水污染控制工程XXXX湖南科技大学(三)

1、幻灯片1第十五章 污水的好氧生物处理生物膜法幻灯片2生物膜法框架内容15.1 基本原理 15.2 生物滤池 15.3 生物转盘 15.4 生物接触氧化 15.5 生物流化床幻灯片315.1 基本原理概念: 生物膜法是指利用附着在滤料或某种载体表面上,以膜的形态存在的生物污泥(即生物膜)对废水中有机污染物进行生化降解的处理方法.主要设施: 生物滤池; 生物转盘; 生物接触氧化法; 生物流化床生物膜法特点： 固着于固体表面上的微生物群落范围广，故对废水水质、水量的变化有较强的适应性；所需氧气可以直接来自大气；由于微生物固着于固体表面，即使增殖速度较慢的微生物也能生息，故管理较方便；不需要污泥回流。

2、幻灯片4生物膜净化废水的原理 生物膜微生物以吸附和沉积于膜上的有机物为营养料, 增殖的生物膜脱落后进入废水，在二次沉淀池中被截留下来，成为污泥。 生物膜呈蓬松的絮状结构，微孔多且表面积大，具有很强的吸附能力。其结构及净化机理如下图所示.幻灯片5幻灯片6生物膜净化污水示意图生物膜的生物组成：细菌(好氧/厌氧/兼性)、真菌、藻类、原生动物、后生动物以及一些肉眼可见的蠕虫、昆虫的幼虫组成。幻灯片7净化机理净化过程是复杂的,包括废水中各种传质过程氧的扩散和吸收有机物的分解和微生物的新陈代谢, 污水中的有机污染物被生物膜中的微生物吸附降解, 水得到净化.生物膜表层生长的微生物包括好氧兼性, 厚度约2mm

3、,而其内层微生物处于厌氧状态,前者有机物降解后产物为CO2 /H2O / NH3等,而后者有机物降解终点产物为有机酸/乙醇/醛/H2S等.生物膜增厚到一定程度时,内层微生物因得不到充分的营养而进入内源代谢,失去其在滤料上的粘附性能而脱落,滤料表面再长新膜.膜的脱落与生长呈现动态平衡.幻灯片815.2 生物滤池15.3.1 生物滤池构造15.3.2 生物滤池工艺类型15.3.3 生物滤池设计15.3.4 生物滤池运行幻灯片915.2 生物滤池15.2.1生物滤池构造 生物滤池于1889年在劳伦斯实验厂首先开始研究，1910年后期在美国开始了大规模的应用，20世纪70年代逐步被好氧法代替，随着新型

4、滤料的不断诞生，生物滤池有再度复活的趋势. 普通生物滤池构造如下图,包括:池壁滤料布水设备及排水系统.幻灯片10幻灯片11幻灯片12旋转式布水器幻灯片13幻灯片14排水系统 排水系统的作用： 收集滤床流出的污水与生物膜；保证通风；支撑滤料 .排水系统组成： 池子底面及开设于其上的沟渠。 重要提示： 要保证不积淤流速(通常采用0.6ms)， 排水渠穿过池壁的地方，应设排水和通风孔洞，通风面积应不小于过水断面。通风口必须均匀分布于池壁的两对边或四周。 另外,排水系统结构上类似雨水篦(bi)子.幻灯片1515.2.2 生物滤池工艺类型生物滤池分为普通生物滤池（低负荷）、回流式生物滤池和塔式生物滤池(

5、另见下页图). (1) 特点 1)BOD负荷高的滤池，生物膜增长快，对水力冲刷的要求也就迫切。增大水力冲刷的主要途径是加大表面负荷，其办法有二：一是增加滤料层高度，二是将处理后的废水回流到生物滤池的进水中去。所以，低负荷生物滤池的滤料层高度通常只有23m左右，而且多不采用回流措施；塔式滤池的高度达20m之多，而且常采用回流措施。幻灯片16幻灯片172)BOD负荷高的滤池，要求通风条件好，在采用自然通风的条件下，就要求滤料的孔隙率大和阻力小。所以，低负荷滤池的滤料粒径较小(2570mm)，高负荷滤池的滤料粒径较大(40100mm)，对于塔式生物滤池，最好采用塑料滤料。 3)BOD负荷低的生物滤池

6、，其氧化分解程度就高，污泥量少而稳定，出水中有较高的溶解氧，有硝酸盐，BOD5浓度可低于20mg/L；高负荷生物滤池的氧化分解程度低，污泥量多而不稳定，出水中溶解氧低，没有或很少有硝酸盐，BOD5浓度高于30mgL，塔式生物滤池的情况可能更差些。 (2) 组成系统 初沉池、生物滤池、二次沉淀池组合而成，其组合型式有单级运行系统、多级运行系统和交替运行系统。幻灯片18回流对生物滤池的影响分析（教材P210）：出水回流对生物滤池的有利影响：1)增大水力负荷、促进生物膜的脱落、防止堵塞；2) 改善废水的进水状况降低（水量、水质）和降低毒物浓度；3)可向生物滤池连续接种，促进生物膜的生长；4)提高进水

7、的溶解氧；5)防止滤池滋生蚊蝇和减少恶臭。 不利影响：缩短废水在滤池中的停留时间；降低生物膜吸附有机物的速度；回流水中难降解的物质会产生积累，冬天滤池中水温降低等。幻灯片19思考题：如何选择生物滤池运行流程？流程选择： 确定流程时，应该决定是否用初次沉淀池，采用几级过滤，采用回流与否、选择回流方式及回流比选择问题。是否用初次沉淀池、视水质而定，悬浮物较多的废水，一级都使用初沉池；入流有机物浓度高、水力负荷很小和污水中某污染物质在高浓度时可能抑制微生物的生长应采用二沉或回流。幻灯片2015.2.3 生物滤池设计 生物滤池设计包括：设计模型的确定，滤池类型和流程选择；滤池几何尺寸的确定；二沉池形式

8、及工艺尺寸确定；布水设备计算。 其中，布水器设计计算内容包括：确定工作水头、横管管径、喷水孔的大小和个数及开孔位置。幻灯片21生物滤池重要参数比较幻灯片2215.2.4 生物滤池运行（1）挂膜 培养出适合待处理废水的活性污泥；将活性污泥置于滤床中，将池底部的活性污泥抽入上方的布水器淋下，使污泥在滤池内反复循环，当已有少量微生物黏附在填料上时开始进水，水量由小到大（设计水量2080），当已达到运行所需的生物量时，系统可以进入正常运行。幻灯片23（2）运行管理1）生物滤池主要构筑物的管理 2）运转方式管理 回流 二级生物滤池 滤池蝇 气味 滤料表面冻结 滤池泥穴及蜗牛幻灯片24思考题1 生物膜法

9、(如生物滤池)处理中是否需要污泥回流?为什么?2 生物滤池内生物膜中微生物是否全为好氧微生物?膜的脱落与更新可能主要依靠哪类微生物?3生物膜法有哪几种实施形式?幻灯片2515.3 生物转盘15.3.1 生物转盘构造及其原理15.3.2 生物转盘工艺流程15.3.3 生物转盘设计计算15.3.4 生物转盘工艺技术进展幻灯片2615.3.1 生物转盘构造及其原理主要构造部分 :系列平行的圆盘片/转轴/驱动装置 /氧化槽重要特征参数: 浸没率： 40%-45 转轴高于水面: 10-25cm生物膜厚度: 0.5-2.0mm 降解机理: 废水缓慢流动,圆盘片缓慢转动,每转动一圈,即进行一次吸附吸氧氧化分

10、解过程,具体机理与生物滤池的类似。幻灯片27生物转盘运行示意图幻灯片2815.3.2 生物转盘工艺流程幻灯片29幻灯片3015.3.3 生物转盘设计计算生物转盘的设计和计算包括：所需转盘总面积；接触氧化槽总体积、转轴长度以及污水在接触反应槽内的停留时间。 水力负荷： 单位接触氧化槽每天处理水量 m3水/m3槽*d 单位面积转盘每天处理水量 m3水/m2盘片*d 有机负荷： 单位接触氧化槽每天处理的BOD5 kgBOD5/m3槽*d 单位面积转盘每天处理的的BOD5 kgBOD5/m2盘片*d幻灯片3115.3.4生物转盘工艺技术进展 幻灯片32幻灯片3315.4 生物接触氧化15.4.1 生物

11、接触氧化法及其原理15.4.2 生物接触氧化池的构造15.4.3 设计参数及计算幻灯片3415.4.1 生物接触氧化法及其原理定义：生物接触氧化法又称淹没式生物滤池.亦是在生物膜的作用下，废水得到净化。不过, (1)与生物滤池相比,虽反应器内均设置填料，但滤池内的填料仅让废水流过,而接触氧化的填料则是淹没在废水中,经过充氧的废水与长满生物膜的填料进行了充分的接触;(2)与活性污泥法相比,则是在生化池内增设了填料.幻灯片35工作原理及特点工作原理:废水与填料上的生物膜接触,水中有机物被微生物吸附氧化分解和转化为新的生物膜,脱落的生物膜流到二沉池去除,废水得到净化.其中,微生物所需氧气可通过鼓入空

12、气实现. 特点:(1)具有较高的容积负荷(因为废水与填料进行了 充分的接触),池容较小,占地少,基建投资低;(2)污泥浓度可高达1020g/L,F/M较低(微生物位于稳定期与衰老期之间),污泥产量少;(3)运行管理方便(不需污泥回流,不存在污泥膨胀问题).幻灯片3615.4.2 生物接触氧化池的构造1、主要组成：池体、填料、布气装置、进出水装置(其基本构造见下页图) 2、填料 国内常见填料：蜂窝填料、立体波纹填料、软性纤维状填料、半软性填料、不规则粒状填料 填料的安装：格栅支架、悬挂支架、框式支架3 、布气装置作用: 维持DO34mg/L;提高传质效率;防止填料堵塞.幻灯片37幻灯片38幻灯片

13、3915.4.3 设计参数及计算1有机负荷(kgBOD5/m3（填料）.d )计算氧化池有效容积（填料体积）2有效停留时间t出水浓度Ct的关系 有机物降解符合一级动力学方程,即Ct = Co exp-kt, 可由米门方程或劳麦方程演变而来(-dC/dt=kC, C 0t=-kt, Ct = Co exp-kt.其中, k 0.11d-1,由试验确定). 据此,在一定范围内,有效停留时间t越长,出水浓度Ct越低,从而处理效率越高. 3 气水比计算氧化池内所需空气量 对于城市污水,3 5:1,对于工业废水15 25:1,有时高达30 40:1。幻灯片4015.5 生物流化床 以砂、活性炭、焦炭等颗

14、粒微载体充填于生物反应器内，由于载体表面附着生长着生物膜而使质量变轻；当污水以一定流速从下向上流动时，载体便 处于流动状态。 载体颗粒小、表面积大，为微生物生长提供了充足的场所，极大地提高了反应器内的微生物量：10-14g/L ;颗粒处于流态化状态,极大地提高了有机污染物由污水向微生物细胞膜内的传质速度。注意:与塔式生物滤池相比,滤料呈膨胀流化状态.生物流化床类型:两相生物流化床/三相生物流化床 幻灯片41幻灯片42作业题某工业废水: Q=150 m3 /h, BOD5 =530mg/L, 经生物接触氧化处理后BOD5 30mg/L.已知容积负荷1.5kgBOD5/m3（填料）.d (按去除量

15、计),试计算该生化池内填料的有效容积V及有效停留时间t.幻灯片43第十六章 厌氧生物处理 概述16.1 厌氧法基本原理16.2 厌氧法影响因素16.3 厌氧处理方法幻灯片44 概述 厌氧生物处理法最早用于处理城市污水处理厂的沉淀污泥，后来用于处理高浓度有机废水。普通厌氧生物处理法的主要缺点是水力停留时间长，一般需要2030d。 常用的新型厌氧生物处理有厌氧接触法、厌氧生物滤池、升流式厌氧污泥床、厌氧膨胀床和厌氧流化床、厌氧生物转盘、厌氧挡板式反应器等。 工业废水厌氧生物处理后面常常要连接好氧生物处理。幻灯片4516.1 厌氧法基本原理 废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物(ana

16、erobic microbes)(包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbon dioxide)等物质的过程，也称为厌氧消化(anaerobic digestion) 。 与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢体。 厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌(fermentative bacteria)、产氢产乙酸细菌(acetogenic bacteria)和产甲烷细菌(methanogenic bacteria)的联合作用完成。幻灯片46 按Bryan

17、t提出的理论模式，厌氧消化过程划分为三个连续的阶段，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。 第一阶段为水解酸化阶段。复杂的大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。这个阶段主要产生较高级脂肪酸。 第二阶段为产氢产乙酸阶段。在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2，在降解有机酸时还形成CO2。 第三阶段为产甲烷阶段。产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷（教材P275图15-1）幻灯片47此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸

18、或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的l/3,后者约占2/3。 上述三个阶段的反应速度依废水性质而异，在含纤维素、半纤维素、果胶和脂类等污染物为主的废水中，水解可能成为速度限制步骤； 产甲烷细菌往往是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，产甲烷阶段常常是厌氧过程速率的限制步骤。幻灯片4816.2 厌氧法影响因素控制厌氧处理效率的基本因素有两类: 一类是基础因素，包括微生物及其量 (污泥浓度及性状)、营养比、混合接触状况（搅拌与混合）、有机负荷等； 另一类是环境因素，如温度、pH值、氧化还原电位、有毒物质等。 幻灯片4916.2.1 温度条件各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般认为，产甲烷菌的温度

19、范围为5-60。 在35和53上下可以分别获得较高的消化效率，温度为40-45时，厌氧消化效率较低。 据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧法可分为常温消化、中温消化和高温消化三种类型。幻灯片50温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。短时内温度升降5，沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至停止产气。 温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中甲烷的含量，尤其高温消化对温度变化更为敏感。 温度的暂时性突然降低不会使厌氧消化系统遭受根本性的破坏，温度一经恢复到原来水平时，处理效率和产气量也随之恢复。幻灯片5116.2.2 pH值每种微生物可在一定的pH值范围内活动，产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌

20、敏感，其适宜的pH值范围较广，在4.5-8.0之间。 产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近，最适宜pH值为7.0-7.2，pH6.6-7.4较为适宜。 在厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累，常保持反应器内的pH值在6.5-7.5(最好在6.8-7.2)的范围内.幻灯片52在厌氧消化过程中，pH值的升降变化除了外界因素的影响之外，还取决于有机物代谢过程中某些产物的增减。 产酸作用产物使有机酸的含量增加，会使pH值下降。含氮有机物分解产物氨的增加，会引起pH值升高。 在厌氧处理中，pH值除受进水的pH影响外，主要取决于代谢过程中自然建立

21、的缓冲平衡，取决于挥发酸、碱度、CO2、氨氮、氢之间的平衡。幻灯片5316.2.3 氧化还原电位无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之一。产甲烷菌对氧和氧化剂非常敏感，这是因为它不象好氧菌那样具有过氧化氢酶。 氧是影响厌氧反应器中氧化还原电位条件的重要因素，但不是唯一因素。 挥发性有机酸的增减、pH值的升降以及铵离子浓度的高低等因素均影响系统的还原强度。如pH值低，氧化还原电位高；pH值高，氧化还原电位低。幻灯片5416.2.4 有机负荷厌氧法中，有机负荷通常指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量（kgCOD/ m3 d， 或kgBOD5/ m3 d)。通

22、常情况下，常规厌氧消化工艺中温处理高浓度工业废水的有机负荷为2-3 kgCOD/(m3 d)，高温下为4-6 kgCOD /(m3 d)。 上流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流化床等新型厌氧工艺的有机负荷在中温下为5-15 kgCOD/(m3 d)，可高达30 kgCOD/(m3 d)。 幻灯片5516.2.5 厌氧污泥浓度和性状厌氧活性污泥主要由厌氧微生物及其代谢的和吸附的有机物、无机物组成。 厌氧活性污泥的浓度和性状与消化的效能有密切的关系。性状良好的污泥是厌氧消化效率的基础保证。 厌氧活性污泥的性质主要表现为它的作用效能与沉降性能。 故在一定的范围内，活性污泥浓度愈高，厌氧消化的效率

23、也愈高。但也不是越高越好。幻灯片5616.2.6 搅拌和混合通过搅拌可消除池内浓度梯度，增加食料与微生物之间的接触，避免产生分层，促进沼气分离。 在连续投料的消化池中，还促使进料与池中原有料液迅速混合。搅拌方法：（a）机械搅拌器搅拌法；（b）消化液循环搅拌法； （c）沼气循环搅拌法。 幻灯片57 其中沼气循环搅拌，还有利于使沼气中的CO2作为产甲烷的底物被细菌利用，提高甲烷的产量。 厌氧滤池和上流式厌氧污泥床等新型厌氧消化设备，虽没有专设搅拌装置，但以上流的方式连续投入料液，通过液流及其扩散作用，也起到一定程度的搅拌作用。幻灯片5816.2.7 废水营养比厌氧微生物的生长繁殖需按一定的比例摄取

24、碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制进料的碳、氮、磷比例，因为其他营养元素不足的情况较少见。 厌氧法中碳:氮:磷控制COD：N：P200300:5:1为宜（亦有报道为800：5：1）。 在碳、氮、磷比例中，碳氮比例对厌氧消化的影响更为重要。研究表明，合适的C/N比为1020:1。幻灯片5916.2.8 有毒物质包括有毒有机物、重金属离子和一些阴离子等。对有机物来说，带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构，往往具有抑制性。 有毒物质的最高容许浓度与处理系统的运行方式、污泥驯化程度、废水特性、操作控制条件等因素有关。幻灯片6016.3 厌氧处理方法1、厌氧接触法2、厌氧生物滤池3、升流式厌氧污泥

25、床(UASB)4、厌氧膨胀床和厌氧流化床5、厌氧生物转盘6、复合厌氧法7、两相厌氧法8 、厌氧和好氧技术的联合运用幻灯片611、厌氧接触法厌氧接触法是在厌氧反应器后设沉淀池，污泥进行回流，使厌氧反应器内污泥能维持较高污泥浓度。其特点（高式 P279图15-4或杨式P263图18-9）: 1)在反应器与沉淀池之间设脱气器，维持真空度，尽可能地将混合液中的沼气脱除（防止沼气在沉淀过程中使污泥上浮）。 2)在反应器与沉淀池之间设冷却器，使混合液的温度下降，以抑制产甲烷菌在沉淀池内活动。幻灯片622、厌氧生物滤池 厌氧生物滤池(高式 P278图153或杨式P263图18-10)是装填滤料的厌氧反应器。

26、厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表面，废水淹没滤料，在生物膜的吸附作用和微生物的代谢作用以及滤料的截留作用下，废水中有机污染物被去除。 根据水流方向，厌氧生物滤池可分为升流式和降流式两种形式。 厌氧生物滤池勿需污泥回流。幻灯片633、升流式厌氧污泥床(UASB) 升流式厌氧污泥床系集生物反应与沉淀于一体的厌氧反应器. 1)进水配水系统: 将进入反应器的废水均匀地分配到反应器整个横断面，起到水力搅拌并均匀上升。 2)反应区: 其中存 留大量具有良好凝聚和 沉淀性能的污泥，在池 底部形成颗粒污泥层。幻灯片64 废水从厌氧污泥床底部流入，与颗粒污泥层中的污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解有机物，

27、同时产生的微小沼气气泡不断地放出。微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡。在颗粒污泥层上部，由于沼气的搅动，形成一个污泥浓度较小的悬浮污泥层。 3)三相分离器，其功能是将气体、固体和液体三相进行分离。 三相分离器设计及颗粒污泥形成是UASB成败的关键。 目前，在UASB基础上又发展了EGSB反应器。幻灯片654、厌氧膨胀床和厌氧流化床 厌氧膨胀床和厌氧流化床内充填细小的固体颗粒填料，如石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等，填料粒径一般为0.2lmm。废水从床底部流人，为使填料层膨胀，需将部分出水用循环泵进行回流，提高床内水流的上升流速。一般认为膨胀率为1020称膨胀床，颗粒略呈膨胀状态，但仍保持互相接触；膨胀率为2070时，称为流化床，颗粒在床中作无规则自由运动（高式 P282图157）。幻灯片665、厌氧生物转盘 厌氧生物转盘由盘片、密封的反应 槽、转轴及驱动装置组成，上部加盖密封，防止液面上的空间有氧存在。盘片转动时的剪力将老化的生物膜剥下，在水中呈悬浮状态，随水流出槽外。幻灯片67 特点： 1)微生物浓度高，可承受较高的有机物负荷; 2)废水在反应器内水平方向流动，勿需提升废 水; 3)可处理悬浮固体较高的废水，不存在堵塞问题; 4)可采用多级串联，各级微生物处于较佳的生存条件下; 5)由于转盘转动，不断使老化生物膜脱