水污染控制工程第八章(百度文库版)

第八章水的生物化学处理方法

水的生物化学处理法就是在人工创造的有利于微生物生命活动的环境中，使微生物大量繁殖，提高微生物氧化分解有机物效率的一种水处理方法。第一节废水处理微生物学基础一、废水处理中的微生物在废水生物处理过程中，净化污水的微生物主要是细菌、真菌、藻类、原生动物和一些小型的后生动物等。根据碳源的不同，可将微生物分为：自养型微生物异养型微生物根据利用氧的能力不同，可将微生物分为：好氧厌氧兼性细菌球菌（0.5~1.0μm）、杆菌（1.5~3.0μm×0.5~1.0μm）螺旋菌（6~15μm×0.5~5μm）代表：假单孢菌属（最有代表性，可以分解所有天然有机物）无色杆菌属、产碱杆菌属、芽孢菌属、微球菌属真菌特点：大多数为好氧菌；低温下可以繁殖生长；pH适应范围：2~9；对N元素要求低，约为细菌需求N量的一半霉菌（最主要）：可以分解碳水化合物、脂肪、蛋白质、含氮化合物藻类特点：可以通过光合作用释放O2，对污水净化有重要作用单细胞或多细胞的具有光合作用的自养型微生物代表：绿球藻科，水网藻科、栅藻科、联球藻科原生动物特点：极微小、可运动、通常为单细胞、多数为好氧异养、可摄取细菌作为营养物代表：肉足纲、鞭毛纲、纤毛纲、吸管纲功能：可以吞食部分有机物、游离细菌、降浊度、分泌粘液，促进生物污泥絮凝水质变化，其种类随之变化，有指示作用后生动物代表：轮虫（最典型）轮虫功能：有效消耗分散的和絮凝的细菌及颗粒微小的有机物好氧生物净化过程高度有效的指标细菌：净化污水的第一和主要承担者原生动物：细菌的首次捕食者后生动物：细菌的二次捕食者二、微生物的代谢过程微生物的生命过程是营养不断被利用，细胞物质不断合成又不断消耗的过程。在这一过程中伴随着新生命的诞生，旧生命的死亡和营养物(基质)的转化。污水的生物处理就是利用微生物对污染物(营养物)的代谢转化作用实现的。新陈代谢分解代谢合成代谢内源代谢三、微生物的生长环境废水生物处理的主体是微生物，只有创造良好的环境条件让微生物大量繁殖才能获得令人满意的处理效果。影响微生物生长的条件主要有营养、温度、pH值、溶解氧及有毒物质等。1、营养好氧微生物要求碳氮磷比为BOD5:N:P=100:5:1[或COD:N:P=(200-300):5:1]。厌氧微生物要求碳氮磷比为BOD5:N:P=100:6:1。微生物除需要C、H、O、N、P外，还需要S、Mg、

Fe、Ca、K等元素，以及Mn、Zn、Co、Ni、Cu、Mo、V、I、Br、B等微量元素。2、温度根据适应的温度范围，微生物可分为低温性(好冷性)：生长温度为20℃以下中温性和：生长温度为20-45℃高温性(好热性)：生长温度为45℃以上奸氧生物处理以中温为主，微生物的最适生民温度为20-37℃。厌氧生物处理时，中温微生物的最适生长温度为25-40℃

，高温微生物的最适生长温度为50-60℃，所以厌氧微生物处理常利用33-38℃和52-57℃两个温度段，分别叫做中温消化(发酵)和高温消化(发酵)。

3、pH值酶是一种两性电解质，pH值的变化影响酶的电离形式，进而影响酶的催化性能，所以pH值是影响酶活性的重要因素之一。

细菌、放线菌、藻类和原生动物的pH值适应范围是4-10。酵母菌和霉菌的最适宜pH为3.0-6.0。大多数细菌适宜pH=6.5-8.5的中性和偏碱性环境。好氧生物处理的适宜pH为6.5-8.5厌氧生物处理的适宜pH为6.7-7.44、溶解氧好氧微生物的代谢过程以分子氧为受体，并参与部分物质的合成。没有分子氧，好氧微生物就不能生长繁殖，所以，进行好氧生物处理时，要保持一定浓度的溶解氧(DO)。为取得良好的处理效果，好氧生物处理时应控制溶解氧在2-3mg/L(二沉池出水0.5-1mg/L)为宜。

厌氧微生物在有氧的条件下生成H2O2，但没有分解H2O2的酶而被H2O2杀死；所以厌氧生物处理反应器中决不能有分子氧存在。

5、有毒物质对微生物有抑制和毒害作用的化学物质叫有毒物质。它能破坏细胞的结构，使酶失去活性。如重金属能与酶的-SH基团结和，或与蛋白质结合使之变性或沉淀。

四、污水的可生化性污水可生化性指的是污水中污染物被微生物降解的难易程度，即污水生物处理的难易程度。污水的可生化性取决于污水的水质，即污水所含污染物的性质。1、污水可生化性评价方法污水的可生化性常用BOD5或COD的比值来评价。

一般情况下，值越大，污水的可生化性越强BOD5/COD<0.30.3-0.45>0.45可生化性难生化可生化易生化2、污水可生化性评价中的注意事项BOD5/COD只能近似代表污水的可生化性，适用BOD5/COD评价污水的可生化性时应考虑以下方面的影响。(1)固体有机物有些固体有机物可在COD测定中被重铬酸钾氧化，以COD的形式表现出来，但在BOD5测定时对BOD5的贡献很小，不能以BOD5/COD的形式表现出来，致使此时污水的，但生物处理效果却不差。(2)无机还原性物质污水中的无机还原性物质在BOD5和COD的测定中也消耗溶解氧。同一种无机还原性物质在两种测定中消耗的溶解氧量不同，指示降低，但此时污水的可生化性不一定差。(3)特殊有机物有些有机物比较特殊，能被微生物部分氧化，却不能被K2Cr2O7氧化。BOD5/COD虽大，但实际上污水的可生化性较差。

(4)BOD5/TODTOD比COD更能准确代表污水中有机物的含量，用BOD5/TOD评价污水的可生化性加准确。(5)接种微生物的驯化在测定BOD5时是否采用经过驯化的菌种，对测定结果影响很大。采用未经驯化的微生物接种，测得的结果偏低，采用经过驯化的微生物接种，测得的结果更加符合处理设施的实际运行情况。

(6)水样稀释测定BOD5时，往往需要对原污水加以稀释。因为有毒物质在浓度不同时毒性不同，所以，不同的稀释比对测定结果影响很大。

五、污水的好氧生物处理好氧生物处理是在有游离氧(分子氧)存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较小。且处理过程中散发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水，或者说BOD5浓度小于500mg/L的有机废水，基本上采用好氧生物处理法。好氧生物处理法有：活性污泥法生物膜法六、废水的厌氧生物处理厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处理方法。有机物的转化分为三部分进行：转化为CH4，是可燃气体，可回收利用；被分解为CO2、H2O、NH3、H2S等无机物，并为细胞合成提供能量，少量有机物被转化、合成为新的原生质的组成部分

废水厌氧生物处理过程中不需另加氧源，故运行费用低。还具有剩余污泥少，可回收CH4等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长，处理构筑物容积大等。对于有机污泥和高浓度有机废水(一般BOD≥2000mg/L)可采用厌氧生物处理法。第二节活性污泥法活性污泥法是处理城市污水最广泛使用的方法，它能从污水中去除溶解的和胶体的可生物降解有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些物质。无机盐类(磷和氮的化合物)也能部分地被去除。类似地工业废水也可用活性污泥法处理。

活性污泥法的特点：①处理效率高、出水水质好。②去除的对象广。③处理的水量范围广，大小都能适应。④运行工艺灵活⑤反应速度快。⑥氧化彻底。最终产物为CO2和H2O。⑦可脱氮除磷，使出水水质进一步提高。不足之处：①运行费用高。②对水质水量地变化适应性较差。③不适合处理高浓度有机废水。④污泥较容易发生膨胀，影响处理效果。⑤泥龄较短，产泥量大。⑥污泥尚需进一步稳定处理。污泥膨胀：指污泥结构极度松散，体积增大、上浮，难于沉降分离影响出水水质的现象。基本上目前各种类型的活性污泥工艺都会发生污泥膨胀。污泥膨胀不但发生率高，发生普遍，而且一旦发生难以控制，通常都需要很长的时间来调整。(一)活性污泥好氧微生物生长繁殖，凝聚在一起形成菌胶团。在菌胶团上共生着其它微生物(原生动物等)，并吸附和交织着无生命的固体杂质而形成活性污泥。(二)活性污泥法基本流程(三)活性污泥降解污水中有机物的过程活性污泥在曝气过程中，对有机物的降解(去除)过程可分为两个阶段，吸附阶段和稳定阶段。1、吸附阶段活性污泥具有巨大的表面积，表面上含有多糖类粘性物质，使活性污泥具有很好的吸附性能。污水与活性污泥混合后，污水中固体有机物等污染物先被吸附转移到活性污泥表面，称为吸附阶段。2、稳定阶段吸附转移到活性污泥表面的污染物被微生物分解转化为CO2和H2O等简单化合物及自身细胞，这一过程叫做稳定阶段。(四)活性污泥法的性能指标污泥浓度(MLSS)污泥沉降比(SV)污泥指数(SVI)泥龄(θc)1、混合液悬浮同体(MLSS)混合液悬浮固体也称污泥浓度，是指单位体积混合液含有的悬浮固体量(MLSS)或挥发性悬浮固体量(MLVSS)，单位为mg/L。2、污泥沉降比(SV)3、污泥体积指数(SVI)污泥体积指数简称污泥指数，是指曝气池混合液静置沉淀30min所得污泥层中，单位质量的干污泥所具有的体积，单位为mL/g。已知SV和MLSS，可求SVI。SVI—污泥指数，mL/s；SV—污泥沉降比，%；MLSS—污泥浓度，g/mL。污泥指数反映了活性污泥的密实性和沉降性能。SVI较高，污泥松散，沉降性能较差；SVI过高，污泥已经膨胀，不易沉淀；SVI较低，污泥比较密实，沉淀性能较好；SVI过低，污泥细小密实，含无机物较多，已经老化，此时虽然有较好的沉淀性能，但活性和吸附性能都较差。4、泥龄每天必须从系统中排除与增长量相等的活性污泥量，即剩余污泥，以保持污泥量和活性的稳定。微生物在曝气池中的平均停留时间，又称为泥龄，用θc表示，单位为d。污泥浓度与泥龄有关，而泥龄与剩余污泥排量有关，工程实践中常通过调节剩余污泥排量来控制污泥浓度。出水水质与泥龄有关，泥龄长，出水水质好。随着泥龄的延长，污染物去除率很快达到最大值。二、活性污泥法的运行方式(一)推流式活性污泥法推流式活性污泥法曝气池呈矩形。污水由一端进入，推流式流过整个池子，从另一端流出。推流式活性污泥法的最大优点是处理效率高，出水水质好缺点：①耐冲击负荷能力差②能耗大(二)完全混合式活性污泥法完全混合式活性污泥法曝气池呈圆形、正方形或矩形。圆形和正方形池从中间进水，周边出水。矩形池从一个长边进水，另一个长边出水。耐冲击负荷能力较强微生物的活性强，污泥负荷率高，池容小，基建投资省不会造成氧的浪费，供氧动力消耗相应降低完全混合法各质点性质相同，生化反应传质推动力小，易发生短流，所以出水水质比推流式差，易发生污泥膨胀。(三)吸附再生活性污泥法又称接触稳定法。污水与活性污泥在吸附池内曝气接触15-60min，使其中的大部分悬浮物和胶体物质被活性污泥吸附去除。①适于处理固体和胶体物质含量高的污水。②吸附时问短，池容小，基建投资大幅降低。③能耗低④耐冲击负荷⑤不易发生污泥膨胀⑥出水水质较差(四)延时曝气活性污泥法延时曝气活性污泥法的特点是曝气时间长(约1-2d)，污泥负荷低0.05-0.2kgBOD5/(kgMLSS)，所以曝气池容积较大，空气用量多，投资和运行费用较大，仅适用于小流量污水处理。延时曝气法大都采用完全混合式曝气池。曝气池中污泥浓度较高，剩余污泥少，稳定性好。污泥细小疏松，不易沉淀，沉降时间长，二沉池容积也大。(五)氧化沟氧化沟(又叫氧化渠或循环曝气池)是延时曝气法的一种特殊形式，卡罗塞式氧化沟BMTS型合建式氧化沟与传统活性污泥法相比，氧化沟的基建投资省、运行费用低(中小型污水厂)、耐冲击负荷、污泥产率低，出水水质好。在氧化沟内存在缺氧和好氧交替的区域，能发生硝化与反硝化反应，具有较好的脱N、P作用。(六)吸附生物降解活性污泥法(AB法)AB法的耐冲击能力强，净化效果好，投资省20%-25%，运行费用低10%-20%，可去除难降解有机物，脱氮除磷效果好，是值得推广的活性污泥新工艺。但用AB法脱氮除磷时需控制的参数较多，操作较复杂。另外，污泥产量大，存在污泥处置问题。(七)序批式活性污泥法序批式活性污泥法又称间歇式活性污泥法，简称SBR。SBR工艺优点：(1)系统简单。。(2)耐冲击负荷。(3)净化效果好。(4)操作灵活，智能化水平高。(5)脱氮除磷效果好。(6)污泥膨胀率低。SBR的缺点(1)单一的SBR反应器需要较大的调节池。(2)处理水量大时，操作程序复杂。(3)大水量时，优势不明显。(4)设备闲置率高。(5)污水提升阻力损失较大。(八)连续进水周期循环延时曝气活性污泥法简称ICEAS1—顶反应区；2—主反应区；3—滗水器；4—水下搅拌器；5—大气泡扩散器；6—微孔曝气器特点(1)大水量处理(2)沉淀效果差(3)净化效果变差(4)易发生污泥膨胀(5)污泥负荷低，设备容积增大，投资增加第三节生物膜法生物膜法主要用于从污水中去除溶解性有机污染物，是一种被广泛应用的生物处理方法。生物膜法的主要设备是生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池和生物流化床等。生物膜法的特点是微生物附着在介质“滤料”表面上，形成生物膜，污水同生物膜接触后，溶解性有机污染物被微生物吸附转化为H2O、CO2、NH3和微生物细胞物质，污水得到净化，所需氧气一般直接来自大气。一、生物膜法的基本原理生物膜法主要是用于处理溶解性有机物。污水同生物膜接触后，溶解性有机物和少量悬浮物被生物膜吸附降解为稳定的无机物(CO2、H2O等)。二、生物膜的形成和结构载体、污水、氧气、微生物和悬浮物、微生物群落进一步吸附分解水中溶解态的营养物和少量悬浮物及胶体物质，不断增殖而形成一定厚度的生物膜。构成生物膜的物质是无生命的固体杂质和有生命的微生物。状态良好的生物膜是细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物及同体杂质等构成的生态系统。三、生物膜基本流程四、生物膜的净化过程五、生物膜的分类和特点1、分类按生物膜与水接触的方式不同，生物膜可分为充填式和浸没式两类。充填式，如生物滤池和生物转盘等。浸没式，如接触氧化和生物流化床等。2、特点(1)微生物相复杂，能去除难降解有机物(2)微生物量大，净化效果好(3)剩余污泥少(4)污泥密实，沉降性能好(5)耐冲击负荷，能处理低浓度污水(6)操作简单，运行费用低(7)不易发生污泥膨胀(8)投资费用较大六、生物滤池1、生物滤池的分类根据有机负荷率，可将生物滤池分为普通生物滤池(低负荷生物滤池)、高负荷生物滤池(回流式生物滤池)和塔式生物滤池三种。(1)普通生物滤池在较低负荷率下运行的生物滤池叫做低负荷生物滤池或普通生物滤池。普通生物滤池处理城市污水的有机负荷率为0.15-0.30kgBOD5/(m3·d)。城市污水BOD5去除率85%-95%左右(2)高负荷生物滤池在高负荷率下运行的生物滤池叫做高负荷生物滤池，或回流式生物滤池。高负荷生物滤池处理城市污水的有机负荷率为1.1kgBOD5/(m3·d)左右。城市污水BOD5去除率75%-90%左右

(3)塔式生物滤池由于塔式生物滤池生物膜生长快，没有回流，为防止滤料堵塞，采用的滤池面积较小，以获得较高的滤速。滤科体积是一定的，相对于普通生物滤池面积缩小使高度增大而形成塔状结构，故称为塔式生物滤池。城市污水BOD5去除率为65%-85%

2、生物滤池的构造(1)滤料滤床由滤料组成：①能为微生物提供大量的表面面积。②使污水以液膜状态流过生物膜。③有足够的空隙率。④不被微生物分解，也不抑制微微生物生长。⑤有较好的化学稳定性。⑥有一定机械强度。(2)池壁：生物滤池的池壁起围护滤料、减少污水飞溅的作用，应能承受水压和滤料压力。一般用砖、石或混凝土块砌筑。池壁应高出滤料0.5米，以防风吹影响污水在滤池表面的均匀分布。(3)布水设备：设置布水设备的目的是为了使污水能够均匀地分布在整个滤床上，因为只有在滤床表面均匀地布水，才能充分发挥每一部分滤床的作用，提高滤池的工作效率。另外，布水器还应不受风力的影响，不易堵塞和易于清除。3、影响生物滤池性能的因素滤床高度、负荷率、回流比和供氧情况对滤池的工作性能有显著的影响。(1)滤床高度在生物滤池内，填料层不同高度的微生物量和种类各不相同。滤层上部污水中有机物浓度高，微生物单一，主要是繁殖速度快的细菌，生物膜厚，生物量大，有机物去除速度快。(2)负荷率生物滤池的负荷率有两种表示方式，即有机负荷率和水力负荷率。有机负荷率：kgBOD5/(m3·d)和kgBOD5/(m2·d)

水力负荷率：m3/(m2/d)和m3/(m3/d)

3、回流①促使生物膜脱落，回流使水力负荷加大②改善卫生状况，提高水力负荷率③改善进水水质④稳定进水⑤增加滤床生物量⑥回流的缺点，回流使进水有机物浓度降低，传质速度和生物降解速度减小；缩短污水和滤料的接触时间；难降解物质积累；冬天使水温下降。⑦回流条件，在下列三种情况下应考虑回流：进水有机物浓度高时(BOD5>200mg/L)；水量小无法维持最低水力负荷时；污水中存在高浓度有毒物质时。4、供氧生物滤池一般靠自然通风供氧。影响自然通风效果的主要因素是滤池内外的气温差和滤层高度。温差越大，滤床的气流阻力越小(空隙率大)，通风量也就越大。滤床越高(塔滤)抽风效果就越好。第四节厌氧生物处理厌氧生物处理法是利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌来降解污水或污泥中的有机污染物，分解的最终产物是以甲烷为主的消化气(即沼气)，沼气是可以作为能源利用的。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，称为污泥消化。普通厌氧生物处理法，在构筑物形式上主要采用普通消化池，主要缺点是水力停留时间长，沉淀污泥中温消化时一般需20-30d。现在，厌氧生物处理技术不仅用于处理有机污泥、高浓度有机污水，而且还能够有效地处理诸如城市污水这样的低浓度污水。与好氧生物处理技术相比较，厌氧生物处理技术具有诸多的优点，具有十分广阔的发展空间和应用前景。①应用范围广②能耗低③容积负荷高，反应器容积小，占地少。④剩余污泥量少⑤氮、磷营养需要量较少⑥厌氧处理过程有一定的杀菌作用⑦厌氧活性污泥可以长期贮存厌氧处理法的缺点如下：①厌氧处理设备启动时间长②处理后出水水质差③厌氧生物处理系统的操作控制较复杂。二、厌氧生物处理法的基本原理有机物在厌氧条件下的消化降解过程分为三个阶段，水解酸化阶段(酸性发酵)、产氢产乙酸阶段产甲烷价段(碱性发酵)(1)产酸细菌；(2)产氢产乙酸细菌；(3)同型产乙酸细菌；(4)利用CO2和H2产甲烷菌；(5)分解乙酸产生甲烷菌三、影响厌氧生物处理的因素因甲烷发酵阶段，控制整个厌氧消化过程，所以，厌氧发酵工艺的各项影响因素也以对甲烷菌的影响因素为准。1、温度细菌的生长与温度有关，根据甲烷菌的生长对温度的要求可以将甲烷菌分为三类，低温甲烷菌(5-20℃)中温甲烷菌(20-42℃)高温甲烷菌(42-75℃)。2、pH值和酸碱度水解产酸菌及产氢产乙酸菌对pH值的适应范围为5-8.5，而甲烷菌对pH值的适应范围为6.6-7.5之间。

3、营养比厌氧微生物的生长繁殖需按一定的比例摄取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制污泥或污水的碳、氮、磷比例，碳、氮、磷比控制为(200-300)：5：1为宜。在碳、氮、磷比例中，碳氮比对厌氧消化的影响更为重要。4、搅拌在污泥厌氧消化或高浓度有机污水的厌氧消化过程中，搅拌有利于新投入的新鲜污泥(或污水)与熟污泥(或称消化污泥)的充分接触，使反应器内的温度、有机酸、厌氧菌分布均匀，并能防止消化池表面结成污泥壳，以利沼气的释放。5、有机负荷中温2-3kgCOD/(m3·d)高温4-6kgCOD/(m3·d)6、厌氧活性污泥厌氧活性污泥主要由厌氧微生物及其代谢的产物和吸附的有机物、无机物组成。厌氧活性污泥的浓度和性能与厌氧消化的效率有密切的关系。性状良好的污泥是言氧消化效率的基础保证。7、有毒物质有许多物质会毒害或抑制厌氧菌的生长和繁殖、破坏消化过程。1、厌氧接触法工艺流程为了克服普通消化池不能保留或补充厌氧活性污泥的缺点，在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成厌氧接触法。1—消化池2—沉淀池3—真空脱气器2、厌氧接触法的特点(1)通过污泥回流可以使消化池内保持较高的污泥浓度，因此该工艺耐冲击能力较强。(2)消化池的容积负荷较普通消化池高，但在高的污泥负荷下，厌氧接触工艺也会产生类似好氧活性污泥法的污泥膨胀问题。(3)水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为15-30d，而接触法小于10d。(4)该工艺不仅可以处理溶解性有机污水，而且可以用于处理悬浮物较高的高浓度有机污水，但不宜过高，否则将使污泥的分离发生困难。(5)混合液经沉淀后，出水水质好，但存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点。一、脱氮原理污水脱氮技术可以分为物理化学脱氮和生物脱氮两种技术。1、氮的吹脱处理水中氨氮以氨离子(NH4+)和游离氨(NH3)两种形式保持平衡关系为：NH3+H2O⇌NH4++OH-第五节污水脱氮除磷2、污水生物脱氮原理传统活性污泥法对氮、磷去除，只能是去除细菌细胞由于生理上的需要而摄取的数量，氮的去除率为20%-40%，而磷的去除率仅为10%-30%。污水生物处理中氮的转化包括同化、氨化、硝化和反硝化作用。(1)同化作用。污水生物处理过程中，一部分氮(氨氮或有机氮)被同化成微生物细胞的组分。按细胞干重计算，微生物细胞中氮的含量约为12.5%。(2)氨化作用。有机氮化合物在氨化菌的作用下，分解、转化为氨氮，这一过程称为氨化反应。以氨基酸为例，其反应如下：RCHNH2COOH+O2=NH3+CO2+RCOOH(3)硝化作用。硝化作用是由硝化细菌经过两个过程，将氨氮转化成亚硝酸氮和硝酸氮。氨氮的细菌氧化过程为：NH4++1.5O2=NO2-+H2O+2H+亚硝酸氮的细菌氧化过程为：NO2-+0.5O2=NO3-总反应为：NH4++2O2=NO3-+H2O+2H+硝化反应受下列因素影响：①温度。最佳温度大约是30℃。②溶解氧。DO浓度大于2mg/L。③