氢产乙酸阶段。在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和氢，并有CO2产生。第三阶段为产甲烷阶段。在该阶段中，产甲烷菌把第一阶段和第二阶段产生的乙酸、H2和CO2等转化为甲烷。（二）参与厌氧消化过程的微生物及其生理特征厌氧生物处理过程是一个连续的微生物学过程，参与厌氧消化的微生物类群总体上可分为两大类，即包括发酵细菌、产氢产乙酸菌以及同型产乙酸菌在内的非产甲烷菌和产甲烷菌。1非产甲烷细菌非产甲烷细菌(non methanogens)常称为产酸菌(acidogens)，它们能将有机底物通过发酵作用产生挥发性有机酸(VFA)和醇类，常使处理构筑物中混合液的pH值处于较低的水平。表6-3列举了厌氧生物处理系统中常见的一些典型非产甲烷细菌。表6-3 典型非产甲烷细菌类 型细菌种属发酵细菌梭杆菌属（Fusobacterium）拟杆菌属（Bacteroides）丙酸杆菌属（Propionibacterium）气杆菌属（Aerobacter）产氢产乙酸菌脱硫弧菌(Desulfovibio desulfuricans)普通脱硫弧菌(D.vulgaris)沃尔夫互营单胞菌(Syntrophononas wolfei)梭菌属(Clostridium sp.) 沃林互营杆菌(Syntrophobacter wolinii)产生消化链球茼(Peptostreptococcus productus)同型产乙酸菌伍迪乙酸梭菌（Acetobacterium mwoodii）威林格乙酸梭菌（A.wieringae）乙酸梭菌(C.aceticum)威林格乙酸杆菌(C.formicocaceticum)甲酸乙酸化梭菌(C.magnum)2产甲烷细菌 产甲烷细菌(methanogen)这一名词是1974年由Bryant提出的，目的是为了避免这类细菌与另一类好氧性甲烷氧化细菌(aerobic methano-oxldizmg bacterla)相混淆。产甲烷细菌利用有机或无机物作为底物，在厌氧条件下转化形成甲烷。而甲烷氧化细菌则以甲烷为碳源和能源，将甲烷氧化分解成CO2和H2O。3硫酸盐还原细菌在含有硫酸盐的有机废水厌氧生物处理系统中，会有硫酸盐还原菌的生存。硫酸盐还原菌(SRB)是对具有把硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等硫化物以及单质硫还原形成硫化氢这一生理特征细菌的统称。（三）非产甲烷细茵与产甲烷细菌之间的关系1非产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物2非产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位3非产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质4产甲烷细菌为非产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制5非产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持适宜的酸碱环境（四）厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替在厌氧生物处理系统中(如在消化反应器中)，由于内部各区域生态位的差异，造成非产甲烷细菌、产甲烷菌中各类群细菌有规律地出现演替。在非完全混合反应器中，优势种群沿水流方向的演替规律如下。进水FB、HPA、HOMA、HOM、HOAMOHPA、HOM、HOAMNHOAM、HOM 出水通过各种群间相互利用、相互制约，构成一个稳定的生态系统，保证生物代谢过程正常进行。若这一演替规律被破坏，往往会影响代谢平衡，甚至导致整个处理系统的运行失败。（五）废水厌氧生物处理的工艺条件及其控制1.严格厌氧条件2.营养条件和其他废水生物处理技术一样，厌氧生物处理工艺的正常运转是建立在系统内微生物的生长代谢基础之上的，因此欲取得较佳的处理效果，必须给微生物提供生长必需的营养条件，任何一种营养源的不足，都会严重影响微生物的生长，威胁系统的正常运行。在实际工程中，一般考虑最多的是维持微生物对碳、氮、磷营养需求的平衡。3温度4pH值产甲烷细菌的最适pH值是6.57.5，pH值大于8.2或小于6都将影响产甲烷菌的活性。5搅拌6污泥接种 （六）主要厌氧消化装置类型进行污水处理的厌氧消化装置主要有四种类型：常规消化池或普通消化池(convention digester)厌氧接触消化池(anaerobic contact digester) 厌氧滤池(anaerobic filter，AF)反应器升流式厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket，UASB)反应器以上四种厌氧消化处理的特点比较见表6-4。表6-4 几种常用厌氧处理方法的特点类别常规消化池厌氧接触消化池厌氧滤池升流式厌氧污泥床COD去除为90的有机负荷（kgCOD/m3/d）<3.03.055.05.010.08.015.0进水允许ss含量(g/L)>50>50<0.2<4进水COD(mgL)>5000>3000>300>1000COD去除率()60>90>90>90水力停留时间(d)>80.280.240.158污泥停留时间(d)>815802030030300动力消耗较大较大较小较小生产控制较易较易较易较难投资较大较大较大较小占地较大较大较小较小堵塞无无有可能无低温效率低效率低效率较高效率较高反应器内流态完全混合完全混合接近推流完全混合与推流之间6.2.4脱氮除磷一、废水脱氮除磷的意义氮、磷是藻类生长的限制性因子，水体中氮、磷浓度增高会导致水体的富营养化。常规的活性污泥法以去除废水中的含碳化合物为主，对于氮、磷的去除效率很低，难以达到严格的排放标准。在此背景下，废水的脱氮除磷技术得到了迅速发展。二、废水的生物脱氮原理与工艺（一）生物脱氮的基本原理废水生物脱氮的基本原理就在于：在有机氮转化为氨氮的基础上，通过硝化反应将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮转化为氮气从水中逸出，从而达到脱氮的目的。1硝化作用 硝化作用是将氨氮转化为硝酸盐氮的过程。硝化反应是由一群自养型好氧微生物完成的它包括两个基本反应步骤。 第一步是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐(NO2-)，称为亚硝化反应，其反应式为+（240350kJ/mol） （6-8）第二步则由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，称为硝化反应，其反应式为 +（6590kJ/mol） （6-9）亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，均是化能自养型微生物，它们利用无机碳化合物，如CO2、CO32-、HCO3-等作为碳源，通过与NH3、NH4+、NO2-的氧化反应来获得能量。2反硝化作用反硝化作用是由一群异养型微生物完成的生物化学过程。它的主要作用是在缺氧(无分子态氧)的条件下，将硝化过程中产生的亚硝酸盐和硝酸盐还原成气态氮(N2)或N2O、NO。反硝化过程中亚硝酸盐和硝酸盐的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异化作用来完成的。异化作用就是将NO2-和NO3-还原为NO、N2O、N2等气体物质，主要是N2；而同化作用是反硝化菌将NO2-和NO3-还原成NH3-N供新细胞合成之用，氮成为细胞质的成分，此过程可称为同化反硝化。（二）生物脱氮工艺1活性污泥脱氮系统根据去碳、硝化和脱氮的组合方式不同，可以把活性污泥法系统分为单级活性污泥系统和多级活性污泥系统。根据反硝化过程中利用的有机碳源来源不同，还可以把活性污泥法系统分为内碳源(污水或活性污泥自溶提供的碳源)系统和外加碳源系统。（1） 单级活性污泥内碳源系统在单级系统中给予细菌交替的好氧和厌氧条件，以进行硝化和反硝化作用，其工艺流程如图6-3（a）所示。进水去碳、硝化池（好氧）反硝化池（缺氧）二沉池出水N2排泥图6-3（a） 利用内源碳的工艺流程（2） 单级活性污泥外加碳源系统去碳、硝化池（好氧）（好氧）进水反硝化池（缺氧）N2外加碳源后去碳池(好氧)二沉池出水排泥该系统与单级活性污泥内碳源系统不同之处是在反硝化池内通入外加碳源，一般常以甲醇作为外加碳源。该系统是最典型的生物脱氮工艺，其流程如图6-3(b)所示。图6-3（b）利用外加源碳的工艺流程（3） 多级活性污泥内碳源系统多级活性污泥内碳源系统主要分成两大部分：第一部分是活性污泥在好氧条件下去除有机物质，污泥经沉淀池分离后，又回流到曝气池，与后半部分并不混合；第二部分是通过硝化和反硝化达到脱氮的目的。该系统的工艺流程如图6-15(a)所示。去碳池（厌或好氧）进水沉淀池硝化池（好氧）沉淀池反硝化池（缺氧）沉淀池出水排泥排泥回流污泥回流污泥排泥回流污泥N2外加碳源图6-4（a）利用外加碳源工艺流程（4）多级活性污泥外加碳源系统该系统是在多级活性污泥内碳源系统的基础上，在反硝化池中加入外来碳源，并设后曝气池去除剩余的有机物，其工艺流程如图6-4(a)所示。2生物膜脱氮系统生物膜法脱氮工艺是利用介质上生长的生物膜完成对污水去碳、硝化和反硝化作用的。生物膜法脱氮系统通常使反硝化过程和硝化过程分别在两个处理构筑物内进行，并使反硝化设备内的微生物处于厌氧状态。可采用的生物膜法主要有生物滤池、生物转盘和生物流化床等。（三）影响脱氮作用的环境因素1影响硝化作用的因素（1）有机碳浓度（2）溶解氧（3）pH值（4）温度2影响反硝化作用的因素（1）溶解氧（2）温度（3）pH值（4）有毒物质（5）碳源 三、废水的生物除磷原理与工艺（一）生物除磷的基本原理对微生物超量吸收磷这一现象的解释有两种：一是生物诱导的化学沉淀作用，二是生物积磷作用。生物除磷的机理可具体表述如下:在没有溶解氧和硝态氮存在的厌氧条件下，兼性细菌通过发酵作用将溶解性BOD转化为醇类和挥发性脂肪酸(VFA)。聚磷菌从污水中吸收这些VFA，并将其转运到细胞内，同化成胞内碳能源贮存物，如聚-羟基丁酸(PHB)和聚-羟基戊酸(PHV)。所需的能量来源于聚磷的降解以及细胞内糖的酵解，并导致磷酸盐的释放。在厌氧环境释放过磷的聚磷菌，进入好氧区后活力得到恢复，并以聚磷的形式贮存超出生长需要的磷量，通过PHBPHV的氧化代谢产生能量，用于磷的吸收和聚磷的合成，能量以聚磷酸高能键的形式贮存，磷酸盐从液相去除。产生的富磷污泥(重新吸收富集了大量磷的菌细胞)，将在后续的操作单元中通过剩余污泥的形式得到排放，从而将磷从系统中除去。（二）生物除磷的基本工艺现有的除磷工艺流程可分为主流除磷工艺和侧流除磷工艺两类。侧流除磷以Phostrip工艺为代表。主流除磷有多个系列，包括A/O(anaerobic/oxic)、A2/O(anaerobic/anoxic/oxic)、Bardenpho、SBR等。在此仅就具有代表性的A/O工艺和Phostrip工艺介绍如下。1A/O工艺A/O法是厌氧/好氧(anaerobic/oxic)工艺的简称，它与前面讲到的用于废水脱氮的A/O工艺是有区别的，在脱磷系统中，A段为厌氧(anaerobic)段，而脱氮系统中的A段则是缺氧(anoxic)段。其工艺流程如图6-5所示。反应池分为厌氧区和好氧区，两个反应区进一步划分为体积相同的格产生推流式流态。回流污泥进入厌氧池可吸收去除一部分有机物，并释放出大量磷，接着进入好氧池并对废水中有机物进行好氧降解，同时污泥将大量摄取废水中的磷，部分富磷污泥以剩余污泥的形式排出，实现磷的去除。厌氧好氧（无硝化）二沉池进水出水污泥回流剩余污泥图6-5 A/O工艺流程2Phostrip工艺Pbostrip工艺是在常规活性污泥法的回流污泥分流管线上增设一个脱磷池和化学沉淀池而构成的，其工艺流程如图6-5所示。废水经曝气池去除绝大部分的BOD5和COD，同时由聚磷菌在好氧状态下过量地摄取磷。在二沉池中，含磷污泥与水分离，上清液从系统中排出，污泥一部分回流至曝气池，而另一部分分流至厌氧除磷池。在厌氧除磷池中，回流污泥在好氧状态时过量摄取的磷得到充分释放，之后，释磷后的污泥重新回流到曝气池与原生污水相混合，开始新的循环。由除磷池流出的富磷上清液进入化学沉淀池，投加石灰形成不溶物沉淀，通过排放含磷污泥去除磷。曝气池进水二沉池出水剩余污泥回流污泥释磷池上清液化学处理化学污泥淘洗水图6-6 Phostrip除磷工艺流程（三）影响生物除磷的主要因素（1）溶解氧（2）厌氧区硝态氮（3）温度（4）pH值（5）BOD负荷（6）污泥龄 6.2.5实际工程中微生物的培养与控制6.2.6 微生物在重点污染行业废水处理中的应用6.3微生物在给水处理中的应用6.3.1给水工艺概况及特点人们生活用水主要来自于城市自来水厂供水，少部分取自地下水，自来水厂水源多为江河、湖泊、水库等，其常规处理工艺如图6-7所示。地表水絮凝池沉淀池砂滤池出水混凝剂氯化消毒（a）地表水絮凝池沉淀池砂滤池出水混凝剂氯化消毒炭滤池（b）图6-7 饮用水常规处理工艺6.3.2微污染水源水的生物处理一、饮用水源水的生物预处理生物预处理是指在常规净水工艺之前增设生物处理工艺段，借助于微生物群体的新陈代谢活动，对水源水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污染物进行初步去除。（1）生物塔滤（2）生物过滤反应器（3）生物转盘（4）生物接触氧化（5）生物流化床反应器（6）土地处理系统二、给水深度处理中的生物处理深度处理通常是指在常规处理工艺以后，采用适当的处理方法，将常规处理工艺不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，提高和保证饮用水质。应用较广泛的深度处理技术有活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性炭、膜技术等。（1）生物活性炭（Biological Activated Carbon，BAC）生物活性炭技术是利用生物技术中的微生物作用分解氧化有机物，并与活性炭吸附技术相结合。其作用机理为：在处理水源水时，曝气使水中有足够的溶解氧，同时活性炭吸附水中可供微生物生长的营养物质，使好氧微生物在炭粒上具有良好的生长环境，当水源水通过生物活性炭时充分利用活性炭的吸附性能，并利用活性炭上大量生长的微生物将有机物大分子或长链分子分解为小分子或短链分子，被活性炭更小孔径的位点吸附，这样可增加活性炭的吸附能力，延长活性炭的吸附饱和时间， 提高处理效果。（2）臭氧生物活性炭（O3-BAC）生物活性炭通过活性炭的物理吸附与活性炭表面附着微生物群落的生物降解等作用去除天然有机物（NOM）。水源水预臭氧絮凝池沉淀池主臭氧生物活性炭砂虑池出水混凝剂氯化消毒图6-8 臭氧生物活性炭工艺流程臭氧生物活性炭基本工艺流程如图6-8所示。该工艺进行了2次臭氧投加，当水源水入厂后，即对原水进行第一次臭氧氧化，称为预臭氧，可以提高混凝处