环境管理_环境生物技术培训教材

环 境 生 物 技 术,第八章 废水的脱氮除磷,第一节 水体富营养化的概念、危害及控制方法 第二节 氮素循环 第三节 微生物脱氮原理及工艺 第四节 微生物除磷原理及工艺,第一节 水体富营养化的概念、危害及控制方法,1.水体富营养化,富营养化是一种氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。一般地， 水中总磷达到0.02mg/L，无机氮达到0.3mg/L的水体已处于富营养化。 氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，造成水体富营养化，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶氧量下降，鱼类及其它生物大量死亡。 大量死亡的水生生物沉积到湖底，被微生物分解，消耗大量的溶解氧，使水体溶解氧含量急剧降低，水质恶化，以致影响到鱼类的生存，大大加速了水体的富营养化过程。,水体出现富营养化现象时，由于浮游生物大量繁殖，往往使水体呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江河湖泊中叫水华。,2.富营养化的危害-水华,太湖美景,四八云端岛 峰连七二葱 湖平天宇阔 山翠黛烟朦,2007年5月底至6月初， 江苏无锡发生了震惊中外的太湖蓝藻污染饮用水源事件，无锡市70%的自来水被污染，200万人的生活用水受到了影响，造成了严重的社会影响。主要是由于水源地附近蓝藻大量堆积，厌氧分解过程中产生了大量的NH3、硫醇、硫醚以及硫化氢等异味物质。,蓝藻是藻类生物，又叫蓝绿藻；大多数蓝藻的细胞壁外面有胶质衣，因此又叫枯藻。在所有藻类生物中，蓝藻是最简单、最原始的一种。,3.富营养化的危害-赤潮,水体出现富营养化现象时，由于浮游生物大量繁殖，往往使水体呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在海洋中叫赤潮。,4.水体富营养化的控制,水体富营养化的防治是水环境保护中的重要问题，受到国内外的重视，水体富营养化主要防治的方法有： （1）控制N、P的排放； （2）对废水作深度处理； （3）打捞藻类，人工曝气； （4）疏浚底泥； （5）引水（不含营养物）稀释； （6）使用化学药剂或引入病毒杀死藻类等。,第二节 氮素循环,一、氮的存在形式及其来源 氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水体中。 1. 有机氮 蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等。 来源：生活污水、 农业废弃物（植物秸秆、牲畜粪便等）、 工业废水（食品加工、印染、制革、食品加工等）,1.氮素循环与生物脱氮原理,2. 无机氮 氨氮、亚硝态氮和硝态氮、氮气。 来源：有机氮的微生物分解 农田排水 工业废水（炼焦、化肥）,2.氮污染的危害,废水中，氮素以有机氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮四种形式存在。 加速水体的“富营养化”过程； 氨氮消耗水体中的溶解氧； 氨氮会与氯作用生成氯胺，并被氧化为氮； 氮化合物对人和生物有毒害作用； 氨氮和亚硝氮对养殖动物有毒性作用。,3.氮素循环,缺氧,缺氧,一些基本概念,氨化作用 硝化作用 反硝化作用 厌氧氨氧化 好氧反硝化 短程硝化反硝化 同步硝化反硝化,污水中，含氮化合物主要是以有机氮，如蛋白质、尿素、胺类化合物、硝基化合物以及氨基酸等形式存在的，此外也含有少数的氨态氮如NH3及NH4+等。 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：,水解,细菌分解,3.1 氨化反应,总反应式为：,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。,3.2 硝化反应,氨氧化菌（亚硝化细菌）,变形菌门纲 (Proteobacteria) 亚硝化单胞菌群(Nitrosomonas) 亚硝化螺菌群(Nitrosospira) 变形菌门-纲 亚硝化球菌属(Nitrosococcus),亚硝酸氧化（硝化）菌,变形菌门 纲：硝化杆菌属（Nitrobacter） 纲： Candidatus Nitrotoga 纲：硝化球菌属（Nitrococcus） 纲：硝化刺菌属（Nitrospina） 硝化螺菌属（Nitrospira）,硝化反应的环境条件：,1）好氧条件，并保持一定的碱度。 2）混合液中有机物含量不应过高，BOD5应在1520mg/L以下。 3) 适宜温度是2030，15时速度下降，5时完全停止。 4）污泥龄必须大于其最小的世代时间。 5）重金属、高浓度的NH4+-N和NOx-N对硝化反应有抑制作用。,3.3 反硝化过程,是指由一群异养微生物，将硝氮和亚硝氮还原转化为气态氮或氮氧化物的过程； 反硝化细菌包括：假单胞菌属、反硝化杆菌属、小球菌属、嗜气杆菌属、碱杆菌属等； 反硝化过程中NO2-和NO3-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。其中异化作用去除的氮占7075。,NO2- + 3H(电子供体有机物） N2 + H2O+ OH- NO3- + 5H(电子供体有机物） N2 +2H2O+OH- 反硝化过程产生部分碱度，但同时需要有机物，如果污水中没有足够的有机物，一般投加甲醇。,反硝化反应的影响因素：,1）碳源 2）pH 6.57.5 3）溶解氧 0.5mg/L以下 4）温度 2040,3.4 厌氧氨氧化,NO2- + NH4+ N2 + 2H2O，在缺氧环境中，将铵离子(NH4+)用亚硝酸根(NO2-)氧化为氮气； 厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation, Anammox)是一类细菌，属于浮霉菌门 ，化能自养型； 在全球氮循环中具有重要意义，在海洋环境中，约 50% 的氮转化是由于 anammox细菌的厌氧氨氧化作用产生的。,3.5 好氧反硝化 好氧反硝化菌(aerobic denitrlfier)是利用好氧反硝化酶的作用，在有氧条件下进行反硝化作用的一类反硝化菌。 好氧反硝化菌主要存在于假单胞菌属（Pseudomonas）、产碱杆菌属（Alcaligenes）、副球菌属（Paracoccus）和芽孢杆菌属（Bacillus）等，是一类好氧或兼性好氧、以有机碳作为能源的异养硝化菌。,与厌氧反硝化菌的反硝化相比，好氧反硝化菌的反硝化的特征为： 一般好氧反硝化菌的反硝化的主要产物是N2O，而厌氧反硝化菌的反硝化则主要产生N2以及少量的N2O和NO。 能在好氧条件下进行反硝化，使其与硝化能够同时进行。 可将铵态氮在好氧条件下直接转化成气态产物。 好氧反硝化菌的反硝化中，NO3-、O2均可作为电子最终受体，除去NO3-的同时还消耗了O2。 催化好氧反硝化菌的反硝化的硝酸盐还原酶是周质酶而不是膜结合酶。,传统生物脱氮过程： NH4+ NO2- NO3- NO2- N2 短程消化反硝化过程： NH4+ NO2- N2,硝化反应,反硝化反应,硝化反应,反硝化反应,3.6短程硝化反硝化,第三节 微生物脱氮原理及工艺,生物脱氮的工艺流程，根据细菌在系统中存在的状态可分为悬浮污泥系统和膜系统两大类。 悬浮污泥系统又可分为去碳、硝化、反硝化结合的单级污泥系统以及去碳、硝化、反硝化相分隔的多级污泥系统。 根据脱氮时所用的碳源，还可将其细分为两类：内碳源和外加碳源。,(一)悬浮污泥系统 悬浮污泥系统可分为以下几种类型： 1悬浮多级污泥内碳源系统 2悬浮多级污泥外加碳源系统 3悬浮单级污泥内碳源系统 4悬浮单级污泥外加碳源系统,活性污泥传统脱氮工艺（3级活性污泥法流程）,2级活性污泥脱氮系统,单级活性污泥脱氮系统,缺氧好氧活性污泥法脱氮系统（Anoxic/ Oxic法）,是于80年代初期开创的工艺流程，其主要特点是将反硝化反应器置放在系统之首，故又称为“前置式反硝化生物脱氮系统”。,（1）反硝化反应器在前，BOD去除、硝化两项反应的综合反应器在后； （2）反硝化反应以原废水中的有机物为碳源； （3）硝化液回流； （4）反硝化反应过程产生的碱度可补偿硝化反应消耗碱度的一半左右； （5）流程简单，不需外加碳源。,系统的特征：,系统的不足之处：,（1）沉淀池如运行不当，池内会产生反硝化反应，污泥上浮，处理水水质恶化； （2）系统的脱氮率较低，一般在85以下。,脱氮工艺的影响因素,1pH 硝化反应的结果生成强酸（HNO3）,会使环境的酸性增强，因此硝化反应要消耗碱。如果污水中没有足够的碱度，则随着硝化的进行，pH会急剧下降。 硝化细菌对pH十分敏感，亚硝酸细菌和硝酸细菌分别在7.0-7.8和7.7-8.1时活性最强，pH值在这个范围以外，其活性便急剧下降。,研究表明，硝化细菌经过一段时间驯化后，低pH值比突然降低pH值的影响小得多。 经过驯化，硝化反应可在低pH值(如5.5)条件下进行。 但突然降低pH值(如由7.2降到5.8)，会使硝化反应速度骤降。当pH值升高后，硝化反应速度又会很快地恢复。,2温度 温度对硝化反应速度的影响很大,见下图 (活性污泥硝化系统中 ),其原因在于温度对硝化细菌的增殖速度和活性影响很大。两类硝化细菌的最宜温度为30左右。 温度对反硝化速度的影响大小与反硝化设备的类型(微生物悬浮生长型或固着型)、硝酸盐负荷率等因素有关。,3溶解氧 溶解氧浓度影响硝化反应速度和硝化细菌的生长速度，如下图所示。 溶解氧对硝化速率的影响,在悬浮污泥反硝化系统中，缺氧段溶解氧应控制在0.5mg/L以下， 在膜法反硝化系统中，当缺氧段溶解氧控制在1mg/L-2mg/L以下时也不影响反硝化的进行。,硝化过程的溶解氧浓度，一般建议应维持在1.0mg/L-2.0mg/L； 溶解氧对反硝化脱氮有抑制作用，其机制为阻抑硝酸盐还原酶的形成或者仅仅充当电子受体从而竞争性地阻碍了硝酸盐的还原。 虽然氧对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对能进行反硝化作用的反硝化菌却是有利的，因为这类菌为兼性厌氧菌，菌体内的某些酶只有在有氧时才能合成，因而在工艺上最好使这些反硝化菌(即污泥)交替处于好氧、缺氧的环境条件下。,4碳源 碳源物质主要是通过影响反硝化细菌的活性来影响处理系统的脱氮效率。,一般认为，当废水中所含碳(BOD5)与总氮的比值大于3：1时，无需外加碳源，即可达到脱氮目的。 当废水的BOD5与总氮比值小于3：1时，需另外投加碳源才能达到理想的去氮效果。外加碳源大多采用甲醇，因为它氧化分解产物为二氧化碳和水，不留任何难分解的中间产物，价格也较低廉。,第四节 微生物除磷原理及工艺,污水除磷技术的发展起源于生物超量吸磷现象的发现。 20世纪50年代到60年代初，Srinath等人在污水处理厂的生产性运行中，观察到生物超量吸磷的现象。 70年代的研究工作弄清了生物除磷所需的运行条件，并有意识的将其工程化。 80年代到90年代，通过全面的基础研究及生产性研究和工程运转经验的总结，污水生物除磷的理论及技术均获得了重大进展及突破。,1.除磷技术的发展,2.生物除磷的基本原理,目前普遍认可的生物除磷理论是“聚合磷酸盐（Poly-P）累积微生物”-PAO（Poly-phosphate Accumulating Organisms）的摄磷释磷原理。,厌氧段,好氧段,进水,出水,污泥回流,剩余污泥（富磷）,厌氧环境下，聚磷菌把细胞中的聚磷水解为无机磷酸盐释放到细胞外，并从中获取能量。污水中易生物降解的溶解性有机质能被聚磷菌利用，而且能诱导激发细胞将其体内积累的高能聚合磷分解，释放出磷酸根和键能，将废水中的有机物摄入细胞内，以胞内碳能源存储物聚羟基烷酸（PHA）、聚-羟丁酸（PHB）及糖原等有机颗粒的形式贮存在体内。,在好氧区内，聚磷菌将贮存于体内的PHB进行好氧分解，并产生ATP，释放出大量能量供聚磷菌增殖，在充分利用基质的同时，大量吸收溶解态的正磷酸盐，在细胞内合成并积累多聚磷酸盐，对磷积累可达细胞干重的6%左右。PAOs以循环方式经历厌氧/好氧环境后，本底环境的磷在好氧环境下以聚磷形式储存在细胞内，最终通过排放富含聚磷菌的剩余污泥实现除磷的目的。,聚磷菌属于异养型细菌，现已报道的种类包括：不动杆菌属、肠杆菌属、着色菌属、脱氮微球菌属等。在厌氧条件下，聚磷菌消耗糖原，将细胞内的聚磷水解为正磷酸盐释放到胞外（释磷），并获得能量，同时将环境中的有机碳源以PHB的形式贮存。在好氧条件下，氧化胞内贮存的PHB及利用产生的能量过量的从环境中摄磷，以聚磷酸高能键的形式存贮。通过排放高磷剩余污泥实现去除磷的目的。,研究结果表明，超量除磷主要是生物作用的结果，但生物超量除磷并不能完全解释某些条件下出现的除磷性能，生物诱导的化学除磷可能是生物除磷的补充。在生物除磷系统中磷的去除可能包括下列5种途径。,生物超量除磷 污泥含磷量可达37 正常磷的同化作用 微生物合成消耗磷 正常液相沉淀 pH 阳离子浓度 加速液相沉淀 生物膜沉淀 细菌反硝化作用使膜内pH 升高， 导致磷从液相进入无机相。,1.溶解氧 磷摄取过程要求充足的氧，放磷的过程应保持绝对厌氧的条件。 2.污泥龄 一般污泥龄短的系统产生的剩余污泥量较多，可以取得较高的除磷效果。 3.温度和pH值 530 pH 68 4.BOD负荷 较高的BOD负荷可取得较好的除磷效果。 5.硝氮和亚硝氮 抑制磷的释放,3.影响生物除磷过程的因素,本工艺流程简单，建设和运行费用都较低，厌氧反应器能够保持良好的厌氧状态。 存在的问题有：由于微生物对磷的吸收有一定限度，故除磷率难以进一步提高；沉淀池易于产生磷的释放现象，应及时排泥和回流。,4.厌氧-好氧除磷工艺流程,本单元是反硝化细菌将由好氧池回流的硝态氮转化成气态氮，达到脱氮的功能，,5.生物同步脱氮除磷-A2/O工艺,1. A-A-O（Anaerobic-Anoxic-Oxic）工艺，即A2/O工艺，是一项能够同步脱氮除磷的污水工艺。,在该反应器中主要是释磷，同时有部分有机物进行氨化,去除有机物，硝化和吸磷等反应,该处理系统出水磷浓度基本在1mg/L以下，氨氮也可在15mg/L以下。由于污泥交替进入厌氧池和好氧池，丝状菌较少，污泥的沉降性能好。,2. A2/O工艺的影响因素,（1）污水中可生物降解有机物对脱氮除磷的影响