廢水生物處理基本原理

1、2-2-廢水生物處理基本原理第一節(jié) 廢水好氧生物處理原理一、好氧生物處理的基本生物過程所謂“好氧”：是指這類生物必須在有分子態(tài)氧氣（o ）的存在下，才能進(jìn)行正常的生理生化反應(yīng)，2主要包括大部分微生物、動(dòng)物以及我們?nèi)祟?；所謂“厭氧”：是能在無分子態(tài)氧存在的條件下，能進(jìn)行正常的生理生化反應(yīng)的生物，如厭氧細(xì)菌、 酵母菌等。好氧生物處理過程的生化反應(yīng)方程式： 分解反應(yīng)（又稱氧化反應(yīng)、異化代謝、分解代謝）異氧微生物chons + o2co + h o + nh + so +能量 2 2 3 4（有機(jī)物的組成元素）2 合成反應(yīng)（也稱合成代謝、同化作用） c、h、o、n、s + 能量3 內(nèi)源呼吸（也稱細(xì)胞物

2、質(zhì)的自身氧化） 微生物c h no5 7 2c h no + o 5 7 2 2co + h o + nh + so +能量 2 2 3 4在正常情況下，各類微生物細(xì)胞物質(zhì)的成分是相對(duì)穩(wěn)定的，一般可用下列實(shí)驗(yàn)式來表示：細(xì)菌： c h no ；真菌：c h no ；藻類：c h no ；原生動(dòng)物：c h no5 7 2 16 17 6 5 8 2 7 14 3分解與合成的相互關(guān)系：1）二者不可分，而是相互依賴的；a、分解過程為合成提供能量和前物，而合成則給分解提供物質(zhì)基 礎(chǔ)；b、分解過程是一個(gè)產(chǎn)能過程，合成過程則是一個(gè)耗能過程。2)對(duì)有機(jī)物的去除，二者都有重要貢獻(xiàn)；3）合成量的大小，對(duì)后續(xù)污泥的

3、處理有直接影響（污泥的處 理費(fèi)用一般可以占整個(gè)城市污水處理廠的 4050%）。不同形式的有機(jī)物被生物降解的歷程也不同：一方面：結(jié)構(gòu)簡單、小分子、可溶性物質(zhì)，直接進(jìn)入細(xì)胞壁；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大分子、膠體狀或顆粒狀的 物質(zhì)，則首先被微生物吸附，隨后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有機(jī)物，再進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。另一方面：有機(jī)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，其降解過程也會(huì)不同，如：糖類；脂類；蛋白質(zhì)二、影響好氧生物處理的主要因素1 溶解氧（do）： 約 12mg/l；2 水溫：是重要因素之一，在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，生化反應(yīng)的速率加快，增殖速率也加快； 細(xì)胞的組成物如蛋白質(zhì)、核酸等對(duì)溫度很敏感，溫度突升或降并超過一定限度

4、時(shí)，會(huì)有不可逆的破壞；最1適宜溫度1530c； 40c 或10c 后，會(huì)有不利影響。3 營養(yǎng)物質(zhì)：細(xì)胞組成中，c、h、o、n 約占 9097%；其余 310%為無機(jī)元素，主要的是 p；生活 污水一般不需再投加營養(yǎng)物質(zhì)；而某些工業(yè)廢水則需要，一般對(duì)于好氧生物處理工藝，應(yīng)按bod :n :p = 100 :5 :1 投加 n 和 p；其它無機(jī)營養(yǎng)元素：k、mg、ca、s、na 等；微量元素： fe、cu、mn、mo、 si、硼等；4 ph 值：一般好氧微生物的最適宜 ph 在 6.58.5 之間；ph 4.5 時(shí)，真菌將占優(yōu)勢(shì)，引起污泥膨脹； 另一方面，微生物的活動(dòng)也會(huì)影響混合液的 ph 值。5

5、有毒物質(zhì)（抑制物質(zhì)）：重金屬；氰化物；h s；鹵族元素及其化合物；酚、醇、醛等；26 有機(jī)負(fù)荷率：污水中的有機(jī)物本來是微生物的食物，但太多時(shí)，也會(huì)不利于微生物；7 氧化還原電位：好氧細(xì)菌：+300 400 mv， 至少要求大于+100 mv；厭氧細(xì)菌：要求小于+100 mv， 對(duì)于嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，則-100 mv，甚至-300 mv。第二節(jié)廢水厭氧生物處理原理廢水厭氧生物處理在早期又被稱為厭氧消化、厭氧發(fā)酵；是指在厭氧條件下由多種（厭氧或兼性）微 生物的共同作用下，使有機(jī)物分解并產(chǎn)生 ch 和 co 的過程。4 2一、厭氧生物處理中的基本生物過程階段性理論1、兩階段理論：不溶性有機(jī)物水解胞外酶可

6、溶性有機(jī)物 胞內(nèi)酶產(chǎn)酸菌脂肪酸、醇類、 細(xì)菌細(xì) 胞h 、co2 2其它產(chǎn)物酸性發(fā)酵階段內(nèi)源呼吸產(chǎn)物胞內(nèi)酶產(chǎn)甲烷菌堿性發(fā)酵階細(xì)菌細(xì)胞co 、ch2 4段圖 1 厭氧反應(yīng)的兩階段理論圖示20 世紀(jì) 3060 年代，被普遍接受的是“兩階段理論”第一階段：發(fā)酵階段，又稱產(chǎn)酸階段或酸性發(fā)酵階段；主要功能是水解和酸化，主要產(chǎn)物是脂肪酸、 醇類、co 和 h 等；主要參與反應(yīng)的微生物統(tǒng)稱為發(fā)酵細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌；這些微生物的特點(diǎn)是：1）生長2 22速率快，2）對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性（溫度、ph 等）強(qiáng)。第二階段：產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(fā)酵階段；是指產(chǎn)甲烷菌利用前一階段的產(chǎn)物，并將其轉(zhuǎn)化為ch4和 co ；主要參與反應(yīng)

7、的微生物被統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷菌（methane producing bacteria ）；產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要特點(diǎn) 2是：1）生長速率慢，世代時(shí)間長；2）對(duì)環(huán)境條件（溫度、ph、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。 2、三階段理論對(duì)厭氧微生物學(xué)的深入研究后，發(fā)現(xiàn)將厭氧消化過程簡單地劃分為上述兩個(gè)過程，不能真實(shí)反映厭氧 反應(yīng)過程的本質(zhì)；厭氧微生物學(xué)的研究表明，產(chǎn)甲烷菌是一類十分特別的古細(xì)菌（archea），除了在分類學(xué)和其特殊的學(xué) 報(bào)結(jié)構(gòu)外，其最主要的特點(diǎn)是：產(chǎn)甲烷細(xì)菌只能利用一些簡單有機(jī)物作為基質(zhì)，其中主要是一些簡單的一 碳物質(zhì)如甲酸、甲醇、甲基胺類以及 h /co 等，兩碳物質(zhì)中只有乙酸，而不能利用其它含兩

8、碳或以上的2 2脂肪酸和甲醇以外的醇類；上世紀(jì) 70 年代，bryant 發(fā)現(xiàn)原來認(rèn)為是一種被稱為“奧氏產(chǎn)甲烷菌”的細(xì)菌，實(shí)際上是由兩種細(xì)菌 共同組成的，一種細(xì)菌首先把乙醇氧化為乙酸和 h （一種產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌），另一種細(xì)菌則利用 h 和 co2 2 2產(chǎn)生 ch （一種真正意義上的產(chǎn)甲烷細(xì)菌嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌）；因而，bryant 提出了厭氧消化過程的“三 4有機(jī)物i發(fā)酵性細(xì)菌脂肪酸、醇類ii產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌乙酸iv同型產(chǎn)乙酸菌h +co2 2iii產(chǎn)甲烷菌ch4說明：1）i、ii、iii 為三階段理論，i、ii、iii、iv 為四類群理論；2）所產(chǎn)生的細(xì)胞物質(zhì)未表示在圖中圖 2 厭氧反應(yīng)的三階段理

9、論和四類群理論階段理論”：水解、發(fā)酵階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸、h /co ；2 2產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和 h 、co 產(chǎn)生 ch ；2 2 4一般認(rèn)為，在厭氧生物處理過程中約有 70%的 ch 產(chǎn)自乙酸的分解，其余的則產(chǎn)自 h 和 co 。4 2 23、四階段理論（四菌群學(xué)說）：幾乎與 bryant 提出“三階段理論”的同時(shí)，又有人提出了厭氧消化過程的“四菌群學(xué)說”：實(shí)際上，是在上述三階段理論的基礎(chǔ)上，增加了一類細(xì)菌同型產(chǎn)乙酸菌，其主要功能是可以將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生的 h /co 合成為乙酸。但研究表明，實(shí)際上這一部分由 h /co 合

10、成而來的乙酸的量較2 2 2 2少，只占厭氧體系中總乙酸量的 5%左右。3總體來說，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認(rèn)的對(duì)厭氧生物處理過程較全面和較準(zhǔn)確的描述。 4、 多階段理論但是，當(dāng)利用厭氧生物處理工藝處理含有復(fù)雜有機(jī)物的時(shí)候，在厭氧反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)會(huì)遠(yuǎn)比上述 “三階段理論”、“四階段理論”中所描述的反應(yīng)過程復(fù)雜，可以參見“厭氧復(fù)雜體系示意圖”。二、厭氧消化過程中的主要微生物主要介紹其中的發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等。1、發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）：發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌的主要功能有兩種： 水解在胞外酶的作用下，將不溶性有機(jī)物水解成可溶性有 機(jī)物； 酸化將可溶性大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為

11、脂肪酸、醇類等；主要的發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌：梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等；水解過程較緩慢，并受多種 因素影響（ph、srt、有機(jī)物種類等），有時(shí)回成為厭氧反應(yīng)的限速步驟；產(chǎn)酸反應(yīng)的速率較快；大多數(shù) 是厭氧菌，也有大量是兼性厭氧菌；可以按功能來分：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋 白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌等。2、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的主要功能是將各種高級(jí)脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和 h ；為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供合適2的基質(zhì)，在厭氧系統(tǒng)中常常與產(chǎn)甲烷細(xì)菌處于共生互營關(guān)系。主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)有：乙醇：ch ch oh +h o ch cooh +2 h 3 2 2 32丙酸：ch

12、 ch cooh +2 h o ch cooh +3 h +co 3 2 2 3 22丁酸： ch ch ch cooh +2 h o 2ch cooh +2 h3 2 2 2 32注意：上述反應(yīng)只有在乙酸濃度很低、系統(tǒng)中氫分壓也很低時(shí)才能順利進(jìn)行，因此產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng) 的順利進(jìn)行，常常需要后續(xù)產(chǎn)甲烷反應(yīng)能及時(shí)將其主要的兩種產(chǎn)物乙酸和 h 消耗掉。2主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌多為：互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等；多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌 或兼性厭氧菌。3、產(chǎn)甲烷菌20 世紀(jì) 60 年代 hungate 開創(chuàng)了嚴(yán)格厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)之后，對(duì)產(chǎn)甲烷細(xì)菌的研究才得以廣泛進(jìn)行； 產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要功能是將

13、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物乙酸和 h /co 轉(zhuǎn)化為 ch 和 co ，使厭氧消化2 2 4 2過程得以順利進(jìn)行；主要可分為兩大類：乙酸營養(yǎng)型和 h 營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，或稱為嗜乙酸產(chǎn)甲烷細(xì)菌和2嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌；一般來說，在自然界中乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的種類較少，只有 methanosarcina（產(chǎn)甲烷 八疊球菌）和 methanothrix（產(chǎn)甲烷絲狀菌），但這兩種產(chǎn)甲烷細(xì)菌在厭氧反應(yīng)器中居多，特別是后者，因 為在厭氧反應(yīng)器中乙酸是主要的產(chǎn)甲烷基質(zhì)，一般來說有 70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解；典型的產(chǎn)甲烷反應(yīng)：ch cooh ch34+co24 h2+ co ch24+ 2 h o244 hcoo

14、 - +2 h + ch +co +2 hc4 2-34 co + 2 h o ch24+ 3 co24 ch oh 3ch +h c o- 3 4 3+h+h o24(ch ) -nh3 3+4+9 h o 9ch +3hco- 2 4 3+3h+4 nh+42(ch ) -s +3 h o 3ch +h c o- 3 3 2 4 3+h+2 h s24 ch oh + h ch +h o3 2 4 2根據(jù)產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)和生理生態(tài)特征，可將其分類如下：產(chǎn)甲烷桿菌目產(chǎn)甲烷球菌目產(chǎn)甲烷微菌目產(chǎn)甲烷桿菌科產(chǎn)甲烷球菌科產(chǎn)甲烷微菌科產(chǎn)甲烷桿菌屬產(chǎn)甲烷桿短菌屬產(chǎn)甲烷球菌屬產(chǎn)甲烷微菌屬產(chǎn)甲烷菌屬產(chǎn)甲烷螺菌

15、屬產(chǎn)甲烷八疊球菌屬甲酸產(chǎn)甲烷桿菌瘤胃產(chǎn)甲烷桿菌范氏產(chǎn)甲烷球菌運(yùn)動(dòng)產(chǎn)甲烷微菌黑海產(chǎn)甲烷微菌亨氏產(chǎn)甲烷螺菌巴氏產(chǎn)甲烷八疊球菌產(chǎn)甲烷八疊球菌科產(chǎn)甲烷絲菌屬索氏產(chǎn)甲烷絲菌屬最新的分類（bergys細(xì)菌手冊(cè)第九版），共分為：三目、七科、十九屬、65 種；產(chǎn)甲烷菌有各種不同的形態(tài)，常見的有：產(chǎn)甲烷桿菌；產(chǎn)甲烷球菌；產(chǎn)甲烷八疊球菌；產(chǎn)甲 烷絲菌；等等。在生物分類學(xué)上，產(chǎn)甲烷菌（methanogens）屬于古細(xì)菌（archaebacteria），大小、外觀上與普通細(xì)菌 （eubacteria）相似，但實(shí)際上，其細(xì)胞成分特殊，特別是細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)較特殊；在自然界的分布，一般可 以認(rèn)為是棲息于一些極端環(huán)境中（如地?zé)?/p>

16、泉水、深?；鹕娇?、沉積物等），但實(shí)際上其分布極為廣泛，如 污泥、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹木、厭氧反應(yīng)器等；產(chǎn)甲烷菌都是嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，要求氧化還原電位在 -150-400mv，氧和氧化劑對(duì)其有很強(qiáng)的毒害作用；產(chǎn)甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時(shí)間長，可達(dá)46 天，因此，一般情況下產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化的限速步驟三、厭氧生物處理的影響因素產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化過程的控制階段，因此，一般來說，在討論厭氧生物處理的影響因素時(shí)主要討 論影響產(chǎn)甲烷菌的各項(xiàng)因素；主要影響因素有：溫度、ph 值、氧化還原電位、營養(yǎng)物質(zhì)、f/m 比、有毒 物質(zhì)等。5332-1、溫度：溫度對(duì)厭氧微生物的影響尤為顯著；厭氧細(xì)菌可分為嗜熱菌（

17、或高溫菌）、嗜溫菌（中溫菌）；相應(yīng)地， 厭氧消化分為：高溫消化（55c左右）和中溫消化（35c左右）；高溫消化的反應(yīng)速率約為中溫消化的 1.51.9 倍，產(chǎn)氣率也較高，但氣體中甲烷含量較低；當(dāng)處理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或污泥時(shí)，高溫消化可 取得較好的衛(wèi)生效果，消化后污泥的脫水性能也較好；隨著新型厭氧反應(yīng)器的開發(fā)研究和應(yīng)用，溫度對(duì)厭 氧消化的影響不再非常重要（新型反應(yīng)器內(nèi)的生物量很大），因此可以在常溫條件下（2025c）進(jìn)行，以 節(jié)省能量和運(yùn)行費(fèi)用。2、ph 值和堿度：ph 值是厭氧消化過程中的最重要的影響因素；重要原因：產(chǎn)甲烷菌對(duì)ph 值的變化非常敏感，一般認(rèn) 為，其最適 ph 值范圍為

18、6.87.2，在8.2 時(shí)，產(chǎn)甲烷菌會(huì)受到嚴(yán)重抑制，而進(jìn)一步導(dǎo)致整個(gè)厭氧消 化過程的惡化；厭氧體系中的 ph 值受多種因素的影響：進(jìn)水 ph 值、進(jìn)水水質(zhì)（有機(jī)物濃度、有機(jī)物種 類等）、生化反應(yīng)、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等；厭氧體系是一個(gè)ph 值的緩沖體系，主要由碳酸鹽體系所控制；一般來說：系統(tǒng)中脂肪酸含量的增加（累積），將消耗hco-3，使 ph 下降；但產(chǎn)甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且還會(huì)產(chǎn)生hco-3，使系統(tǒng)的 ph 值回升。堿度曾一度在厭氧消化中被認(rèn)為是一個(gè)至關(guān)重要的影響因素，但實(shí)際上其作用主要是保證厭氧體系具 有一定的緩沖能力，維持合適的 ph 值；厭氧體系一旦發(fā)生酸化，

19、則需要很長的時(shí)間才能恢復(fù)。3、氧化還原電位：嚴(yán)格的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行正常生理活動(dòng)的基本條件；非產(chǎn)甲烷菌可以在氧化還原電位為+100 -100mv 的環(huán)境正常生長和活動(dòng)；產(chǎn)甲烷菌的最適氧化還原電位為-150 -400mv，在培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的初期， 氧化還原電位不能高于-330mv；4、營養(yǎng)要求：厭氧微生物對(duì) n、p 等營養(yǎng)物質(zhì)的要求略低于好氧微生物，其要求 cod：n：p = 200：5：1；多數(shù)厭 氧菌不具有合成某些必要的維生素或氨基酸的功能，所以有時(shí)需要投加：k、na、ca 等金屬鹽類；微 量元素 ni、co、mo、fe 等；有機(jī)微量物質(zhì)：酵母浸出膏、生物素、維生素等。5、f/m 比：厭氧

20、生物處理的有機(jī)物負(fù)荷較好氧生物處理更高，一般可達(dá) 510kgcod/m .d ，甚至可達(dá) 5080 kgcod/m .d；無傳氧的限制；可以積聚更高的生物量。產(chǎn)酸階段的反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于產(chǎn)甲烷階段，因此必須十分謹(jǐn)慎地選擇有機(jī)負(fù)荷；高的有機(jī)容積負(fù)荷的前提是高的生物量，而相應(yīng)較低的污泥負(fù)荷；高的有機(jī)容積負(fù)荷可以縮短 hrt，減少反應(yīng)器容積。6、有毒物質(zhì)：常見的抑制性物質(zhì)有：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物及某些有機(jī)物；硫化物和硫酸鹽：硫酸鹽和其它硫的氧化物很容易在厭氧消化過程中被還原成硫化物；可溶的硫化物達(dá) 到一定濃度時(shí)，會(huì)對(duì)厭氧消化過程主要是產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制作用；投加某些金屬如 f 可以去除 s ，或

21、e從系統(tǒng)中吹脫 h s 可以減輕硫化物的抑制作用。26-2 氨氮：氨氮是厭氧消化的緩沖劑；但濃度過高，則會(huì)對(duì)厭氧消化過程產(chǎn)生毒害作用；抑制濃度為 50200mg/l，但馴化后，適應(yīng)能力會(huì)得到加強(qiáng)。3 重金屬：使厭氧細(xì)菌的酶系統(tǒng)受到破壞。4 氰化物：5 有毒有機(jī)物：四、厭氧生物處理的主要特征1、厭氧生物處理過程的主要優(yōu)點(diǎn)：1 能耗大大降低，而且還可以回收生物能（沼氣）；2 污泥產(chǎn)量很低；厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率 y 為 0.150.34kgvss/kgcod，產(chǎn)甲 烷菌的產(chǎn)率 y 為 0.03kgvss/kgcod 左右，而好氧微生物的產(chǎn)率約為 0.250.6kgvs

22、s/kgcod。 厭氧微生物有可能對(duì)好氧微生物不能降解的一些有機(jī)物進(jìn)行降解或部分降解； 反應(yīng)過程較為復(fù)雜厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個(gè)連續(xù)的微 生物過程；2、厭氧生物處理過程的主要缺點(diǎn)：1 對(duì)溫度、ph 等環(huán)境因素較敏感；2 處理出水水質(zhì)較差，需進(jìn)一步利用好氧法進(jìn)行處理；3 氣味較大；4 對(duì)氨氮的去除效果不好；等等第三節(jié)廢水生物脫氮原理一、廢水生物脫氮的基本過程氨化（ammonificaton）：廢水中的含氮有機(jī)物，在生物處理過程中被好氧或厭氧異養(yǎng)型微生物氧化 分解為氨氮的過程；硝化（nitrification）：廢水中的氨氮在好氧自養(yǎng)型微生物（統(tǒng)稱為硝化菌）的作用下

23、被轉(zhuǎn)化為 no2no 的過程；3-和反硝化（denitrification）：廢水中的 no 和/或 no 在缺氧條件下在反硝化菌（異養(yǎng)型細(xì)菌）的作2 3用下被還原為 n 的過程。27+-+-二、硝化反應(yīng)（nitrification） 1、硝化反應(yīng)的基本原理硝化反應(yīng)分為兩步進(jìn)行： nh+4 no-2； no - no - 2 3。是由兩組自養(yǎng)型硝化菌分兩步完成的： 亞硝酸鹽細(xì)菌（或稱為氨氧化細(xì)菌）（nitrosomonas）； 硝 酸鹽細(xì)菌（或稱為亞硝酸鹽氧化細(xì)菌）（nitrobacter）；到目前為止，還未發(fā)現(xiàn)有任何一種細(xì)菌可以直接將氨氮通過一步氧化到硝酸鹽。這兩種硝化細(xì)菌的特點(diǎn)： 都是革蘭

24、氏染色陰性、不生芽孢的短桿菌和球菌； 強(qiáng)烈好氧，不能在酸性條件下生長； 無需有機(jī)物，以氧化無機(jī)含氮化合物獲得能量，以無機(jī) c（co 或 hco2 3-）為碳源； 化能自養(yǎng)型； 生長緩慢，世代時(shí)間長。 2、硝化反應(yīng)過程及反應(yīng)方程式 亞硝化反應(yīng)： nh+4+1.5o no - 2 2+h o +2 h 2+如果加上細(xì)胞合成，則：55 nh+4+76o +109 hco - 2 3 c h o n +54 no 5 7 2-2+57 h o +104 h co 2 2 3亞硝酸鹽細(xì)菌的產(chǎn)率是：0.146g/g nh -n（113/55/14）；4氧化 1mg nh -n 為 no -n，需氧 3.1

25、6mg（7632/55/14）；4 2氧化 1mg nh -n 為 no -n，需消耗 7.08mg 堿度（以 caco 計(jì)）（10950/55/14）4 2 3 硝化反應(yīng)：no -2+0.5o no - 2 3如果加上細(xì)胞合成，則： 400no - +nh +2 4+4 h co +hco - 2 3 3+195o c h o n +3h o +400 no - 2 5 7 2 2 3硝酸鹽細(xì)菌的產(chǎn)率是：0.02g/gno2-n(113/400/14)氧化 1mg no -n 為 no n，需氧 1.11mg(195*32/400/14)2 3幾乎不消耗堿度總的硝化反應(yīng)：nh + +2o n

26、o - +h o +2 h 4 2 3 2+如加上細(xì)胞合成，則：nh + +1.86o +1.98hco - (0.0181 +0.0025)c h o n +1.04 h o +0.98 no - +1.88 h co 4 2 3 5 7 2 2 3 2 3總的細(xì)菌產(chǎn)率是： 0.02g/gno -n(113/400/14)；2氧化 1mgnh+4-n 為 no-3-n，需氧 4.27mg(1.86*32/14)；氧化 1 mg nh+4-n 為 no3-n ，需消耗堿度 7.07mg(以 caco 計(jì))；3污水中必須有足夠的堿度，否則硝化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致 ph 值下降，使反應(yīng)速率減緩或停滯；8+-

27、如果不考慮合成，則：氧化 1 mg nh -n 為 no -n，需氧 4.57mg，其中亞硝化反應(yīng) 3.43mg，硝化反4 3應(yīng) 1.14mg，需消耗堿度 7.14mg(以 caco 計(jì))33、硝化反應(yīng)所需要的環(huán)境條件兩種硝化菌對(duì)環(huán)境的變化都很敏感，要求較苛刻，主要如下： 好氧條件(do 不小于 1mg/l)，并能保持一定的堿度以維持穩(wěn)定的 ph 值(適宜的 ph 為 8.08.4)； 進(jìn)水中的有機(jī)物的濃度不宜過高，一般要求 bod 在 1520mg/l 以下；5 硝化反應(yīng)的適宜溫度是 2030c，15c以下時(shí)，硝化反應(yīng)的速率下降，小于 5c時(shí)，完全停止； 硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間即污泥齡，

28、必須大于其最小的世代時(shí)間(一般為 310 天)； 高濃度的氨氮、亞硝酸鹽或硝酸鹽、有機(jī)物以及重金屬離子等都對(duì)硝化反應(yīng)有抑制作用。 三、反硝化反應(yīng)（denitrification）1、反硝化反應(yīng)及反硝化細(xì)菌反硝化反應(yīng)是指硝酸鹽或亞硝酸鹽在反硝化菌的作用下，被還原為氣態(tài)氮（n ）的過程；2反硝化菌屬異養(yǎng)型兼性厭氧菌，并不是一類專門的細(xì)菌，它們大量存在于土壤和污水處理系統(tǒng)中，如 變形桿菌、假單胞菌等，土壤微生物中有 50%是這一類具有還原硝酸鹽能力的細(xì)菌；反硝化菌能在缺氧條件下，以no - -n2或 no -3-n 為電子受體，以有機(jī)物為電子供體，而將氮還原；在反硝化菌的代謝活動(dòng)下， no -n 或

29、 no - -n 中的 n 可以有兩種轉(zhuǎn)化途徑： 同化反硝化，即最2 3終產(chǎn)物是有機(jī)氮化合物，是菌體的組成部分； 異化反硝化，即最終產(chǎn)物是氮?dú)猓╪ ）或笑氣（n o）。2 22、反硝化反應(yīng)過程及反應(yīng)方程式 反應(yīng)過程示意圖： 反應(yīng)方程式： 以h為電子供體：第一步：第二步：no - +2 h no - +h o3 2 22 h + +2 no - +6 h n +4h o2 2 2總反應(yīng)：2 h+ +2 no -3+10 h n +6h o2 2以甲醇為電子供體：9-+-1+-第一步：3no -3+ch oh 3no - 3 2+2 h o +co 2 2第二步：2 h+2 no -2+ch oh

30、 n +3h o +co 3 2 2 2總反應(yīng)：6 h + +6 no - +5ch oh 3 n +13h o +5co2 3 2 223、反硝化反應(yīng)的影響因素 碳源：一是原廢水中的有機(jī)物，當(dāng)廢水的 bod /tkn 大于 35 時(shí)，可認(rèn)為碳源充足；二是外加碳5源，多采用甲醇；2 ph 值：適宜的 ph 值是 6.57.5，ph 值高于 8 或低于 6，反硝化速率將大大下降；3 溶解氧：反硝化菌適于在缺氧條件下發(fā)生反硝化反應(yīng)，但另一方面，其某些酶系統(tǒng)只有在有氧條 件下才能合成，所以反硝化反應(yīng)宜于在缺氧、好氧交替的條件下進(jìn)行，溶解氧應(yīng)控制在 0.5mg/l 以下；4 溫度：最適宜溫度為 204

31、0c，低于 15c其反應(yīng)速率將大為降低。4、生物脫氮反應(yīng)過程中各項(xiàng)生化反應(yīng)特征生化反應(yīng)類型去除有機(jī)物硝化反硝化亞硝化硝化微生物能源好 氧 菌 及 兼 性 菌有機(jī)物nitrosomonas自養(yǎng)型菌化能nitrobacter自養(yǎng)型菌化能兼性菌異養(yǎng)型菌有機(jī)物氧 源 ( 電 子 受o2o2o2no 、no23-體)溶解氧堿度12mg/l 以上無變化2mg/l 以上氧化 1mgnh -n 需4要 7.14mg/l 堿度2mg/l 以上無變化00.5mg/l還原 1mgno -n 或3-n 生成 3.57mgno2堿度耗氧分解 1mg 有機(jī)氧化 1mgnh4+-n 需氧化 1mg no2-n分 解 1mg

32、 有 機(jī) 物物（bod ）需氧 52mg氧 3.43mg需氧 1.14mg(cod) 需 no -n2，0.58mgno -n0.35mg 所 提3供的化合態(tài)氧最適 ph 值最適水溫 增殖速度(d ) 分解速度681525c1.23.570870mgbod/gmlss78.530c0.211.087mgnh -n4/gmlss.h67.530c0.281.44683437c好氧分解的 1/21/2.5 28mg no -n3/gmlss.h.h四、新型生物脫氮途徑與工藝 1、短程生物脫氮工藝2、 sharon 工藝3、 anammox 工藝4、 sharonanammox 組合工藝10poh

33、pohpo-5、 oland 工藝6、 canon 工藝7、 同時(shí)硝化反硝化（snd）工藝第四節(jié) 廢水生物除磷原理一、磷在廢水中的存在形式通常磷是以磷酸鹽（ -、 2 -、 3 -）、聚磷酸鹽和有機(jī)磷等的形式存在于廢水中；細(xì)菌一般2 4 4 4是從外部環(huán)境攝取一定量的磷來滿足其生理需要；有一類特殊的細(xì)菌磷細(xì)菌，可以過量地、超出其生 理需要地從外部攝取磷，并以聚合磷酸鹽的形式貯存在細(xì)胞體內(nèi)，如果從系統(tǒng)中排出這種高磷污泥，則能 達(dá)到除磷的效果。二、生物除磷的基本過程1、除磷菌的過量攝取磷好氧條件下，除磷菌利用廢水中的 bod 或體內(nèi)貯存的聚b-羥基丁酸的氧化分解所釋放的能量來攝取5廢水中的磷，一部分磷被用來合成 atp，另外絕大部分的磷則被合成為聚磷酸鹽而貯存在細(xì)胞體內(nèi)。 2、除磷菌的磷釋放在厭氧條件下，除磷菌能分解體內(nèi)的聚磷酸鹽而產(chǎn)生 atp，并利用 atp 將廢水中的有機(jī)物攝入細(xì)胞內(nèi)， 以聚b-羥基丁酸等有機(jī)顆粒的形式貯存于細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)還將分解聚磷酸鹽所產(chǎn)生的磷酸排出體外。3、富磷污泥的排放在好氧條件下所攝取的磷比在厭氧條件下所釋放的