废水生物处理

1、第四讲 废水生物处理工程 一 废水处理中的几个概念 二 废水的好氧生物处理 三 废水的厌氧生物处理 微生物的脱氮除磷 4用生物法处理废水对水质的要求 主要内容 v废水生物处理法：利用微生物处理废水的方法。 根据对氧气的要求 好氧生物处理 厌氧生物处理 v生物处理单元： 处理废水的微生物 处理构筑物 处理系统 v 生态系统：生物与生物、生物与非生物（环境）之间的相 互关系。 各类处理系统中的微生物都为混合培养的微生物系统， 一 废水生物处理中的一些概念 二 废水的好氧生物处理 1 概念： 在有氧的条件下借好氧微生物的作用处理废水。 又叫废水生物处理。 废水中 有机物好氧 微生物 无机物，随水排出

2、 微生物 细胞物质 有机物充足 微生物增多 有机物少 菌体死亡 与废水 分离 O2 通过物理凝聚作用在沉淀池中沉淀下来。 （一）废水的好氧生物处理概述 2 废水好氧生物处理作用对象 溶解的有机物直接渗入细胞内被吸收 固体的、胶体的有机物间接吸收 附在菌体外，由细菌所分泌的胞外酶分解为溶解 性物质，渗入细胞。 3 废水好氧生物处理的优缺点 优点：无臭气、时间短。条件适宜可除去BOD5 8090 缺点：设备复杂 4 废水好氧生物处理的方法 活性污泥法、生物膜法（生物滤池法、生物转盘法） 氧化塘（生物塘）法、污水灌溉。 什么是活性污泥？ 活性污泥中起主要作 用的是什么物质？ ？ 曝气池中形成的污泥（

3、土壤微生物群）！ 菌胶团！ 活性污泥法是一种应用最广的废水好氧生物处理技术 （二） 好氧活性污泥法中的微生物 n好氧活性污泥是在曝气状态下由多种多样的好氧微生 物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)与污 (废)水中有机的和无机固体物混凝交织在一起，形成 的絮状体或称绒粒。 n活性污泥的形成是一种自然现象。 n例如，如果向一桶含粪便污水中不断地加入空气，并 持续维持水中的溶解氧，那么经过一段时间后，就会 产生褐色絮花状的泥粒，在显微镜下会看到，污泥里 充满了各种各样的微生物，这就是典型的好氧活性污 泥。 n微生物在设备中呈悬浮状态 （1）组成 n好氧微生物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生

4、物) 与其上吸附的有机的和无机的固体杂质组成。 （2）好氧活性污泥的性质 n颜色以为佳 黑色说明厌氧、白色说明无机物过多 n含水率在99左右 密度为10021006 n大小为00202mm 比表面积为20100cm2ml之间 n弱酸性(pH约为67) 当进水改变时，对进水pH的变化有一定的 承受能力。 是能起絮凝作用的细菌形成的，在其 上生长着其他微生物。如酵母菌、霉菌、放线菌、藻类、原生 动物和某些微型后生动物(轮虫及线虫等)。 A菌胶团 n在微生物学领域里，将动胶菌属形成的细菌团块称为 菌胶团。 n在水处理工程领域内，则将所有具有荚膜或粘液的絮 凝性细菌互相絮凝聚集成的菌胶团块都称为菌胶团

5、。 提问：菌胶团有哪些功能？ 吸附和氧化分解有机物； 菌胶团是细菌的存在形式，细菌占到活性污泥中微生物总量 的99%, 有107108个/ml ，他们是生物处理的主力军，一旦菌 胶团受到各种因素的影响和破坏，则活性污泥法对有机物去除率 明显下降，甚至无去除能力。 菌胶团对有机物的吸附和分解，为原生动物和微型后 生动物提供了良好的生存环境； 例如菌胶团本身为原生动物、微型后生动物提供附着场所； 菌胶团中的细菌可以去除毒物、自身作为动物食料。 为什么细菌会形成菌胶团？ ？ 粘性多糖的粘着作用 很多细菌荚膜相互间粘着时就会形成一个由许多细菌共有的大荚 膜，当细菌进入壮年后，细菌分泌的的粘稠多糖聚合物

6、增多，更 加速了细菌大荚膜的增大，这样就形成了菌胶团的雏形。 b. 菌胶团的形成机理 纤维素性质多糖的勾连作用 n将菌胶团置于电子显微镜下观察时发现，在大荚膜增大的同时，在 其外侧出现了许多类似于纤维素网状的物质，据分析这些物质的成 分也是多糖，如图所示 活性污泥菌胶团外的纤维丝电镜照片 提问：这些纤维素从何而来？ 细菌的胞外分泌物 原生动物分泌的胞外粘液的粘着作用； 实验证明小口钟虫、累枝虫和尾草履虫等纤毛虫能 分泌一些促进凝聚的糖类，在促进自身粘附在活性污 泥上的同时，加速菌胶团的进一步增大； 小口钟虫 菌胶团中的细菌来源于土壤、水。它们多数是革 兰氏阴性菌，如动胶菌属和丛毛单胞菌属，它们

7、 可占70，生活污水好氧处理时菌胶团中的主要细 菌见下表 细细菌菌名名称称细细菌菌名名称称细细菌菌名名称称 动动胶胶团团属属 (优优势势菌菌)短短杆杆菌菌属属微微球球菌菌属属 丛丛毛毛单单胞胞菌菌属属 (优优势势菌菌)固固氮氮菌菌属属黄黄杆杆菌菌属属 产产碱碱杆杆菌菌属属 (较较多多)亚亚硝硝化化单单胞胞菌菌属属无无色色杆杆菌菌属属 棒棒状状杆杆菌菌属属 (较较多多)假假单单胞胞菌菌属属节节杆杆菌菌属属 芽芽孢孢杆杆菌菌属属病病原原细细菌菌 （偶偶尔尔） 大大肠肠埃埃希希氏氏菌菌 产产气气杆杆菌菌属属 工业废水处理中的菌胶团细菌组成与之类似，但优势菌主要 是对特定工业废物起主要降解作用的细菌

8、在菌胶团上层居住的是放线菌、真菌及原生动物、 后生动物。它们的数量相比较细菌而言要少得多， 通常包括少量的球衣菌、诺卡氏菌、发硫菌、头孢 霉、地霉菌、酵母菌等，以及原生动物中的钟虫、 盖纤虫、等枝虫、草履虫和原生动物中的轮虫。这 些微生物与菌胶团细菌构成了稳定的生态体系，它 们之间存在着复杂的相互关系，它们的种类、数量 随营养条件(废水种类、化学组成、浓度)、温度、供 氧、pH等环境条件改变也在不停的发生着变化。 好氧活性污泥的净化作用机理见下图好氧活 性污泥吸附和降解 n用框图表示见下图 后处理 生物处理 （二级处理） 化学营养物 曝气池 沉淀池 污泥回流 净水外排 预处理 （一级处理） 污

9、泥及余渣消化罐 n活性污泥的优势： n（1）可以连续反复使用 n好氧活性污泥由于是由有生命的微生物组成，能自 我繁殖，且易于分离，而化学药剂只能一次使用， 故活性污泥比化学混凝剂优越。 n（2）可以降解水中的溶解性有机物， 这也是物理化学方法难以做到的。 泥水分 离良好 ，出水 清澈 常见故障：二次沉淀池中固液分离（泥水分离）出现问题。 起因：污泥絮状体的结构不正常。 正常的絮状体的结构有两类： 微结构：直径18，长泥龄（9天）利于该菌生长。 微结构絮体造成 A A 不凝聚 B 起泡沫（厚、棕色泡沫） 在过度曝气时，紊流剪切絮块成碎块。 概念：活性污泥的性能发生变化，絮块漂浮水面， 比重减轻，

10、随着水流而排出。该异常现象称之。 由丝状细菌和其它丝状微生物大量增殖引起。 造成的结果：稀薄污泥回流至曝气池。 出水BOD5升高。 C C 污泥膨胀 BOD;N及BOD:P很高， 特别N不足 （BOD:N:P=100:5:1) 进水中低分子碳水化合 物过多 水温低 溶氧低 低pH 重金属等有毒物流入多。 调节水的酸碱度 将沉淀污泥和消化污泥搅拌混合 添加铁盐（FeCl2550mg/L)、 铝盐(10100mg/L)、 氯(1020mg/L、 H2O2)(40200mg/L）， 前两者连续添加，后两者间歇 添加。 对回流污泥在曝气。 产生原因： 防止措施： （五） 生物滤池中的微生物（生物膜法）

11、 包括： 生物滤池（以此为例） 生物转盘 生物接触氧化法 生物流化床 生物膜法又称固定膜法。主要去除废水 中溶解的和胶体的有机污染物。 微生物为附着型 1 生物滤池的结构 三个主要部分 滤床 布水系统 排水系统 池体 滤料 生物滤池的结构图 1 旋转布水器 2 滤料 3 集水沟 4 总排水沟 5 渗水装置 v 滤料 滤料是生物膜赖以生存的载体。 滤料应具备以下特性： （1）能为微生物的栖息提供大量的表面积。 （2）能使废水以液膜状均匀分布在其表面。 （3）有足够大的孔隙率，使生物膜能随水通过孔 隙流到池底。保证有良好的通风。 （4）适合于生物膜的形成与黏附 （5）有较好的机械强度，不易变形与破

12、碎。 滤料的材料：碎石、卵石、炉渣。 近年使用塑料滤料（聚氯乙稀、聚苯乙烯） 1 生物滤池的结构 v 布水系统 作用 是将废水均匀地喷洒在滤料上。 v 排水系统 滤床底部，作用是收集。排出处理后的废水 保证滤池通风。 旋转布水器示意图 1 生物滤池的结构 2 生物滤池工作的基本原理 在滤池内设置固定的滤料， 当废水自上而下滤过时，由于废水 不断与滤料接触，微生物在滤料表 面繁殖，逐渐形成生物膜。生物膜 是由多种微生物组成的一个生态系 统。 当生物膜形成并达到一定厚 度时，氧就无法透入生物膜内层， 造成内层的厌氧状态，使生物膜的 附着力减弱。此时，在水流的冲刷 下，生物膜开始脱落。随后在滤料 上

13、又会生长新的生物膜。如此循环 往复，废水流经生物膜后得以净化。 生物滤池的结构图 3 什么是生物膜？ 微生物在滤料表面繁殖形成的膜状结构。是一个生态 系统。 结构由两部分组成 附着生物体 液膜 好氧微生物（膜外层） 厌氧微生物（接触滤料） 附着水层 流动水层 膜内生物不停挖洞，膜多孔。 大量有机物在好氧区被分解。 厌氧区增厚使膜脱落，新膜形成 滤料 4 生物滤池中的微生物 污水中含有生物膜所需的各种微生物。夏季 24周形成生物膜。冬季需2个月。 细菌：多数为G-，能形成菌胶团。无色杆菌、黄 杆菌、极毛杆菌、球衣细菌、贝氏硫杆菌 真菌：镰刀菌、青霉、毛霉、地霉、多种酵母菌 藻类：小球藻、蓝藻、绿

14、藻（仅在滤池表面） 原生动物：钟虫、盖纤虫、等枝虫、草履虫 后生动物：轮虫、线虫。 （六） 好氧生物处理技术进展 1 活性污泥系统的进展 （1）氧化沟 又称循环曝气池，是活性污泥法的一种变形。 荷兰卫生工程研究所于20世纪50年代研制开发的。 第一座氧化沟是1954年由巴斯维尔（Pasveer）设 计并投入运行。一般主要用于日处理水量在5000m3 以下的城市废水和有机废水。 优点： 对水温、水质、水量的变动有较强适应性。 产泥量低，排泥量少。 充分曝气处理，水质良好。 原废水 格栅 沉砂池 氧化沟 回流污泥 处理水 二次 沉淀池 以氧化沟为单元的废水处理流程 氧化沟的平面图 1 活性污泥系统

15、的进展 （2）AB法废水处理工艺 又叫吸附生物降解（Adsorption Biodegradation）工 艺的简称。德国20世纪70年代中期开创的。 格栅 沉砂池 中间沉淀池 吸附池 曝气池 二次沉淀池 预处理段 A段 B段 回流污泥回流污泥 AB法废水处理工艺流程 原废水处理水 2 生物膜法的进展 生物流化床 20世纪70年代开发出的一种新型生物膜法废水处理构筑物。 采用相对密度1的细小惰性颗 粒（砂、焦炭、陶粒、活性 炭等）为载体，微生物生长 于载体表面形成生物膜，废 水（先经充氧或在床内充氧）自 下向上流动，使载体处于流化状 态，其上附着的生物膜可与载体、 废水充分接触。流化床内生物固

16、 体浓度很高，氧和有机物的传递 效率也高。高效。 生物流化床示意图 载体 （六） 好氧生物处理技术进展 两项生物流化床工艺 载体 三 废水的厌氧生物处理 （一） 厌氧生物处理的基本原理及参加的微生物 （二） 厌氧微生物群体间的关系 （三） 厌氧生物处理的影响因素 （四） 厌氧法处理废水的特征 （五） 厌氧法处理废水的应用 （一） 厌氧生物处理的基本原理及参加的微生物 废水的厌氧生物处理： 在无氧的条件下，借多种厌氧微生 物的作用处理废水。又叫厌氧消化。 1881年法国报道了罗伊斯.莫拉斯（Louis Mouras）发明的“自动净化器”。开始了利用 厌氧消化处理废水的历史。至今已100多年。 1

17、979年布利安特（Bryant）等人提出厌氧消化的 三阶段4 类群理论。 发酵细菌作用阶段（水解发酵阶段） 产醋酸细菌作用阶段（产氢、产乙酸阶段） 产甲烷阶段 三阶段4类群理论 1 发酵细菌作用阶段 碳水化合物 蛋白质 类脂 （1）原理： 胞外酶 单糖 氨基酸 脂肪酸 发酵 醇 低级脂肪酸 （2）参加的微生物： 发酵细菌群 梭菌属（Clostridium) 丁酸弧菌属（Butyrivibrio） 拟杆菌属（Bacteroides) 大多专性厌氧；适宜pH4.58 （3）特性 2 产醋酸细菌作用阶段 上阶段产物 （丙酸、丁酸、醇等） 醋酸、甲胺 CO2、H2 （1）原理 （2）参加的微生物 产氢

18、产乙酸细菌群 同型产乙酸细菌群 互营单胞菌属 互营杆菌属 梭菌属 暗杆菌属 绝对厌氧菌获兼性厌氧菌； 适宜pH 4.58 三阶段4类群理论 （3）特性： 3 产甲烷细菌作用阶段 （厌氧消化的控制阶段） （1）原理 H2、CO2、CH3COOH CH3NH2、CH3OH CH4 （2）参加的微生物 产甲烷细菌群 产甲烷杆菌属 产甲烷短杆菌属 产甲烷球菌属 严格厌氧菌 中温菌对温度敏感 pH 适宜6.87.2 增殖速率慢 三阶段4类群理论 （3）特性： 厌氧消化三阶段四类群 废水中有机物 脂肪酸（丙酸、丁酸）、醇类 乙酸H2 + CO2 发酵性细菌 产氢产乙酸细菌 同型产乙酸细菌 产甲烷细菌 CH

19、4 不产甲烷细菌和产甲烷细菌相互依赖、相互制约。 表现在： 1 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需的的 基质。 不产甲烷细菌的产物氢、二氧化碳、乙酸提供给产 甲烷细菌。产甲烷细菌为厌氧环境有机物分解食物链最 后环节。 2 不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件。 厌氧发酵初期的加料等带入的空气中的氧被不产甲烷 细菌的代谢所利用，使发酵液的氧化还原电位不断下降 （氧减少），为产甲烷细菌提供生长条件。 （二） 厌氧微生物群体间的关系 3 不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质 苯环、氰化物可被不产甲烷细菌降解。 4 产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制。 不产甲烷细菌的发

20、酵产物可以抑制其本身的不断形成。 如氢的积累抑制产氢细菌的产氢，酸的积累抑制产酸细 菌的产酸。而产甲烷细菌可以利用氢、乙酸、二氧化碳 等，解除反馈。 5 不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值。 不产甲烷菌分解糖等产生酸，降低pH 产甲烷菌分解酸产生甲烷，pH 上升 （二） 厌氧微生物群体间的关系 对厌氧生物及厌氧消化的影响尤为显著。 厌氧消化 最佳温度 55左右嗜热菌（高温消化） 35左右嗜温菌（中温消化） 取舍： 高温消化的反应速率为中温消化 的1.51.9倍，但甲烷在气体中占 比例低。消化不彻底。 高温消化需较多的能量，不经济。 一般选择中温35 消化。 1 温度 温度对厌氧

21、消化的影响 （三） 厌氧生物处理的影响因素 不产甲烷细菌适宜pH 4.58 产甲烷细菌适宜pH 6.87.2 在pH8.2的环境 中，厌氧消化会受到严重 抑制。主要对甲烷细菌的 抑制。 厌氧消化的最佳pH 值为6.87.2. 2 pH 值 （三） 厌氧生物处理的影响因素 有机污泥不溶性有机质、纤维素含量高的污水。 高浓度有机废水一般先厌氧处理去污物，后好氧处理。 大量稀释或降低好氧处理进水量，则处理费用较昂贵。 1 处理对象：有机污泥和高浓度的有机废水 2 时间长：3035 ，需15天。 生化需氧量去除率5090 与好氧处理法比较 （四） 厌氧法处理废水的特征 4 污泥产量极低 厌氧微生物的增

22、殖速率比好氧微生物低得多。 5 处理后有机物浓度高于好氧处理 6 有臭气产生 S 、SO42- O2 还原 H2S 7 设备较简单 3 能量需求大大降低 不需供给氧气，同时还可产生甲烷 每去除1kg COD好氧生物处理一般需消耗0.51.0 kW.h电能。 每去除1kg COD 厌氧生物处理约产生3.5 kW.h电能。 厌氧消化池 主要用于处理城市废水厂的污泥和固体含量很高的废水。 沼气 稳定性好的腐殖质。 污泥体积减少1/2以上。 我国常用的为圆柱形。钢筋混凝土 浮盖式消化池 （五） 厌氧法处理废水的应用 四 废水的生物脱氮除磷技术 （一） 水体的富营养化 （二） 废水的生物脱氮 （三） 废

23、水的生物除磷 （四） 生物脱氮和除磷的影响因素 （一） 水体的富营养化 水体富营养化（eutrophication） 由于N 、P在水体中含量过高，而引起藻类、 某些细菌大量繁殖，其它生物种类减少，以至水质 恶化。 是近30年在废水处理中才出现的一个术语。 开始富营养化的条件 水体中可溶性磷 0.01mg/L N :P5:1 N ：是富营养化的主要因素（NH4+、 NO3-、 NO2-、 有机N） P: 可溶性磷酸盐 与不溶性磷酸盐相互转化。 N:P比例取决于 （1）生物转化（有机N和无机N间转化） （2）流入水体的水（出水的N、P超标） （二） 废水的生物脱氮 1 生物脱氮的基本原理 生物脱

24、氮是污水中的含氮有机物，在生物处理 过程中被异养型微生物氧化分解，转化为氨氮，然 后由自养型硝化细菌将其转化为NO3-，最后再由反 硝化细菌将NO3-还原为N2，从而达到脱氮的目的。 含氮有机物 异养型 微生物 NH4+-N 氨化 作用 亚硝酸 细菌 NO2-N 硝酸 细菌 NO3-N 硝化作用有O2 反硝化 细菌 反硝化 作用无O2 N2、NO2 最终完成生物脱氮 （二） 废水的生物脱氮 2 参与生物脱氮的微生物 氨化细菌 硝化细菌 亚硝酸细菌 硝酸细菌 反硝化细菌 3 生物脱氮工艺 活性污泥法脱氮传统工艺 缺氧好氧活性污泥法脱氮系统 氧化沟硝化脱氮工艺 生物转盘硝化脱氮工艺 （二） 废水的

25、生物脱氮 活性污泥法脱氮传统工艺分单级、2级、3级流程 是由巴茨（Barth）开创的活性污泥法脱氮流程。它是以 氨化、硝化、反硝化 3 相反应过程为基础建立的。 （1）活性污泥法脱氮传统工艺 活性污泥法传统脱氮工艺（3级）流程示意图 曝气池 去除BOD 第二级硝 化曝气池 反硝 化 反应器 原 废 水 污泥回流 剩余污泥 碱 污泥回流 剩余污泥 CH3OHN2 处 理 水 污泥回流 剩余污泥 有机污水进入系统后，首先在第一级曝气池中进行好氧分 解，主要功能是氨化（使有机氮转化为NH3、NH4+），去 除BOD、COD的值可降至1520 mg/L。经过沉淀后，进 入第二级硝化曝气池，使NH4+-

26、N氧化为NO3N（硝化）， 此级的硝化过程要消耗碱度，会使pH值下降，影响硝化反 应速度，因此要投加碱以防pH值下降。第三级为反硝化反 应器，采取厌氧好氧交替运行方式。由于第三级中的反 硝化细菌是异养型兼性菌，需有机物作为碳源，而经过第 一、第二级处理后，污水中有机物已经很少，故在此要投 加有机物，可投加CH3OH（甲醇），也可以引入原废水。 为了去除由于投加甲醇而带来的BOD值，故在系统后设曝 气池和沉淀池。 活性污泥法传统脱氮工艺（3级）流程原理 优点：A 氨化、硝化、反硝化反应分别在各自的反应器 内进行，反应进行速度快且彻底； B 不同性质的污泥分别在不同的沉淀池分离和回流， 运行管理方

27、便，易于掌握，灵活性大，效果好。 缺点：处理设备多，造价高，管理工作量较大。 2级生物脱氮系统是在第一级中，同时完成去除BOD、 氨化和硝化等过程。沉淀后在第二级中进行反硝化脱氮。 减少了一个曝气池和一个沉淀池。 2级活性污泥脱氮系统 1级活性污泥脱氮系统 无中间沉淀池，只有一个终沉淀池。在运行稳定性和 效果上不如多级系统，但较经济实用，管理运行方便， 在实际工程应用中采用较多。 20世纪80年代初期开创。 主要特点：反硝化反应器放在系统之首。又称 “前置式反硝化生物脱氮系统” 目前采用较为广泛。 （2）缺氧好氧活性污泥法脱氮系统 反硝化 反应器 （缺氧） 硝化反应器 BOD5去除， （好氧） 缺氧好氧活性污泥法脱氮系统 原废水 N2 碱 内循环 （硝化液回流） 回流污泥 剩余污泥 处理水 本系统的特征： 反硝化反应器在前，BOD去除、硝化两项反应 的综合反应