11第五章废水的生物化学处理方法

ChenShuixia/ZSU第五章废水的生物化学处理方法•利用自然环境中的微生物，并通过微生物体内的生物化学作用来氧化分解废水中的有机物和某些无机毒物(如氰化物、硫化物)，使之转化为稳定无毒物质的一种水处理方法。•生化法处理废水具有效率高、成本低、投资省、操作简单等优点•常见的有活性污泥法、生物过滤法、生物膜法、生物塘法和厌氧生物法等ProtozoaChenShuixia/ZSU第一节废水处理中的微生物学基础•微生物的分类微生物植物型动物型菌类（细菌、真菌）原生动物藻类后生动物ChenShuixia/ZSU微生物的分类（续）•细菌：•是废水处理中最重要的一类微生物。•分下等细菌和高等细菌两类。•下等细菌•简称细菌，是单细胞生物，它的数量最多，氧化分解有机物的能力较大，在废水处理中所起的作用最重要•下等细菌按其形态可分为球菌、杆菌和螺旋菌三类•高等细菌•单细胞高等细菌，形成细长分支丝状体，称为放线菌。大多数放线菌是好氧性的•多细胞的高等细菌，由单个细胞连成丝状体，称为丝状细菌。废水处理中常见的丝状菌主要要为球衣菌属、铁细菌属、贝日阿托氏菌属ChenShuixia/ZSU微生物的分类（续）•真菌–是类似植物的低等生物，是一种丝状无叶绿素的微生物，不能进行光合作用，是寄生的或腐生的。–水处理中常见的真菌有酵母菌和霉菌两种–酵母菌是单细胞的真菌，个体比细菌大几倍至几十倍，主要以出芽增殖。酵母菌培养条件要求不高，繁殖迅速，目前已广泛应用于无毒的高浓度有机工业废水的处理及综合利用。–霉菌可分解碳水化合物、脂肪、蛋白质及其他含氮有机化合物，在废水处理过程中数量、种类均不多，是需氧微生物。•藻类–藻类是含有能进行光合作用的叶绿素的低等植物。–能利用光能、CO2、PO43-、NH3等产生新细胞并放出氧气，增加水中的溶解氧．在生物氧化塘中对有机物的氧化起重要作用。–在废水处理中所能起的作用有限ChenShuixia/ZSU微生物的分类（续）•原生动物–原生动物是单细胞动物或以细胞群体(独立细胞的集合体）而存在–在废水处理中所起的作用主要是吞食细菌，这不但起了净化废水的作用，而且也控制了细菌的增殖速度，保持了微生物群体的生态平衡–还可以吞食废水中的固体有机物及溶解的有机物，直接起净化作用•后生动物–后生动物是多细胞动物，多存在于活性污泥和生物膜中–通过对其种类、数量和活动规律的观察可以推测废水处理进行的程度。是生物净化程度的有效指标。ChenShuixia/ZSU微生物的生长规律•细菌的生长经历四个时期——停滞期、对数增长期、稳定期和衰退期•在对数增长期内，细菌对废水处理速率最快，若将细菌生长稳定在这一时期，则装置效率高，可缩短处理时间及减小装置容积。但这时要供给细菌较多的营养食料，要求进水中有机物含量高，势必造成出水中有机物也相应增多，出水水质变差，排出的污泥量增大。•稳定期（静止期）细菌数量较高，但对营养物要求低，运行稳定，水中有机物消耗得较彻底，去除率高，产生污泥量也少。但处理时间长，设备体积大。ChenShuixia/ZSU第二节微生物处理废水的基本原理•微生物处理废水主要是利用微生物对废水中某些物质的氧化分解作用。这种氧化分解作用是在特定酶的催化作用下进行的。•酶是由活细菌细胞所制造和分泌的一类具有高度催化专一性的特殊蛋白质。分子量为一万至数百万。每种酶专门催化某一类反应，不同的细菌产生不同的酶，进行着各种各样的酶促反应。•酶的分类和作用：内酶和外酶–内酶：存在与细胞内。催化透过细胞壁而进入细菌体内的小分子量有机物发生合成和呼吸作用，以提供细胞所需的能量或合成细胞物质。–外酶：可透过细胞壁，作用于细胞外的大分子量有机物或不溶性颗粒或胶体，催化其发生水解反应，生成可溶性物质，渗入细胞内，在内酶的作用下继续生化反应。•异化作用和同化作用–细菌在分解氧化有机物的过程中获得能量及细胞的构成材料，称同化作用–而将有机物分解成简单的有机物或无机物，称异化作用。该作用使废水得到净化。ChenShuixia/ZSU废水生化处理法的主要类型•一些细菌只能在有氧存在的环境中生长，称需氧细菌(或称好氧细菌)，利用此类微生物的作用来处理废水称为好氧生物处理法。•另一些细菌只能在无氧的环境中生长，叫厌氧细菌，相应的处理方法叫厌氧生物处理。好氧生物处理法厌氧生物处理法自然条件人工条件自然条件人工条件水体自净—天然水体、氧化塘土壤净化悬浮法—活性污泥法、氧化塘、氧化沟固着法—生物滤池、生物转盘、接触氧化厌氧塘厌氧消化、厌氧流化床、厌氧滤池ChenShuixia/ZSU1、好氧生物处理法•被吸收的有机物在酶的作用下进行生化反应，将有机物中的C、N、P、S等元素转化或氧化为CO2、NH3、亚硝酸盐或硝酸盐、磷酸盐、硫酸盐等，同时部分有机物合成为新的原生质，为细菌生长、繁殖提供营养物质。•好氧生物处理法不产生带臭味的物质，所需时间短，大多数有机物均能处理。在废水中有机物浓度不高，供氧速率能满足生物氧化的需要时，常采用好氧生物处理法。•活性污泥法、生物过滤法，污水灌溉、生物氧化塘等都属于此类处理方法。有机物（C、N、P、S）+O2微生物分解合成CO2．NH3、亚硝酸盐或硝酸盐，磷酸盐，硫酸盐＋能量＋能量原生质（微生物生长能源）ChenShuixia/ZSU2、厌氧生物处理法•第一阶段：产酸阶段。高分子有机化合物在产酸细菌作用下降解成低分子的中间产物，如有机酸(蚁酸、醋酸、丁酸、氨基酸)和醇类及氨、硫化物、二氧化碳等无机物并放出能量。此阶段可分为两个时期：–第一时期为酸性消化期。此时细菌首先分解的是碳水化合物，产生大量的有机酸，致使溶液pH值迅速下降（可达5以下）–第二时期为酸性减进期。此时有机酸和含氮化合物开始分解，生成氨．胺、碳酸盐等碱性物，pH值则逐渐上升，同时放出硫化氢，硫醇等恶臭气体。•第二阶段为碱性分解阶段或产气阶段，甲烷细菌利用产酸菌产生的有机酸、醇作为营养源，产生甲烷、二氧化碳、氨、氢等气体。•厌氧生化反应速度慢，反应时间长。一般来说．高浓度的有机废水可采用厌氧生物法来处理有机物产酸细菌分解合成有机酸或醇＋能量原生质（微生物生长能源）氨、胺、碳酸盐甲烷、无机气体甲烷细菌产酸阶段产气阶段ChenShuixia/ZSU4、生化处理法对处理水质的要求•生化法处理废水主要是通过微生物的新陈代谢来实现的，因此必须创造一定环境以利于微生物的生长繁殖，才能提高废水处理效果。•废水中污染物浓度1.生化需氧量BOD和化学需氧量COD：对好氧性生化处理，一般要求处理废水的BOD5500～1000mg/L，过高则影响处理效果；过低则养料太少，影响微生物的繁殖。2.有毒物质：影响微生物生长的重金属、氰化物、油脂等控制在一定范围。•营养物–微生物生长必需的碳源、氮源、无机盐等。工业废水一般缺乏氮和磷。生活污水中一般所含养料充足，是最经济的营养源，所以可在工业废水中加入一定量的生活污水或含氮、磷等元素的化合物来加以补充。•溶解氧：一般应维持在2～4mg/L左右•水的pH值：•水温ChenShuixia/ZSU第三节活性污泥法•活性污泥法是用好氧生物处理废水的重要方法。•是城市污水和有机工业废水最有效的处理方法之一。•它是利用悬浮在废水中人工培养的微生物群体——活性污泥，对废水中的有机物和某些无机毒素产生吸附、氧化分解而使废水得到净化的方法。ChenShuixia/ZSU第三节活性污泥法•基本过程由以下几个步骤组成：1.初次沉淀在初次沉淀池内进行，主要除去泥砂及大颗粒的悬浮物2.混合利用一定的设备或手段将活性污泥和待处理废水进行均匀混合。3.曝气是活性污泥法的核心步骤，通过一定的设备向曝气池内分散空气或纯氧，为生物的氧化作用提供充足的氧气并使混合液得到搅拌。活性污泥处于悬浮状态，有利于微生物相废水中的有机物、溶解氧充分接触和反应。4.二次沉淀在二次沉淀池内对活性污泥和已处理的废农进行液固分离。下层为分离出的活性污泥大部分送回曝气池，称为回流污泥．其余做为废弃物排出，上层清水则为已处理好废水，排出沉淀池。初次沉淀混合曝气池二次沉淀空气回流活性污泥废弃活性污泥处理后废水废水ChenShuixia/ZSUActivatedSludgeActivatedSludgeSludgeWastewaterWastePolishingStabilizationDisposalDischargetoRiverorLandApplicationChenShuixia/ZSU2、活性污泥法的生物化学过程•活性污泥法由三个阶段组成，即吸附、氧化和絮凝沉淀。1.吸附阶段：活性污泥有较大的表面积，且表面上含有多糖类粘性物质，因此对废水中的有机物有很强的吸附作用，当它和废水混合时，迅速将废水中的有机物吸附到活性污泥上。这一过程速率较快，一般10~45min即可完成，BOD去除率可达90%。2.稳定阶段或氧化阶段：–被吸附的有机物由于酶的作用，在水中氧较充分的条件下进行生物化学作用，将部分有机物氧化分解为简单的无机物并放出细菌生长所需的能量；而将另—部分有机物转化为生物体所必需的营养物，合成新的原生质。–于是，细菌不断长大，并分裂出更多的细菌，加速了有机物的氧化分解过程，这时活性污泥量则不断增大。随着活性污泥量的增加，有机物大量消耗，水中营养物质大大减少，这时部分细菌的原生质也可能进行氧化作用放出能量进入内源呼吸。这一过程比吸附过程要慢得多。–无论是有机物的氧化分解或是原生质的合成都将消耗被活性污泥所吸附的有机物，使水中的有机物得以去除。3.凝聚和沉淀：由氧化过程中所合成的菌体有机体发生凝聚和沉淀，从水中分离出来，使废水得以净化ChenShuixia/ZSU3、活性污泥•活性污泥是一种褐色絮状体，由各种微生物（细菌、真菌、原生动物）、无机物和分解中的有机物组成，形成一特殊的生态系统。•活性污泥的性能：性能良好的活性污泥应松散(有利吸附和氧化有机物)并具有良好的凝聚沉淀性能(利于处理后的清水分离)，通常用下列几个指标来评价活性污泥的优劣：–污泥浓度也称混合液悬浮固体(MixedLiquorSuspendedSolids，MLSS)，是指曝气区内1升混合液所含悬浮物量，以mg/L表示。它反映出活性污泥所含微生物多少和处理有机物能力的强弱。适宜的浓度应根据具体情况确定，一般废水处理可取2×103～4×103mg/L。–沉降比(SV％)1L混合液静置沉降30分钟后，沉淀污泥占混合液的体积百分比。它反映出污泥的凝聚—沉淀性能和污泥量的多少，以便控制污泥排除时间和排除数。一般取15%～40％左右。ChenShuixia/ZSU活性污泥–污泥指数(SVI)也称污泥容积指数，是指混合液经30分钟沉降后，1g干污泥在湿的时候所占体积，以ml/g计。它反映出污泥的松散程度和凝聚、沉降性能。该值越低．则说明污泥颗粒小而紧密易沉降，但活性和吸附力低，含无机物多；过高则太松散，难以沉淀，一般取50—150之间。–污泥龄(Q0）也称污泥停留时间(简称SRT)或细菌平均停留时间(简称MCRT）：通过调节废弃污泥量就可以改变Q0的值，把它控制在适宜于细菌增殖的时间范围内，一般为3—14天。–区域沉淀速度(ZSV)当活性污泥浓度大于500mg/L时，污泥沉降以区域沉淀方式进行，泥水之间有明显的界面，此界面的沉淀速度叫区域沉淀速度。易沉淀污泥的ZSV值约为6m/h。ChenShuixia/ZSUSludgeVolumeIndex,SVISVI=(volumeofsludgeafter30min.settling,ml/L)x1000mg/LsuspendedsolidsAmixedliquorhas4000mg/Lsuspendedsolids.After30minutesofsettlingina1Lcylinder,thesludgeoccupied400ml.SVI=(400x1000)/4000=100ml/gGoodsettlingifSVI100,ifSVI200….problemsDesirable:150mg/L