廢水生物處理基本原理與技術

第十章廢水生物處理根本原理與技術第一節(jié)概述一、水體的污染——富營養(yǎng)化1、富營養(yǎng)化：指水體中因氮、磷等元素含量過高而引起水體表層的藍細菌和藻類過度生長繁殖的現(xiàn)象。此時，下層水體不但因缺光而少氧，而且大量死藻因細菌的分解而進一步造成了厭氧和有毒的環(huán)境。2、水華：發(fā)生在淡水水體〔池、河、江、湖〕中的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。特點：在溫暖的季節(jié)，當水體中氮磷比到達15~20：1時，水中藍細菌和浮游藻類突然快速繁殖，從而使水面形成了一薄層藍、綠色的藻體和泡沫。3、赤潮：發(fā)生在河口、港灣或淺海等咸水區(qū)水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。4、湖泊富營養(yǎng)化的成因分為天然富營養(yǎng)化和人為富營養(yǎng)化。天然富營養(yǎng)化要經過幾千年甚至幾萬年才能完成，而人類經濟活動可導致湖泊在短短幾年內就出現(xiàn)富營養(yǎng)化；人為富營養(yǎng)化是當代湖泊富營養(yǎng)化的主要因素。碳、氮、磷是生成藻類的決定性因素，也是構成湖泊水體富營養(yǎng)化的決定性因素。由于藻類可利用的氮遠比可利用的磷多，因此，磷常被作為富營養(yǎng)化的限制因子。當磷含量到達0.6mg/L時，藻類產量幾乎不受氮元素含量的影響。我國環(huán)境標準規(guī)定，在靜止水體中，總磷濃度0.02mg/L、ＮＨ4＋濃度為0.5mg/L為富營養(yǎng)化的臨界值。6、消除湖泊富營養(yǎng)化的關鍵問題從技術上說，消除湖泊富營養(yǎng)化的關鍵還在于削減湖泊水體的氮、磷以及底泥有機碳和氮、磷的負荷。消除水體中藻類瘋長的根底，到達降低水體中藻類生物量、提高水體透明度的目的。二、微生物對污染物的降解與轉化

1、主要污染物

無毒有機物:易被生物降解;有毒有機物:不易被生物降解。

無毒無機物:一些營養(yǎng)性無機鹽;有毒無機物:重金屬Hg,As,Pb,等2、微生物的降解與轉化

對無機污染物的轉化：微生物不能降解重金屬，只能使它們發(fā)生形態(tài)之間的相互轉化及分散和富集過程。也就是改變金屬在環(huán)境中的存在轉態(tài)，從而改變它們的毒性

對有機污染物的降解：農藥：主要通過催化作用使農藥分子發(fā)生一些結構改變，使其被分解。石油：多種烴類混合物，多種微生物共同作用

三、水污染及指標1、水的污染源：污水分為生活污水、農牧業(yè)污水和工業(yè)廢水〔有機污水、有毒污水〕。污染物：有機物、氨氮、藻類分泌物、揮發(fā)酚、氰化物、重金屬、農藥等。2、污水處理中評價水質的指標：

COD(化學需氧量〕：使用強氧化劑使1L污水中的有機物進行化學氧化時所消耗的氧的毫克數(shù)。單位：mg/L，常用的化學氧化劑有：K2Cr2O7(CODCr)和KMnO4〔2〕BOD5(五日生化需氧量)：20℃時，每L廢水所含有機物在5天內進行微生物氧化時所消耗的氧量。單位mg/L。

〔3〕TOD(總需氧量)：指污水中能被氧化的物質〔主要是有機物〕在高溫下燃燒變成穩(wěn)定氧化物所需的氧量。是評價某水質的綜合指標之一?！?〕DO(溶解氧量)：指溶于水體中的分子態(tài)氧，是評價水質優(yōu)劣的重要指標。天然水的DO值一般為5～10mg/L。我國規(guī)定地面水水質合格標準為DO>4mg/L。〔5〕SS(懸浮物含量)：指污水中不溶性固態(tài)物質的含量。四、微生物處理污水的原理

就是在污水處理這一小型生態(tài)系統(tǒng)內，利用各種生理生化性能的微生物類群間的相互配合而進行的一種物質循環(huán)過程。五、用于污水處理的特種微生物：自然界中廣泛存在著能分解特定污染物的微生物，假設能對它們進行別離、選育并進行遺傳改造，就可獲得能治理特定污染物的高效菌種。如：分解氰：有能產生氰水解酶的Nocardiaspp(一些諾卡氏菌)Pseudomonasspp〔一些假單胞菌〕

分解炸藥成分：可分解三硝基甲苯〔TNT〕的有一些檸檬酸桿菌、一些腸桿菌等。

六、微生物法處理污水的裝置產能型氧化塘法灑水濾床法活性污泥法推流式曝氣法污水處理裝置耗能型完全混合曝氣法生物膜法生物轉盤法塔式濾池法節(jié)能型厭氧消化法〔沼氣發(fā)酵〕入水口氧化池活性污泥池一級凈化池最終凈化池〔三級凈化池〕二級凈化池出水口污水凈化三級處理的模式圖表9-7污水凈化中三級處理的主要步驟處理步驟過程一級處理通過沉淀、篩分、加明礬和其他凝絮劑以及其他物理方法去除水中不溶的顆粒二級處理生物方法去除水中的可溶性有機物細流過濾活性污泥氧化塘延長通氣系統(tǒng)厭氧消化三級處理生物去除無機營養(yǎng)物化學去除無機營養(yǎng)物微生物的去除和滅活微量化學物質的去除[引自LansingM.PrescottetalMicrobiology(fifthedition)]第二節(jié)廢水生物處理根本原理根本原理：是指通過微生物酶的作用,將廢水中的污染物氧化分解.在好氧條件下污染物最終被分解成CO2和H2O,在厭氧條件下污染物最終形成CH4，CO2，H2S，N2，H2和H2O以及有機酸和醇等.1.廢水生物處理過程絮凝作用；吸附作用；氧化作用；沉淀作用二.好氧生物處理遵循水體自凈的一般規(guī)律，是對水體自凈功能的強化；主要利用好氧微生物的代謝作用，通過增加生物量，并提供其所需要的氧氣和營養(yǎng)等必需生活條件，提高微生物群體對水中有機污染物的降解速率，在較短的時間內，使廢水到達一定的凈化程度。在生化處理前后，根據(jù)水質不同需要進行必要的預處理和后續(xù)處理，以保障生化處理的正常運行和排水的水質?；竟に嚵鞒?.活性污泥法活性污泥定義：以需氧性細菌為主體的微生物與水中的懸浮物質、膠體物質聚集在一起形成的肉眼可見的絮狀顆粒，也稱絮凝體〔floc〕

活性污泥在曝氣池中以絮體形式存在,它有較強的吸附,氧化廢水中有機物和毒物的能力,又有良好的沉降性能,使廢水處理能連續(xù)進行.活性污泥法工作原理：是在充分曝氣供氧條件下,以廢水中有機污染物質作為底物,對活性污泥進行連續(xù)或間歇培養(yǎng),并將有機污染物質無機化的過程.

活性污泥設施的內部構造活性污泥的特點吸附力強分解力強良好沉降性：靜置時能立即凝聚成較大的絨粒而沉降pH緩沖力強，適應性強。菌群細菌腐生的原生動物捕食性原生動物，如纖毛蟲活性污泥中菌膠團細菌和絲狀細菌的復合體顯微照片城市污水處理廠中的活性污泥設施-曝氣池〔Aerationtank〕曝氣池〔Aerationtank〕沉淀池〔settingtank〕水質凈化后排出飲用水的進一步凈化常見活性污泥法的運行方式推流式均衡曝氣法漸減曝氣法階段曝氣法延時曝氣法吸附-再生法〔接觸穩(wěn)定法〕完全混合式曝氣法深井曝氣法2.生物膜法綜合了水體自凈和土壤自凈作用的一種廢水處理技術；在生化處理構筑物中，設置填料或特殊的設施，在其外表形成由各種微生物組成的生物膜，利用水體中的活性污泥和填料上的生物膜的作用，使廢水得到凈化；由于增設了“著床〞，生物膜的生物相更豐富,組成更復雜，食物鏈延長，生態(tài)系統(tǒng)更加完善，因而提高了對廢水處理的效率和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。常見生物膜法〔1〕生物濾池法〔2〕塔式生物濾池〔3〕生物轉盤法〔4〕接觸氧化法〔5〕生物流化床技術A、滴濾池法〔節(jié)能型〕〔灑水濾床法〕B、生物轉盤法〔耗能型〕適合土地面積緊張的大城市內利用生物膜處理污水的方法。生物轉盤一般是由一組質輕、耐腐蝕的塑料圓板以一定間隔串接在同一橫軸上而成。每片圓盤的下半部都浸沒在盛滿污水的半圓形槽中，上半部那么敞露在空氣中，整個生物轉盤由電機緩緩驅動，在運轉初期，污水槽中的水流十分緩慢，為的是使每一盤片上長好一層生物膜。此后，污水流速可適當增快，隨著圓盤的不停轉動，污水中的有機物和毒物就會被生物膜上的微生物吸附、充氧、氧化和分解，從而使流經的污水得到凈化。隨著時間的推延，盤片上的生物膜也會不斷生長、加厚、老化和脫落，然后又長出新的生物膜。轉盤上的生物也以表層的好氧細菌為主，另有多種原生動物如植鞭毛蟲、纖毛蟲和吸管蟲。氧化溝技術完全模仿了河流的自凈過程在溝渠的一定間隔處設置“轉刷〞：推進水體的流動、向水體中復氧、攪拌以加強微生物對廢水的凈化作用，縮短凈化過程；氧化溝的結構特點和“轉刷〞的設置，使水體在向前流動中，不斷經歷好氧與厭氧環(huán)境的交替，不僅可以有效地去除各種污染物，同時具有良好的脫氮除磷效果；具有操作簡單、管理方便、運行穩(wěn)定等特點。氧化溝污水處理工藝流程第三節(jié)氧化塘1.氧化塘的概念

氧化塘又名生物塘，是經過人工適當修整的土地，設圍堤和防滲層的污水池塘，主要依靠自然生物凈化功能，使污水得到凈化的一種污水生物處理技術。2.氧化塘的污水凈化原理1)塘中污水的凈化過程與自然水體的自凈作用相近，除個別類型如曝氣塘外，在提高其凈化功能方面不采取實質性的人工強化措施；2)污水在塘內緩慢的流動、較長時間的貯留,通過稀釋作用、沉淀作用、絮凝作用和生物氧化作用使污水得到凈化；3)氧化塘中的藻菌互生系統(tǒng)在污水凈化過程中發(fā)揮著重要作用，是好氧塘凈化污水的主要機制。3.藻菌互生系統(tǒng)

有機物主要在細菌代謝作用下去除，細菌代謝過程產生的大量CO2為藻類提供了光合作用的原料，而藻類通過光合作用產生的氧和大氣復氧為好氧和兼性細菌提供了氧氣。在穩(wěn)定塘內細菌和藻類之間就是保持著這樣的相互依存，相互制約的關系。

藻菌互生系統(tǒng)模式圖

4.氧化塘的分類

根據(jù)氧化塘內的溶解氧和污水凈化過程中起主導作用的微生物種類，可把氧化塘分為好氧塘、厭氧塘、兼性塘和曝氣塘。

第四節(jié)厭氧生物處理一.概述厭氧生物處理是指在無氧條件下，通過厭氧微生物的作用，將污水中所含的各種復雜有機物，如碳水化合物〔糖類〕、脂肪、蛋白質等經厭氧分解轉化成甲烷和二氧化碳等物質的過程。因為傳統(tǒng)厭氧生物處理方法效率低，需時長，受各種因素影響大，所以，長久以來主要被用于城市污水處理廠污泥的處理，即污泥消化；或在農村用于沼氣生產，即沼氣發(fā)酵。

二、厭氧處理原理

第一階段：水解、發(fā)酵階段；第二階段：產氫產乙酸階段，第三階段：產甲烷階段〔通常產甲烷是速度限制步驟〕。三.厭氧消化過程的主要微生物類群及其生理特性

厭氧生物處理過程是一個復雜的、連續(xù)的生物化學過程，參與厭氧消化的微生物類群總體上可分為兩大類，即包括發(fā)酵細菌、產氫產乙酸菌以及同型產乙酸菌在內的非產甲烷菌和產甲烷菌。這些微生物因其生理功能的差異，在厭氧生物處理過程中所發(fā)揮的作用也各不相同。

1.非產甲烷菌

非產甲烷細菌也被稱為產酸菌，它們能將復雜有機底物通過發(fā)酵作用產生揮發(fā)性有機酸(簡寫為VFA)和醇類，常使其生存環(huán)境的pH值保持在較低的水平。

非產甲烷細菌主要包括發(fā)酵細菌群,產氫產乙酸細菌群和同型產乙酸細菌群。

發(fā)酵細菌群

發(fā)酵細菌種類很多，主要包括梭桿菌屬、擬桿菌屬、丙酸桿菌屬、氣桿菌屬等，主要參與復雜有機物的水解，并通過丁酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、乳酸發(fā)酵和乙醇發(fā)酵等將水解產物轉化為乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等揮發(fā)性有機酸及乙醇、CO2、H2

等。

產氫產乙酸細菌群

產氫產乙酸細菌可將發(fā)酵細菌產生的VFA和醇轉化為乙酸、H2/CO2。這類細菌大多為發(fā)酵性細菌，亦有專性產氫產乙酸菌。

同型產乙酸細菌群同型產乙酸菌可將CO2和H2通過復原過程轉化為乙酸，同時可以降低系統(tǒng)的氫分壓，消除了對產氫產乙酸菌的產乙酸過程的抑制作用，有利于厭氧發(fā)酵過程的正常進行。

2.產甲烷細菌產甲烷細菌屬古細菌，是一個很特殊的生物類群。這類細菌可利用H2復原CO2合成CH4，亦可利用一碳有機化合物和乙酸為底物。產甲烷細菌是沼氣發(fā)酵微生物的核心，也是自然界碳素物質循環(huán)中，厭氧生物轉化的最后一組成員，在自然界碳素循環(huán)的動態(tài)平衡中具有重要作用。

產甲烷菌的形態(tài)

與產酸發(fā)酵細菌相比，產甲烷細菌種類較少，但它們在形態(tài)上仍有明顯的差異，有桿狀、絲狀、球狀、螺旋狀和八疊球狀等。

產甲烷細菌的營養(yǎng)特征在純培養(yǎng)條件下，幾乎所有的產甲烷細菌都能利用H2和CO2生成甲烷；在厭氧生物處理中，絕大多數(shù)產甲烷細菌都能利用甲醇、甲胺、乙酸；產甲烷細菌不能直接利用除乙酸外的二碳以上的有機物質；所有的產甲烷細菌都能利用NH4+；產甲烷細菌在生活中需要某些維生素，尤其是B族維生素。

產甲烷細菌的生理特征嚴格專性厭氧：產甲烷細菌對氧非常敏感，遇氧后會立即受到抑制。世代長，生長緩慢：產甲烷細菌在自然界中生長特別緩慢，即使在人工培養(yǎng)條件下，也要經過18d乃至幾十天才能長出菌落。

產甲烷細菌的生理特征對環(huán)境變化非常敏感：產甲烷細菌對其生存環(huán)境的要求非?？量?，各種生態(tài)因子的生態(tài)幅均較窄。如所有產甲烷細菌都只能生活在氧化復原電位低于300mV以下的環(huán)境中，而對pH值那么要求在中性；產甲烷細菌別離培養(yǎng)比較困難：由于產甲烷細菌是嚴格的厭氧菌，受技術手段限制，培養(yǎng)別離產甲烷細菌很困難。所以，70年代中期以前產甲烷細菌新種發(fā)現(xiàn)得不多，目前，全世界報導的產甲烷細菌約有40多種。。

第五節(jié)廢水生化處理中主要微生物類群好氧處理微生物類群厭氧處理微生物類群

一.好氧處理主要微生物類群A細菌是分解有機物的主力；細菌聚集成菌膠團,形成絮狀物。細菌：吸附有機物,并分解之；吸附金屬離子與有機物形成絡合物；保護細菌；利于沉降；原生動物:吞噬游離細菌；吞噬微小污泥；分泌粘性物質；利于絮凝；B霉菌:利于絮凝；C酵母菌:分解氰、酚。預處理：去掉一些大的顆粒、稀釋污水；

曝氣：微生物分解有機物或有毒物；原理：是群體的協(xié)同作用。沉淀：出水、回流局部污泥。濃廢水（BOD10000ml/L)可溶化處理

調正pH值PSB處理No.1菌種槽回流培養(yǎng)槽

No.2No.3No.4沉淀池氧化池排放

菌體利用

稀廢水BOD500ml/L左右

光合細菌處理廢水一般工藝流程二.厭氧處理主要微生物類A水解階段：由多種厭氧或兼性厭氧的水解性或發(fā)酵性細菌把纖維素、淀粉等糖類水解成單糖，并進而形成丙酮酸；把蛋白質水解成氨基酸，并進而形成有機酸和氨；把脂類水解成甘油和脂肪酸，并進而形成丙酸、乙酸、丁酸、琥珀酸、乙醇、H2和CO2。參與本階段的水解性細菌包括專性厭氧菌如梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬等，兼性厭氧菌如鏈球菌屬和一些腸道桿菌等。B產酸階段：由厭氧的產氫產乙酸細菌群把第一階段產生的各種有機酸分解成乙酸、H2和CO2的過程。C產氣階段：由嚴格厭氧的產甲烷菌群利用一碳化合物〔CO2、甲醇、甲酸、甲基胺或CO〕、二碳化合物〔乙酸〕和H2產甲烷的過程。產甲烷菌：是一類必須生活在嚴格厭氧環(huán)境下并伴有甲烷產生的古生菌。1.厭氧生物處理過程中微生物優(yōu)勢種群的更迭

在厭氧生物處理系統(tǒng)中〔如在消化反響器中〕，由于內部各區(qū)域生態(tài)位的差異，造成非產甲烷細菌、產甲烷菌等各類群細菌有規(guī)律地出現(xiàn)演替。2.在非完全混合反響器中，優(yōu)勢種群沿水流方向的演變規(guī)律非產甲烷細菌和產甲烷細菌之間的相互關系

非產甲烷細菌為產甲烷細菌提供生長繁殖的底物非產甲烷細菌為產甲烷細菌創(chuàng)造了適宜的氧化復原電位非產甲烷細菌為產甲烷細菌去除了有毒物質產甲烷細菌為非產甲烷細菌的生化反響解除了反響抑制非產甲烷細菌和產甲烷細菌共同維持環(huán)境中的適宜pH值原生動物在廢水處理中的作用〔1〕促進生物絮凝作用〔2〕吞噬游離細菌和微小顆粒〔3〕吸收分解有機物〔4〕可以作為廢水處理程度或水體污染程度的指示生物三、厭氧處理工藝厭氧處理工藝包括很多，如厭氧接觸法(AnaerobicContagion)、升流式厭氧污泥床法(UpflowAnaerobicSludgeBed，簡稱UASB)、厭氧流化床法(AnaerobicFluidizedBed，簡稱AFB)、內循環(huán)反響器法和膨脹顆粒污泥床法〔ExpandedGranularSludgeBed，簡稱EGSB〕等等。UASB反響器是20世紀70年代荷蘭農業(yè)大學環(huán)境系G.Lettinga等創(chuàng)造的，目前作為一種高效的厭氧處理裝置已得到了廣泛的研究和應用推廣。UASB反響器的結構和特性UASB反響器運行有三個重要前提即：1.反響器內形成沉降性能良好的顆粒污泥或絮狀污泥；2.由產氣和進水的均勻分布所形成的良好的自然攪拌作用；3.設計合理的三相別離器，使沉淀性能良好的污泥能保存在反響器內。特點：①污泥回流和機械攪拌一般維持在最低限度，甚至完全取消；②反響器上部安裝一個氣－液－固三相別離器系統(tǒng)，消化液所攜帶的污泥能自動返回到發(fā)酵區(qū)內。三相別離器的主要目標1、從反響器中別離和排放出產生的沼氣；