废水生物处理原理与工艺 第二章好氧生物处理(原理与工艺 基本概念 好氧生物处理的基本生物过程 所谓“好氧”:是指这类生物必须在有分子态氧气(O2)的存在下,才能进行正常的生理生化反应, 主要包括大部分微生物、动物以及我们人类; 所谓“厌氧”:是能在无分子态氧存在的条件下,能进行正常的生理生化反应的生物,如厌氧细菌 酵母菌等 好氧生物处理过程的生化反应方程式 ●分解反应(又称氧化反应、异化代谢、分解代谢) 异氧微生物 CHONS +03 CO2+H2O+NH3+SO2+.+能量 (有机物的组成元素) 合成反应(也称合成代谢、同化作用) 能量 CsH,NOz 内源呼吸(也称细胞物质的自身氧化) 生物 CsH7NO7+O2 CO2+H2O+NH3+SO42-+.+能量 在正常情况下,各类微生物细胞物质的成分是相对稳定的,一般可用下列实验式来表示: 细菌: CsH,NO2真菌:Cl6H1NO:藻类: CsHgNO2;原生动物:CH1NO3 分解与合成的相互关系: 者不可分,而是相互依赖的 a.分解过程为合成提供能量和前物,而合成则给分解提供物质基础 b.分解过程是一个产能过程,合成过程则是一个耗能过程 MATP →能 分解 解过程 能量 ATH. ADP+Pi ADP+Pi AtP. ADP+Pi. 合成 能 2)对有机物的去除,二者都有重要贡献; 3)合成量的大小,对于后续污泥的处理有直接影响(污泥的处理费用一般可以占整个城市污水处理厂的 第1页第二讲
废水生物处理原理与工艺 第二讲 第 1 页 第二讲 异氧微生物 第二章 好 氧 生 物 处 理 （原 理 与 工艺 ） 2．1 基本概念 2．1．1 好氧生物处理的基本生物过程 所谓“好氧”：是指这类生物必须在有分子态氧气（O2）的存在下，才能进行正常的生理生化反应， 主要包括大部分微生物、动物以及我们人类； 所谓“厌氧”：是能在无分子态氧存在的条件下，能进行正常的生理生化反应的生物，如厌氧细菌、 酵母菌等。 好氧生物处理过程的生化反应方程式： ⚫ 分解反应（又称氧化反应、异化代谢、分解代谢） CHONS + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO4 2- ++能量 （有机物的组成元素） ⚫ 合成反应（也称合成代谢、同化作用） C、H、O、N、S + 能量 C5H7NO2 ⚫ 内源呼吸（也称细胞物质的自身氧化） C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO4 2- ++能量 在正常情况下，各类微生物细胞物质的成分是相对稳定的，一般可用下列实验式来表示： 细菌： C5H7NO2； 真菌： C16H17NO6； 藻类： C5H8NO2；原生动物：C7H14NO3 分解与合成的相互关系： 1） 二者不可分，而是相互依赖的； a． 分解过程为合成提供能量和前物，而合成则给分解提供物质基础； b．分解过程是一个产能过程，合成过程则是一个耗能过程。 2) 对有机物的去除，二者都有重要贡献； 3）合成量的大小， 对于后续污泥的处理有直接影响（污泥的处理费用一般可以占整个城市污水处理厂的 微生物 异氧微生物
废水生物处理原理与工艺 40~50%) 不同形式的有机物被生物降解的历程也不同: 方面: 结构简单、小分子、可溶性物质,直接进入细胞壁 结构复杂、大分子、胶体状或颗粒状的物质,则首先被微生物吸附,随后在胞外酶的作用下被水解液 化成小分子有机物,再进入细胞内 另一方面:有机物的化学结构不同,其降解过程也会不同 糖类 脂类 TCA循环 蛋白质 影响好氧生物处理的主要因素 1)溶解氧(DO) 约1~2mg 2)水温:是重要因素之 在一定范围内,随着温度的升高,生化反应的速率加快,增殖速率也加快; b.细胞的组成物如蛋白质、核酸等对温度很敏感,温度突升或降并超过一定限度时,会有不 可逆的破坏 最适宜温度15~30℃C:>40%或<10后,会有不利影响 3)营养物质: 细胞组成中,C、HO、N约占90~97% 其余3~10%为无机元素,主要的是P 生活污水一般不需再投加营养物质; 而某些工业废水则需要,一般对于好氧生物处理工艺,应按BOD:N:P=100:5:1投加N和P 其它无机营养元素:K、駟、Ca、S、Na等; 微量元素:F、u、M、M、S、硼等 4)H值 般好氧微生物的最适宜pH在6.5~85之间 pH<4.5时,真菌将占优势,引起污泥膨胀; 另一方面,微生物的活动也会影响混合液的pH值 5)有毒物质(抑制物质) 主要有:重金属 蛋白质的沉淀剂(变性;与SH结合而失活) 氰化物 H2S 卤族元素及其化合物 酚、醇、醛 使蛋白质变性或脱水 染料等; 活性污泥系统中有毒物质的最高允许浓度 有毒物质 允许浓度有毒物质允许浓度 铜化合物(以Cu计) 锌化合物(以Zn计) 13 镍化合物(以Ni计) 对苯二酚 15 铅化合物(以Pb计) 450 锑化合物(以Sb计) 邻苯二酚 100 隔化合物(以Cd计) 间苯三酚 钒化合物(以V计) 邻苯三酚 100 第2页第二讲
废水生物处理原理与工艺 第二讲 第 2 页 第二讲 4050%）。 不同形式的有机物被生物降解的历程也不同： 一方面： ⚫ 结构简单、小分子、可溶性物质，直接进入细胞壁； ⚫ 结构复杂、大分子、胶体状或颗粒状的物质，则首先被微生物吸附，随后在胞外酶的作用下被水解液 化成小分子有机物，再进入细胞内。 另一方面：有机物的化学结构不同，其降解过程也会不同： 如： 糖类 脂类 蛋白质 2．1．2 影响好氧生物处理的主要因素 1）溶解氧（DO）： 约 1~2mg/l 2）水温：是重要因素之一， a． 在一定范围内，随着温度的升高，生化反应的速率加快，增殖速率也加快； b． 细胞的组成物如蛋白质、核酸等对温度很敏感，温度突升或降并超过一定限度时，会有不 可逆的破坏； 最适宜温度 1530C； 40C 或 10C 后，会有不利影响。 3)营养物质： 细胞组成中，C、H、O、N 约占 9097% 其余 310%为无机元素，主要的是 P。 生活污水一般不需再投加营养物质； 而某些工业废水则需要， 一般对于好氧生物处理工艺，应按 BOD N P = 100 5 1 投加 N 和 P。 其它无机营养元素：K、Mg、Ca、S、Na 等； 微量元素： Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等； 4)pH 值： 一般好氧微生物的最适宜 pH 在 6.58.5 之间； pH 4.5 时，真菌将占优势，引起污泥膨胀； 另一方面，微生物的活动也会影响混合液的 pH 值。 5)有毒物质（抑制物质） 主要有： 重金属 蛋白质的沉淀剂（变性；与-SH 结合而失活） 氰化物 H2S 卤族元素及其化合物 酚、醇、醛 使蛋白质变性或脱水 染料等； 活性污泥系统中有毒物质的最高允许浓度： 有毒物质 允许浓度 有毒物质 允许浓度 铜化合物(以 Cu 计) 0.51.0 苯 10 锌化合物(以 Zn 计) 513 氯苯 10 镍化合物(以 Ni 计) 2 对苯二酚 15 铅化合物(以 Pb 计) 1.0 间苯二酚 450 锑化合物(以 Sb 计) 0.2 邻苯二酚 100 镉化合物(以 Cd 计) 15 间苯三酚 100 钒化合物(以 V 计) 5 邻苯三酚 100 TCA 循环
废水生物处理原理与工艺 银化合物(以Ag计) 0.25 10 铬化合物(以Cr计) 硝基甲苯 (以Cr3计) (以Cr”计) 0.5 乙醛 硫化物(以S2计) 5~25 甲苯 (以H2S计) 甲苯 7 氢氰酸氰化钾 硫氰化物 400 呻化合物(以As3+计) 0.7~2.0 完基苯磺酸盐 汞化合物(以Hg计)0.5甘油 6)有机负荷率: 污水中的有机物本来是微生物的食物,但太多时,也会不利于微生物。 7)氧化还原电位 好氧细菌:+300~400mV,至少要求大于+100mV 厌氧细菌:要求小于+100mV,对于严格厌氧细菌,则<-100mV,甚至<-300mV 2.1.3 废水可生化性和可生化程度的判别 生物降解性能是指在微生物的作用下,使某一物质改变原来的化学和物理性质,在结构上引起的变化 程度 可分为三类 1)初级生物降解一一指有机物原来的化学结构发生了部分变化,改变了分子的完整性 2)环境可接受的生物降解一—指有机物失去了对环境有害的特性 3)完全降解—一在好氧条件下,有机物被完全无机化;在厌氧条件下,有机物被完全转化为CH4、CO2 等。 有机物生物降解性能的分类 1)易生物降解一一易于被微生物作为碳源和能源物质而被利用 2)可生物降解一一能够逐步被微生物所利用 3)难生物降解——降解速率很慢或根本不降解 注意:1)“难、易”是相对的 2)同一种化合物在不同种属微生物的作用下,其降解情况也会有不同。 鉴定和评价废水中有机污染物的好氧生物降解性的方法 分类 方法 方法要点 方法评价 水质指标法采用 BODVCOD作为有机物评价指标。方法改进:日比较简单,但精度不 本通产省测试法,以ThOD代替COD,采用BOD自高可粗略反映有机物 动测定仪测定有机物28天的生化需氧量,并以的降解性能 根据氧化 BODThOD来评价有机物的生物降解性能 所耗氧量瓦呼仪法根据有机物的生化呼吸线与内源呼吸线的比较来判较好地反应微生物氧 断有机物的生物降解性能。测试时,接种物可采用活化分解特性,但试验水 性污泥,接种量为1~3gS 量少,对结果有影响 第3页第二讲
废水生物处理原理与工艺 第二讲 第 3 页 第二讲 银化合物(以 Ag 计) 0.25 苯胺 100 铬化合物(以 Cr 计) 25 二硝基甲苯 12 (以 Cr3+计) 2.7 甲醛 160 (以 Cr6+计) 0.5 乙醛 1000 硫化物(以 S 2-计) 525 二甲苯 7 (以 H2S 计) 20 甲苯 7 氢氰酸氰化钾 18 氯苯 10 硫氰化物 36 吡啶 400 砷化合物(以 As3+计) 0.72.0 烷基苯磺酸盐 15 汞化合物(以 Hg 计) 0.5 甘油 5 6）有机负荷率： 污水中的有机物本来是微生物的食物，但太多时，也会不利于微生物。 7）氧化还原电位： 好氧细菌： +300 400 mV， 至少要求大于+100 mV。 厌氧细菌： 要求小于+100 mV，对于严格厌氧细菌，则-100 mV，甚至-300 mV。 2．1．3 废水可生化性和可生化程度的判别 生物降解性能是指在微生物的作用下，使某一物质改变原来的化学和物理性质，在结构上引起的变化 程度。 可分为三类： 1） 初级生物降解——指有机物原来的化学结构发生了部分变化，改变了分子的完整性； 2） 环境可接受的生物降解——指有机物失去了对环境有害的特性； 3） 完全降解——在好氧条件下，有机物被完全无机化；在厌氧条件下，有机物被完全转化为 CH4、CO2 等。 有机物生物降解性能的分类： 1） 易生物降解——易于被微生物作为碳源和能源物质而被利用； 2） 可生物降解——能够逐步被微生物所利用； 3） 难生物降解——降解速率很慢或根本不降解。 注意：1）“难、易”是相对的； 2）同一种化合物在不同种属微生物的作用下，其降解情况也会有不同。 鉴定和评价废水中有机污染物的好氧生物降解性的方法： 分类 方法 方法要点 方法评价 根据氧化 所耗氧量 水质指标法 采用 BOD5/COD 作为有机物评价指标。方法改进：日 本通产省测试法，以 ThOD 代替 COD，采用 BOD 自 动测定仪测定有机物 28 天的生化需氧量 ，并以 BOD28/ThOD 来评价有机物的生物降解性能； 比较简单，但精度不 高，可粗略反映有机物 的降解性能； 瓦呼仪法 根据有机物的生化呼吸线与内源呼吸线的比较来判 断有机物的生物降解性能。测试时，接种物可采用活 性污泥，接种量为 13 gSS/l； 较好地反应微生物氧 化分解特性，但试验水 量少，对结果有影响；
废水生物处理原理与工艺 静置烧瓶筛|以10m沉淀后的生活污水上清液作为接种物,90m/操作简单,但在静态条 选试验 含有5mg酵母膏和5mg受试物的BOD标准稀释水作件下混合及充氧不好 为反应液,两者混合,室温下培养,1周后测受试物 浓度,并以该培养液作为下周培养的接种物,如此连 续4周,同时进行已知降解化合物的对照试验 根据有机振荡培养试在烧瓶中加入接种物、营养液及受试物等,在一定温生物作用条件好,但吸 物的去除验法 度下振荡培养,在不同的反应时间内测定反应液中受附对测定有影响 效果 试物含量,以评价受试物的生物降解性 半连续活性测试时,采用试验组及对照组二套反应器间歇运行,试验结果可靠,但仍不 污泥法 测定反应器内COD、70D或DOC的变化,通过二套能模拟处理厂实际运 反应器结果的比较来评价 活性污泥模模拟连续流活性污泥法生物处理工艺,采用试验组与结果最为可靠,但方法 型试验 对照组,通过两套系统对比和分析来评价 较复杂: 根据CO2斯特姆测试|采用活性污泥上清液作为接种液,反应时间28天,系统复杂可反映有机 量 温度25°C,有机物降解以CO2产量占理论CO2产量物的无机化程度 的百分率来判断: 根据微生主要有:ATP测试法、脱氢酶测试法、细菌标准平板计数测试法等|试验结果可靠,但测试 物生理生 程序较为复杂。 化指标 影响有机物生物降解性能的因素: 1)与化学物质的种类性质有关的因素(化学组成、理化性质、浓度、与它种基质的共存) 2)与微生物的种类、性质有关的因素(微生物的来源、数量、种属间的关系) 3)与有机物、微生物所处的环境有关的因素(pH值、DO、温度、营养物等)。 悬浮生长的好氧生物处理工艺 2211活性污泥法( Activated Sludge process 活性污泥法的基本原理 基本流科 空气 ↓ 废水 初次 二次 曝气池 出水 沉淀池 沉淀池 回流污泥 剩余活性污泥 曝气池:反应主体 二沉池:1)进行泥水分离,保证出水水质 2)保证回流污泥,维持曝气池内一定的污泥浓度。 流系统:1)保证曝气池内维持足够的污泥浓度; 2)通过改变回流比,改变曝气池的运行工况 剩余污泥:1)是去除有机物的途径之一 2)维持系统的稳定运行 第4页第二讲
废水生物处理原理与工艺 第二讲 第 4 页 第二讲 根据有机 物的去除 效果 静 置 烧 瓶 筛 选试验 以 10ml 沉淀后的生活污水上清液作为接种物，90ml 含有 5mg 酵母膏和 5mg 受试物的 BOD 标准稀释水作 为反应液，两者混合，室温下培养，1 周后测受试物 浓度，并以该培养液作为下周培养的接种物，如此连 续 4 周，同时进行已知降解化合物的对照试验； 操作简单，但在静态条 件下混合及充氧不好； 振 荡 培 养 试 验法 在烧瓶中加入接种物、营养液及受试物等，在一定温 度下振荡培养，在不同的反应时间内测定反应液中受 试物含量，以评价受试物的生物降解性； 生物作用条件好，但吸 附对测定有影响； 半 连 续 活 性 污泥法 测试时，采用试验组及对照组二套反应器间歇运行， 测定反应器内 COD、TOD 或DOC 的变化，通过二套 反应器结果的比较来评价； 试验结果可靠，但仍不 能模拟处理厂实际运 行条件； 活 性 污 泥 模 型试验 模拟连续流活性污泥法生物处理工艺，采用试验组与 对照组，通过两套系统对比和分析来评价； 结果最为可靠，但方法 较复杂； 根据 CO2 量 斯 特 姆 测 试 法 采用活性污泥上清液作为接种液，反应时间 28 天， 温度 25C，有机物降解以 CO2产量占理论 CO2产量 的百分率来判断； 系统复杂，可反映有机 物的无机化程度； 根据微生 物生理生 化指标 主要有：ATP 测试法、脱氢酶测试法、细菌标准平板计数测试法等 试验结果可靠，但测试 程序较为复杂。 影响有机物生物降解性能的因素： 1） 与化学物质的种类性质有关的因素（化学组成、理化性质、浓度、与它种基质的共存）； 2） 与微生物的种类、性质有关的因素（微生物的来源、数量、种属间的关系）； 3） 与有机物、微生物所处的环境有关的因素（pH 值、DO、温度、营养物等）。 2．2 悬浮生长的好氧生物处理工艺 2.2.1.1 活性污泥法 （Activated Sludge Process） 一． 活性污泥法的基本原理 曝气池：反应主体 二沉池： 1）进行泥水分离，保证出水水质； 2）保证回流污泥，维持曝气池内一定的污泥浓度。 回流系统： 1）保证曝气池内维持足够的污泥浓度； 2）通过改变回流比，改变曝气池的运行工况。 剩余污泥： 1）是去除有机物的途径之一； 2）维持系统的稳定运行
废水生物处理原理与工艺 供氧系统:提供足够的溶解氧 活性污泥系统有效运行的基本条件是: 1)废水中含有足够的可容性易降解有机物: 液含有足够的溶解氧 污泥在池内呈悬浮状态 4)活性污泥连续回流、及时排除剩余污泥,使混合液保持一定浓度的活性污泥: 5)没有对微生物有毒有害的物质流入 活性污泥的性质及性能指标 1.物理性能 菌胶团”——“生物絮凝体” 颜色:褐色、(土)黄色、铁红色 气味:泥土味(城市污水) 比重:略大于1 (1.002~1.006) 粒径:0.02~0.2mm 比表面积:20~100cm3ml 生化性能 a.活性污泥的含水率:99.2~998% b.固体物质的组成: )活细胞(Mn) 2)微生物内源代谢的残留物(M) 3)吸附的原废水中难于生物降解的有机物(M1) 4)无机物质(M;): 3.活性污泥中的微生物 A.细菌 是活性污泥净化功能最活跃的成分 主要菌种有:动胶杄菌属、假单胞菌属、微球菌属、黄杄菌属、芽胞杄菌属、产碱杆菌属、无色杆 菌属等 特征:1)多属好氧和兼性异养型的原核细菌 2)在有氧条件下,具有较强的分解有机物的功能 3)具有较高的增殖速率,其世代时间为20~30分钟 4)其中的动胶杆菌具有将大量细菌结成为“菌胶团”的功能 B.其它微生物 原生动物一在活性污泥中大约为103个/m 分散 凝聚 残存食物量 活性青养 细 内足 限毛虫类 -1-)減出涮劫为 量虫奕 好毛虫类固着型鮮毛虫类 !找线虫;血 1{营养鞭 毛虫英 轮虫类 第5页第二讲 时闻
废水生物处理原理与工艺 第二讲 第 5 页 第二讲 供氧系统： 提供足够的溶解氧 ⚫ 活性污泥系统有效运行的基本条件是： 1） 废水中含有足够的可容性易降解有机物； 2） 混合液含有足够的溶解氧； 3） 活性污泥在池内呈悬浮状态； 4） 活性污泥连续回流、及时排除剩余污泥，使混合液保持一定浓度的活性污泥； 5） 没有对微生物有毒有害的物质流入。 二．活性污泥的性质及性能指标 1． 物理性能：——“菌胶团”——“生物絮凝体” 颜色：褐色、（土）黄色、铁红色 气味：泥土味（城市污水） 比重：略大于 1 （1.0021.006） 粒径：0.020.2 mm 比表面积：20100cm2 /ml 2． 生化性能： a． 活性污泥的含水率： 99.299.8% b． 固体物质的组成： 1） 活细胞（Ma）： 2） 微生物内源代谢的残留物（Me）： 3） 吸附的原废水中难于生物降解的有机物（Mi）： 4） 无机物质（Mii）： 3．活性污泥中的微生物： A．细菌： 是活性污泥净化功能最活跃的成分 主要菌种有： 动胶杆菌属、假单胞菌属、微球菌属、黄杆菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、无色杆 菌属等 特征： 1）多属好氧和兼性异养型的原核细菌； 2）在有氧条件下，具有较强的分解有机物的功能； 3）具有较高的增殖速率，其世代时间为 2030 分钟； 4）其中的动胶杆菌具有将大量细菌结成为“菌胶团”的功能。 B.其它微生物------原生动物----在活性污泥中大约为 103 个/ml