第二篇第四章+污废水深度处理

硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条 件变化较为敏感。温度，溶解氧，污泥龄，pH， 有机负荷等都会对它产生影响。
（2）Nitrification

硝化细菌同化合成细胞的反应式： NH4++1.86O2+0.99CaCO3→0.98NO3+0.02C5H7NO2+0.89CO2+1.93H2O+0.99Ca2+ 每氧化1gNH4+-N为NO3--N，要消耗4.25gO2、 7.07g碱度（以CaCO3计）和0.85g无机碳。合 成0.16g新细胞。
UCT工艺（University of Capetown）
UCT工艺（University of Capetown）

工艺特点：
– （1）类似于A2/O工艺的脱氮除磷工艺；
– （2）与A2/O工艺的不同之处在于沉淀池污泥是回 流到缺氧池而不是回流到厌氧池，这样可以防止由 于硝酸盐氮进入厌氧池，破坏厌氧池的厌氧状态而 影响系统的除磷效率；
硝酸盐（NO3-）
硝酸盐还原酶 亚硝酸盐（NO2-） 亚硝酸盐还原酶 一氧化氮（NO） NO还原酶 一氧化二氮（N2O） N2O还原酶 氮气（N2）
大 气
反硝化过程与气态氮化物
（3）Denitrification

反硝化反应是指在无氧的条件下,反硝化菌将硝酸 盐或亚硝酸盐在被还原为气态氮（N2）的过程。 外源反硝化：
2CH3OH+HNO3+Ca(OH)2→0.2C5H7NO2+0.4N2+6[H] +CaCO3+3.6[OH]

每利用1g NO3-反硝化，消耗1.03g甲醇，产生0.37g新细 胞和1.61g碱度

内源反硝化
C5H7NO2+4.6NO3-→2.8N2+1.2H2O+5CO2+4.6OH-
（3）Denitrification
十多年后，Mulder等人在生物脱氮流化床反应器内发现了厌 氧氨氧化菌的存在。接着，van de Graaf等人又以多种方法 证明，厌氧氨氧化是一个生物反应。经过长期努力，Strous 等人采用梯度离心技术，成功的分离了厌氧氨氧化菌。谱系 分 析 证 明 ， 被 分 离 的 两 种 厌 氧 氨 氧 化 菌 (Brocadia anammoxidans和Kuenenstuttgartiensis)都属于分支横生的
生物脱氮新技术

短程硝化反硝化 同步硝化/反硝化脱氮 厌氧氨氧化
全程自养脱氮
短程硝化反硝化

从微生物学的角度看，短程硝化反硝化并不是 什么新东西。但在废水生物脱氮领域，一直流 行着全程硝化和全程反硝化的理念和做法。习 惯成自然，突破传统理念的束缚就成了一种创 新。事实上，短程硝化反硝化工艺也确实具有

（3）Denitrification

反硝化反应是指在无氧的条件下,反硝化菌将硝 酸盐或亚硝酸盐在被还原为气态氮（N2）的过 程。

反硝化菌属异氧兼性厌氧菌，在有氧存在时， 它会以O2为电子进行呼吸；在无氧而有NO3-或 NO2- 存在时，则以NO3-或NO2-为电子受体， 以有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。

②污泥龄：污泥龄为30d，除磷率为40%；污 泥龄为17d，除磷率为50%；污泥龄为5d时， 除磷率高达87%；
③温度：在5-30°C的范围内，都可以取得较 好的除磷效果；

同步脱氮除磷工艺

Anaerobic/Anoxic/Oxic UCT工艺
Anaerobic/Anoxic/Oxic工艺
依靠聚磷菌（兼性厌氧菌）聚磷，再从 水中除去这些细菌。

好氧时：大量繁殖（消耗好氧状态能源——聚β-羟基丁二酸
（PHB）），
逆浓度梯度过量吸磷（贮备厌氧状态能源——多聚磷酸盐 颗粒(即异染颗粒) ）；


厌氧时：正相反——不繁殖，释放磷酸盐于体外（产生能量供
其储备消耗好氧状态能源——PHB）。
有机基质 厌氧区 产酸菌 好氧区
(3) 消耗水体的溶解氧；
(4) 向水体释放有毒物质；例如：NO3−和NO2− 可被转化为亚硝胺(三致物质) ；水中NO2−高， 可导致婴儿患变性血色蛋白症 “Bluebaby”；


污、废水脱氮、除磷的具体指标
一级标准 废水磷含量在≤0．5mg/L

氨氮
≤15mg／L
微生物脱氮工艺、原理及其微生物

生物脱氮工艺 微生物脱氮工艺、原理及其微生物
三段生物脱氮工艺： 将有机物氧化、硝化以及反硝化段独立开来， 每一部分都有其自己的沉淀池和各自独立的污泥 回流系统。

活性污泥法典型工艺——A/O工艺（缺氧、 好氧工艺）
？
回流 废 水
缺 氧 反 硝 化
沉淀池1
好 氧 脱 碳
好 氧 硝 化
沉淀池 出水
缺氧活性污泥回流
好氧活性污ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ回流
A/O脱氮工艺

提问：硝化脱氮时有时需要补碱 （Na2CO3或NaOH)? 硝化作用消耗碱（NH4+、CO3-），水pH 下降； 提问：硝化菌世代周期长，容易从活性 污泥系统中被洗掉，如何解决？ 挂生物膜或投加悬浮填料




定期投菌
进水 好氧 脱碳 硝化 滤池
利用进水 中的BOD
大部分 （P）去除
部分回流 做种
水中P
聚P 聚P 聚P 聚P
乙酸 P 聚P 聚磷菌 PHB 聚磷菌 O2 PHB 聚磷菌
聚P 聚磷菌
2．工艺简介

常见的脱磷工艺如下图所示
进 水 出 水
部分污泥回流接种 厌氧 放磷 好氧 聚磷 沉淀 脱磷
剩余污 泥处理
生物除磷的影响因素

①溶解氧：在厌氧反应器内，DO< 0.2 mg/L； 在好氧反应器内，DO为2mg/L左右。
（1）Ammonification

微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作 用，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其 含氮衍生物，其中分解能力强，并释放出氨的微生 物称为氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有机 氮化合物分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例： – RCHNH 2COOH + H 2O →RCOHCOOH + NH3

厌氧氨氧化脱氮
NH3+HNO2→N2+2H2O
2NH3+HNO3→1.5N2+3H2O+[H]

厌氧氨反硫化脱氮 2NH3+H2SO4→N2+S+4H2O
下列哪一种工艺不具备脱氮功能?
– (1) 传统活性污泥法
– (2) SBR法
– (3) 氧化沟工艺
– (4) 生物膜法
Orbal式氧化沟
SBR反应器

微生物预处理工艺
– 均采用膜法生物处理：生物滤池、生物转盘、
甲醇
厌氧 反硝 化 滤池
出水
两级滤池法工艺流程
补充反硝化菌的碳源！
四、微生物除磷原理、工艺及其微生物

（BOD：N：P）100：5：1——微生物除碳的同时吸收磷元素 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。某些高含磷废水中残留的磷还相当高，故需用除磷工艺 处理。

1．微生物除磷原理

全程自养脱氮
全程自养脱氮是在近几年才兴起的一
种脱氮新工艺，其最大的优点是整个脱
氮过程全部由自养菌完成，无需外加碳
源。其实现的机理尚不清楚，目前较被
认可的2个自养脱氮过程反应式为：
– NH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+ （1） – NO2-+NH4+→N2+2H2O （2）
第二节 微污染水源水预处理中的微生物学原理
生物脱氮的影响因素

（1）硝化段的运行操作 （2）反硝化段的运行操作
（1）硝化段的运行操作

①硝化菌污泥龄(一般为5天以上) ②要供给足够氧(DO1.2~2.0mg/L) ③控制适度的曝气时间 ④保持一定的碱度 ⑤温度(25-30°C )
（2）反硝化段的运行操作

①碳源(BOD5/TKN>3)若碳源不够则 需外加碳源（甲醇） ②DO控制在0.5mg/l以下 ③温度(20-40°C ) ④pH (7.0-7.5)
厌氧池 进水
缺氧池
好氧池 进
气 管
沉淀池 出水
内回流 污泥回流 剩余污泥
Anaerobic/Anoxic/Oxic工艺

工艺特点：
– (1) 工艺流程比较简单； – (2) 厌氧、缺氧、好氧交替运行，不利 于丝状菌繁殖，无污泥膨胀之虞；
– (3) 无需投药，运行费用低；
– (4) 污泥中含磷浓度高，具有很高的肥 效。
-+ -+
3CH3OH + 3CO2 5CH3OH + CO2
3N2 + 6HCO3- + 3H2O 3N2 + 6HCO3- + 7H2O
甲醇消耗量节省40%
微生物学原理

基质专一性和物种远缘性

倍增时间的差异性
同步硝化/反硝化脱氮
传统观点认为硝化和反硝化反应不能同 时发生，而近年来好氧反硝化菌和异养 硝化菌的发现以及好氧反硝化、异养硝 化和自养反硝化等研究的进展，奠定了 SND生物脱氮的理论基础，最近几年国 内外有不少实验和报道证明有同步硝化 和反硝化现象，尤其在有氧条件下同步 硝化与反硝化存在不同的生物处理系统
– （3）增加了从缺氧池到厌氧池的缺氧池混合液回 流，由缺氧池向厌氧池回流的混合液中含有较多的 溶解性BOD，而硝酸盐很少，为厌氧段内所进行的 发酵等提供了最优条件。
生物脱氮新技术
传统的脱氮理论认为，把NH4+-N从废水中去除的过程必须通过先 硝化而后再反硝化的过程才能实现，而近年来的许多研究表明，硝 化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用；反硝 化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化； 而且，许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，基于上述认识，一 些脱氮新工艺如同步硝化反硝化和全程自养脱氮等相继被开发出来， 它们在脱氮过程中成功地解决了碳源矛盾和碱度平衡等传统硝化反 硝化生物脱氮难以解决的问题，极大地推动了高效率生物完全脱氮 的发展，同时也为各行业废水的高效生物脱氮处理技术的开发提供 了新的思路和依据。

微污染水源水预处理的目的和意义
– 微污染水源水是受到有机物、氨氮、磷及有毒污染 物较低程度污染的水源水。 – 致癌物的前体物经加氯消毒处理后产生卤代烃三氯 甲烷和二氯乙酸等“三致”物。
– 氨氮含量较高，导致供水管中亚硝化细菌增生。
– 残留有机物还能引起管道中异养菌滋生。
微污染水源水微生物预处理及微生物群落
不同于传统生物脱氮工艺的微生物特性。
经济学原理

NH4++1.502
NH4
++
短程硝化反硝化省略了NO2- 氧化到NO3及将NO3-还原为NO2-两个阶段 短程硝化作用
NO2-+H2O+2H+
2.0O2
硝化作用
NO3-+H2O+2H+ 供氧量节省25% 短程反硝化作用 反硝化作用
6NO2 6NO3
– RCHNH 2COOH + O2 →RCOCOOH + CO 2+ NH3
（2）Nitrification

硝化反应是在好氧条件下，自养型的硝化菌将 NH4+ 转化为NO2- 和NO3- 的过程。两组自养型 硝化菌分步完成： – ①亚硝酸盐细菌（Nitrosomonas）； – ②硝酸盐细菌（Nitrobacter）。
第四章
污、废水深度处理和微污
染源水预处理中的微生物学原理

污、废水深度处理-脱氮除磷与微生物学原理 微污染水源水预处理中的微生物学问题 人工湿地中微生物与水生植物净化污水的作用 饮用水的消毒及其微生物学效应
废水或污水中的营养元素（N、P）对水体 和人类的危害有哪些？

(1) 使水味变得腥臭难闻； (2) 降低水体的透明度；
问题：

1、生物脱氮的机理？
2、生物脱氮的影响因素？
1、生物脱氮的机理

生物脱氮是在微生物的作用下，将 有机氮和氨态氮转化为N2和NxO气 体的过程。其中包括：
– （1）氨化（Ammonification） – （2）硝化（Nitrification） – （3）反硝化（Denitrification）
厌氧氨氧化
以硝酸盐作为氧化剂将氨氧化成氮 气；或以氨作为电子供体将硝酸盐 还原为氮气的生物反应，称为厌氧 氨 氧 化 （ anaerobic ammonia oxidation, Anammox) NO2-+NH4+→N2+2H2O

厌氧氨氧化的发现

1977年奥地利理论化学家Broda根据化学反应热力学，预言 自然界存在以硝酸盐或亚硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应，因 为与以氧为氧化剂的氨氧化反应相比，以亚硝酸盐和硝酸盐 为氧化剂的氨氧化反应所释放的自由能一点也不逊色。既然 自然界存在自养型亚硝酸细菌能够催化反应1，那么理论上 也应该存在另一种自养型细菌，能够催化厌氧氨氧化反应。