第十章飲用水生物處理基本原理一、水中微生物的來(lái)源接觸土壤和塵埃一起由空氣中降落隨垃圾、人畜糞便及某些工業(yè)廢棄物進(jìn)入水體二、水體中病原微生物種類(lèi)病原細(xì)菌寄生蟲(chóng)病毒第一節(jié)水的衛(wèi)生細(xì)菌學(xué)1、病原細(xì)菌病原細(xì)菌經(jīng)水傳播的疾病主要是腸道傳染病。常見(jiàn)的腸道傳染病菌有：（1）傷寒桿菌革蘭氏陰性菌，不生芽孢和莢膜，借鞭毛運(yùn)動(dòng)；加熱到60℃，30min可以殺死。對(duì)5％的石炭酸，可抵抗5min。傳染途徑：水、食物和物品（2）痢疾桿菌分痢疾桿菌和副痢疾桿菌兩種；革蘭氏染色陰性菌，無(wú)芽孢和莢膜，一般無(wú)鞭毛；適宜的溫度為37℃；耐寒能力強(qiáng)，在陰暗潮濕及冰凍環(huán)境下能生存數(shù)周；不耐熱及干燥，陽(yáng)光直射即有殺滅作用，加熱60℃10分鐘即死亡；對(duì)1％的石炭酸，可抵抗30min。傳播方式：取食污染的食物和水；蠅類(lèi)傳播（3）霍亂弧菌革蘭氏陰性菌，具有鞭毛，能運(yùn)動(dòng)，不生莢膜和芽孢；在60℃下能耐10min，在1％的石炭酸中能抵抗5min，能耐受較高的堿度；傳播途徑：水、食物、蠅類(lèi)2、寄生蟲(chóng)種類(lèi)：蛔蟲(chóng)、血吸蟲(chóng)防治：a、使用糞便施肥前，應(yīng)暴曬或堆肥；b、生活污水灌溉前經(jīng)沉淀等處理；c、飲用水處理；d、加強(qiáng)水源保護(hù)。3、病毒脊髓灰質(zhì)炎病毒肝炎病毒其它腸道病毒（埃可病毒和柯薩奇病毒）1、細(xì)菌菌落指數(shù)：

1毫升水樣在營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基中，于37℃培養(yǎng)24小時(shí)后所生長(zhǎng)出的細(xì)菌菌落總數(shù)水樣接種37℃溫度下培養(yǎng)24h數(shù)出生長(zhǎng)的菌落數(shù)推算三、大腸菌群和生活飲用水的細(xì)菌標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于生活飲用水的細(xì)菌標(biāo)準(zhǔn)的具體規(guī)定如下：細(xì)菌總數(shù)：小于100(CFU/mL)可以指示水源受有機(jī)污染的程度，還可以指示該飲用水能否飲用，但是不能說(shuō)明污染的來(lái)源和有沒(méi)有致病菌的存在2、總大腸菌群：又稱(chēng)大腸肝菌群，包括埃希氏菌屬，檸檬酸桿菌屬，腸桿菌屬等十幾種腸道桿菌。（1）特點(diǎn)：兼性厭氧，無(wú)芽孢，革蘭氏陰性桿菌，有些屬可以發(fā)酵乳糖產(chǎn)酸產(chǎn)氣是指示水體被糞便污染的一個(gè)指標(biāo)，也是致病菌污染水體的間接指標(biāo)。（2）大腸桿菌選做致病菌的間接指示菌的理由：人腸道寄生菌，數(shù)量大，對(duì)人較安全環(huán)境中的存活時(shí)間與致病菌相似檢驗(yàn)技術(shù)簡(jiǎn)便我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于生活飲用水的細(xì)菌標(biāo)準(zhǔn)的具體規(guī)定如下：總大腸菌群：小于0(CFU/100mL)第二節(jié)飲用水的消毒病原微生物去除常用方法有：一、加氯消毒二、臭氧消毒三、紫外線(xiàn)消毒四、超聲波消毒19世紀(jì)40年代世界各國(guó)已經(jīng)普遍采用氯消毒氯的衍生物：氯氣，次氯酸鹽，氯胺化合物有消毒功能次氯酸鹽操作安全，成本低，普遍應(yīng)用一、加氯消毒（1）不含氨的廢水：CL2+H2OHOCL+H++CL-HOCLH++OCL-HOCL和OCL-都有氧化能力，含量與pH有關(guān)HOCL是中性分子，可以通過(guò)胞膜，進(jìn)入菌體，氧化破壞菌體的酶OCL-難于靠近帶負(fù)電的細(xì)菌，很難起消毒作用消毒作用與pH有關(guān)1、氯的消毒機(jī)理－以氯氣為例NH3+HOCL

NH2CL+H2ONH3+2HOCL

NHCL2

+2H2ONH3+3HOCL

NCL3

+3H2O產(chǎn)物與HOCL量有關(guān)，即與pH有關(guān)pH在5～8.5時(shí)，NH2CL和NHCL2同時(shí)存在NHCL2殺菌力強(qiáng)NCL3在pH為4.4時(shí)才產(chǎn)生，一般廢水不可能產(chǎn)生氯胺消毒的實(shí)質(zhì)還是靠HOCL，作用緩慢，需要水解成HOCL（2）含氨的廢水：游離性氯：HOCL和OCL-中所含的氯總量化合性氯：氯胺中的氯總量各種氯化合物的氧化能力用有效氯表示。氯最高化合價(jià)態(tài)＋7

最低價(jià)態(tài)－1對(duì)于氧化和消毒來(lái)說(shuō)，只有價(jià)態(tài)高于－1的氯才有氧化和消毒能力定量概念是：以CL2作為100％來(lái)進(jìn)行比較，氯化合物所含的CL中可起氧化作用的比例。漂白粉為例2、幾個(gè)概念漂白粉（CaOCL2）(Ca+2O-2CL+1CL-1),CL+1可以接收2個(gè)電子還原為－1價(jià)，有氧化能力CL2（CL0CL0）可接收2個(gè)電子，變?yōu)椋?價(jià)1molCaOCL2的氧化能力相當(dāng)于1molCL2CaOCL2（分子量為127）有效氯為：2×35.5/127＝56％漂白粉中含CaOCL2最多62.5%左右，因此56％×62.5%＝35％漂白粉所含有效氯為30％左右，最高35％左右？加氯量分成兩部分：需氯量和余氯量需氯量:用于殺死細(xì)菌和氧化有機(jī)物等所消耗的氯量

測(cè)定：根據(jù)余氯的種類(lèi)和數(shù)量氯消毒法：游離性余氯法：水中余氯成分為游離性余氯時(shí)化合性余氯法：水中余氯成分為化合性余氯時(shí)3、加氯量4、氯消毒缺點(diǎn)消毒過(guò)程中可能與水中腐殖質(zhì)等物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生致癌，致突變的鹵代烴（THM）氯還會(huì)與酚反應(yīng)形成有怪味的氯酚，余氯為氯胺時(shí)排入水中對(duì)魚(yú)類(lèi)有危害，長(zhǎng)期使用引起某些微生物的抗藥性臭氧1840年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就作為氧化劑使用，廣泛使用于廢水處理中1、消毒機(jī)理：分子式O3，氧的同素異形體，僅次于氟的第二位強(qiáng)氧化劑有很高的能量，不穩(wěn)定，常溫常壓下結(jié)構(gòu)易變，自行分解為氧（O2）和單個(gè)氧原子（O）單個(gè)氧原子具有很強(qiáng)的活性，對(duì)細(xì)菌和病毒等有較強(qiáng)的氧化能力氧化分解細(xì)菌內(nèi)部葡萄糖氧化酶破壞細(xì)菌，病毒的細(xì)胞器、核酸、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)等大分子氧化細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)和脂多糖，細(xì)胞發(fā)生通透性畸變，細(xì)胞溶解死亡二、臭氧消毒消毒能力強(qiáng)作用快，殺菌速度比氯快600－3000倍不產(chǎn)生致癌致畸的鹵代有機(jī)物一般是利用空氣或氧氣和電能制取，不存在原料運(yùn)輸和儲(chǔ)存問(wèn)題2、臭氧消毒特點(diǎn)：（1）臭氧投加量臭氧濃度越高，殺菌效率越強(qiáng)，但成本過(guò)高臭氧少，污水很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)（2）污水水質(zhì)

CODCr和懸浮固體影響較大CODCr消耗臭氧，降低濃度懸浮固體遮護(hù)某些細(xì)菌，減少直接接觸，同時(shí)懸浮固體也消耗臭氧亞硝酸鹽含量影響也較大3、影響臭氧消毒的因素：因此，必須對(duì)污水做適當(dāng)?shù)那疤幚恚駝t，臭氧消毒是不經(jīng)濟(jì)的1910年首次用于飲用水消毒，之后開(kāi)始普及三、紫外線(xiàn)消毒1、消毒機(jī)理－紫外輻射誘變機(jī)制DNA堿基吸收的光波波長(zhǎng)（240－280納米）與紫外輻射波長(zhǎng)（260米）非常接近，因此堿基對(duì)于UV敏感，當(dāng)有UV輻射時(shí)，就會(huì)進(jìn)行吸收，吸收的光能會(huì)使DNA結(jié)構(gòu)變化。如：胸腺嘧啶聚會(huì)形成胸腺嘧啶二聚體。阻礙其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄而封鎖蛋白質(zhì)的合成（1）紫外燈管（輻射波長(zhǎng)253.7納米）隨著使用時(shí)間的增加，紫外燈輻射強(qiáng)度降低燈管的結(jié)垢也會(huì)影響紫外線(xiàn)的穿透力一般國(guó)產(chǎn)燈管有效使用時(shí)間3000h

國(guó)外燈管有效使用時(shí)間7500h（2）處理水的理化性質(zhì)懸浮固體可干擾，吸收紫外線(xiàn)，使其射線(xiàn)量減少，同時(shí)遮蔽細(xì)菌和病毒水層厚影響紫外線(xiàn)的穿透率可溶性化學(xué)物質(zhì)如色度，濁度，有機(jī)物和鐵離子等可吸收紫外線(xiàn)2、影響紫外消毒的因素：（3）微生物類(lèi)型和數(shù)量革蘭氏陰性桿菌最敏感，易被殺死，其次是葡萄球菌，鏈球菌和細(xì)菌芽孢，病毒也較敏感，真菌孢子抵抗力最強(qiáng)，某些微生物具有光復(fù)活和黑暗修復(fù)，降低了消毒效率對(duì)人體產(chǎn)生危害的鏈球菌，沙門(mén)氏菌和大腸桿菌噬菌體未發(fā)現(xiàn)有此功能（4）外界因子環(huán)境溫度影響紫外燈的輻射強(qiáng)度5－40℃內(nèi)，溫度降低，紫外燈的輸出功率降低低于5℃，紫外燈管啟動(dòng)困難濕度：過(guò)高會(huì)惡化電氣原件的工作條件，空氣中的小水滴會(huì)阻擋紫外線(xiàn)，輻射強(qiáng)度減少。一般濕度宜小于65％，最高不大于90％電壓：不穩(wěn)定，影響使用壽命電壓低，紫外燈的輸出功率低，紫外輻射強(qiáng)度減少（1）按消毒系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式分：明渠型：溝槽中放置由石英管罩住，加以保護(hù)的紫外燈而使污水從中流過(guò)封閉型:將石英管罩住，加以保護(hù)的紫外燈裝入圓筒形密封的反應(yīng)器中，再與污水管連接

明渠型容易監(jiān)測(cè)和維護(hù)，對(duì)水流阻力小3、紫外消毒裝置水下照射式：將由石英管罩住，加以保護(hù)的紫外燈，多層，多段組合，保證紫外線(xiàn)向四周充分輻射

處理水量大，清洗和維修不變水面照射:紫外燈懸掛于水面

便于維修，但是受水層厚度影響大，處理水量小，紫外線(xiàn)利用率低，易對(duì)人造成傷害（2）按紫外燈照射方式分：1、超聲波：頻率在20000Hz以上的人耳聽(tīng)不到的聲波2、特點(diǎn)對(duì)于微生物具有破壞能力，超聲波頻率越高，殺菌效果越好桿菌比球菌易被殺死，大的細(xì)菌比小的細(xì)菌易被殺死3、作用機(jī)理－空化效應(yīng)超聲波在液體中傳播時(shí)，形成許多微小氣泡（或空穴）在聲場(chǎng)的作用下空穴被激活，表現(xiàn)為這些氣泡的振蕩、生長(zhǎng)、收縮及崩潰等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程。空穴收縮及崩潰瞬間，泡內(nèi)可呈現(xiàn)5000℃以上的高溫（熱效應(yīng)：超聲振動(dòng)能量被介質(zhì)吸收，部分轉(zhuǎn)化為熱能；介質(zhì)高頻震蕩摩擦生熱

）和幾百到上千個(gè)大氣壓的高壓，溫度變化率高到109K/s，逐漸產(chǎn)生自由基、噪聲等現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)或生物效應(yīng)。

四、超聲波消毒一、微生物固定化技術(shù)概述1、概念固定化技術(shù)：采用化學(xué)或物理的手段將游離細(xì)胞或酶定位于限定的空間區(qū)域內(nèi)，使其保持活性并可反復(fù)利用的一種技術(shù)固定化微生物：將微生物細(xì)胞用一定的方法進(jìn)行固定，作為固體催化劑利用第三節(jié)微生物固定化技術(shù)在飲用水深度處理中的應(yīng)用（1）大幅度提高微生物濃度（2）酶的數(shù)量和活性損失較小（省掉提取工藝）（3）固液分離迅速（固定化顆粒比重大）（4）耐環(huán)境沖擊（被高分子材料包埋）（5）對(duì)有毒物質(zhì)的承受能力和降解能力增強(qiáng)（6）可根據(jù)需要選擇有效微生物（7）降低二次污染（8）有利于提高生物反應(yīng)器內(nèi)微生物的純度，并保持高效菌種2、微生物固定化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)任何一種限制細(xì)胞自由流動(dòng)的技術(shù)都可用于制備固定化細(xì)胞

（1）吸附法

（2）共價(jià)結(jié)合法

（3）交聯(lián)法

（4）包埋法3、固定化細(xì)胞的制備方式（1）吸附法物理吸附：使用具有高度吸附能力的硅膠，活性炭，多孔玻璃，石英砂等吸附劑吸附細(xì)胞到表面使之固定化離子吸附法：細(xì)胞在解離狀態(tài)下可因靜電引力（離子鍵結(jié)合）而固著于帶有相異電荷的離子交換劑上，如DEAE－纖維素，CM－纖維素等

特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，可以反復(fù)利用，但結(jié)合不牢固，細(xì)胞易脫落（2）共價(jià)結(jié)合法細(xì)胞表面上功能基團(tuán)（如α－氨基，α－羧基，羥基等）和固相支持物表面的反應(yīng)基團(tuán)之間形成化學(xué)共價(jià)鍵連接，從而成為固定化細(xì)胞。特點(diǎn)：結(jié)合牢固，使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生脫落，穩(wěn)定性好，但反應(yīng)條件激烈，操作復(fù)雜，控制條件苛刻（3）交聯(lián)法與共價(jià)結(jié)合法一樣，靠化學(xué)結(jié)合的方法式細(xì)胞固定，載體是非溶性的，如采用戊二醛或雙偶聯(lián)苯胺等帶有兩個(gè)以上的多官能團(tuán)交聯(lián)劑與細(xì)胞進(jìn)行交聯(lián)，可形成固定化細(xì)胞特點(diǎn)：反應(yīng)條件激烈，對(duì)細(xì)胞活性影響較大（4）包埋法固定化技術(shù)最常用的方法按照包埋劑的結(jié)構(gòu)：凝膠包埋法和微膠囊法將細(xì)胞包埋于凝膠的微小格子內(nèi)或半透膜聚合物的超濾膜內(nèi)。特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，對(duì)細(xì)胞活性影響較小，固定化細(xì)胞球強(qiáng)度較高4、固定化的載體（1）選擇原則：對(duì)細(xì)胞無(wú)毒性性質(zhì)穩(wěn)定不易被微生物分解強(qiáng)度高壽命長(zhǎng)價(jià)格低廉（2）常用的載體按所用物質(zhì)分：無(wú)機(jī)載體:多孔玻璃，多孔陶瓷等多糖類(lèi)載體：纖維素，交聯(lián)葡萄糖，瓊脂等蛋白質(zhì)類(lèi)載體：膠原－纖維蛋白，角蛋白，明膠等水凝膠載體：聚丙烯酰胺空心纖維載體：聚氯乙烯等包埋法常用的載體：

凝膠包埋法選用聚丙烯酰胺凝膠，瓊脂糖凝膠，聚乙烯醇等

微膠囊包埋法選用乙基纖維素和硝酸纖維素等1、在有機(jī)污染物治理中的應(yīng)用（1）農(nóng)藥殺蟲(chóng)劑廢水以甲胺磷為例

菌種：假單胞菌B82，高效降解甲胺磷為對(duì)人和動(dòng)物無(wú)毒的無(wú)機(jī)磷

固定化：用聚乙烯醇對(duì)菌株進(jìn)行包埋，同時(shí)添加少量海藻酸鈉和活性炭，達(dá)到吸附和包埋的雙重效果

效率：固定化的B82凝膠小球在pH6-11范圍內(nèi)快速降解甲胺磷，去除率可達(dá)到95％以上二、微生物固定化技術(shù)在飲用水深度處理中的應(yīng)用（2）含酚廢水菌種：從活性污泥中分離得到降解酚的熱帶假絲酵母固定化：用海藻酸鈣凝膠包埋固定后處理含酚廢水

效率：進(jìn)水酚濃度為300mg/L時(shí)，出水酚濃度小于0.5mg/L，去除率99.8以上（3）印染廢水－脫色菌種：蠟狀芽孢桿菌

固定化：用多孔硅酸鹽材料吸附固定或聚乙烯醇包埋，形成固定化細(xì)胞

效率：對(duì)混合染料濃度為60mg/L