活性污泥法

第三章水的生物化学处理方法废水处理微生物基础生物化学处理原理污染物水体的自净作用稀释水解光解氧化微生物的降解净化主要作用O2废水生物处理的目的和重要性废水生物处理的主要目的有以下3点：•①絮凝和去除废水中不可自然沉淀的胶体状固体物；•②稳定和去除废水中的有机物；•③去除营养元素氮和磷。废水生物处理的重要性生物处理在废水处理中的地位颗粒状有机物(1m)胶体状有机物(1nm~100nm)溶解性有机物(1nm)沉淀过滤分离法机械分离去除效率低分子状态存在于水中氧化法（生物法)处理的主要对象氧化：化学氧化和生物氧化生物化学处理工艺自然过程及其强化应用面广阔城市污水60％以上世界上90％生活污水用生物处理大多数工业废水废水中氮的去除我国水体中有机物污染状况1、我国水环境污染特点①废水排放量巨大；②我国水环境中量大面广的污染物是有机物；③N、P的污染也日益严重地表水：全国532条河流中80%以上已受严重污染“三河”：即海河、淮河、辽河；“三湖”：即太湖、巢湖、滇池近海海域：赤潮逐年增多地下水：2、水环境中有机污染的主要来源①生活污水：COD=400~500mg/l，BOD5=200300mg/l；②工业废水：主要有石油化工、轻工、食品等行业，如：啤酒废水：820m3废水/m3酒，COD=20003500mg/l；酒精废水：1215m3废水/m3酒，COD=36万mg/l；味精废水：2535m3废水/吨味精，COD=610万mg/l；造纸黑液：120600m3废水/吨纸浆，COD=1015万mg/l3、水处理概况有毒直接危害水生生物及人类慢性中毒直接危害水生生物及人类三致致癌、致畸、致突变等，严重危害人类的健康危害有机物污染的危害消耗水中的溶解氧DO水生生物受害水质变差无毒的有机物有毒的有机物污水的危害污水的来源及危害危害有机物污染的危害有机污染的三个层次影响观感、灌溉、农渔业生产污染水源地，造成生活用水危机地下水水质也会受到影响生活污水：家庭生活污水医院污水（经过消毒处理后）公共设施污水（如电影院、办公楼、餐厅等）工业废水——经过一定预处理之后初雨径流——当排水系统为合流制时其它废水生化处理理论基础城市污水的定义城市污水一般是指通过城市下水道收集到的所有污水城市污水的组成我国城市污水处理的发展及现状始于二十世纪70年代利用郊区的坑塘洼地、废河道、沼泽地等稍加整修或围堤筑坝，建成稳定塘，对城市污水进行净化处理在全国已建成各种类型的稳定塘有38座，日处理城市污水约173万m3。其中生活污水量占一半，其余包括石油、化工、造纸、印染等多种工业废水。80年代，日益重视，有了较快发展国家适时调整政策，推动了一大批城市污水处理设施的兴建。我国第一座大型城市污水处理厂——天津市纪庄子污水处理厂于1982年破土动工，1984年4月28日竣工投产运行，处理规模为26万m3/d。在此成功经验的带动下，北京、上海、广东、广西、陕西、山西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂几十座。“八五”期间，发展高潮时期排水系统配套：到1995年，我国城市排水系统排水管道长度约为110062km，按服务面积计算，城市排水管网普及率为64.8%。处理厂建设：城市污水处理厂169座(其中二级生化处理厂116座)，日处理污水479万m3，处理率8.69%。与1990年相比，城市污水处理厂增加89座(其中有北京高碑店、天津东郊、石家庄桥西、广州大坦沙、无锡芦村、济南等大中型城市污水处理厂)，平均每年建污水处理厂17座。国家给予相应资金和技术上的支持。1996～1999年竣工投入运行的城市污水处理项目有22个，投资59.58亿元，日处理规模371.7万m3；在建项目109个，计划投资161.83亿元，日处理规模832.0万m3。据统计，到2000年底，全国已建设城市污水处理厂427座，其中二级处理厂282座，二级处理率约为15%。2000年用于城市污水处理工程建设的总投资约为150亿元。但目前绝大多数小城镇尚未建污水处理设施。“九五”期间，“三河”、“三湖”、“环渤海”水污染治理发展规划根据我国国民经济发展计划和水污染防治规划中城市污水处理规划要求：到2010年，我国城市化率将达40％，城镇人口总量将从现在的3.8亿增加到6.7亿，城镇需水量将从目前的858亿m3增加到1290亿m3。污水处理率建制镇不低于50％，设市城市不低于60％，重点城市不低于70％。“十五”期间，“三河三湖”流域规划新建城市污水处理工程流域项目数投资（亿元）总处理规模(万m3/d)海河流域132214855淮河165144615辽河5798464太湖8493376巢湖117.850城市污水处理系统的规划在我国正受到越来越多的重视。规划目标主要包括：水源保护目标水环境质量控制目标污水再生利用目标废水处理程度的分级1、一级处理：去除效果：BOD30%,SS50%；主要功能：①去除颗粒状有机物，减轻后续生物处理的负担；②调节水量、水质、水温等，有利于后续的生物处理。主要方法：物化法，如：沉砂、沉淀、气浮、除油、中和、调节、加热或冷却等2、二级处理：去除效果：BOD8590%，SS90%；主要功能：大量去除胶体状和溶解状有机物，保证出水达标排放；主要方法：各种形式的生物处理工艺3、三级处理：主要目的：①去除二级处理出水中残存的SS、有机物，或脱色、杀菌，②脱氮、除磷——防止水体富营养化；方法：主要方法：①物化法——超滤、混凝、活性炭吸附、臭氧氧化、加氯消毒等；②生物法——生物法脱氮除磷，等废水生物处理工艺的分类一、人工强化废水处理系统主要包括好氧生物处理工艺和厌氧生物处理工艺，将是本课程重点介绍内容。二、天然废水生物处理系统主要包括生物稳定塘系统和土地处理系统，其中生物稳定塘系统是在河流自净功能的基础上发展起来的；而土地处理系统则是在污水的土地灌溉技术的基础上发展起来的。生物处理法分类生物处理法天然生物处理人工生物处理生物稳定塘土地处理系统好氧生物处理厌氧生物处理活性污泥法生物膜法传统厌氧消化现代高速厌氧反应器废水生物处理中的微生物细菌——单细胞原生生物，以可溶性有机物为食。包括真细菌(eubacteria)和古细菌(archaebacteria)——是废水生物处理工程中最主要的微生物；根据需氧情况不同：好氧细菌、兼性细菌和厌氧细菌；根据能源碳源利用情况的不同：光合细菌——光能自养菌、光能异养菌；非光合细菌——化能自养菌、化能异养菌根据生长温度的不同：低温菌、常温菌、中温菌和高温菌一、微生物及其特性（一）微生物的分类真菌主要特点：①能在低温和低pH值的条件生长；②在生长过程中对氮的要求较低（是一般细菌的1/2）；③能降解纤维素。真菌在废水处理中的应用：①处理某些特殊工业废水；②固体废弃物的堆肥处理原生动物和后生动物微生物与微生物反应（二）微生物的特性1．菌体成分（水分含量、元素组成）2．细菌细胞的物理性质（大小与大小分布、密度）3．微生物培养液的性质二、微生物反应及其在污染防治中的利用（一）微生物反应的特点复杂反应体系基质、营养物、活细胞、非活性细胞、分泌产物等。参与微生物反应的主要组分微生物反应的总反应式（概括式）碳源＋氮源＋其它营养物质＋氧→细胞＋代谢产物＋CO2＋H2O微生物代谢过程简介•微生物代谢的基本要素能源、碳源、营养元素（无机营养物和有机营养物）有机物微生物新的细胞物质CO2、H2O生物残渣内源呼吸分解合成生物处理涉及的微生物代谢过程①化能异养型代谢：在废水生物处理中最主要的代谢形式，主要用于对废水中有机物的去除，包括主要的好氧细菌和厌氧细菌；②化能自养型代谢：也是废水生物处理中常见的一种代谢形式，主要包括硝化细菌（将氨氮氧化为亚硝酸盐，或进一步氧化为硝酸盐）、氢细菌（对其的应用还处在研究阶段）、铁细菌等；③光合异养型代谢：利用光合细菌以高浓度有机废水为基质生产菌体蛋白；④光合自养型代谢：在废水生物处理中少有应用。第1章绪论①基质利用②细胞生长③细胞死亡/溶化④产物生成。微生物反应的类型类似于化学反应中的自催化反应第一类产物：基质水平磷酸化产生的产物(如乙醇、乳酸，柠檬酸)。第二类产物：由合成代谢生成较复杂的物质（如胞外酶、多糖、抗生素、激素、维生素、生物碱等）第三类产物：一般指在碳源过量、氮源等受到限制的条件下产生的一类物质（蓄能化合物，如多糖、储存于细胞内的糖原、脂肪等。)底物内部分子能量重排，并且伴有ADP转化为ATP的作用，它与呼吸链的电子传导无关。第1章绪论基质分解所产生的能量及其消耗途径维持能（不用于细胞合成以及第二和第三类产物的生成）①合成反应②维持细胞的活性③保持细胞内外的浓度梯度④用于细胞内各类转化反应ATP⑤热能（释放到环境）第1章绪论（二）微生物反应的影响因素•微生物的种类•基质的种类和浓度(注意抑制作用)•环境条件•共存物质（注意刺激效应、抑制作用）第1章绪论（三）微生物反应在环境领域中的应用•污染水体、土壤的修复•城市污水及工业废水的生物处理•有机废气、挥发性有机物(VOC)及还原性无机气体的生物处理•有机废弃物的堆肥处理工业微生物反应与环境微生物反应器的不同目的、微生物种类、规模污染物的生物分解与转化微生物反应的计量关系一、微生物反应综合方程（一）微生物浓度的表达方式活性污泥：C5H7O2NC60H87O23N12PC118H170O51N17PC7H10O3N大肠杆菌:C4.2H8O1.3N在一定条件下，同一类微生物的细胞元素组成可以视为相对稳定。（二）微生物细胞的组成式一般用重量浓度表示：单位体积培养液中所含细胞的干燥重量来表示（g－drycell/L）。好氧微生物反应：CHmOn＋aNH3＋bO2=Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋（1-Yx/c-Yp/c）CO2＋cH2Oa=zYx/c+wYp/cb=(1-Yx/c-Yp/c+m/4-n/2)+(Yp/c/4)(-u+2v+3w)+(Yx/c/4)(-x+2y+3z)c=m/2+(Yp/c/2)(-u+3w)+(Yx/c/2)(-x+3z)S＝YxX＋YpP（三）微生物反应的综合计量式产物产率系数（productyield）。细胞产率系数（cellyield）计量学限制性物质：细胞生长过程中首先完全消耗掉的物质生长速率限制性基质：在一定的环境条件下，向反应系统中加入某一基质，能使微生物生长速率增加，则该基质被称生长速率限制性基质。（富营养化湖泊的营养限制因子）反应系统中细胞的生长量（细胞干燥重量）与反应消耗掉的基质的重量之比(单位：g-drycellformed/g-substrateconsumed)二、细胞产率系数（一）以基质重量为基准的细胞产率系数Yx/sSX/－＝反应消耗的基质量细胞的生长量sxYYx/s值的大小：可能小于1，也可能大于1表细菌的细胞产率系数微生物基质Yx/s［g•g-1］Saccharomycescereviside葡萄糖（好氧）0.53Saccharomycescereviside葡萄糖（厌氧）0.14Aerobacteraerogenes葡萄糖（好氧）0.40Aerobacteraerogenes乳酸0.18Aerobacteraerogenes丙酮酸0.20EscherichiaColiNH4+3.5CandidautilisNH4+10~22间歇培养过程中的细胞产率总细胞数培养时间细胞个数ttsxSSXXY00/总产率系数（overallcellyield）dSdXYsx/微分产率系数（differentalcellyield）（二）以碳元素为基准的细胞产率系数ssxscxYYx/x/SX－＝碳源的含碳率碳源消耗量细胞的含碳率细胞生长量Yx/c值的大小：只能小于1，一般在0.5－0.7之间。（三）以氧消耗量为基准的细胞产率系数2/OXYox好氧微生物对有机物氧化分解过程有机物的降解速率，微