污水生物处理工程技术 >3.1概述 根据微生物及其与氧的关系,污水生化处理可以分为好氧生物处理和厌氧生物处理两 种方式。 好氧生物处理法主要有活性污泥法和生物膜法两大类。活性污泥法是水体自净的人工 强化方法,依靠在噪气池内呈悬浮、流动状态的微生物群体的凝聚、吸附、氧化分解等作 用来去除污水中有机物的方法;生物膜法是土壤自净的人工强化方法,是通过使微生物群 体附着于某些载体的表面上呈膜状,与污水接触,生物膜上的微生物摄取污水中的有机物 作为营养并加以代谢,从而使污水得到净化的方法。 污水处理的活性污泥法于1914年首先在英国被应用,但由于受到当时技术水平和运 行管理等条件的限制,其应用和推广工作进展缓慢。随着对生物反应和净化机理的深入研 究及其在生产应用技术上的不断改进和完善,活性污泥法得到迅速发展,相继出现了多种 艺,应用的范围逐渐扩大,处理效果不断提高,工艺设计和运行管理更加科学化。目 前,活性污泥法已成为城市污水、有机工业废水的有效处理方法和污水生物处理的主流方 法。多年来,人们对传统活性污泥法进行了许多工艺方面的改革和净化功能方面的研究 在污泥负荷率方面,出现了低负荷率法、常负荷率法和高负荷率法;按进水点位置分类 有多点进水和中间进水的阶段曝气法和生物吸附法;在曝气池混合特征方面,改革了传统 的推流式,采用了完全混合法,随后,为了提高溶解氧的浓度、氧的利用率和节省空气 量,又形成了渐减曝气法、纯氧曝气法和深井曝气法。近年来,研究者们又先后开发出两 段活性污泥法、粉末炭活性污泥法、加压曝气法等处理工艺,并开展了脱氮、除磷等方 面的研究与实践;同时,在采用化学法与活性污泥法相结合的处理技术,以净化含难降解 有机物污水等方面也进行了深人研究,并取得了大量成果 生物膜法是另一种重要的好氧生物处理技术。第一个生物膜法处理设施(生物滤池) 是1893年在英国试验成功的,1900年后开始在污水处理中应用,并迅速在欧洲和北美得 到广泛应用。早期出现的生物滤池(普通生物滤池)虽然处理污水效果较好,但因负荷 低,占地面积大,易堵塞,其应用受到了限制。后来人们对其进行了改进,如将处理后的 水回沇等,从而提扃了水力负荷和BOD负荷,这就是高负荷生物滤池。20世纪50年代, 在德国建造了塔式生物滤池,这种滤池高度大,具有通风良好、净化效能高、占地面积小 等优点,其水力负荷和有机物负荷比高负荷生物滤池分别高出2~10倍和2~3倍,是 种高效能的生物处理设备。生物转盘出现于20世纪60年代,由于它具有净化功能好、效
果稳定、能耗低等优点,因而在国际上得到了广泛应用,在构造形式、计算理论等方面均 得到了较大发展。近年来,人们开发了采用空气驱动的生物转盘、藻类转盘等,在工艺形 式上,还进行了生物转盘与沉淀池或曝气池等优化组合的研究。20世纪70年代初期, 些国家将化工领域中的流化床技术应用于污水物处理中,出现了生物流化床。生物流化 床主要有两相流化床和三相流化床。多年来研究和运行结果表明,生物流化床具有BOD 容积负荷大、处理效率高、占地面积小、投资省等特点,但在运行不稳定性方面还不理 想,而且操作较为困难。 生物接触氧化法、泥膜共牛系统法,均是兼有活性污泥法和生物膜法特点的生物处理 法,由于它们具有许多优点,因此也受到人们的重视。目前,该类方法在酿酒、皮革、屠 宰、制药等行业废水处理中取得了良好效果 从20世纪70年代起,污水厌氧处理由于节能和能源化等方面的优点,其理论研究和 实际应用都取得了很大进展。在厌氧消化机理方面,新的甲烷菌不断被发现,多种代谢模 式先后被提出,这些都对厌氧生物处理工艺的研究起到了指导作用。近年来,一些新的厌 氧处理工艺或设备,如上流式厌氧污泥床、上流式厌氧滤池、厌氧接触法、厌氧流化床及 两相厌氧消化工艺等相继出现,使厌氧生物处理法所具有的能耗小并可回收能源,剩余污 泥量少,生成的污泥稳定,易处理,对高浓度有机污水处理效率高等优点,得到充分的体 现。厌氧生物处理法经过多年的发展,现已成为污水处理的主要方法之一,不但可用于处 理高浓度和中等浓度的有机污水及好氧处理过程中所产生的剩余有机污泥,还可以用于低 浓度有机污水的处理。 传统的生化处理方法主要着眼于除去BOD、COD和SS,而对氮、磷等营养物质的去 除率很低。由于水体富营养化问题加剧,1960年以来,生物脱氮除磷工艺受到重视,先 后开发了厌氧好氧(A-O)和缺氧好氧(AO)组合工艺,在去除有机物的同时,前者 可去除废水中的磷,后者可脱除废水中的氮。继而又将上述两工艺优化组合,构成可以同 时脱氮除磷并处理有机物的A-AO流程(或称A2/O)。该组合T艺处理效率高,经简单 预处理的废水,依次经过厌氧、缺氧和好氧三段处理,可达到良好的处理效果,对难生物 降解的有机物也有较高的去除效果。而且,污泥沉淀性能好,电耗和药耗少,运行费用 低。中国从1980年开始研究采用上述组合工艺,已在许多城市等地建成多个采用A2/O 工艺的废水处理厂,运行效果良好 随着研究与应用的深入,与传统方法相比,污水生化处理的方法、设备和流程不断发 展与革新,在适用的污染物种类、浓度、负荷、规模以及处理效果、费用和稳定性等方面 都有了很大改善。包括基因工程在内的现代生物技术的发展及其新成果的应用,为污水生 物处理的发展提供了新的契机。 3.2污水生物处理技术基础 3.2.1污水的可生化性 污水的可生化性是指废水中所含的污染物,在微生物的代谢作用下改变化学结构 从而改变化学和物理性能所能达到的生物降解程度。研究污染物可生化性的目的在于了解 污染物质的分子结构能否在生物作用下分解到环境所允许的结构形态,以及是否有足够快 的分解速度。污水生物处理是以污水中所含污染物作为营养源,利用微生物的代谢作用使
污染物被降解,污水得以净化。如果污水中的污染物不能被微生物降解,生物处理将不能 获得良好的处理效果。因此对判断污水能否采用生物处理是设计污水生物处理程的 前提 污水可生化性的评价可以通过以下多种方法进行 (1)BOD3COD值法 用BOD3/COD值评价废水的可生化性是广泛采用的一种简易的方法。在-一般情况下 BOD3/COD值愈大,说明废水可生物处理性愈好;BOD3COD值大于0.45时,说明污 水的可生化性好;如果BOD3/COD值在0.3~0.45之间,污水的可生化性也较好;当 BOD/COD值为0.2~0.3时,则说明污水的可生化性较差;BOD3COD值低于0.2的污 水,其可生化性极差,不适合直接采用牛物法进行处理。 污水的BOD5/COD值并不直接等于可生物降解的有机物占全部有机物的百分数,所 用BOD3/COD值来评价废水的生物处理可行性不够精确,但较为方便,因而常用。 (2)BOD3/TOD值法 对于同一污水或同种化合物,COD值一般总是小于或等于TOD值,不同化合物的 COD/TOD值变化很大,因此,以TOD代表废水中的总有机物含量要比COD准确,即 用BOD/TOD值来评价污水的可生化性能得到更好的相关性。一般而言,BOD3/TOD值 大于0.4的污水具有好的可生化性;BOD3/TOD值为0.2~0.4的污水,其可生化性较 好;对于BOD3/TOD值小于0.2的污水,因其可生化性极差而不采用或不直接采用生物 处理法。 (3)耗氧速率法 在好氧生物处理过程中,微生物在代谢底物时需消耗氧。表示耗氧速度(或耗氧量) 随时间而变化的曲线,称为耗氧曲线。在微生物的生化活性、温度、pH值等条件确定的 情况下,耗氧速度将随可生物降解有机物浓度的提高而提高,因此,可用耗氧速率来评价 废水的可生化性。 耗氧曲线的待征与废水中有机污染物的性质有关,图3-1所示为几种典型的微生物呼 吸耗氧曲线。a为内源呼吸曲线,当微生物处于内源呼吸期时,其耗氧量仅与微生物量有 关,在较长一段时间内耗氧速度是恒定的,所以内源呼吸线为一条直线;若废水中有机污 染物的耗氧曲线与内源呼吸线重合时,说明有机污染物不能被微生物所分解,对微生物也 无抑制作用。b为可降解有机污染物的耗氧曲 线,此曲线应始终在内源呼吸线的上方;起始 时,因反应器内可降解的有机物浓度高,微生 物代谢速度快,耗氧速度也大,随着有机物浓 度的减小,耗氧速度下降,最后微生物群体进 入内源代谢期,耗氧曲线与内源呼吸线平行 基质耗氧曲线 为对微生物有抑制作用的有机污染物的耗氧曲 线;该曲线接近横坐标愈近,离内源呼吸线愈 远,说明废水中对微生物有抑制作用的物质的 毒性愈强。 在图3-1中,与耗氧曲线b相应的废水是 图3-1微生物呼吸耗氧曲线 可生物处理的,在某一时间内,b与a之间的间
距愈大,说明废水中的有机污染物愈易于生物降解。曲线b上微生物进入内源呼吸时的时 间t,可以认为是微生物氧化分解废水中可生物降解有机物所需的时间。在tA时间内, 有机物的耗氧量与内源呼吸耗氧量之差,就是氧化分解废水中有机污染物所需的氧量。根 据图示结果及COD测定值、混合液悬浮固体MSS(或混合液挥发性悬浮固体 MLVSS) 测定值,可以计算出废水中有机物的氧化百分率,计算式如下: ( X MLSS E D 100% (3-1) 式中E有机物氧化分解百分率; O1—有机物耗氧量,mg/L; O2—内源呼吸耗氧量,ng/L; MLSS混合液悬浮固体浓度,mg/I 显然,t愈小,(O1-O2)愈大或E愈大,废水的可生化性就愈好。 (4)摇床试验与模型试验 ①摇床试验又称振荡培养法,是一种间歇投配连续运行的生物处理装置。摇床试 验是在培养瓶中加入驯化活性污泥、待测物质及无机营养盐溶液,在摇床上振摇,培养瓶 中的混合液在摇床振荡过程中不断更新液面,使大气中的氧不断溶解于混合液中,以供徽 生物代谢有机物之用,经过…定时间间隔后,对混合液进行过滤或离心分离,然后测定清 液的COD或BOD,以考察待测物质的去除效果 ②模型试验是指采用生化处理的模型装置考察废水的可生化性。模型装置通常可 分为间歇流和连续流反应器两种。间歇流反应器模型试验是在间歇投配骈化活性污泥和待 测物质及无机营养盐溶液的条件下连续曝气充氧来完成的。在选定的时间间隔内取样分析 COD或BOD等水质指标,从而确定待测物质或污水的去除速率。连续流反应器是指连续 进水、出水,连续回流污泥和排除剩余污泥的反应器。用这种反应器研究废水的可生化性 时,要求在定时间内进水水质稳定,通过测定进、出水的COD等指标来确定废水中有 机物的去除速率及去除率 采用模型试验确定有机物的可生化性的优点是成熟和可靠,同时可进行生化处理条件 的探索,求出废水的合理稀释度、废水处理时间及其他设计与运行参数。缺点是耗费的人 力、物力较大,需时较长。 32.2污水处理的微生物基础 污水生化处理是利用微生物的新陈代谢作用,对污水中的污染物质进行转化和降解 使之无害化的处理方法。微生物个体微小,一般用肉眼不能直接看到,需借助显微镜才能 观察到。污水生物处理涉及的微生物种类很多,主要包括原核的细菌、放线菌及蓝藻,真 核的酵母、霉菌、藻类、原生动物和一些后生动物真菌以及无细胞结构的病毒等。微生物 具有来源广、易培养、繁殖快、对环境适应性强、易变异等特性,在生产上能较容易地采 集菌种进行培养增殖,并在特定条件下进行驯化,使之适应有毒工业废水的水质条件,从 而通过微生物的新陈代谢作用使有机物无机化,有毒物质无害化 3.2.2.1微生物的新陈代谢 微生物在生命活动过程中,不断从外界环境中摄取营养物质,并通过复杂的酶催化反 应将其加以转化利用,提供能量并合成新的生物体,同时又不断向外界环境排泄代谢产 物。这种为了维持生命活动过程与繁殖后代而进行的各种化学变化称为微生物的新陈代
谢,简称代谢 根据能量的释放和吸取,可将代谢分为分解代谢(同化作用)和合成代谢(异化作 用)。在分解代谢过程中,结构复杂的大分子有机物或高能化合物分解为简单的低分子物 质或低能化合物,逐级释放出其固有的自由能,微生物将这些能量转变成三磷酸腺苷 (ATP,以结合能的形式贮存起来。在合成代谢中,微生物把从外界环境中摄取的营养 物质,通过一系列生化反应合成新的细胞物质,生物体合成所需的能量从ATP的磷酸盐 键能中获得。在微生物的生命活动过程中,合成代谢和分解代谢相互依赖,共同进行,分 解代谢为合成代谢提供物质基础和能量来源,通过合成代谢又使生物体不断增加,两者 密切配合是一切生命活动的基础。 (1)分解代谢 高能化合物分解为低能化合物,物质由繁到简并逐级释放能量的过程叫分解代谢,或 称异化作用。一切生物进行生命活动所需要的物质和能量都是通过分解代谢提供的,所以 说分解代谢是新陈代谢的基础,根据分解代谢过程对氧的需求,又可分为好氧分解代谢和 厌氧分解代谢。 好氧分解代谢是好氧微生物和兼性微生物在有氧条件下,将有机物彻底分解为CO2 和H2O,并释放能量的代谢过程。在有机物氧化过程中脱出的氢是以氧作为受氢体。例 如,萄糖(CH12O4)在有氧情况下的完全氧化: C6H12O3+6O2 6CO2+6H2O+2880kJ (3-2) 厌氧分解代谢是厌氧微生物和兼性微生物在无氧条件下,将复杂的有机物分解成简单 的有机物和无机物,如有机酸、醇、CO2等,再由专性厌氧的产甲烷菌进步转化为甲 烷和CO3等,并释放出能量的代谢过程。厌氧代谢的受氢体可以是有机物,也可以是含 氧化合物,如SO、NO3和CO等。例如,葡萄糖的厌氧代谢,以含氧化合物为受氢 体时,1mol葡萄糖释放的能量为1796kJ;以有机物为受氢体时,1mol葡萄糖释放的能量 为 CH2O4+12KNO3→→6CO2+6H2O+12KNO2+1796kJ CsH12O6→→2CHCH2OH+2CO2+226kJ (3-4 好氧分解代谢过程中,有机物的分解比较彻底,最终产物是含能量低的CO2和H2O, 释放能量多,代谢速度快,代谢产物稳定。厌氧分解代谢中的有机物氧化不彻底,最终代 谢产物中有的还可以燃烧,还含有相当多的能量,故释放的能量较少,代谢速度较慢。所 以,在废水处理中,一般较少采用厌氧代谢的形式,仪是当处理高浓度有机废水和有机污 泥时,用厌氧方式生产沼气,回收甲烷。 2)合成代谢 微生物从外界获得能量,将低能化合物合成生物体的过程叫合成代谢,或称同化作 用。简言之,是徵生物机体自身物质制造的过程。在此过程中,微生物体合成所需要的能 量和物质可由分解代谢提供 3.2.2.2微生物生长的营养及影响因素 营养物对微生物的作用是:(a)提供合成细胞物质时所需要的物质;(b)作为产能反应 的反应物,为细胞增长的生物合成反应提供能源;(c)充当产能反应所释放电子的受氢体 所以微生物所需要的营养物质必须包括组成细胞的各种元素和产生能量的物质。在细菌细 胞内,含有约80%的水,其余20%为干物质。在这些干物质中,有机物约占90%,无机