第十章 污、廢水深度處理和中微生物的原理 0708

第九章污、廢水深度處理和微污染源水預(yù)處理中的微生物學(xué)的原理太湖的富營(yíng)養(yǎng)化一、污、廢水脫氮的具體指標(biāo)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)氨氮≤15mg／L

城市污水經(jīng)傳統(tǒng)的二級(jí)處理以后，雖然絕大部分懸浮固體和有機(jī)物被去除了，但還殘留微量的懸浮固體和溶解的有害物，如氮和磷等的化合物。氮、磷為植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能助長(zhǎng)藻類和水生生物，引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化，影響飲用水水源。一、氮的去除廢水中的氮以有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸氮和硝酸氮四種形式存在。1.化學(xué)法除氮(1)吹脫法:(2)折點(diǎn)加氯法:(3)離子交換法:2.生物法脫氮(1)生物脫氮機(jī)理生物脫氮是在微生物的作用下，將有機(jī)氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2和NxO氣體的過(guò)程。其中包括硝化和反硝化兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程。同化作用去除的氮依運(yùn)行條件和水質(zhì)而定，如果微生物細(xì)胞中氮含量以12.5%計(jì)算，同化氮去除占原污水BOD的2%~5%，氮去除率在8%~20%。氨化反應(yīng)：

新鮮污水中，含氮化合物主要是以有機(jī)氮，如蛋白質(zhì)、尿素、胺類化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在的，此外也含有少數(shù)的氨態(tài)氮如NH3及NH4+等。微生物分解有機(jī)氮化合物產(chǎn)生氨的過(guò)程稱為氨化作用，很多細(xì)菌、真菌和放線菌都能分解蛋白質(zhì)及其含氮衍生物，其中分解能力強(qiáng)并釋放出氨的微生物稱為氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有機(jī)氮化合物分解、轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，以氨基酸為例：硝化反應(yīng)是在好氧條件下，將NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-和NO3-的過(guò)程。總反應(yīng)式為：硝化細(xì)菌是化能自養(yǎng)菌，生長(zhǎng)率低，對(duì)環(huán)境條件變化較為敏感。溫度、溶解氧、污泥齡、pH、有機(jī)負(fù)荷等都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響。硝化反應(yīng)：硝化過(guò)程的影響因素：（a）好氧環(huán)境條件，并保持一定的堿度：硝化菌為了獲得足夠的能量用于生長(zhǎng)，必須氧化大量的NH3和NO2-，氧是硝化反應(yīng)的電子受體，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧含量的高低，必將影響硝化反應(yīng)的進(jìn)程，在硝化反應(yīng)的曝氣池內(nèi)，溶解氧含量不得低于1mg/L，多數(shù)學(xué)者建議溶解氧應(yīng)保持在1.2~2.0mg/L。在硝化反應(yīng)過(guò)程中，釋放H+，使pH下降，硝化菌對(duì)pH的變化十分敏感，為保持適宜的pH，應(yīng)當(dāng)在污水中保持足夠的堿度，以調(diào)節(jié)pH的變化，lg氨態(tài)氮（以N計(jì)）完全硝化，需堿度（以CaCO3計(jì)）7.14g。對(duì)硝化菌的適宜的pH為8.0~8.4。硝化過(guò)程的影響因素：

（b）混合液中有機(jī)物含量不應(yīng)過(guò)高：硝化菌是自養(yǎng)菌，有機(jī)基質(zhì)濃度并不是它的增殖限制因素，若BOD值過(guò)高，將使增殖速度較快的異養(yǎng)型細(xì)菌迅速增殖，從而使硝化菌不能成為優(yōu)勢(shì)種屬。（c）硝化反應(yīng)的適宜溫度是20~30℃，15℃以下時(shí)，硝化反應(yīng)速度下降，5℃時(shí)完全停止。硝化過(guò)程的影響因素：

（d）硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，即生物固體平均停留時(shí)間（污泥齡）SRTn，必須大于其最小的世代時(shí)間，否則將使硝化菌從系統(tǒng)中流失殆盡，一般認(rèn)為硝化菌最小世代時(shí)間在適宜的溫度條件下為3d。SRTn值與溫度密切相關(guān)，溫度低，SRTn取值應(yīng)相應(yīng)明顯提高。（e）除有毒有害物質(zhì)及重金屬外，對(duì)硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用的物質(zhì)還有高濃度的NH4-N、高濃度的NOx-N、高濃度的有機(jī)基質(zhì)、部分有機(jī)物以及絡(luò)合陽(yáng)離子等。反硝化反應(yīng)是指在無(wú)氧的條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮(NO3-)和亞硝酸鹽氮(NO2-)還原為氮?dú)獾倪^(guò)程。反硝化菌屬異養(yǎng)兼性厭氧菌，在有氧存在時(shí)，它會(huì)以O(shè)2為電子進(jìn)行呼吸；在無(wú)氧而有NO3-或NO2-存在時(shí)，則以NO3-或NO2-為電子受體，以有機(jī)碳為電子供體和營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行反硝化反應(yīng)?？偡磻?yīng)式為：反硝化反應(yīng)：在反硝化菌代謝活動(dòng)的同時(shí)，伴隨著反硝化菌的生長(zhǎng)繁殖，即菌體合成過(guò)程，反應(yīng)如下：式中：C5H7O2N為反硝化微生物的化學(xué)組成。反硝化還原和微生物合成的總反應(yīng)式為：從以上的過(guò)程可知，約96％的NO3-N經(jīng)異化過(guò)程還原，4％經(jīng)同化過(guò)程合成微生物。反硝化過(guò)程的影響因素：（a）碳源：能為反硝化菌所利用的碳源較多，從污水生物脫氮考慮，可有下列三類：一是原污水中所含碳源，對(duì)于城市污水，當(dāng)原污水BOD5/TN>3~5時(shí),即可認(rèn)為碳源充足；二是外加碳源，多采用甲醇（CH3OH），因?yàn)榧状急环纸夂蟮漠a(chǎn)物為CO2和H2O，不留任何難降解的中間產(chǎn)物；三是利用微生物組織進(jìn)行內(nèi)源反硝化。（b）pH：對(duì)反硝化反應(yīng)，最適宜的pH是6.5~7.5。pH高于8或低于6，反硝化速率將大為下降。反硝化過(guò)程的影響因素：（c）溶解氧濃度：反硝化菌屬異養(yǎng)兼性厭氧菌，在無(wú)分子氧同時(shí)存在硝酸根離子和亞硝酸根離子的條件下，它們能夠利用這些離子中的氧進(jìn)行呼吸，使硝酸鹽還原。另一方面，反硝化菌體內(nèi)的某些酶系統(tǒng)組分，只有在有氧條件下，才能夠合成。這樣，反硝化反應(yīng)宜于在缺氧、好氧條件交替的條件下進(jìn)行，溶解氧應(yīng)控制在0.5mg/L以下。（d）溫度：反硝化反應(yīng)的最適宜溫度是20~40℃，低于15℃反硝化反應(yīng)速率最低。為了保持一定的反硝化速率，在冬季低溫季節(jié)，可采用如下措施：提高生物固體平均停留時(shí)間；降低負(fù)荷率；提高污水的水力停留時(shí)間。在反硝化反應(yīng)中，最大的問(wèn)題就是污水中可用于反硝化的有機(jī)碳的多少及其可生化程度。碳源原水中含有的有機(jī)碳外加碳源，多用甲醇內(nèi)源呼吸碳源——細(xì)菌體內(nèi)的原生物質(zhì)及其貯存的有機(jī)物(2)生物脫氮工藝（a）三段生物脫氮工藝：將有機(jī)物氧化、硝化以及反硝化段獨(dú)立開(kāi)來(lái)，每一部分都有其自己的沉淀池和各自獨(dú)立的污泥回流系統(tǒng)。（b）Bardenpho生物脫氮工藝：設(shè)立兩個(gè)缺氧段，第一段利用原水中的有機(jī)物為碳源和第一好氧池中回流的含有硝態(tài)氮的混合液進(jìn)行反硝化反應(yīng)。為進(jìn)一步提高脫氮效率，廢水進(jìn)入第二段反硝化反應(yīng)器，利用內(nèi)源呼吸碳源進(jìn)行反硝化。曝氣池用于吹脫廢水中的氮?dú)猓岣呶勰嗟某两敌阅?，防止在二沉池發(fā)生污泥上浮現(xiàn)象。（c）缺氧——好氧生物脫氮工藝：該工藝將反硝化段設(shè)置在系統(tǒng)的前面，又稱前置式反硝化生物脫氮系統(tǒng)。反硝化反應(yīng)以水中的有機(jī)物為碳源，曝氣池中含有大量的硝酸鹽的回流混合液，在缺氧池中進(jìn)行反硝化脫氮。缺氧-好氧生物脫氮工藝掛生物膜或投加懸浮填料定期投菌提問(wèn)：為什么先脫碳、后脫氮？硝化菌的碳源是脫碳菌的代謝產(chǎn)物；有機(jī)碳源豐富時(shí)，脫碳菌世代周期短生長(zhǎng)迅速，硝化菌氧利用不足，生長(zhǎng)緩慢；提問(wèn)：硝化脫氮時(shí)有時(shí)需要補(bǔ)堿（Na2CO3或NaOH)?硝化作用消耗堿（NH4+、CO32-），水pH下降；補(bǔ)充碳源、升高pH提問(wèn)：硝化菌世代周期長(zhǎng)，容易從活性污泥系統(tǒng)中被洗掉，如何解決？磷也是有機(jī)物中的一種主要元素，是僅次于氮的微生物生長(zhǎng)的重要元素。磷主要來(lái)自：人體排泄物以及合成洗滌劑、牲畜飼養(yǎng)場(chǎng)及含磷工業(yè)廢水。危害：促進(jìn)藻類等浮游生物的繁殖，破壞水體耗氧和復(fù)氧平衡；使水質(zhì)迅速惡化，危害水產(chǎn)資源。含磷化合物有機(jī)磷有機(jī)磷包括磷酸甘油酸、磷肌酸等無(wú)機(jī)磷磷酸鹽：正磷酸鹽(PO43-)、磷酸氫鹽(HPO42-)、磷酸二氫鹽H2PO4-、偏磷酸鹽(PO3-)聚合磷酸鹽：焦磷酸鹽(P2O74－)、三磷酸鹽(P3O105-)、

三磷酸氫鹽(HP3O92-)

二、污水中磷的去除一般城市污水水質(zhì)與排放要求常規(guī)活性污泥法的微生物同化和吸附；項(xiàng)目進(jìn)水水質(zhì)/（mg·L-1）國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)/（mg·L-1）一級(jí)A一級(jí)BCODcr250~3005060BOD5100~1501020SS150~2001020TKN(NH3-N)35（25）5（8）8（15）TP5~611.5如何去除以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)？生物強(qiáng)化除磷；投加化學(xué)藥劑除磷。常規(guī)活性污泥法的微生物同化和吸附普通活性污泥法剩余污泥中磷含量約占微生物干重的1.5%~2.0%，通過(guò)同化作用可去除磷12%~20%。生物強(qiáng)化除磷工藝可以使得系統(tǒng)排除的剩余污泥中磷含量占到干重5%~6%。生物強(qiáng)化除磷工藝如果還不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，就必須借助化學(xué)法除磷。生物強(qiáng)化除磷工藝?yán)煤醚跷⑸镏芯哿拙诤醚鯒l件下對(duì)污水中溶解性磷酸鹽過(guò)量吸收作用，然后沉淀分離而除磷。污水中的有機(jī)物在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸菌的作用下轉(zhuǎn)化為乙酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厭氧的不利狀態(tài)下，將體內(nèi)積聚的聚磷分解，分解產(chǎn)生的能量一部分供聚磷菌生存，另一部分能量供聚磷菌主動(dòng)吸收乙酸苷轉(zhuǎn)化為PHB(聚β-羥基丁酸)的形態(tài)儲(chǔ)藏于體內(nèi)。聚磷分解形成的無(wú)機(jī)磷釋放回污水中，這就是厭氧釋磷。厭氧環(huán)境中：進(jìn)入好氧狀態(tài)后，聚磷菌將儲(chǔ)存于體內(nèi)的PHB進(jìn)行好氧分解并釋出大量能量供聚磷菌增殖等生理活動(dòng)，部分供其主動(dòng)吸收污水中的磷酸鹽，以聚磷的形式積聚于體內(nèi)，這就是好氧吸磷。剩余污泥中包含過(guò)量吸收磷的聚磷菌，也就是從污水中去除的含磷物質(zhì)。普通活性污泥法通過(guò)同化作用除磷率可以達(dá)到12%~20%。而具生物除磷功能的處理系統(tǒng)排放的剩余污泥中含磷量可以占到干重5%~6%，去除率基本可滿足排放要求。好氧環(huán)境中：生物除磷機(jī)理好氧時(shí)：大量繁殖（消耗好氧狀態(tài)能源——聚β-羥基丁二酸（PHB））,逆濃度梯度過(guò)量吸磷（貯備厭氧狀態(tài)能源—多聚磷酸鹽顆粒(異染顆粒)）；厭氧時(shí)：正相反——不繁殖，釋放磷酸鹽于體外（產(chǎn)生能量供其儲(chǔ)備消耗好氧狀態(tài)能源——PHB）。聚P聚P聚P聚P部分回流做種大部分（P）去除水中P（1）厭氧環(huán)境條件：（a）氧化還原電位：Barnard、Shapiro等人研究發(fā)現(xiàn)，在批式試驗(yàn)中，反硝化完成后，ORP突然下降，隨后開(kāi)始放磷，放磷時(shí)ORP一般小于100mV；（b）溶解氧濃度：厭氧區(qū)如存在溶解氧，兼性厭氧菌就不會(huì)啟動(dòng)其發(fā)酵代謝，不會(huì)產(chǎn)生脂肪酸，也不會(huì)誘導(dǎo)放磷，好氧呼吸會(huì)消耗易降解有機(jī)質(zhì)；（c）NOx-濃度：產(chǎn)酸菌利用NOx-作為電子受體，抑制厭氧發(fā)酵過(guò)程，反硝化時(shí)消耗易生物降解有機(jī)質(zhì)。生物除磷影響因素：（2）有機(jī)物濃度及可利用性：碳源的性質(zhì)對(duì)吸放磷及其速率影響極大，傳統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)很難反映有機(jī)物組成和性質(zhì)，ASM模型對(duì)其進(jìn)一步劃分為：（a）1987年發(fā)展的ASM1:CODtot=SS+SI+XS+XI（b）1995年發(fā)展的ASM2:溶解性與顆粒性：SA+SF+SI+XS＋XIS表示溶解性組分，X表示顆粒性組分；下標(biāo)S溶解性，I惰性，A發(fā)酵產(chǎn)物，F(xiàn)可發(fā)酵的易生物降解的。生物除磷影響因素：（3）污泥齡：污泥齡影響著污泥排放量及污泥含磷量，污泥齡越長(zhǎng)，污泥含磷量越低，去除單位質(zhì)量的磷須同時(shí)耗用更多的BOD。Rensink和Ermel研究了污泥齡對(duì)除磷的影響，結(jié)果表明：SRT=30d時(shí)，除磷效果40%；SRT=17d時(shí)，除磷效果50%；SRT=5d天時(shí)，除磷效果87%。同時(shí)脫氮除磷系統(tǒng)應(yīng)處理好泥齡的矛盾。生物除磷影響因素：（4）pH：與常規(guī)生物處理相同，生物除磷系統(tǒng)合適的pH為中性和微堿性，不合適時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)。生物除磷影響因素：（5）溫度：在適宜溫度范圍內(nèi)，溫度越高釋磷速度越快；溫度低時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)厭氧區(qū)的停留時(shí)間或投加外源VFA。（6）其他：影響系統(tǒng)除磷效果的還有污泥沉降性能和剩余污泥處置方法等。(1)A/O法是由厭氧池和好氧池組成的同時(shí)去除污水中有機(jī)污染物及