微生物污水处理

微生物污水处理第1页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem引言：随着经济的高速发展，城市化、工业化进程的加快，农业上化肥、农药的过度使用和人口的持续增加，我国污水排放量与日俱增。据统计显示，2006年全国污水废水排放量超过750亿吨，而全国661个城市中有超过250个城市没有污水处理厂，从而使其中接近2/3的污水未经任何处理直接排入水体中。水利部称：中国90%以上的城市地表水域受到不同程度的污染[1]。由于没有配备相应的污水处理设施和适应性强（大到大城市，小到小城镇）的污水处理技术，这进一步加剧了我国水环境的污染。水环境污染所造成的危机已经严重制约了我国国民经济的发展和影响了人民生活水平的提高。水污染问题已经对人类生存和经济的发展构成越来越严重的威胁。防止水体恶化，保护水资源，治理已受污染的水体，走可持续发展的道路已经成为人类共同追求的目标。第2页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem污水处理的方法有物理方法、化学方法和生物方法。而物理法和化学法的处理效率低，费用高，管理复杂，甚至可能造成二次污染，所以无法得到很好的应用和大范围的推广。而生物法则是目前应用最广的方法。生物法通常是利用具有各种生理生化性能的微生物类群间的相互配合而进行的一种物质循环过程。从而使污水得到再生的过程。生物法处理污水具有效率高，费用低，能耗低，出水质好，管理简单等优点。利用微生物进行处理使水资源再生，无论是现在还是将来都是污水处理的主要途径之一。第3页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem微生物具有体积小，表面积大，繁殖能力强等特点，能不断的与周围的环境快速的进行物质交换。污水具备微生物生长繁殖的条件，因而能使微生物从中获得营养物质，同时降解和利用有害的物质，从而使污水得到净化。依据处理过程中的微生物对氧环境的需求可分为好氧法和厌氧法。现在应用最广泛的活性污泥法、生物膜法、氧化塘法均属于好氧法；厌氧处理是现在研究的比较热门的方法，现在比较流行的厌氧处理器有AF、UASB、EGSB。现在好氧法和厌氧法相结合的处理方法也是比较热门的研究，因为处理效果要比传统的方法好。第4页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem1、好氧处理系统好氧微生物在有氧条件下，通过分解代谢、合成代谢和物质矿化，把环境中的有机物氧化分解成无机物，从而使污水得到净化，同时使微生物得到增长繁殖。第5页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem1.1活性污泥法活性污泥法由Arden和Lockett于1914年在英国切斯特创建成试验厂，是利用河流自净原理的人工强化高效污水处理工艺。经过90多年的发展，该工艺已经成为当前污水处理方面应用得最广泛的工艺。所谓活性污泥就是以需氧性细菌为主体的微生物与水中的悬浮物质、胶体物质聚集在一起形成肉眼可见的絮状颗粒，也称絮凝体[2]。活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理技术，其原理是通过曝气供氧，使大量繁殖的微生物群体悬浮在水中，并利用从而降解污水中的有机物，停止曝气时，悬浮微生物群絮凝体易于沉淀与水分离，并使污水得到净化、澄清[3]。其工艺流程如下图：污水预处理→曝气池→二沉池→出水↑↓↓←回流污泥←→剩余污泥→

第6页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem活性污泥的微生物由分解有机物的细菌、原生动物（细菌的第一捕食者）、后生动物（细菌的第二捕食者）组成。其中细菌占90%-95%[4].活性污泥中的细菌主要有胶团细菌及丝状细菌，它们构成了活性污泥的骨架。活性污泥中常见的细菌有：生枝动胶菌、亚硝化单孢菌、大肠杆菌、蜡状芽孢杆菌、放线形诺卡氏菌、中间埃希氏菌、无色杆菌属、黄杆菌属、葡萄球菌属、芽孢杆菌属等细菌种类，细菌对污水的处理效果达到决定性的作用。活性污泥中常见的原生动物有钟虫和纤毛虫类，原生动物起到促进细菌絮凝，提高细菌的沉淀效率，降低剩余污泥量，促使二沉池的泥水分离等作用；从而对出水的水质有很大的影响。污水中原生动物的种类和数量与污水的净化处理效果有着密切的联系，因此其可以作为净化情况的指示生物和由其对污水处理效果做出预报。一般说来，游动鞭毛虫类或自由生活的纤毛虫类占较大优势时，往往说明净化效果较差，或污水处于培育活性污泥的初期。当发现有固着纤毛虫类时，活性污泥已经形成。轮虫有自净作用，如活性污泥中有大量轮虫和多种纤毛虫出现时，说明有机物含量很少，净化度较高，污水处理效果好。水蚯蚓对污水也有自净作用，其种类与数量随污染的减轻而减少，在净化效果较好的污水中，还会出现线虫、颤蚯蚓等后生动物。活性污泥中除了像原生动物这样整个虫体只有一个细胞构成的生物外，还有多个细胞构成的后生动物。活性污泥中出现的后生动物有轮虫类和线虫类，但数量不多，偶尔也会出现腹毛类，寡毛类和甲壳类等。此外，活性污泥中还会出现少量的真菌，以霉菌类和酵母类为主。在污水处理过程中还会出现少量的藻类，其主要是蓝藻、绿藻和硅藻。第7页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem活性污泥法是目前被广泛应用的污水处理系统，其BOD去除率可达95%以上[5]。随着社会经济的发展和长时间的应用，传统活性污泥法日益暴露出其缺陷，如：曝气池中的生物量低、耐水质、水量冲击负荷能力差、运行不够稳定、易产生污泥膨胀、污泥产量大、基建和运行费用高、占地面积大等等。为了适应污水处理大战的要求，人们不断改进传统的活性污泥法，开发了许多新的处理工艺，如百乐卡法（BIOLAK法）、吸附-生物降解法（AB法）、间歇式活性污泥法工艺（SBR）、粉末活性炭活性污泥法（PACT）、DAT-IAT工艺、UNTANK工艺等等，它们都大大提高了污水处理的出水水质，并弥补了传统活性污泥法的不足。其中AB法和百乐卡法在国内又逐渐被广泛应用第8页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem1.1.1AB法

AB法是吸附-生物降解法的简称，是德国亚深大学Bohnke教授于20世纪70年代中期开发的一种工艺，属超高负荷活性污泥法。从80年代开始适用于生产实践。AB工艺对BOD、COD、SS、磷和氨氮的去除率一般都高于传统活性污泥法，其优点在于A段负荷高，抗击负荷能力前，特别适用于处理浓度高，水质水量变化大的污水。其不足主要在于产泥量大，达不到深度除磷氮的功能，出水水质达不到防止水体富营养化的要求。AB法处理污水可分为两段：A段和B段。其中A段细菌数量大、主要以吸附絮凝作用、吸收、氧化等方式除去有机物。B段则是以氧化为主。难溶性大分子物质被微生物释放出的胞外酶的作用降解成可溶性小分子物质；可溶性小分子物质被微生物吸收到胞内，由微生物细胞的新陈代谢作用将有机质氧化分解为二氧化碳、水等无机物，氧化过程中产生的能量会被贮存于细胞内，使微生物得到生长繁殖。由于此作用使污水得到净化、澄清。中国的青岛海泊河污水厂采用了该技术，该厂于1993年3月开工建造，1995年6月正式投产运行，日处理城市污水80000M3。目前该厂运行正常，处理后的水质完全符合国家规定的排放标准[6]。第9页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem

1.1.2百乐卡法（BIOLAK法）百乐卡是在传统活性泥法的基础上，集合了大量研究工作的先进成果，并在数百例工程中得到不断的改造和完善成熟工艺。百乐卡工艺是一种具有除磷脱氮功能的多级活性污泥污水处理系统。百乐卡工艺污泥回流量大，污泥浓度较高，生物量大，相对曝气时间较长，所以污泥负荷较低。国内此工艺的应用以深圳龙田污水处理厂为代表。龙田污水处理厂BOD5污泥负荷率0.05kgBOD/kgMLSS.d,污泥浓度为4000mg/L，污泥龄为29d，所以剩余污泥很少[7]。第10页，共23页，2023年，2月20日，星期六1.2生物膜法

生物膜是由生长发育活跃的单一或混合微生物群体组成，附着在活性或非活性的载体表面，由好氧细菌、厌氧细菌、兼性细菌、真菌、原生动物和较高等动物组成的微生态体系[8]。利用生物膜进行污水处理的工艺即生物膜法。生物膜的形成主要经过初生、成长及老化剥落三个阶段。生物膜法是使微生物附着在载体表面上,污水在流经载体表面过程中,通过有机营养物的吸附,氧向生物膜内部的扩散以及在膜中所发生的生物氧化等作用,对污染物进行分解。其净化机理是：生物膜表面吸附着一层薄薄的污水层，称为附着水层或结合水层；其外面是能自由流动的污水，称运动水层或流动水层。当附着水层中的有机物被生物膜中的微生物吸附、吸收、氧化分解时，附着水层中有机物浓度随之降低，由于流动水中的有机物浓度高，便迅速向附着水层转移，并不断进入生物膜被微生物分解。不断循环此过程，污水得到净化。需氧微生物所需的氧从空气到流动水层到附着水层进入生物膜，供需氧微生物进行有氧呼吸代谢。有机物将被微生物代谢分解成无机物及二氧化碳的，则沿进氧的反方向移动。第11页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem生物膜最外层生长的主要是好氧性微生物，内层则是厌氧性微生物。生物膜上除了大量的细菌外，还有真菌（多为丝状菌）、原生动物（多为钟虫）、后生动物（线虫类、轮虫类）、微型动物（寡毛虫类）和藻类（有光处），形成了一个复杂稳定的复合生态系统。第12页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem生物膜中的细菌类别主要有：生枝动胶菌、浮游球衣菌、白色贝氏硫细菌、球衣菌、动胶菌、粪链球菌、埃希氏大肠杆菌、硫杆菌属、无色杆菌属、黄杆菌属、假单胞菌属、诺卡氏菌属、色杆菌属、八叠球菌属、副大肠杆菌属、亚硝化单胞菌属、硝化杆菌属等等。而生物膜常见的丝状真菌有：瘤孢属、灿烂微重真菌、红色浆霉、水镰刀霉、白地霉、皮状丝胞酵母等等。生物膜中常见的藻类有：水球藻属、绿球藻属、席藻属、颤藻属、毛枝藻属和环丝藻属等等。此外生物膜中还有原生动物和后生动物，原生动物主要以纤毛虫类为主，纤毛虫类中又以钟虫占的比例大；后生动物中常见的主要是轮虫类、线虫类、寡毛虫类。第13页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem随着经济社会的发展，由于对污水处理出水质要求的提高和城市土地资源的紧缺，生物膜法获得了新的发展，除了生物滤池和生物转盘外，还研究出了许多新的有关生物膜的技术，如气提式生物膜反应器、移动床生物膜反应器、序批式生物膜反应器、复合式活性污泥膜反应器、膜-生物膜反应器、升流式厌氧污泥床生物滤池等等。此外，微生物固定化技术也是研究的热点。第14页，共23页，2023年，2月20日，星期六

1.2.1移动床生物膜反应器移动床生物膜反应器（MBBR）是近年颇受研究者重视的在生物接触氧化法和生物流化床的基础上开发的一种革新兴高效生物膜法污水处理工艺。它是为解决固定床反应器需定期反冲洗，流化床需使载体流化，淹没式生物滤池堵塞需清洗滤料和更换曝气器的复杂操作而发展起来的技术。它具有传统生物膜耐冲击质荷，泥龄长，剩余污泥量少的特点，又具有活性污泥法的高效和运转灵活的特点。在稳态运行条件下，当反应器承受较高的有机负荷时，表现出良好的有机物去除率。如移动床生物膜反应器处理家禽加工废水，填料容积表面积250m2/m3,COD有机负荷3-45kg/（m3.d），单级MBBR反应器COD去除率为80%，两级MBBR反应器COD去除率可达90%-95%，此外，Rusten等人将移动床生物膜反应器用以乳酪加工废水生化处理厂的改造工程中，用来解决日益增加的负荷问题和提高有机物及P的去除率，将原有的曝气池改建成均衡池，原有的两座生物滤池改建成移动床生物膜反应器，运行结果表明，当负荷大幅度超出设计值时，改造后的处理系统COD和P的去除率可达到98%，研究表明，该处理工艺具有可靠、操作简单、高效、稳定和不易发生堵塞等优点，所以，移动床生物膜反应器很具有应用与发展的前景，适用于设计小型污水处理厂和改造已有的超负荷运转的活性污泥处理系统。第15页，共23页，2023年，2月20日，星期六2厌氧处理系统

污水的厌氧生物处理是指在无氧条件下，利用微生物（厌氧菌、兼性厌氧菌）的新陈代谢作用，将污水中的有机物质转化为无机物（主要是CH4、CO2、H2S等）和少量细胞物质的过程。厌氧生物处理污水技术始于19世纪末。20世纪60年代末的厌氧滤器（AF）的发明为第一个突破性的发展，之后陆续出现了上流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧流化床（AFB）、膨胀颗粒污泥床（EGSB）等厌氧处理器，厌氧生物污水处理技术，因为既可以净化污水，又可以产生CH4等可燃烧的气体，作为能源满足生产需求，达到一举两得的效果，所以成为众多学者研究的热点和方向。经过近几十年来的研究和推广，厌氧生物处理污水技术得到了很好的发展和推广，成为了污水处理领域里一项有效的新技术。厌氧污水处理系统，是一个极为复杂的系统，它涉及多种交潜作用的菌群，各要求不同的基质和条件，形成一个极为复杂的生态系统，其过程主要包括三个阶段：第16页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem（1）水解发酵阶段是由厌氧微生物或兼性厌氧微生物将复杂的有机物和碳水化合物、蛋白质、脂类等分解成有机酸、醇的过程。（2）产乙酸阶段主要由产乙酸菌群将水解发酵阶段产生的有机酸、醇等进一步转化成乙酸、氢气和二氧化碳。（3）产甲烷阶段

第17页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem主要生产甲烷菌群利用前两个阶段产生的乙酸、H2/CO2、甲醇、甲酸等物质转化成甲烷。形成的甲烷中约30%来自氢的氧化和二氧化碳的还原作用，70%的甲烷来自乙酸盐[9]。污水在厌氧处理过程中，参与处理的主要微生物是细菌，可将其分为非产甲烷菌和产甲烷细菌。其中非产甲烷细菌又可分为专性厌氧细菌和兼性厌氧细菌两大类。其中常见的专性厌氧细菌有：梭状芽孢菌属、双歧杆菌属、放线菌属、拟杆菌属、棒杆菌属、乳杆菌属等等。常见的兼性厌氧细菌有：变形菌属、埃希氏菌属、产气杆菌属、假单胞菌属、链球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属等等。而产甲烷菌常见的主要有四大类：杆状产甲烷菌、球状产甲烷菌、八叠球状产甲烷菌、螺旋状产甲烷菌。以上这些菌属组成了厌氧污水处理的主要细菌，在其共代谢和矿化作用下使污水得到净化并产生生物能量沼气。经过长期的研究和推广，厌氧处理工艺在污水处理中已占有了一席之地，一些厌氧反应器也得到广泛的应用。如膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）、内循环厌氧反应器(IC)等。第18页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem2.1EGSBEGSB是膨胀颗粒污泥床的简称，是在UASB反应器的基础上于20世纪80年代后期由荷兰农业大学环境系开始研究的新型高效厌氧反应器。EGSB和UASB结构相似，所不同的是EGSB增加了出水再循环部分，使得反应器内的液体上升流速远远高于UASB反应器，使污水与微生物之间的接触得到加强。正是由于这种独特的优势，使其可适应多种有机物水处理，如：一、可用于处理含有有毒物质的污水，因为EGSB是一种高效节能厌氧生物反应器，采用处理水回流技术，可有效降低进水中有毒物质的浓度和毒性；二、EGSB适用于各种浓度的工业污水和城市污水处理；三、EGSB还适用于生活污水、垃圾填埋场的渗滤液和农业废物废水的处理。一般认为，EGSB反应器在处理低于1500mgCOD/L污水时仍有很高的去除率，通常可达80%以上，甚至会超过98%。第19页，共23页，2023年，2月20日，星期六Microorganismwastewatertreatmentsystem2.2ICIC是内循环厌氧反应器的简称，是20世纪90年代由荷兰Paques公司在UASB基础上开发的超高效厌氧反应器，它具有容积负荷高、处理容量大、抗冲击负荷能力强、污泥产量少、运行稳定、投资少等优点的新型厌氧生物处理污水反应器。其特征是在反应中装有两级三相分离器，反应器下半部分部分可在极高的负荷条件下运行。目前，IC反应器已成功应用于啤酒生产、食品加工等行业的生产污水处理中。如荷兰SENSUS公司1995年建造的容积为1100立方米的IC反应器处理菊苣生产污水，日处理COD质量浓度约为7200mg/L的废水3960立方米，COD水力负荷达3kg/(m3.d),COD去除率稳定在70%-80%[10]。进一步研究开发IC反应器，推广其应用于各种污水处理，已成为厌氧污水处理的研究热点之一。第20页，共23页，2023年，2月20日，星期六3．研究新方向与展望

随着社会的发展的需求和对污水处理技术研究的深入，各种新技术层出不穷。3.1厌氧-好氧结合法自1962年，Ludzack和Ettinger首次提出此法用于脱氮后，就陆续出现了应用厌氧-