第十章 污（废）水深度处理和微污染第十章 污（废）水深度处理和微污染水源水预处理中的微生物学原理水源水预处理中的微生物学原理

第一节 脱氮、除磷的微生物学原理第一节 脱氮、除磷的微生物学原理

第二节 微污染水源水预处理的微生物学原理第二节 微污染水源水预处理的微生物学原理

第三节 人工湿地第三节 人工湿地

第四节 饮用水消毒第四节 饮用水消毒

第一节 脱氮、除磷的微生物学原理

一、污水、废水脱氮、除磷的意义

•引起水体富营养化

水华 赤潮

• 威胁人体健康

例如： NO3- 和 NO2

- 在水体中可被转

化为亚硝胺（三致性毒物：致癌、致畸、致突变）；

中体中的 NO2- 可导致婴儿正

铁血红蛋白血症（蓝血人病、 bluebaby ）

我国污水、废水脱氮除磷的部分指标

二、天然水体中氮、磷的来源

• 生活污水• 工业废水• 化肥和农药• 禽畜粪便

三、微生物脱氮（一）脱氮原理好氧阶段：亚硝化细菌和硝化细菌的作用，将 NH3 转化为NO3

- 和 NO2-

缺氧阶段：反硝化细菌将 NO3- 和 NO2

- 还原为 N2 ，进入大气

（二）硝化、脱氮微生物

1.硝化作用微生物

在自然界分布很广泛，均为 G-细菌

氧化氨的细菌

氧化 NO2- 的细菌

• 氧化氨的细菌：① 好氧的氨氧化细菌（亚硝化细菌）氧化 NH3 为 NO2 ，从中获得能量供细胞固定 CO2 ；25~30°C ， pH7.5~8.0 ，亚硝化球菌代时： 8~12h ，亚硝化螺

菌代时 24h ；菌体内含淡黄至淡红的细胞色素

注：另有厌氧氨氧化细菌和厌氧反硫化细菌

② 氧化亚硝酸细菌（硝化细菌）氧化 NO2 为 N2 ，从中获得能量供细胞固定 CO2 ； 25~30°C ， pH7.5~8.0 ，代时： 8h~ 数天菌体内含淡黄至淡红的细胞色素一些种类具有特殊的细胞内储存结构：羧化体、多聚磷酸盐等

• 消化过程的运行操作

由于硝化细菌代时较长，为保证硝化彻底，需要注意：

泥龄（悬浮固体停留时间 SRT ）：一般为 5 天以上

DO （一般控制在 1.2~2.0 mg/L ， <0.5mg/L 硝化作用停

止）

曝气时间（水力停留时间）

碱度（酸性对硝化细菌不利，可加入 NaHCO3 ）

温度

2. 反硝化作用微生物

•将 NO3- 还原为 N2

•种类多（假单胞菌属种类最多）

•注：一些细菌在一定条件下只将 NO3- 还原为 NO2

- ，

对水生动物和人类产生毒害

• 反硝化作用的运行的关键参数：碳源：葡萄糖、乳糖、甲醇、乙醇等有机物

pH ： 7~8

温度（ Q10 1.5~3.0 ，在 60~75°C 之间反硝化速率最大）

DO （ <0.2mg/L ）

硝化阶段与反硝化阶段的对比

• 反硝化作用的类型传统意义上的反硝化反应：

（三）微生物脱氮工艺• 包括单级反硝化和多级反硝化• 目前常用的有三种组合工艺（针对不同水质）

序批式间歇反应器（ SBR ）

缺氧（ Anoxic ）厌氧（ Anaerobic ）好氧（ Oxic ）

三段式生物脱氮工艺：

将有机物氧化、硝化以及反硝化阶段独立开，每个阶段都有独立的沉淀池和污泥回流系统

其它新的反硝化途径

四、微生物脱磷微生物处理有机污染的过程中，去除污水中 19% 的磷，残留的磷仍较高，故需要专门的除磷处理

（一）除磷原理聚磷菌（ PAO ）•种类：主要包括假单胞菌属、黄杆菌属、气单胞菌属等不动杆菌

•生理：有氧条件下，大量吸收磷酸盐合成核酸和 ATP ，并且可逆浓度梯度过量吸收磷合成多聚磷酸盐颗粒（异染粒）和聚 β- 氧基丁酸（ PHB ），供内源呼吸。 在缺氧条件下，释放磷酸盐至体外。通常好氧吸收的磷比厌氧释放的磷多。

•过程：在缺氧条件先让聚磷菌放磷，再在有氧条件下过量吸收磷

（二）除磷工艺流程利用微生物除磷的工艺多种多样。通常在去除磷的同时，还能一定程度上去除有机污染物和氮。

按照运行方式，可分为连续式和序批式两类。

工艺流程

微生物除磷的影响因素

• 溶解氧：厌氧反应器， DO<0.2mg/L ；好氧反应器， DO=2mg/L

• 泥龄： 30d ，除磷率为 40% ； 17d ，除磷率为 50% ； 5d ，除磷率 87%

• 温度： 5~30 °C ，除磷效果好

第二节 微污染水源水预处理中的微生物第二节 微污染水源水预处理中的微生物原理原理

微污染水源水：受到有机物、氨氮、磷及有毒污染物较低程度污染的水源水。

青岛棘洪滩水库 引黄济青工程

一、微污染水源水预处理的目的和意义

• 微污染水源水中可能含有致癌物的前体，经加氯消毒后会三氯甲烷、二氯乙酸等“三致”物。

• 微污染水源水含有较高氨氮，导致供水管亚硝化细菌过量繁殖，影响供水管通畅。

• 残留有机物引起管道中异养菌滋生。• 低浓度毒物直接危害人体健康

二、水源水的污染源和污染物

• 污染源？工业废水、生活污水、农业农药和化肥使用、养殖

废水、未达标的处理水。

• 污染物？有机物、氨氮、藻类分泌物、酚、氰化物、重金属、

农药

三、微污染水源水微生物预处理

• 均采用生物膜法：生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床

• 由于微污染水源水中有机物含量远低于普通污水，普遍存在微生物碳源不足，反硝化困难等问题。

加入外源性碳源应用对碳源需求低的新技术

预处理方式：混合——沉淀——快砂滤——慢砂滤——清水储罐——出

水

四、水源水预处理的运行条件微生物生态系统：贫营养环境。包括硝化细菌。反硝化细菌、藻类、原生动物、微型后生动物。

生物膜：固定微生物，截留有机污染物

供氢体：加入外源性的甲醇、乙醇、糖等

溶解氧： >4mg/L

水温： >20°C

pH ：中性

第三节 人工湿地 第三节 人工湿地

生物多样性最高的生态系统 “地球之肾”！

中国湿地概况

若尔盖湿地（四川省阿坝）

巴音布鲁克（新疆天山）

三江平原湿地 ( 黑龙江 )

黄河三角洲 ( 山东 )

扎龙保护区 ( 黑龙江 )

辽河三角洲湿地（渤海辽东湾）

人工湿地生态系统

一、人工湿地处理污水的原理

二、人工湿地的组成

植物①回收利用污水中可利用态的营养物质 , 吸附、富集重

金属和一些有毒有害物质 ;②为根区好氧微生物输送氧气 ; ③增强和维持介质的水力传输。

• 植物对不同的污染物质具有一定的针对性：对氮磷去除效果较好的湿地植物，如茭白、芦苇、水烛、灯心草。对重金属有较好的去除作用的植物是：宽叶香蒲，且对 Pb 、Zn 、 Cd 等重金属有较好的去除作用。

湿地植物的选择原则：①净化能力，耐污能力和抗寒、抗热能力强，对不同的

污染物采用相应的植物种类；②选择在本地适应性好的植物，最好是本地植物；③根系发达、生物量大；④抗病虫害能力强；⑤最好有广泛用途或经济价值；⑥易管理，综合利用价值高。

微生物人工湿地系统中的微生物主要去除污水中的有机质和 N ，某

些难降解的有机物质和有毒物质需要运用微生物的诱发变异特性，培育驯化适宜吸收和消化这些有机物质和有毒物质的优势细菌，进行降解。

人工湿地中微生物的活动是湿地净化污水的最主要因素。现有研究已经发现在 BOD5 、 COD 以及氮等降解的过程中微生物都发挥了重要作用。

• 优势菌种：假单胞杆菌属 Pseudomonas、产碱杆菌属 Alcali

gens 黄杆菌属 Flavobacterium。生长快速，含有降解质粒，是分解有机物的主体微生物种群。此外，对于有些难降解的有机物和有毒物须运用微生物诱导变异特性，培育驯化适宜吸收和消化这些物质的优势种，进行降解。

• 微生物数目和种类与污水净化效果有一定的关系。其数量越多则去除率越高。其中污水中 BOD5 的去除率与湿地细菌总数显著相关，氨氮的去除率与硝化细菌和反硝化细菌的数量密切相关，污水中总大肠杆菌的去除率与湿地原生动物和放线菌数量也存在显著相关性。

动物在食物链与营养级的生态平衡中起到重要作用 , 对人工

湿地污水处理系统的稳定性作出了重要贡献。蚯蚓 (Drilonema) 能起到清洁垃圾的作用 , 从而减少了

排泥次数。蚯蚓和沙蚕 (Nereisdiversicolor) 对重金属有富集作用 , 可以推测这些动物对污水中的重金属去除也能起一些作用。

蚯蚓 沙蚕

三、水生植物的分类

茭白

芦苇

根的位置 叶的位置

沉水植物 底泥 水中

浮叶植物 底泥 水面

漂浮植物 无固定根 水面

挺水植物 底泥 高于水面

几大类水生植物的比较

四、人工湿地的功能

•悬浮物去除 污水中的悬浮物含有大量的污染物质，例如有机物、氮

磷、重金属和病原菌等。悬浮物主要通过过滤、沉淀、湿地介质表面的吸附及微

生物生长等作用从水中去除。湿地对悬浮物的去除非常有效，悬浮固体出水值一般低于 10mg/L 。为防止在进水口附近发生堵塞，进水前必须设置预处理以降低总固体浓度，一般设置沉淀池即可。

•有机物的去除污水中的有机物包括包括颗粒性有机物和溶解性有机

物。前者通过沉淀和过滤可迅速去除，而后者则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解而去除。微生物降解有机物又分为好氧降解和厌氧降解。

好氧降解主要由好氧异氧菌控制：

CH2O+O2=CO2+H2O

厌氧降解由兼性厌氧菌和专性厌氧菌控制，该过程分两步进行。第一步主要产物为脂肪酸，如乙酸、乳酸、乙醇、 CO2和 H2。

C6H12O6+2H2O=2CH3COOH+4H2+2CO2

C6H12O6=2CH3CHOHCOOH

C6H12O6=2CO2+2CH3CH2OH

硫酸盐还原菌和产甲烷菌利用上述脂肪酸进行代谢活动。 CH3COOH+H2SO4=2CO2+2H2O+H2S

CH3COOH+4H2=2H2O+2CH4

CO2+4H2=CH4+2H2O

BOD 的去除包括几个生物化学过程：好氧呼吸，厌氧消减和硫酸盐还原。

• BOD （ Biochemical Oxygen Demand ）：生化需氧量或生化耗氧量（五日化学需氧量），是指在规定的条件下，微生物分解水中的某些可氧化的物质，特别是分解有机物的生物化学过程消耗的溶解氧。

• 通常情况下是指水样充满完全密闭的溶解氧瓶中，在20℃ 的暗处培养 5d ，分别测定培养前后水样中溶解氧的质量浓度，由培养前后溶解氧的质量浓度之差，计算每升样品消耗的溶解氧量，以 BOD5形式表示。其单位 ppm或毫克 /升表示。其值越高说明水中有机污染物质越多，污染也就越严重。

• 化学需氧量 COD （ Chemical Oxygen Demand ）是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。废水、废水处理厂出水和受污染的水中，能被强氧化剂氧化的物质（一般为有机物）的氧当量。在河流污染和工业废水性质的研究以及废水处理厂的运行管理中，它是一个重要的而且能较快测定的有机物污染参数，常以符号 COD表示。

• 测定方法：重铬酸盐法、高锰酸钾法、分光光度法、快速消解法、快速消解分光光度法。

•氮、磷的去除污水中的氮包括无机氮和有机氮。无机氮包括氨氮、亚硝

酸盐和硝酸盐。有机氮包括尿素、氨基酸、嘌呤和嘧啶。研究表明，人工湿地处理系统对氮的去除作用包括基质的吸附、过滤、沉淀、挥发、植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用。

人工湿地系统中对磷的去除主要通过下面三个方面：微生物正常的同化或植物的吸收作用；聚磷菌的过量摄 P 作用；基质的物理化合作用。其中最主要的是基质对 P 的吸附作用及其纳 P容量，其吸附作用与基质中 Fe ， Al 和 Ca 等金属离子有关，而植物吸收对 P 的去除效率影响不大。

•重金属去除 人工湿地对重金属也有很强的去除能力。金属离子去除

机理主要有：植物的吸收和富集作用、土壤胶体颗粒的吸附、悬浮颗粒的过滤和沉淀，人工湿地对污水中重金属去除是通过植物、微生物、土壤基质等组成成分共同起作用的。 ·

优点投资费用低，建设、运行成本低；处理过程能耗低；

污水处理效果稳定可靠；污水处理系统的组合具有多样性和针对性等优点；良好的景观效应；可持续的经济效益；运行管理简单。

缺点受气候条件限制较大；设计，运行参数不精确；占地

面积相对较大；容易产生淤积、饱和现象；对恶劣气候条件抵御能力弱；净化能力受作物生长成熟程度的影响大；此外，可能需要控制蚊蝇孳生。

五、人工湿地技术的优缺点

第四节 饮用水消毒第四节 饮用水消毒

水能够携带多种病原微生物进入人体接触污染水体：引起皮肤、眼睛疾病饮用污染水体：消化道疾病等

污水中的病原微生物以及所引起的疾病

饮用水的消毒方法