第三章 水的生物化化学处理法3

第三章水的生物化学处理方法主讲人：董佳E-mail：[e-mail]第三节好氧附着生长处理技术一、生物膜的构造及其对有机物的降解机理废水以液膜状流经生物膜表面，进行有机物和氧气的传质。生物膜不断增厚，内部出现厌氧生物膜脱落，完成更新过程生物膜法的类型：（1）润壁型生物膜法废水和空气沿固定的或转动的接触介质表面的生物膜流过，如生物滤池和生物转盘等；（2）浸没型生物膜法生物膜载体完全浸没在水中，通过鼓风曝气供氧。如载体固定，称为接触氧化法；如载体流化则称为生物流化床生物膜法润壁型生物膜法浸没型生物膜法生物滤池生物转盘接触氧化法生物流化床二、生物滤池•高负荷生物滤池–BOD5容积负荷是普通生物滤池的6~8倍，水力负荷为普通生物滤池的10倍。–使用聚氯乙烯等蜂窝式填料建设中的生物滤池•高负荷生物滤池的流程图•塔式生物滤池–高达8~24m，直径1~4m–水力负荷为80~200m3/m2.d;BOD负荷高达2000~3000g/m3.d–一般采用大孔径波纹板滤料三、生物转盘1、生物转盘的构造及净化废水的原理生物转盘由盘片、接触反应槽、转轴及驱动装置所组成。如图：2、净化作用原理—废水处于半静止状态，而微生物则在转动的盘面上；—转盘40%的面积浸没在废水中，盘面低速转动；—盘面上生物膜的厚度与废水浓度、性质及转速有关，一般0.1~0.5mm。3生物转盘系统的典型工艺流程（1）生物转盘的布置形式单轴多级式生物转盘4、处理特点转盘上生长的微生物量很大，单位面积转盘上的微生物量最高可达5mg／cm2，折算成氧化槽(废水槽)混和液浓度大体为10000～20000mg／L。BOD5负荷可达10～20g／m2(盘面)·d，转盘水槽容积负荷达1.5～3.0kg/m3·d；微生物基本处于内源呼吸期，脱落污泥量少。生物转盘对冲击负荷的适应力也强。可适应pH值在4.8～9.5范围内的变化；温度在13～23℃范围内时，对处理效果影响不大工作可靠、不易堵塞、污泥不易膨胀、氧利用率高等特点，适于处理流量小的工业废水。四生物接触氧化法接触氧化法的优点是：容易管理，耐负荷、水温变动的冲击力强；剩余污泥量少；比较容易去除难分解和分解速度快的物质。接触氧化法的缺点是：滤料间水流缓慢，接触时间长，水力冲刷力小，生物膜只能自行脱落；剩余污泥往往恶化处理水质；动力费高。填料的材料：要求比表面积大、空隙率大、水力阻力小、强度大、化学和生物稳定性好、能经久耐用。目前常采用的填料是聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料和环氧玻璃钢等做成的蜂窝状和波纹板状填料。这些填料的缺点是：在局部平滑面上生物膜附着较慢，稍有冲击即剥离，填料之间不具备通道，使水流单调。生物接触氧化滤池内常用的填料生物接触氧化法填料接触氧化池反应区的构造生物填料框架框架与生物填料框架与生物填料挂膜后的网状填料为了防止堵塞，可采用集中布气接触氧化池，使生物膜直接受上升气流的强烈搅动，以加速生物膜更新。由于微生物栖息填料上，因此，不需回流污泥，不产生污泥膨胀问题。生物接触氧化法美国Ecolotrol公司1973—1975年研制成功的HyFlo生物流化床五、生物流化床床层的三种状态固定床阶段流化床阶段液体输送阶段流态化原理当液体以很小的速度流经床层时，固体颗粒处于静止不动的状态，床层高度也基本维持不变，这时的床层称固定床。固定床阶段上图中的ab段：液体通过床层的压力降△p随空塔速度v的上升而增加，呈幂函数关系，在双对数坐标图纸上呈直线。上图中的b点：液体滤速增大到压力降△p大致等于单位面积床层重量，固体颗粒间的相对位置略有变化，床层开始膨胀，固体颗粒仍保持接触且不流态化。流化床阶段当液体流速大于b点流速，床层不再维持于固定状态，颗粒被液体托起而呈悬浮状态，且在床层各个方向流动，在床层上部有一个水平界面，此时由颗粒所形成的床层完全处于流化态状态，这类床层称流化床。上图中的bc段：流化层的高度h是随流速上升而增大，床层压力降△p则基本不随流速改变。b点的流速vmin是达到流态化的起始速度，称临界流态化速度。临界速度值随颗粒的大小、密度和液体的物理性质而异。液体输送阶段当液体流速提高至超过c点后，床层不再保持流化，床层上部的界面消失，载体随液体从流化床带出，这阶段称液体输送阶段。在水处理工艺中，这种床称“移动床”或“流动床”。上图中的c点的流速vmax称颗粒带出速度或最大流化速度。流化床的正常操作应控制在vmin和vmax之间。流化床的类型根据生物流化床的供氧、脱膜和床体结构的不同，好氧生物流化床主要有两种类型：两相生物流化床三相生物流化床两相生物流化床三相生物流化床三相流化床设备较简单，操作亦较容易，此外，能耗也较二相流化床低。三相生物流化床是气、液、固三相直接在流化床体内进行生化反应，不另设充氧设备和脱膜设备，载体表面的生物膜依靠气体的搅动作用，使颗粒之间剧烈摩擦而脱落。三相生物流化床的设计应注意防止气泡在床内合并成大气泡而影响充氧效率。充氧方式减压释放空气充氧射流曝气充氧生物流化床的优缺点生物流化床的主要优点滤床具有巨大的表面积容积负荷高，抗冲击负荷能力强微生物活性强传质效果好生物流化床每单位体积表面积比其他生物膜大，单位床体的生物量很高（10～14g/L），传质速度快，废水一进入床内，很快被混合稀释。对同类废水，在相同处理条件下，其生物膜的呼吸速率约为活性污泥的两倍，可见其反应速率快，微生物的活性较强。由于载体颗粒在床体内处于剧烈运动状态，气－固－液界面不断更新，因此传质效果好，这有利于微生物随污染物的吸附和降解，加快了生化反应速率。生物流化床的优缺点生物流化床的主要缺点防堵塞曝气方法进水配水系统的选用生物颗粒流失设备的磨损较固定床严重，载体颗粒在湍动过程种会被磨损变小。设计时存在着生产放大方面的问题：生物流化床的进展——载体的研究生物流化床工作性能的提高，关键在于载体的革新试验研究表明，这种工艺尤其适用于高浓度有机污水的预处理以及低BOD5值污水的处理，有较好的发展前景。砂质载体虽耐磨但相对密度大（2.65左右），不易流化颗粒活性炭不耐磨空心塑料载体：密度略小于水而又耐磨的粒状或近于粒状（即体积小）的载体滤池形式比表面积/（m2•m-3）平均值大致比值备注普通生物滤池40~70501块状滤料，粒径平均8cm左右生物转盘1001002以D=3.6m转盘为例塔式生物滤池1001603以ø25蜂窝为例生物流化床1000~3000200040以粒径1~1.5mm砂粒为例容积负荷率工艺名称普通生物滤池生物转盘塔式滤池接触氧化池普通活性污泥法纯氧曝气活性污泥法生物流化床低负荷高负荷kg(BOD5).m-3.d-10.20.81.02.03.50.53.010.0几种生物处理法容积负荷率的比较几种生物滤床比表面积的比较几种生物处理系统比表面积和负荷率的比较第四节厌氧生物处理技术一厌氧法的基本原理二厌氧法的影响因素三厌氧法的工艺和设备厌氧生化法与好氧生化法相比具有下列优点：（1）既适用于高浓度废水，又适用于中低浓度废水。（2）能耗低：厌氧法产生的沼气可作为能源。（3）负荷高：厌氧法为2～10kgCOD/m3·d。（4）剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好。（5）氮、磷营养需要量少：厌氧法的C:N:P为100:2.1:0.5（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。厌氧生物处理法也存在下列缺点：（1）厌氧微生物增殖缓慢，设备启动时间长。（2）出水往往达不到排放标准，需要进一步处理。（3）厌氧处理系统操作控制因素较为复杂。一、厌氧法的基本原理废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氢等为受氢体。OHdedsbcnNOHCcban242092NOHCdsCOdedsCnCHde2752420858342020HCOdsCNHdsC厌氧生物处理是一个依靠三大主要类群的细菌完成的复杂的微生物学过程。将厌氧消化过程划分为三个连续的阶段：第一阶段为水解酸化阶段第二阶段为产氢产乙酸阶段第三阶段为产甲烷阶段第一阶段水解酸化阶段复杂的大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。这个阶段主要产生较高级脂肪酸。碳水化合物、脂肪和蛋白质的水解酸化过程第二阶段产氢产乙酸阶段在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2，在降解奇数碳素有机酸时还形成CO2。第三阶段产甲烷阶段产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷。此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱控产生甲烷，前者约占总量的1/3，后者约占2/3。344243243242222)3/1(24HCONHCHOHCOONHCHCOCHCOOHCHOHCHCOH产甲烷菌产甲烷菌产甲烷菌占二、厌氧法的影响因素甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制阶段，因此厌氧反应的各项影响因素也以对甲烷菌的影响因素为准。（一）温度条件温度是影响微生物生存及生物化学反应最重要的因素之一。各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般认为，产甲烷菌的温度范围为5～60℃，在35℃和53℃上下可以分别获得较高的消化效率，温度为40～45℃时，氧消化效率较低。温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。短时间内温度升降5℃，沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至停止产气。温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中的甲烷含量，此其高温消化对温度变化更为敏感。（二）pH值pH值条件失常首先使产氢产乙酸作用和产甲烷作用受抑制，使产酸过程所形成的有机酸不能被正常地代谢降解，从而使整个消化过程的各阶段间的协调平衡丧失。若pH值降到5以下，对产甲烷菌毒性较大，同时产酸作用本身也受抑制，整个厌氧消化过程即停滞。即使pH值恢复到7.0左右，厌氧装置的处理能力仍不易恢复；而在稍高pH值时，只要恢复中性，产甲烷菌能较快地恢复活性。所以厌氧装置适宜在中性或稍偏碱性的状态下运行。最适pH值为7.0～7.2，pH6.6～7.4较为适宜。（三）氧化还原电位无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之一，产甲烷菌对氧和氧化剂非常敏感。产甲烷菌初始繁殖的环境条件是氧化还原电位不能高于-330mV,相当于2.36×1056L水中有1mol氧。在厌氧消化全过程中，不产甲烷阶段可在兼氧条件下完成，氧化还原电位为+0.1～-0.1V，而在产甲烷阶段，氧化还原电位须控制为-0.3～-0.35V（中温消化）与-0.56～0.6V（高温消化），常温消化与中温相近。产甲烷阶段氧化还原电位的临界值为-0.2V。（四）有机负荷在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率趋向下降，而消化器的容积产气量则增多，反之亦然。若有机负荷过高，则产酸率将大于用酸（产甲烷）率，挥发酸将累积而使pH值下降、破坏产甲烷阶段的正常进行，严重时产甲烷作用停顿，系统失败，并难以调整复苏。此外，有机负荷过高，则过高的水力负荷还会使消化系统中污泥的流失速率大于增长速率而降低消化效率。若有机负荷过低，物料产气率或有机物去除率虽可提高，但容积产气率降低，反应器容积将增大，使消化设备利用效率降低，投资和运行费用提高。（五）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和吸附的有机物、无机物组成。厌氧活性污泥的浓度和性状与消化的效能有密切的关系。性状良好的污泥是厌氧消化效率的基础保证。厌氧活性污泥的性质主要表现为它的作用效能与沉淀性能，前者主要取决于活微生物的比例及其对废物的适应性和活微生物中生长速率低的产甲烷菌的数量是否达到与不产甲烷菌数量相适应的水平。活性污泥的沉淀性能与污泥的凝聚性有关