环境生物技术
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
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。
总反应式为：
NH4 2O2 硝化细菌NO3 2H H2O
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。
氨氧化菌（亚硝化细菌）
变形菌门β纲 (Proteobacteria) 亚硝化单胞菌群(Nitrosomonas) 亚硝化螺菌群(Nitrosospira) 变形菌门γ-纲 亚硝化球菌属(Nitrosococcus)
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。
2.富营养化的危害-水华
水解 RCHNH 2COOH H2O RCOHCOOH NH 3
细菌分解 RCHNH 2COOH O2 RCOCOOH CO 2 NH3
3.2 硝化反应
2NH
4

3O 2
亚硝酸菌 2NO
2

4H

2H 2O
2NO2 2O2 硝酸菌2NO3
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。 1. 加速水体的“富营养化”过程； 2. 氨氮消耗水体中的溶解氧； 3. 氨氮会与氯作用生成氯胺，并被氧化为氮； 4. 氮化合物对人和生物有毒害作用； 5. 氨氮和亚硝氮对养殖动物有毒性作用。
3.氮素循环
RCHNH 2COOH H2O RCOHCOOH NH 3
亚硝酸氧化（硝化）菌
变形菌门
α纲：硝化杆菌属（Nitrobacter） β纲： Candidatus Nitrotoga γ纲：硝化球菌属（Nitrococcus） δ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15～20mg/L以下。 3) 适宜温度是20～30℃，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。
有机氮
RCHNH 2COOH O2 RCOCOOH CO 2 NH 3
（蛋白质、尿素）
细菌分解和水解
氨氮 同化
有机氮
有机氮
（NH3-N）
（细菌细胞）
（净增长）
O2 硝化
自溶和自身氧化
亚硝态氮 缺氧 反硝化
（NO2-）
O2 硝化
硝态氮
有机碳
缺氧 反硝化
氮气
（NO3-）
有机碳
（N2）
一些基本概念
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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70～75％。
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。
太湖美景
山湖峰四 翠平连八 黛天七云 烟宇二端 朦阔葱岛
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。
1.氮素循环与生物脱氮原理
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）
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）
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。
NO2- + 3H(电子供体－有机物）
½ N2 + H2O+ OH-
NO3- + 5H(电子供体－有机物）
½ 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 3）溶解氧 4）温度
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
3.1 氨化反应
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：