廢水生物處理原理

1、污染物質(zhì)污染物質(zhì) 安全物質(zhì)安全物質(zhì)微生物降解一、微生物特點(diǎn) 種類多 目前發(fā)現(xiàn)10萬種 實(shí)際存在10倍以上 分布廣 僅火山中心區(qū)域沒有 生存能力強(qiáng)，部分可培養(yǎng) 例如：硫細(xì)菌 生活在1萬米深的海底溫泉，100萬100億個(gè)硫細(xì)菌/mL海水，供養(yǎng)了蠕蟲、蛤、貝和蟹 以硫化氫為能源，CO2為碳源，100高溫，1140個(gè)大氣壓及厭氧條件下自養(yǎng)生活一、微生物特點(diǎn) 代謝類型多樣 食譜廣 天然有機(jī)物均可被利用 某些毒性物質(zhì)也能被利用 可降解大量污染物質(zhì) 繁殖快 居生物界中第一位 如，大腸桿菌和梭狀芽孢桿菌在最合適的條件下經(jīng)48h后可產(chǎn)生2.21043個(gè)后代，相當(dāng)于4000個(gè)地球的重量。 廢水生化處理啟動(dòng)快一、微

2、生物特點(diǎn) 代謝強(qiáng)度大 比表面積大利于吸收營養(yǎng) 乳酸桿菌：120000m2/m3 雞蛋：1.5m2/m3 體重90Kg的人體：0.3m2/m3 代謝物相當(dāng)多 乳酸桿菌1h產(chǎn)生其體重上萬倍的乳酸 污水處理效率高 易變異 對(duì)周圍環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng) 易于培養(yǎng)專性細(xì)菌 經(jīng)過污泥馴化，可對(duì)特殊污染物進(jìn)行處理 正是由于微生物的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得生物正是由于微生物的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得生物法具有經(jīng)濟(jì)、有效的廢水處理特點(diǎn)。法具有經(jīng)濟(jì)、有效的廢水處理特點(diǎn)。 在各種處理方法中處于主要地位。在各種處理方法中處于主要地位。二、水體自凈現(xiàn)象 污染物濃度的變化 由高變低 生物相的變化 異養(yǎng)細(xì)菌原生動(dòng)物藻類 溶解氧濃度的變化 先下降，后回

3、升二、水體自凈現(xiàn)象水流方向水流方向污染進(jìn)口污染進(jìn)口溶解氧溶解氧藻類藻類細(xì)菌細(xì)菌有機(jī)物有機(jī)物原生動(dòng)物原生動(dòng)物水體的自凈過程 1、異養(yǎng)細(xì)菌大量繁殖，水體溶解氧濃度急劇下降。 2、有機(jī)物濃度顯著下降；原生動(dòng)物大量出現(xiàn)；水中游離氨氮增加。 3、有機(jī)物濃度下降到最低點(diǎn)；溶解氧恢復(fù)；氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽與亞硝酸鹽；有機(jī)物礦化生成磷酸鹽和硫酸鹽，藻類得以繁殖。 如果這些鹽類的含量低，水可逐漸達(dá)到凈化；如含量高，將造成水體的富營養(yǎng)化。河流方向河流方向污染源污染源水體自凈作用原理 物理作用 稀釋、沉淀 化學(xué)作用 氧化還原、中和 生物作用（微生物） 微生物對(duì)污染物質(zhì)的同化、異化作用水體自凈能力 受溶解氧及溫度制約 有機(jī)

4、物濃度高水體缺氧厭氧環(huán)境水質(zhì)變黑、發(fā)臭腐胺、尸胺、腐胺、尸胺、H2S、CH4、CO2、NH3等等具惡臭的發(fā)酵中間物。具惡臭的發(fā)酵中間物。H2S遇鐵產(chǎn)生黑色硫化鐵沉淀。遇鐵產(chǎn)生黑色硫化鐵沉淀。 脂肪烴或正烷烴較芳香烴或環(huán)烷烴易降解；不飽和脂肪族化合物較易降解。 直鏈的中長鏈烴的降解比短鏈烴易。 烷烴中丙烷以上的碳化合物，隨著碳原子數(shù)量的增多降解越容易。 不溶性物質(zhì)，如礦物油類，抗降解能力大。 化合物的分子大小與可降解性有關(guān)，聚合物和復(fù)合物具有較大的抗降解能力，酶分子不能接近和破壞它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 有機(jī)化合物異構(gòu)作用對(duì)可降解性有影響，化合物所含置換集團(tuán)的性質(zhì)、數(shù)量和位置影響著可降解性。 當(dāng)化合物主

5、鏈上有非碳元素時(shí)，降解十分困難。 酚類是易于降解的，酮類介于醛、醇之間，但丁烯酮降解困難。以酚為代表的決大部分有機(jī)物低濃度時(shí)可以降解但在高濃度時(shí)毒性大將抑制微生物的生命活動(dòng)。 廢水中污染物混合后若出現(xiàn)聚合，復(fù)合等現(xiàn)象將加大其抗降解能力。有毒物質(zhì)之間的混合也會(huì)增大毒性作用。 自然界中原有物質(zhì)較易降解，人工合成物質(zhì)則較難。 三、生物降解性四、廢水可生化性的評(píng)價(jià)方法1、生物氧化率 微生物：活性污泥 底物：單一被測物 儀器：瓦氏呼吸儀 檢測參數(shù)：耗氧量 生物氧化率：耗氧量占理論總需氧量的百分比。瓦氏呼吸儀瓦氏呼吸儀四、廢水可生化性的評(píng)價(jià)方法2、呼吸線(耗氧線) a為內(nèi)源呼吸線，若廢水中有機(jī)污染物的耗氧

6、曲線與內(nèi)源呼吸線重合時(shí)，說明有機(jī)污染物不能被微生物所分解，但對(duì)微生物也無抑制作用。b為可降解有機(jī)污染物的耗氧曲線，此曲線應(yīng)始終在內(nèi)源呼吸線的上方。起始時(shí)，微生物代謝速度快，耗氧速度也大，隨著有機(jī)物濃度的減小，耗氧速度下降，耗氧曲線與內(nèi)源呼吸線平行。c為對(duì)微生物有抑制作用的有機(jī)污染物的耗氧曲線。 a類曲線 相應(yīng)的有機(jī)污染物不能被微生物分解，對(duì)微生物的活性亦無抑制作用。 b類曲線 相應(yīng)的有機(jī)污染物是可生物降解的物質(zhì)。 c類曲線 相應(yīng)的有機(jī)污染物在一定濃度范圍內(nèi)可以生物降解，超過這一濃度范圍時(shí)。則對(duì)微生物產(chǎn)生抑制作用。 d類曲線 相應(yīng)的有機(jī)污染物不可生物降解，且對(duì)微生物具有毒害抑制作用。一些重金屬離

7、子也有與此相同的作用。 %100baVVR四、廢水可生化性的評(píng)價(jià)方法3、BOD5/CODCr值Cr BOD5/CODCr0.45，生化性較好； BOD5/CODCr0.30，可生化； BOD5/CODCr0.30，較難生化； BOD5/CODCr0.25，不宜生化；BOD5/TOD值 0.4 0.20.4 0.2 廢水可生化性 易生化 可生化 難生化 測定逐日測定逐日BOD5和和TOD，再以，再以BOD5/TOD值與測定時(shí)間值與測定時(shí)間t作圖作圖(1)搖床試驗(yàn)在培養(yǎng)瓶中加入馴化活性污泥、待測物質(zhì)及無機(jī)營養(yǎng)鹽溶液，在搖床上振搖，培養(yǎng)瓶中的混合液在搖床振蕩過程中不斷更新液面，使大氣中的氧不斷溶解于

8、混合液中，以供微生物代謝有機(jī)物之用，經(jīng)過一定時(shí)間后，對(duì)混合液進(jìn)行過濾或離心分離，然后測定清液的COD或BOD，以考察待測物質(zhì)去除效果。 (2)模型試驗(yàn) 指采用生化處理的模型裝置考察廢水的可生化性。模型裝置通?？煞譃殚g歇流和連續(xù)流反應(yīng)器兩種。 五、微生物降解原理五、微生物降解原理1、大分子有機(jī)化合物 多糖類 纖維素(半纖維素較易降解)+H2O+H2OC1、Cx酶細(xì)胞過程細(xì)胞內(nèi)過程好氧好氧分解分解纖維二糖纖維二糖纖維素纖維素葡萄糖葡萄糖厭氧厭氧分解分解-葡萄糖苷酶 多糖類 淀粉麥芽糖 原果膠原果膠酶果膠甲基酯酶果膠酸酶 木質(zhì)素：難降解 脂類脂肪酶+H2O磷脂酶+H2O酯酶+H2O 烷烴類 甲烷 乙

9、烷、丙烷、丁烷 共代謝：以甲烷為能源 轉(zhuǎn)化為酮、酸類 繼續(xù)被分解 烷烴類 高級(jí)烷烴 烯烴類-氧化-氧化環(huán)氧六、好氧處理原理 好氧生物處理：在提供在提供游離氧游離氧前提下，以好氧微生物前提下，以好氧微生物為主，使有機(jī)物為主，使有機(jī)物降解、穩(wěn)定降解、穩(wěn)定的的無害化無害化處理方法。處理方法。 微生物營養(yǎng)源：膠體狀、溶解性有機(jī)物膠體狀、溶解性有機(jī)物 處理過程 分解反應(yīng)（又稱氧化反應(yīng)、異化代謝、分解代謝） 合成反應(yīng)（也稱合成代謝、同化作用） 內(nèi)源呼吸（也稱細(xì)胞物質(zhì)的自身氧化）C、H、O、N、S + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +能量 異氧微生物C、H、O、N、S + 能量 C5

10、H7NO2 活性污泥活性污泥C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +能量 微生物六、好氧處理原理 正常情況下，各類微生物細(xì)胞物質(zhì)成分相對(duì)穩(wěn)定，可用下列實(shí)驗(yàn)式表示： 細(xì)菌：C5H7NO2 真菌：C16H17NO6 藻類：C5H8NO2 原生動(dòng)物：C7H14NO3 活性污泥 包含微生物、懸浮物、膠體等 吸附、分解有機(jī)物能力強(qiáng)；易沉降 呈絮狀 生物膜 載體上附著呈薄膜狀的活性污泥七、厭氧處理原理 又稱厭氧消化、厭氧發(fā)酵，在厭氧條件下由厭氧或兼性微生物分解復(fù)雜有機(jī)物并產(chǎn)生CH4和CO2 相對(duì)于好氧，污泥增長率小、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低；反應(yīng)時(shí)間長厭氧兩階段理論厭氧兩階段理論 2

11、0世紀(jì)3060年代 第一階段：酸性發(fā)酵階段 主要功能：水解和酸化 主要產(chǎn)物：脂肪酸、醇類、CO2和H2等 主要參與反應(yīng)的微生物：發(fā)酵細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌 特點(diǎn)：生長速率快；環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) 第二階段：產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(fā)酵階段 主要產(chǎn)物：CH4和CO2 主要參與反應(yīng)的微生物：產(chǎn)甲烷菌(Methane producing bacteria) 特點(diǎn)：生長速率慢；對(duì)環(huán)境敏感，要求苛刻 厭氧三階段理論厭氧三階段理論 20世紀(jì)世紀(jì)70年代年代Bryant提出，基于產(chǎn)甲烷細(xì)菌不能利產(chǎn)甲烷細(xì)菌不能利用一碳以上的脂肪酸和醇類用一碳以上的脂肪酸和醇類(可利用乙酸可利用乙酸) 三階段包括：三階段包括： 水解、發(fā)酵階段 產(chǎn)

12、氫產(chǎn)乙酸階段 產(chǎn)甲烷階段 三階段理論基礎(chǔ)上增加了同型產(chǎn)乙酸菌三階段理論基礎(chǔ)上增加了同型產(chǎn)乙酸菌 將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生的H2/CO2合成為乙酸 “三階段三階段理論理論”、“四階段四階段理論理論”是目前公認(rèn)的對(duì)是目前公認(rèn)的對(duì)厭氧生物處理過程厭氧生物處理過程較全面和較準(zhǔn)確較全面和較準(zhǔn)確的描述的描述 碳水化合物厭氧消化碳水化合物厭氧消化酶發(fā)酵脂類厭氧消化脂類厭氧消化酶8次-氧化脂肪酸甘油甘油蛋白質(zhì)厭氧消化蛋白質(zhì)厭氧消化酶發(fā)酵廢水厭氧生物處理過程產(chǎn)酸階段產(chǎn)氣階段八、脫氮原理1、氮生命的重要組成元素 蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA、RNA 約占生物重量的約占生物重量的10%2、氮素的循環(huán) 大氣氮大氣氮固氮固氮蛋白

13、質(zhì)等蛋白質(zhì)等氨等氨等亞硝酸鹽亞硝酸鹽硝酸鹽硝酸鹽大氣氮大氣氮氮素的循環(huán)八、脫氮原理3、氮對(duì)水體的污染 固氮比返回大氣氮多固氮比返回大氣氮多680萬萬t/a 工業(yè)固氮年遞增工業(yè)固氮年遞增10%氮素循環(huán)平衡被破壞氮素循環(huán)平衡被破壞 生活污水及工業(yè)含氮廢水生活污水及工業(yè)含氮廢水 降水溶解土壤中氮肥降水溶解土壤中氮肥4、氮對(duì)水體、生物的危害 水體富營養(yǎng)化：水體富營養(yǎng)化：某些藻類惡性繁殖某些藻類惡性繁殖“水華水華”(bloom)(bloom) 水體缺氧，造成水體黑臭水體缺氧，造成水體黑臭 對(duì)人及生物有毒害作用對(duì)人及生物有毒害作用化合態(tài)氮的毒害作用脫氮八、脫氮原理氨化(Ammonification)(Am

14、monification)： 廢水中的廢水中的含氮有機(jī)物含氮有機(jī)物，在生物處理過程中被，在生物處理過程中被好氧或好氧或厭氧異養(yǎng)型微生物厭氧異養(yǎng)型微生物氧化分解為氧化分解為氨氮氨氮的過程，又稱的過程，又稱氮氮素礦化素礦化。 a.蛋白質(zhì)的氨化蛋白質(zhì)的氨化蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)多肽多肽(二肽二肽)氨基酸氨基酸蛋白酶肽酶氧化脫氨基水解脫氨基還原脫氨基脫羧基b.核酸的氨化核酸的氨化c.尿素、尿酸、幾丁質(zhì)、卵磷脂的氨化尿素、尿酸、幾丁質(zhì)、卵磷脂的氨化核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷嘌呤或嘧啶嘌呤或嘧啶核糖或脫氧核糖核糖或脫氧核糖磷酸磷酸核酸酶核苷酸酶核苷酶八、脫氮原理硝化(Nitrification)： 廢水中的廢水中

15、的氨氮氨氮在好氧自養(yǎng)型微生物（統(tǒng)稱為在好氧自養(yǎng)型微生物（統(tǒng)稱為硝化菌硝化菌）的作用下被轉(zhuǎn)化為）的作用下被轉(zhuǎn)化為NO2 和和NO3 的的過程。過程。1、硝化反應(yīng)的基本原理 1）亞硝化細(xì)菌（氧化氨的細(xì)菌） (Nitrosomonas) 化能無機(jī)營養(yǎng)，專性好氧，最適溫度25-30（5-30），最適pH7.5-8.0（5.8-8.5）， 常見菌：亞硝化單胞菌、亞硝化螺菌、亞硝化球菌、亞硝化葉狀菌。 2）硝化細(xì)菌(Nitrobacter) 最適溫度25-30，最適pH7.5-8.0。NO2-濃度在2-30mmol/L時(shí)化能無機(jī)營養(yǎng)最好， 常見菌有硝化桿菌、硝化螺菌、硝化球菌。42NHNO23NONO2

16、2、硝化反應(yīng)過程、硝化反應(yīng)過程 亞硝化反應(yīng)亞硝化反應(yīng) 硝化反應(yīng)硝化反應(yīng) 總細(xì)菌產(chǎn)率：總細(xì)菌產(chǎn)率： 0.02g/gNO2- - N。 氧化氧化1mg氨氮為硝酸氮氨氮為硝酸氮 ： 耗氧4.27mg； 耗堿度7.07mg(以CaCO3計(jì))。423572222355761095457104NHOHCOCHONNOHOHCO2423325722340041953400NONHH COHCOOC H O NH ONO因此，污水必須要有足夠堿度。因此，污水必須要有足夠堿度。 八、脫氮原理反硝化(Denitrification)(Denitrification)： 缺氧缺氧條件下廢水中的條件下廢水中的NO2

17、和和/或或NO3 在在反硝化菌反硝化菌（異養(yǎng)型兼性厭氧菌）的作用下被還原為（異養(yǎng)型兼性厭氧菌）的作用下被還原為N2的過程。的過程。 反硝化反應(yīng)的途徑反硝化反應(yīng)的途徑 同化反硝化： 最終產(chǎn)物為有機(jī)氮化合物菌體的組成部分 異化反硝化： 最終產(chǎn)物是氮?dú)?N2)或笑氣(N2O) 反硝化反應(yīng)過程反硝化反應(yīng)過程 反硝化反應(yīng)方程式反硝化反應(yīng)方程式 以H為電子供體： 以甲醇為電子供體：3222NOHNOH O2222264HNOHNH O 33222332NOCH OHNOH OCO23222223HNOCH OHNH OCO 廢水好氧脫碳缺氧反硝化沉淀池好氧硝化沉淀池1好氧活性污泥回流缺氧活性污泥回流出水出

18、水回流回流九、除磷原理1、磷在廢水中的存在形式磷酸鹽、聚磷酸鹽、有機(jī)磷一般細(xì)菌：攝取定量磷滿足生理需要。磷細(xì)菌：可過量攝取磷，以聚合磷酸鹽形式貯存在體內(nèi)。聚磷細(xì)菌：種類較多，其中聚磷能力強(qiáng)的優(yōu)勢菌有不動(dòng)桿菌莫拉氏菌群、假單胞菌屬、氣單胞菌屬、黃桿菌屬等。 2、除磷過程、除磷過程 1)除磷菌過量攝取磷 好氧條件下，除磷菌利用廢水中的BOD5或體內(nèi)貯存的聚-羥基丁酸的氧化分解所釋放的能量來攝取廢水中的磷，一部分磷被用來合成ATP，另外絕大部分的磷則被合成為聚磷酸鹽而貯存在細(xì)胞體內(nèi)。 2)除磷菌磷釋放 厭氧條件下，除磷菌能分解體內(nèi)的聚磷酸鹽而產(chǎn)生ATP，并利用ATP將廢水中的有機(jī)物攝入細(xì)胞內(nèi)，以聚-

19、羥基丁酸等有機(jī)顆粒的形式貯存于細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)還將分解聚磷酸鹽所產(chǎn)生的磷酸排出體外。 3)富磷污泥排放 好氧條件下所攝取的磷比厭氧條件下所釋放的磷多，利用除磷菌的這一過程，將多余剩余污泥排出系統(tǒng)即達(dá)到除磷目的。十、生化處理方法分類 起作用的微生物不同。好氧處理是由好氧微生物和兼性微生物起作用；而厭氧處理是厭氧菌和兼性菌起作用。 產(chǎn)物不同。好氧處理中有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、NH3或NO2-、SO42-等。厭氧處理中有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為CH4、NH3等。 反應(yīng)速率不同。好氧處理有機(jī)物轉(zhuǎn)化速率快，處理設(shè)備內(nèi)停留時(shí)間短、設(shè)備體積小。厭氧處理有機(jī)物轉(zhuǎn)化速率慢，需要時(shí)間長，設(shè)備體積龐大。 對(duì)環(huán)境要求條件不同。

20、好氧處理要求充分供氧。厭氧處理要求絕對(duì)厭氧的環(huán)境，對(duì)環(huán)境條件要求甚嚴(yán)。 活性污泥法于1914年首先在英國被應(yīng)用。近二十多年來，隨著對(duì)其生物反應(yīng)和凈化機(jī)理的廣泛深入的研究，以及該法在生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)上的不斷改進(jìn)和完善。使它得到了迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了多種工藝流程和工藝方法，使得該法的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，處理效果不斷提高，工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理更加科學(xué)化。目前，活性污泥法已成為城市污水、有機(jī)工業(yè)廢水的有效處理方法和污水生物處理的主流方法。第一個(gè)生物膜法處理設(shè)施1893年在英國試驗(yàn)成功，1900年后開始付諸污水處理實(shí)踐，并迅速歐美得到廣泛應(yīng)用。50年代，在德國建造了塔式生物濾池，這種濾池高度大，具有通風(fēng)良好、凈

21、化效能高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。生物轉(zhuǎn)盤出現(xiàn)于60年代。由于它凈化功能好、效果穩(wěn)定、能耗低，因此在國際上得到了廣泛應(yīng)用。70年代初期出現(xiàn)了生物流化床具有BOD容積負(fù)荷大、處理效率高、占地面積小、投資省等特點(diǎn)，生物活性炭法是近年來發(fā)展起來的，已在世界上許多國家采用。近年來出現(xiàn)的生物接觸氧化法、投料活性污泥法，均是兼有活性污泥法和生物膜法特點(diǎn)的生物處理法。 厭氧生物處理法，是在無氧的條件下由兼性厭氧菌和專性厭氧菌來降解有機(jī)污染物的處理方法，該法的應(yīng)用已有一百多年歷史。從70年代起，其理論研究和實(shí)際應(yīng)用都取得了很大的進(jìn)展。近年來，一些新的厭氧處理工藝或設(shè)備，如上流式厭氧污泥床、上流式厭氧濾池、厭氧接觸法、厭氧流化床及兩相厭氧消化工藝等相繼出現(xiàn)，使厭氧生物處理法所具有的能耗小并可回收能源，剩余污泥量少，生成的污泥穩(wěn)定，易處理，對(duì)高濃度有機(jī)污水處理效率高等優(yōu)點(diǎn)，得到充分地體現(xiàn)。 60年代以來，生物脫氮除磷工藝受到重視，先后開發(fā)了厭氧-好氧(A1-O)和缺氧-好氧(A2-O)