第4章生物净化

第四章生物净化一、废水处理二、大气净化三、固体废弃物的生物处理四、污染环境的生物修复

问题：废水生物处理的基本方法与类型有哪些？好氧活性污泥工艺：传统推流式；完全混合式；阶段曝气式；吸附-再生式；延时曝气式；氧化沟；吸附-生物降解；序批式间歇反应器（SBR）等。好氧生物膜工艺：生物滤池；生物转盘；生物接触氧化，等。厌氧生物处理工艺：厌氧消化池；厌氧接触法；厌氧生物滤池；升流式厌氧污泥床（UASB）；厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB），等。生物脱氮除磷工艺：缺氧-好氧活性污泥法脱氮系统（A-O生物脱氮工艺）；厌氧-好氧生物除磷系统（A-O生物除磷工艺）；A-A-O同步脱氮除磷工艺，等。废水天然生物处理工艺：稳定塘；土地处理系统，等。一、废水处理预处理与一级处理悬浮生长生物处理——活性污泥法附着生长生物处理——生物膜法自然处理——稳定塘、人工湿地、土地处理系统深度处理——混凝、过滤、吸附消毒处理1、废水预处理与一级处理格栅、沉砂池、调节池、除油、沉淀池、离心、气浮格栅：依靠物理的截留作用去除废水中的大块的悬浮或悬浮性物质。沉砂池：从废水中分离比重较大的无机颗粒。调节池：减少水量和水质波动对废水处理工艺的影响。除油：去除可浮油和乳化油，避免对活性污泥和生物膜的影响。沉淀池：去除废水中的悬浮颗粒和胶体。离心分离：根据水与悬浮物密度的不同，利用离心力使废水中的悬浮物（或乳化油）得以分离。气浮：去除直径很细小、密度接近于水的颗粒污染物。问题：说明以下生物处理工艺的原理和特点活性污泥法、生物膜法、氧化沟生物处理技术、序批式反应器（SBR）、生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床、膜生物反应器（MBR）、曝气生物滤池（BAF）、升流式厌氧污泥床（UASB）、膨胀颗粒污泥床（EGSB）、硝化反硝化工艺、A/O工艺和A2/O工艺、稳定塘、人工湿地、土地处理系统2、活性污泥法定义：是利用悬浮生长的微生物来去除废水中有机物质的一种生物化学处理方法。活性污泥是由具有生命活力的多种微生物类群组成的颗粒状絮状物，以细菌最多，还有酵母菌、放线菌、霉菌以及原生动物和后生动物。原理：活性污泥具有较大的比表面积，能迅速吸附大量有机或无机污染物。被吸附的污染物又在微生物酶的作用下被分解，使废水或污水得到净化。现代污水处理设施（F24.3）活性污泥法的改进和变形工艺完全混合式传统推流式高负荷曝气式分段进水式接触稳定式高纯氧曝气式传统延时曝气式氧化沟工艺序批式反应器（SBR）工艺氧化沟：是常规活性污泥法的一种改型和发展。它的基本特征是曝气池呈封闭的沟渠形，污水和活性污泥的混合液在其中不停地循环流动，在曝气器下游溶解氧浓度高，随着与曝气器距离的增加，溶解氧浓度不断降低，呈现好氧区-缺氧区的交替变化，使其具有良好的脱氮功能和污泥沉降性能。基建和运行费用较低，操作技术相对简单，处理效果稳定。在构造和运行方面的特征：（1）池体狭长，可达数十米甚至上百米；池深度较浅，一般在2m左右。（2）曝气装置多采用表面机械曝气器。（3）进、出水装置结构简单。（4）对水温、水质和水量的变动有较强的适应性。（5）污泥产率低，剩余污泥产量少。（6）污泥龄长，可达15~30d，为传统活性污泥法的3~6倍。（7）BOD负荷低，类似于活性污泥法中的延时曝气法，处理出水水质良好。SBR生物处理技术：是一个间歇注水的反应器系统，包括一个独立的完全混合式反应器，活性污泥工艺的所有步骤都在其中发生。特点：SBR工艺采用一个完全混合的间歇排水反应器系统，进水后在同一个池中完成反应和沉淀过程。有5个阶段，依次为进水、反应、沉淀、排水和闲置。优点：工艺简单，占地面积小；无需污泥回流，节省运行费用；具有理想的推流式反应器的特性；运行方式灵活，脱氮除磷效果好；具有良好的污泥沉降性能；对进水水质水量的波动具有良好的适应性。污水处理单元（F24.4-24.7）3、生物膜法定义：是利用膜状固着在载体表面、呈附着生长状态的微生物来去除废水中有机物质的一种生物化学处理方法。是通过渗滤或过滤生物反应器进行废水好氧处理的方法。液体流经滤床表面，滤床填料可以是石头、沙砾或塑料网等，其表面附着由大量微生物组成的黏液状膜，即生物膜。生物膜中的生物包括细菌、酵母菌、放线菌、霉菌、藻类、原生动物、后生动物以及其他生物等。举例：生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床生物膜法的特点在生物相方面：参加净化反应的微生物更加多样化，食物链长，使废水中污染物降解得更加彻底；在生物膜上能够存活世代时间较长的微生物，具有良好的脱氮功能；在处理过程的每段都繁衍与本段水质相适应的微生物并形成优势种，有利于有机物的降解。在处理工艺方面：对水质水量变动有较强的适应性；污泥沉降性能良好，宜于固液分离；能够处理低浓度污水；易于维护，运行节能。污水处理单元（F24.8-24.9）生物滤池的塑料填料，孔直径约5cm。生物滤池或滤塔。直径约20m，深10-30m。滴滤床，石头作为生物膜载体，在好氧条件下分解废水中的有机物。生物滤池：属于非淹没式附着生长的好氧处理工艺，一般采用砾石或塑料制品作为生物膜载体，废水均匀滴洒在反应器顶部载体表面，当废水流经载体表面的生物膜时，废水得以净化。生物转盘：又称转盘式生物滤池，主体是垂直固定在水平轴上的一组圆形盘片和一个同它配合的半圆形水槽，还有转动横轴、动力及减速装置、氧化槽等装置。生物接触氧化：又称淹没式生物滤池，在生物接触氧化池内设有填料，淹没在废水中，填料上长满生物膜，充氧的污水浸没并以一定的流速流经填料，通过不断接触完成营养物质的溶解和传质过程，污水中的有机污染物通过生物膜的新陈代谢去除。生物流化床：是以微粒状填料如砂、焦炭、活性炭、玻璃珠、多孔球等作为微生物载体，借助流体（液体、气体）使表面生长着微生物的固体颗粒（生物颗粒）呈流态化，通过不断生长的生物膜的吸附、氧化和分解作用，达到去除废水中污染物的目的。生物转盘的优缺点优点：无生物膜堵塞现象；盘面利用率高，无沟流现象；废水与生物膜接触时间较长，易于控制；采用多层布置，占地较小；系统的水头损失小，能耗省。缺点：盘材较贵，投资大；无通风设备，供氧依靠盘面的生物膜接触大气，存在挥发性物质的污染；性能受环境气温及其他因素影响较大，在北方一般置于室内并采取一定保温措施。生物流化床的优缺点优点：载体比表面积大且呈流化状态，容积负荷高，抗冲击负荷能力强；生物颗粒相互碰撞和摩擦，生物膜厚度较薄，微生物活性强；载体颗粒处于剧烈运动状态，传质效果好。缺点：设备磨损较严重，载体颗粒会磨损变小；生产放大存在问题，比如防堵塞、曝气方法、进水配水系统选用、生物颗粒流失等，工业性应用较少。4.废水生物处理新工艺膜生物反应器（MBR）：主要由膜分离组件及生物反应器两部分组成，是一种用膜分离过程取代传统活性污泥法中二次沉淀池的水处理技术。曝气生物滤池（BAF）：在生物滤池中装填粒径较小的新型粒状滤料并浸没在水中，池底装有曝气系统以提供足够的氧气，使废水中有机物得到好氧去除。升流式厌氧污泥床（UASB）：基于微生物固定化原理，在形成沉降性能良好的污泥絮凝体的基础上，在反应器内设置污泥沉淀系统，使气、液、固三相得到分离。膨胀颗粒污泥床（EGSB）：是对UASB反应器的改进，增加了出水再循环部分，使反应器内液体上升流速远远高于UASB中的上流速度，颗粒污泥床处于“膨胀”状态。硝化反硝化工艺：废水中氨氮及有机氮通过微生物的硝化反应转变为硝酸盐，在缺氧或厌氧条件下，硝酸盐由反硝化细菌转化为氮气从废水中去除。A2/O脱氮除磷工艺：原污水首先进入厌氧区，聚磷细菌吸收有机物并以PHB形式在菌体储存起来，随后废水进入缺氧区，反硝化细菌利用好氧区回流带来的硝酸盐进行反硝化，达到同时去碳脱氮的目的。厌氧区和缺氧区都设有搅拌混合器，以防污泥沉积。接着废水进入曝气的好氧区，聚磷菌分解储存的PHB，释放能量供自身生长繁殖，还可主动吸收周围环境中的磷，以聚磷酸盐的形式储存在细胞内。自养硝化细菌生长繁殖，将氨氮转化为硝态氮。5、自然处理——稳定塘定义：源于早期的氧化塘，指污水中的污染物在池塘处理工程中反应速率和去除效果达到稳定的水平，是人工强化措施和自然净化功能相结合的新型净化技术。种类：好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘；常规处理塘、深度处理塘；连续出水塘、控制排放塘、完全贮存塘；生物塘。原理：污水或废水进入塘内后，在细菌和藻类等多种生物的作用下发生生物转化反应（分解、硝化、光合反应等），达到降低有机污染成分的目的。生物：细菌、藻类、微型动物（原生动物和后生动物）、水生植物、其他水生动物。特点：所需技术难度低、操作简便和维持运行费用低，但是占地面积大。氧化塘（F24.13）好氧塘：塘水自然混合，塘深度不大，倚靠自然透光促进藻类生长。藻类产生氧气。停留时间3-5d。厌氧塘：水深1-10m，停留时间较长（20-50d）。不需昂贵的机械曝气装置，污泥量小。通常作为富含蛋白质、脂肪，具有高悬浮固体浓度的高BOD有机污水（如肉类加工废水）的预处理。兼性塘：是生活污水处理最普遍使用的，同时使用好氧和厌氧处理。一般深1-2m，一般分为好氧、兼性厌氧、厌氧三层。停留时间5-30d。曝气塘：需要机械曝气，水深1-2m，停留时间少于10d。处理效果依赖于曝气时间、温度和废水种类。例如，20℃曝气5d，BOD去除率85%。好氧塘、厌氧塘（F24.14）水生生物塘（F24.15）曝气塘（F24.16）化粪池系统-原位处理（F24.16）化粪池作为储藏池将固体物质与流入的废水分离，固体物质沉淀到池底，废水中的有机物在厌氧条件下发生生物分解。废水停留24-72h后排入渗滤场。剩余污泥定期用泵排出，运送到处理厂处理。1997年，25%的美国家庭使用化粪池，33%的在建房屋使用化粪池。主要在农村和郊区使用。如果污染集中或人口过多，需要转移至城市污水处理系统。私人的化粪池系统有时是被禁止的。不适合寒冷多雨或水位太浅的地区。容易引起地下水硝酸盐污染或病原体传播。在塘内播种水生高等植物，也能达到净化污水或废水的能力，称为水生植物塘。常用的植物有凤眼莲、香蒲、芦苇等例：美国加州某水生植物示范工程，占地1.2公顷，其工艺流程为：污水—格栅—二级水生植物曝气塘—砂滤—反渗透—粒状碳柱—臭氧消毒—出水经过该系统的处理，出水可以作为生活用水，水质达到饮用水标准。凤眼莲（水葫芦）香蒲水葱5、自然处理系统——人工湿地定义：由土壤和砾石等混合结构的填料床组成，床体表面种上植物。水流在床体的填料缝隙间流动，或在床体的地表流动，最后收集后排出。原理：综合了物理、化学和生物三种作用。填料表面和植物根系中生长的微生物形成生物膜，悬浮物被阻挡截留，污染物质通过吸附和代谢而去除。特点：出水水质好，具有较强的氮、磷处理能力，运行维护管理方便，投资及运行费用低，适合管理水平不高、水量及水质变化不大的城郊或乡村。目前，欧洲已经有许多人工湿地投入使用，规模最小的面积约40m2，用于一家一户的废水处理；规模较大的面积可达5000m2，可以处理1000人以上村镇排放的生活污水。例：深圳白泥坑人工湿地处理工程，工艺流程：污水—格栅—三个潜流湿地并联（种植芦苇和大米草）—两个潜流湿地并联（种植芦苇和茳芏）—三个稳定塘并联—一个潜流湿地（种植席草和茳芏）—出水大米草和茳芏人工湿地（F24.21)湿地水生植物：浮萍，水葫芦，芦苇，香蒲加利福尼亚州SanDiego人工湿地（F24.23-24.24)地表流湿地：又叫自由水面湿地，特点是水位高于湿地基质层，废水从床体表面流过，床表水深10~40cm。潜流湿地：床体中填充填料，底部设有防渗层，植物在填料上生长，废水从填料中流过，一般填料厚度60~100cm。5、自然处理——土地处理系统定义：利用土地以及其中的微生物和植物的根系对污染物的净化能力来处理污水或废水，同时利用其中的水分和肥分来促进农作物、牧草或树木生长。种类：慢速渗流系统、快速渗流系统和地表渗流系统原理：利用土地生态系统的净化能力来净化污水，包括土壤的过滤截留、物理和化学的吸附、化学分解、生物氧化以及植物和微生物的吸收和摄取等作用。特点：投资少、能耗低、易管理和净化效果好。污水土地利用（F24.19）低速率灌溉：污水通过喷淋或表层进行利用，速率为1.5~10cm/7d。2/3废水被农作物利用或蒸发。需要大面积土地。地表漫流：废水沿着种满植物的2%·3%的斜坡流过50~100m，10%废水渗透到土壤，60%收集到沟渠，其余蒸发。需要低渗透性的黏土。高速渗流：超过50cm/7d的负荷率处理废水。大部分废水通过土壤渗透后补给地下水或回用于灌溉。需要土地少。三种土地处理系统的特征低速灌溉地表漫流高速渗流主要目标营养物和水回用；废水处理废水处理废水处理；地下水补给土壤渗透性中（砂土或黏土）慢（黏土）快（砂土）是否需要植被需要需要可选负荷率1.3~10cm/周5~14cm/周>50cm/周所用技术喷洒；地表流喷洒地表流106L/d所需土地8~66ha5~16ha0.25~7ha地下水深度约2m不确定5m或更多BOD和SS去除率90~99%90~99%90~99%N去除率85~90%70~90%0~80%P去除率80~90%50~60%75~90%污水处理系统与污水灌溉的区别要求对污水进行必要的预处理，对有害物质进行控制，避免造成环境污染；要求精心施工，有完整的工程可以调控；种植的植物多为牧草和林木，以污水处理为主，而污灌植物以粮食蔬菜等农作物为主。二、大气净化大气净化生物技术：利用微生物以废气中的有机组分作为其生命活动的能源和营养物质，经代谢降解，转化为简单的无机物及细胞组成物质。将污染气体与水体充分混合，使污染气体分子转化为液相成分，然后利用生物，尤其是微生物的生理代谢机能来净化液相污染成分。常用生物反应器有：生物吸收法、生物滤池和生物滴滤池。生物吸收法循环液自吸收室顶部喷淋而下，使废气中的污染物和氧气转入液相，吸收了废气中组分的循环液再流入反应器中，用活性污泥法除去液相中的污染物。具有良好的去除有机污染物和除臭的效果。生物滤池有机废气进入生物滤池，通过滤池内的生物活性填料层，被填料层表面微生物形成的生物膜氧化分解。填料层由堆肥、泥炭等生物活性物质填充而成，结构疏松，具有良好的透气性和持水性以及丰富的微生物群落，能够有效地去除有机污染物。生物滴滤池与生物滤池类似，区别在于还在填料上方喷淋循环液。使用粗碎石、塑料、陶瓷等作为填料，填料表面生长着大量微生物并形成生物膜，使废气的吸收和液相的污染净化过程同时在一个反应装置内完成。三、固体废弃物的生物处理固体废弃物主要包括固体生活垃圾和生产废弃物（比如矿渣）。处理城市垃圾的方法主要有三种，即填埋、堆肥和焚烧。其中填埋和堆肥主要是通过微生物的作用来完成垃圾处理。矿渣可以通过生物淋溶进行处理。填埋技术将固体废物存积在大坑或低洼地，通过科学的管理对固体废物进行处理。填埋法处理的垃圾量大、简便易行、投入少。目前，美英两国70%以上的垃圾是通过填埋技术处理的。在填埋过程中，每天填入的垃圾应被压实，并铺盖上一层土壤。一个垃圾填埋场完全填埋需要数年，如果处理不当，填埋地容易形成二次污染。例如：产生异味，污染空气，蚊蝇滋生，卫生状况恶化；有害废物对填埋地的微生物过程产生严重影响，影响处理效果；发生有害径流（渗滤液）并渗透到地下水中；垃圾发酵产生甲烷气体引发爆炸事故。堆肥法堆肥是实现城市垃圾资源化、减量化的一条重要途径。堆肥技术是基于微生物的生物代谢活动，利用微生物的降解作用使垃圾中的有机废料转换成稳定的腐殖质。这些产物大大减少了原材料的体积，并能用作土壤改良剂或肥料安全地返回环境中。有机质含量较高的生活垃圾、秸秆、污泥和畜禽粪便等比较适合堆肥处理。影响因素：温度、湿度、空气污泥堆肥处理工艺污泥堆肥：是指在好氧条件下由噬温菌和噬热菌的共同作用使污泥中的有机物降解和转化成较稳定的有机质，并使其挥发性物质含量降低、臭气减少、物理性状明显改善（如含水量降低，呈疏松、分散、粒状），使之便于贮存、运输和使用的一种生物过程。主要过程：1）潜伏期，微生物在堆肥的环境下驯化繁殖；2）中温期，温度在20~40℃，嗜温菌分解有机物使堆肥温度升高；3）高温期，温度在40~60℃，继续升温至60~80℃，嗜热菌快速分解有机物；4）降温期，温度从高温期降至中温期；5）熟化期，温度降低至环境温度。在堆肥过程中，微生物演替非常迅速，仅需几日就达到55℃，高温期一直持续直到有机底物消耗殆尽，然后热量释放，温度降低。污泥堆肥及土地利用（F24.25-24.29）碎木头通常用于调节污泥堆肥的体积，同时提高污泥C:N。混合物保持潮湿和好氧状态。静态堆肥（staticpile）：通过鼓风提供氧气。条垛堆肥（windrowprocess）:将污泥堆成2m*3m*80m的条垛，每周翻挖几次。封闭堆肥：将污泥放入高10-15m直径3-4m的金属容器并鼓风提供氧气。堆肥效果好，不存在臭味问题。成本较高。含水率较高的生物固体通过喷洒进行土地利用。亚利桑那州，Tucson。将液态或块状的污泥施入农田，再用拖拉机翻入土中。污水和污泥的利用（F5.11-5.16）经二级处理的废水施入农田。液态污泥喷洒入农田。固态污泥施入农田。污泥农用有益作用：1）能充分利用污泥中有益成分；2）能提高土壤养分；3）能改善土壤理化性质；4）能改善土壤微生物特性；5）能促进植物产量和品质的提高。有害作用：1）重金属污染及控制；2）病原微生物及控制；3）土壤砂化和盐渍化。矿渣的生物淋溶处理利用微生物溶浸某些贫矿、废矿、尾矿或炉渣等，通过其溶解作用（即淋溶作用）来回收提取贵重金属或稀有金属。既可以最大限度地利用矿藏，还能避免或减少固体废物对环境的污染。氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans）和氧化硫硫杆菌（

Thiobacillusthiooxidans）酸性条件下，硫杆菌将Fe(Ⅱ)氧化成Fe(Ⅲ)，并将硫和硫化物转变成硫酸盐。Fe(Ⅲ)又氧化并溶解其它金属化合物，将金属（比如铜）硫化物转化成可溶的硫酸盐。微生物冶铜四、污染环境的生物修复问题：解释生物修复的含义并举例。生物修复：利用生物，特别是微生物的代谢活动来减少或清除污染环境中的化学污染的过程，涉及生物催化进行的降解、去毒或积累作用，可以用于大面积污染环境的治理。微生物修复：调节污染地的环境条件以促进原有微生物或接种微生物的降解作用迅速进行。植物修复：种植某些特殊的植物类型，利用植物的吸收、富集或降解作用来达到降低或去除环境中污染物的过程。原位生物修复和异位生物修复原位生物修复：污染对象不需要移动，处理费用低，但处理过程控制比较难。具体操作：（1）改善和调节环境条件，比如提供营养物质和通气；a