第三章污水的生物處理

第三章污水生物處理一、基本理論污水生物處理是微生物在酶的催化作用下，利用微生物的新陳代謝功能，對污水中的污染物質(zhì)進(jìn)行分解和轉(zhuǎn)化。1.1什么是污水生物處理？污水中可被微生物通過酶的催化作用而進(jìn)行生物化學(xué)變化的物質(zhì)稱為底物或基質(zhì)?？缮锝到獾孜锪堪ㄓ袡C(jī)的和無機(jī)的可生物利用物質(zhì)。酶是微生物產(chǎn)生的有機(jī)催化劑，能通過降低反應(yīng)的活化能加快反應(yīng)速度，但不改變反應(yīng)的平衡點。酶的特性酶的種類繁多，常見的類型包括轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、水解酶、氧化還原酶、異構(gòu)酶和合成酶。酶具有專一性和催化反應(yīng)特性。酶的催化反應(yīng)速率較高，一個單個的酶分子每秒能催化1000-10萬次分子的轉(zhuǎn)化。一些酶依靠自身的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)就能發(fā)揮活性，而另外一些還需要非蛋白成分才能發(fā)揮活性。當(dāng)這種非蛋白成分是金屬離子時，稱為輔助因子；當(dāng)這種非蛋白成分是有機(jī)物時，稱為輔酶。酶的特性新陳代謝合成代謝(同化作用)分解代謝(異化作用)復(fù)雜物質(zhì)分解為簡單物質(zhì)簡單物質(zhì)合成為復(fù)雜物質(zhì)吸收能量釋放能量能量代謝物質(zhì)代謝1.2新陳代謝過程根據(jù)氧化還原反應(yīng)中最終電子受體的不同，分解代謝可分成發(fā)酵和呼吸兩種類型，呼吸又可分成好氧呼吸和缺氧呼吸兩種方式。分解代謝發(fā)酵呼吸好氧呼吸厭氧呼吸發(fā)酵是指微生物將有機(jī)物釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時釋放能量并產(chǎn)生不同的代謝產(chǎn)物。底物為有機(jī)物；不完全氧化；釋放部分能量；電子受體為中間代謝產(chǎn)物。1.3發(fā)酵與呼吸

(1)發(fā)酵糖酵解過程準(zhǔn)備階段放能階段準(zhǔn)備階段:沒有發(fā)生氧化反應(yīng)；1分子的葡萄糖消耗2分子的ATP；

放能階段：1分子3-磷酸甘油醛失去2電子，轉(zhuǎn)移給電子載體NAD+；最終轉(zhuǎn)化成中間產(chǎn)物2分子的丙酮酸，同時合成4分子ATP；電子載體NADH將電子直接轉(zhuǎn)移給中間產(chǎn)物丙酮酸，用于下一步反應(yīng)。（2）呼吸微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD（P）+（輔酶II）、FAD或FMN等電子載體，再經(jīng)過電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產(chǎn)物并釋放能量的過程，稱為呼吸作用。其中，以分子氧作為最終電子受體的稱為好氧呼吸，以氧化型化合物作為最終電子受體的稱為缺氧呼吸。有分子氧參與的生物氧化，反應(yīng)的最終受氫體是分子氧。底物中的氫被脫氫酶活化，并從底物中脫出交給輔酶（遞氫體），同時放出電子，氧化酶利用底物放出的電子激活游離氧，活化氧和從底物中脫出的氫結(jié)合成水。NAD(P)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）好氧呼吸過程實質(zhì)上是脫氫和氧活化相結(jié)合的過程。在這個過程中，同時放出能量。

好氧呼吸

三羧酸循環(huán)糖酵解葡萄糖的好氧呼吸分解過程包括糖酵解階段和三羧酸循環(huán)階段；糖酵解階段和發(fā)酵過程一樣；電子載體NADH2先將電子轉(zhuǎn)移給電子傳遞系統(tǒng)，由電子傳遞系統(tǒng)提供給電子受體O2；底物氧化完全，分解1分子葡萄糖可以合成38分子的ATP，最終產(chǎn)物為CO2和H2O。葡萄糖好氧分解電子傳遞系統(tǒng)電子傳遞系統(tǒng)是由NAD（P）+、黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）或黃素單核苷酸（FMN）、輔酶Q、細(xì)胞色素b、細(xì)胞色素c1、c及細(xì)胞色素a等組成。原核微生物的電子傳遞體系和細(xì)胞質(zhì)膜連在一起，成為細(xì)胞質(zhì)膜的一部分，真核微生物的電子傳遞系統(tǒng)在線粒體中。主要功能：（1）接受電子供體釋放的電子，并將電子傳遞給最終電子受體O2；（2）合成ATP，把電子傳遞過程中釋放的能量儲存起來。缺氧呼吸

在電子傳遞體系中，氧化NADH2時的最終電子受體不是氧氣，而是氧氣以外的無機(jī)化合物中的氧原子，如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-、CO2等。缺氧呼吸的底物一般為有機(jī)物，被氧化成CO2，有ATP生成。以NO3-為電子受體：

以SO42-為電子受體：

以CO2為電子受體，最終將CO2還原成甲烷。缺氧呼吸

缺氧呼吸是在無分子氧（O2）的情況下進(jìn)行的生物氧化。在缺氧呼吸過程中，底物中脫下來的氫傳遞給除氧以外的含氧化合物，使其還原。缺氧呼吸也需要細(xì)胞色素等電子傳遞體，并能在能量分級釋放過程中伴隨有磷酸化作用，也能產(chǎn)生較多的能量用于生命活動。部分能量隨電子傳遞給最終電子受體，生成的能量少于好氧呼吸。呼吸方式受氫體電子傳遞系統(tǒng)產(chǎn)能結(jié)果好氧呼吸分子氧有2817.3kJ缺氧呼吸含氧化合物有1755.6kJ發(fā)酵有機(jī)物無92kJ三種代謝方式的產(chǎn)能結(jié)果對比注：底物采用的是葡萄糖1.4好氧生物處理和厭氧生物處理好氧生物處理是在有游離氧（分子氧）存在的條件下，好氧微生物降解有機(jī)物，使其穩(wěn)定、無害化的處理方法。微生物利用廢水中存在的有機(jī)污染物（以溶解狀與膠體狀的為主）作為營養(yǎng)源進(jìn)行好氧代謝。這些高能位的有機(jī)物質(zhì)經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，逐級釋放能量，最終以低能位的無機(jī)物質(zhì)穩(wěn)定下來，達(dá)到無害化的要求，以便返回自然環(huán)境或進(jìn)一步處置。圖示表明，有機(jī)物被微生物攝取后，通過代謝活動，約有1/3被分解、穩(wěn)定，并提供其生理活動所需的能量；約有2/3被轉(zhuǎn)化，合成為新的原生質(zhì)（細(xì)胞質(zhì)），即進(jìn)行微生物自身生長繁殖。（1）好氧生物處理（2）厭氧生物處理

廢水的厭氧生物處理是在沒有游離氧存在的條件下，兼性細(xì)菌與厭氧細(xì)菌降解和穩(wěn)定有機(jī)物的生物處理方法。在厭氧生物處理過程中，復(fù)雜的有機(jī)化合物被降解、轉(zhuǎn)化為簡單的化合物，同時釋放能量。

在這個過程中，有機(jī)物的轉(zhuǎn)化分為三部分進(jìn)行：部分轉(zhuǎn)化為CH4，這是一種可燃?xì)怏w，可回收利用；還有部分被分解為CO2、H2O、NH3、H2S等無機(jī)物，并為細(xì)胞合成提供能量；少量有機(jī)物被轉(zhuǎn)化、合成為新的原生質(zhì)的組成部分。由于僅少量有機(jī)物用于合成，故相對于好氧生物處理法，其污泥增長率小得多。二、微生物的生長規(guī)律和生長環(huán)境2.1微生物的生長規(guī)律

微生物的生長規(guī)律一般是以生長曲線來反映。按微生物生長速率，其生長可分為四個生長期停滯期（調(diào)整期）對數(shù)期（生長旺盛期）靜止期（平衡期）衰老期（衰亡期）微生物要求的營養(yǎng)物質(zhì)必須包括組成細(xì)胞的各種原料和產(chǎn)生能量的物質(zhì)，主要有：水、碳素營養(yǎng)源、氮素營養(yǎng)源、無機(jī)鹽及生長因素。微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)微生物的組成微生物組成水80％干物質(zhì)20％無機(jī)質(zhì)10％有機(jī)物90％C53.1%,O28.3%,N12.4%,H6.2%P50%,S15%,Na11%,Ca9%,Mg8%,K6%,Fe1%等一般估算營養(yǎng)比例：C∶N∶P＝100∶5∶1

(1)水：組成部分，代謝過程的溶劑。細(xì)菌約80%的成分為水分。

(2)碳源：碳素含量占細(xì)胞干物質(zhì)的50％左右，碳源主要構(gòu)成微生物細(xì)胞的含碳物質(zhì)和供給微生物生長、繁殖和運(yùn)動所需要的能量，一般污水中含有足夠碳源。

(3)氮源：提供微生物合成細(xì)胞蛋白質(zhì)的物質(zhì)。

(4)無機(jī)元素：主要有磷、硫、鉀、鈣、鎂等及微量元素。作用：構(gòu)成細(xì)胞成分，酶的組成成分,維持酶的活性，調(diào)節(jié)滲透壓，提供自養(yǎng)型微生物的能源。磷：核酸、磷脂、ATP轉(zhuǎn)化。硫：蛋白質(zhì)組成部分，好氧硫細(xì)菌能源。鉀：激活酶。鈣：穩(wěn)定細(xì)胞壁，激活酶。鎂：激活酶，葉綠素的重要組成部分

(5)生長因素：氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素等。微生物的營養(yǎng)各類微生物所生長的溫度范圍不同，約為5℃～80℃

。此溫度范圍，可分為最低生長溫度、最高生長溫度和最適生長溫度（是指微生物生長速度最快時溫度）。依微生物適應(yīng)的溫度范圍，微生物可以分為中溫性（20～45℃）、好熱性（高溫性）（45℃以上）和好冷性（低溫性）（20℃以下）三類。當(dāng)溫度超過最高生長溫度時，會使微生物的蛋白質(zhì)迅速變性及酶系統(tǒng)遭到破壞而失活，嚴(yán)重者可使微生物死亡。低溫會使微生物代謝活力降低，進(jìn)而處于生長繁殖停止?fàn)顟B(tài)，但仍保存其生命力。微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)不同的微生物有不同的pH適應(yīng)范圍。細(xì)菌、放線菌、藻類和原生動物的pH適應(yīng)范圍是在4～10之間。大多數(shù)細(xì)菌適宜中性和偏堿性（pH＝6.5～7.5）的環(huán)境。廢水生物處理過程中應(yīng)保持最適pH范圍。當(dāng)廢水的pH變化較大時，應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)池，使進(jìn)入反應(yīng)器（如曝氣池）的廢水，保持在合適的pH范圍。微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素微生物的營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素溶解氧是影響生物處理效果的重要因素。好氧微生物處理的溶解氧一般以2～4mg/L為宜。微生物的營養(yǎng)溫度pH溶解氧有毒物質(zhì)微生物的生長環(huán)境影響微生物生長的環(huán)境因素在工業(yè)廢水中，有時存在著對微生物具有抑制和殺害作用的化學(xué)物質(zhì)，這類物質(zhì)我們稱之為有毒物質(zhì)。其毒害作用主要表現(xiàn)在細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞以及菌體內(nèi)的酶變質(zhì)，并失去活性。在廢水生物處理時，對這些有毒物質(zhì)應(yīng)嚴(yán)加控制，但毒物濃度的允許范圍，需要具體分析。微生物的營養(yǎng)溫度pH值溶解氧有毒物質(zhì)三、好氧生物處理工藝3.1活性污泥法

1912年,英國的克拉克和蓋奇在勞倫斯研究所實驗中發(fā)現(xiàn),對污水長時間曝氣會產(chǎn)生污泥,同時水質(zhì)會得到明顯改善.曝氣活性污泥（1）什么是活性污泥？由細(xì)菌、菌膠團(tuán)、原生動物、后生動物等微生物群體及吸附的污水中有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)組成的、有一定活力的、具有良好的凈化污水功能的絮絨狀污泥。按棲息著的微生物分：（2）活性污泥的組成大量的細(xì)菌真菌原生動物后生動物除活性微生物外，活性污泥還挾帶著來自污水的有機(jī)物、無機(jī)懸浮物、膠體物；活性污泥中棲息的微生物以好氧微生物為主，是一個以細(xì)菌為主體的群體，除細(xì)菌外,還有酵母菌、放線菌、霉菌以及原生動物和后生動物?；钚晕勰嘀屑?xì)菌含量一般在107～108個/mL；原生動物103個/mL，原生動物中以纖毛蟲居多數(shù)，固著型纖毛蟲可作為指示生物，固著型纖毛蟲如鐘蟲、等枝蟲、蓋纖蟲、獨(dú)縮蟲、聚縮蟲等出現(xiàn)且數(shù)量較多時，說明培養(yǎng)成熟且活性良好。干固體和水分含水98％~99％干固體1％~2%（2）活性污泥的組成混合液懸浮固體濃度（MLSS）指曝氣池中單位體積混合液中活性污泥懸浮固體的質(zhì)量，也稱之為污泥濃度?；旌弦簱]發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）是指混合液懸浮固體中有機(jī)物的質(zhì)量。按McKinney的分析：MLSS=Ma+Me+Mi+MiiMLVSS=Ma+Me+Mi式中：Ma——具備活性細(xì)胞成分；Me——內(nèi)源代謝殘留的微生物有機(jī)體；Mi——未代謝的不可生化的有機(jī)懸浮固體；Mii——吸附的無機(jī)懸浮固體。（3）活性污泥的性質(zhì)顏色黃褐色狀態(tài)似礬花絮絨顆粒味道土腥味相對密度曝氣池混合液：1.002～1.003回流污泥：1.004～1.006粒經(jīng)0.02～0.2mm20～100cm2/mL比表面積曝氣池污泥沉降比：SV（4）活性污泥的評價方法取混合液至1000mL或100mL量筒，靜止沉淀30min后，度量沉淀活性污泥的體積，以占混合液體積的比例（%）表示污泥沉降比。污泥體積指數(shù)：SVISV不能確切表示污泥沉降性能，故人們想起用單位干泥形成濕泥時的體積來表示污泥沉降性能，簡稱污泥指數(shù)，單位為mL/g。

1L混合液沉淀30min的活性污泥體積（mL）SV(mL/L)SVI==1升混合液中懸浮固體干重（g）

MLSS(g/L)生物相MLSS和MLVSS通過污泥回流和剩余污泥的排放,保持系統(tǒng)污泥濃度的動態(tài)平衡。（5）活性污泥的基本流程（6）有機(jī)物的降解過程

活性污泥在曝氣過程中，對有機(jī)物的降解（去除）過程可分為兩個階段：吸附階段穩(wěn)定階段由于活性污泥具有巨大的表面積，而表面上含有多糖類的黏性物質(zhì)，導(dǎo)致污水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)移到活性污泥上去。主要是轉(zhuǎn)移到活性污泥上的有機(jī)物為微生物所利用。曝氣過程中污水中有機(jī)物的變化分析：廢水中的有機(jī)物殘留在廢水中的有機(jī)物從廢水中去除的有機(jī)物微生物不能利用的有機(jī)物微生物能利用的有機(jī)物微生物能利用而尚未利用的有機(jī)物微生物不能利用的有機(jī)物微生物已利用的有機(jī)物（氧化和合成）（吸附量）增殖的微生物體氧化產(chǎn)物有機(jī)物指標(biāo)生化需氧量（BiologicalOxygenDemand，

BOD）污水的生化需氧量全部生物氧化需要20~100d完成，實際中，常以5d作為測定生化需氧量的標(biāo)準(zhǔn)時間，稱5日生化需氧量（BOD5）；通常以20℃為測定的標(biāo)準(zhǔn)溫度。在有氧的條件下，微生物氧化分解污水或受污染的天然水樣中有機(jī)物所需要的氧量,以mg/L為單位。化學(xué)需氧量（ChemicalOxygenDemand，

COD）用化學(xué)方法氧化分解廢水水樣中有機(jī)物過程中所消耗的氧化劑量折合成氧量，以mg/L為單位。常用的氧化劑主要是重鉻酸鉀K2Cr2O7（稱CODCr)和高錳酸鉀KMnO4(稱CODMn或OC)?？傆袡C(jī)碳（TotalOrganicCarbon，TOC）在950℃高溫下，以鉑作為催化劑，使水樣氣化燃燒，然后測定氣體中的CO2含量，減去無機(jī)碳含量后，得到水樣中有機(jī)碳元素總量。對于相同水質(zhì)污水BOD5=0.3CODcr；TOC=0.47CODcrCODcr>TOC>BOD5對于不同水質(zhì)污水，三者沒有固定關(guān)系。

曲線①反映污水中有機(jī)物的去除規(guī)律；曲線②反映活性污泥利用有機(jī)物的規(guī)律；曲線③反映了活性污泥吸附有機(jī)物的規(guī)律。a、在曝氣過程中，污水中的有機(jī)物先是吸附轉(zhuǎn)移到污泥上，然后逐漸為微生物所利用；b、吸附作用在相當(dāng)短的時間內(nèi)就基本完成了，微生物利用有機(jī)物的過程比較緩慢。

（7）傳統(tǒng)活性污泥法工藝形式推流式曝氣池工藝完全混合式曝氣池工藝序批式曝氣池工藝封閉循環(huán)式曝氣池工藝推流式曝氣池工藝工藝特征：有機(jī)污染物在曝氣池內(nèi)的降解，經(jīng)歷了第一階段的吸附和第二階段代謝的完整過程，活性污泥也經(jīng)歷了一個從池首端的對數(shù)增長，經(jīng)減速增長到池末端的內(nèi)源呼吸期的完全生長周期。存在的問題：a、進(jìn)水底物分布不均勻；b、抗沖擊負(fù)荷能力弱；c、供氧不均勻。推流式曝氣池中溶解氧的供需關(guān)系工藝改進(jìn)方法：a、漸減曝氣法工藝形式和傳統(tǒng)推流式一樣，充氧設(shè)備的布置沿池長方向與需氧量匹配，使布?xì)庋爻讨鸩竭f減，接近好氧速率，總空氣用量減少。b、階段曝氣法（1）污水沿曝氣池的長度分散均衡地進(jìn)入，曝氣池內(nèi)有機(jī)污染物負(fù)荷及需氧率得到均衡，一定程度地縮小了耗氧速度與沖氧速率之間的差距，活性污泥微生物的活性得到充分的發(fā)揮；（2）混合液中的活性污泥濃度沿池長逐步降低，出流混合液的污泥較低，減輕二次沉淀池的負(fù)荷，有利于提高二次沉淀池固、液分離效果。完全混合式曝氣池工藝工藝特征：（1）污水與回流污泥進(jìn)入曝氣池后，立即與池內(nèi)混合液充分混合;（2）污水在曝氣池內(nèi)分布均勻，F(xiàn)/M值均等，便于調(diào)整工況，實現(xiàn)最佳參數(shù)條件；工藝對沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)能力;（3）曝氣池內(nèi)混合液的需氧速度均衡，動力消耗低于推流式曝氣池；（4）活性污泥易于產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象。方形多點進(jìn)水圓形中間進(jìn)水進(jìn)水反應(yīng)沉淀排水閑置序批式曝氣池工藝

工藝特征：a、工藝系統(tǒng)組成簡單，不設(shè)二沉池，曝氣池兼具二沉池的功能，無污泥回流設(shè)備；b、耐沖擊負(fù)荷，在一般情況下（包括工業(yè)污水處理）無需設(shè)置調(diào)節(jié)池；c、反應(yīng)推動力大,易于得到優(yōu)于連續(xù)流系統(tǒng)的出水水質(zhì);d、運(yùn)行操作靈活，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)各單元操作的狀態(tài)可達(dá)到脫氮除磷的效果；e、污泥沉淀性能好,SVI值較低,能有效地防止絲狀菌膨脹；f、該工藝的各操作階段及各項運(yùn)行指標(biāo)可通過計算機(jī)加以控制，便于自控運(yùn)行，易于維護(hù)管理。

序批式曝氣池工藝（1）氧化溝池體狹長，池深較淺，在溝槽中設(shè)有表面曝氣裝置；（2）曝氣裝置的轉(zhuǎn)動，推動溝內(nèi)液體迅速流動，具有曝氣和攪拌兩個作用，溝中混合液流速約為0.25～0.3m/s。封閉循環(huán)式曝氣池工藝-氧化溝轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)曝氣轉(zhuǎn)刷運(yùn)行中的曝氣轉(zhuǎn)刷（8）曝氣和氧的傳遞氣體傳遞原理

雙膜理論的基點是認(rèn)為在氣液界面存在著二層膜（即氣膜和液膜）這一物理現(xiàn)象。這兩層薄膜使氣體分子從一相進(jìn)入另一相時受到了阻力。當(dāng)氣體分子從氣相向液相傳遞時，若氣體的溶解度低，則阻力主要來自液膜。在廢水生物處理系統(tǒng)中，氧的傳遞速率可用下式表示：

氧傳遞率，kgO2/h；液膜中氧分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/h；氣液接觸界面面積，m2；飽和溶解氧值，kgO2/m3；溶液中溶解氧濃度，kgO2/m3；溶解氧濃度梯度，kgO2/（m3?m-1）；提高KLa可以提高氧轉(zhuǎn)移速率提高cs可以提高氧轉(zhuǎn)移速率影響氧傳遞效率的因素

污水水質(zhì)水溫水溫為T℃時的氧總傳質(zhì)系數(shù)水溫為20℃時的氧總傳質(zhì)系數(shù)氧分壓氧轉(zhuǎn)移速率與供氣量的計算穩(wěn)定條件下，氧的轉(zhuǎn)移速率等于活性污泥微生物的需氧速率：

F—曝氣設(shè)備堵塞系數(shù)，通常取0.65-0.9。在實際條件下，能夠轉(zhuǎn)移到曝氣池混合液中的總氧量為：曝氣設(shè)備鼓風(fēng)曝氣機(jī)械曝氣空氣凈化器鼓風(fēng)機(jī)空氣輸配管系統(tǒng)擴(kuò)散器豎式曝氣機(jī)表面曝氣機(jī)臥式曝氣機(jī)常用鼓風(fēng)曝氣機(jī)羅茨風(fēng)機(jī)回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)羅茨風(fēng)機(jī)工作原理圖離心鼓風(fēng)機(jī)丹麥HV-Turbo風(fēng)機(jī)英國Howden風(fēng)機(jī)曝氣輸配系統(tǒng)微孔曝氣盤微孔曝氣管微孔曝氣設(shè)備安裝表面曝氣機(jī)沉水曝氣機(jī)曝氣設(shè)備性能指標(biāo)比較各種曝氣設(shè)備性能的主要指標(biāo)氧轉(zhuǎn)移率：單位為mg（O2）/（L·h）。充氧能力（或動力效率）：即每消耗1kW·h動力能傳遞到水中的氧量（或氧傳遞速率）,單位為kg（O2）/（kW·h）。氧利用率：通過鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量占總供氧的比例，單位為％。曝氣設(shè)備性能滿足混合要求的曝氣量滿鋪的小氣泡擴(kuò)散器：2.2m3/（m2·h）旋流的大中氣泡擴(kuò)散器：1.2m3/（m2·h）機(jī)械曝氣：15-25W/m33.2生物膜法

（1）什么是生物膜？

生物膜:以附著在惰性載體表面生長的,以微生物為主,包含微生物及其產(chǎn)生的胞外多聚物和吸附在微生物表面的無機(jī)及有機(jī)物等組成,并具有較強(qiáng)的吸附和生物降解性能的結(jié)構(gòu)。卵石碎石石英砂爐渣焦炭無煙煤陶粒沸石火山巖多面空心球拉西環(huán)塑料圓盤纖維球纖維束海綿纖維（2）生物膜的構(gòu)成真菌藻類原生動物后生動物一些肉眼可見的蠕蟲、昆蟲的幼蟲細(xì)菌（好氧、厭氧、兼性）微生物組成與活性污泥法一樣，原生動物和后生動物可以作為指示生物，來檢查和判斷工藝的運(yùn)行情況及污水處理效果。當(dāng)后生動物出現(xiàn)在生物膜中時，表明水中有機(jī)污含量很低并已穩(wěn)定。干固體和水分含水98％~99％干固體1％~2%（3）生物膜法對污染物的降解機(jī)制污染物的降解過程包括：有機(jī)物和氧在液相中的紊流擴(kuò)散、在附著水膜和生物膜中的擴(kuò)散傳遞、有機(jī)物在生物膜中氧化分解和利用。污染物的去除也是一個吸附、穩(wěn)定的過程。生物膜表層生長的是好氧和兼性微生物,在這里,有機(jī)污染物經(jīng)微生物好氧代謝而降解,最終產(chǎn)物是水和二氧化碳;生物膜內(nèi)層微生物處于厭氧狀態(tài),在這里進(jìn)行厭氧代謝,最終產(chǎn)物為有機(jī)酸、乙醇、醛和硫化氫等。生物膜的自然脫落。（4）生物膜的形成過程

微生物向載體表面的輸送主動運(yùn)送：細(xì)菌借助于水力動力學(xué)作用及濃度擴(kuò)散向載體表面遷移；被動運(yùn)送：通過布朗運(yùn)動、細(xì)菌自身運(yùn)動和沉降等作用實現(xiàn)?？赡娓街^程不可逆附著過程附著微生物的增長（5）影響生物膜生長的主要因素進(jìn)水中底物的組分底物的組分和濃度會影響生物膜的特性和剩余污泥量，直接影響到出水的水質(zhì)。對營養(yǎng)物質(zhì)要求的比例：BOD5︰N︰P=100︰5︰1有機(jī)負(fù)荷（Lv）以污水中有機(jī)物的量（BOD5）來計算，表示單位時間單位體積濾料承擔(dān)的有機(jī)物量。單位：kgBOD5/m3.d溶解氧水流擾動水流攪動強(qiáng)度高，水力剪切力大，有助于促進(jìn)膜的更新。pHpH的改變會引起細(xì)胞膜電荷的變化，進(jìn)而影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和微生物代謝過程中酶的活性。溫度水溫影響微生物的生長及生物化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。有毒物質(zhì)有毒物質(zhì)會對生物膜產(chǎn)生抑制甚至殺害作用。（6）生物膜法污水處理特征微生物種類豐富，對底物組分的變化有很好的適應(yīng)能力存活世代時間較長的微生物，有利于不同功能的優(yōu)勢菌群分段運(yùn)行微生物的食物鏈長，剩余污泥產(chǎn)量少運(yùn)行管理方便（7）生物膜法的主要工藝形式生物濾池生物濾池的構(gòu)造濾床布水設(shè)備排水系統(tǒng)濾床由濾料組成。濾料是微生物生長棲息的場所，理想的濾料應(yīng)具備下述特性：(1)能為微生物附著提供大量的面積；(2)使污水以液膜狀態(tài)流過生物膜；(3)有足夠的空隙率，保證通風(fēng)（即保證氧的供給）和使脫落的生物膜能隨水流出濾池；(4)不被微生物分解,也不抑制微生物的生長，有較好的化學(xué)性能；(5)有一定的機(jī)械強(qiáng)度；(6)價格低廉。濾料粒徑并非越小越好，會造成堵塞，影響通風(fēng)。早期主要以拳狀碎石為濾料，其直徑在3～8cm左右，空隙率在45％～50％左右，比表面積（可附著面積）在65～100m2/m3之間。濾床布水設(shè)備設(shè)置目的為了使污水能均勻地分布在整個濾床表面上生物濾池的布水設(shè)備分為兩類固定式噴嘴布水系統(tǒng)回轉(zhuǎn)式布水器的中央是一根空心的立柱，底端與設(shè)在池底下面的進(jìn)水管銜接。其所需水頭在0.6～1.5m左右。固定式布水系統(tǒng)是由虹吸裝置、饋水池、布水管道和噴嘴組成。這類布水系統(tǒng)需要較大的水頭，約在2m左右。移動式（常用回轉(zhuǎn)式）布水器排水系統(tǒng)作用收集濾床流出的污水與生物膜保證通風(fēng)支撐濾料池底排水系統(tǒng)的組成池底排水假底集水溝排水假底是用特制砌塊或柵板鋪成，濾料堆在假底上面。假底空隙率不小于濾池面積5％～8％，高于池底0.4～0.6m。池底除支撐濾料外，還要排泄濾床上的來水，池底中心軸線上設(shè)有集水溝，兩側(cè)底面向集水溝傾斜，池底和集水溝的坡度約1％～2％。集水溝要有充分的高度，并在任何時候不會漫流，確保空氣能在水面上暢通無阻，使濾池中空隙充滿空氣。影響生物濾池性能的主要因素

濾池高度

濾床上層,污水中有機(jī)物濃度較高,微生物繁殖速率高,種屬較低級,以細(xì)菌為主,生物膜量較多,有機(jī)物去除速率較高。隨著濾床深度增加,微生物從低級趨向高級，種類逐漸增多,生物膜量從多到少。

濾床的上層和下層相比,生物膜量、微生物種類和去除有機(jī)物的速率均不相同。

濾床中的這一遞變現(xiàn)象，類似污染河流在自凈過程中的生物遞變。有機(jī)負(fù)荷

有機(jī)負(fù)荷高，生物膜生長快。生物濾池對有機(jī)負(fù)荷有一定耐受范圍，在該范圍內(nèi)，有機(jī)物降解效率能夠維持穩(wěn)定，超出范圍，有機(jī)物降解效率下降。有機(jī)負(fù)荷高，增加濾池的堵塞頻率?；亓鳎?）回流可提高生物濾池的濾率，它是使生物濾池負(fù)荷率由低變高的方法之一；（2）提高濾率有利于防止產(chǎn)生灰蠅和減少惡臭；（3）當(dāng)進(jìn)水缺氧、腐化、缺少營養(yǎng)元素或含有有害物質(zhì)時，回流可改善進(jìn)水的腐化狀況、提供營養(yǎng)元素和降低毒物質(zhì)濃度；（4）進(jìn)水的質(zhì)和量有波動時，回流有調(diào)節(jié)和穩(wěn)定進(jìn)水的作用。供氧溫度差越大，通風(fēng)條件越好；當(dāng)水溫較低，濾池內(nèi)的溫度低于水溫時（夏季），池內(nèi)氣流向下流動；當(dāng)水溫較高，池內(nèi)溫度高于氣溫時（冬季），氣流向上流動；若池內(nèi)外無溫度差，則停止通風(fēng)；正常運(yùn)行的生物濾池，自然通風(fēng)可以提供生物降解所需的氧量，自然通風(fēng)不能滿足時，應(yīng)考慮強(qiáng)制通風(fēng)。生物濾池中，微生物所需的氧一般直接來自大氣，靠自然通風(fēng)供給。影響生物濾池通風(fēng)的主要因素是濾床自然拔風(fēng)和風(fēng)速。自然拔風(fēng)的推動力是池內(nèi)溫度與氣溫之差以及濾池的高度。生物濾池法的流程交替式二級生物濾池法比并聯(lián)流程負(fù)荷率可提高兩三倍。運(yùn)行時，濾池是串聯(lián)工作的，污水經(jīng)初步沉淀后進(jìn)入一級生物濾池，出水經(jīng)相應(yīng)的中間沉淀池去除殘膜后用泵送入二級生物濾池，二級生物濾池的出水經(jīng)過沉淀后排出污水廠。工作一段時間后，一級生物濾池因表面生物膜累積，即將出現(xiàn)堵塞，改作二級生物濾池，而原來的二級生物濾池則改作一級生物濾池。生物轉(zhuǎn)盤生物轉(zhuǎn)盤的主要組成部分轉(zhuǎn)動軸盤片廢水處理槽驅(qū)動裝置生物轉(zhuǎn)盤是由一系列平行的旋轉(zhuǎn)圓盤、轉(zhuǎn)動中心軸、動力及減速裝置、氧化槽等組成。盤片：高強(qiáng)度、輕質(zhì)、耐腐蝕；材料：硬塑料、玻璃鋼直徑：2~3m，間距20~30mm。受材料、污水與膜的接觸均勻性、外緣膜易脫落等影響，直徑不可能做大。工作原理工作時，廢水流過水槽，電動機(jī)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，生物膜和大氣與廢水輪替接觸，浸沒時吸附廢水中的有機(jī)物，敞露時吸收大氣中的氧氣。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動,,帶進(jìn)空氣,并引起水槽內(nèi)廢水紊動,使溶解氧均勻分布。工藝流程1.單軸單級式2.單軸多級式3.多軸多級式生物轉(zhuǎn)盤的布置方式

生物轉(zhuǎn)盤的新進(jìn)展曝氣生物濾池

曝氣生物濾池由池體、布水系統(tǒng)、布?xì)庀到y(tǒng)、承托層、濾層、反沖洗系統(tǒng)組成。根據(jù)進(jìn)水流向不同，曝氣生物濾池池型分為下向流式和上向流式。上向流的優(yōu)點：1）促使布?xì)獠妓鶆颍?）采用上向流，截留在底部的懸浮物易于被帶入濾池中上部，加大濾料納污率；3）利于氧的傳遞和利用。生物接觸氧化法

填料浸沒在污水中，填料上長滿生物膜，污水與生物膜接觸過程中，水中的有機(jī)物被微生物吸附、氧化分解和轉(zhuǎn)化成新的生物膜。從填料上脫落的生物膜，隨水流到二沉池后被去除，污水得到凈化。酚醛樹脂蜂窩填料常用填料的類型聚乙烯蜂窩填料彈性立體填料軟性纖維填料軟性、復(fù)合填料SQC型絲球形懸浮填料接觸氧化池反應(yīng)區(qū)的構(gòu)造

生物接觸氧化法是介于活性污泥法和生物濾池二者之間的污水生物處理技術(shù)，兼有活性污泥和生物膜法的特點。工藝優(yōu)勢：1）填料的比表面積大，充氧條件好，微生物數(shù)量高于傳統(tǒng)活性法和生物濾池；2）不需要污泥回流，不存在污泥膨脹，運(yùn)行管理方便；3）對水質(zhì)水量變化有較強(qiáng)適應(yīng)能力。生物流化床床層的三種狀態(tài)固定床流化床液體輸送

生物流化床中的載體顆粒表面有一層微生物膜，因此其流化特性與普通的流化床不同。流化床床層的膨脹程度可以用膨脹率K或膨脹比R表示：流化床狀態(tài)式中：v、ve——分別為固定床層和流化床層體積。式中：h、he——分別為固定床層和流化床層高度。在生物流化床中，相同的流速下，膨脹率隨著生物膜厚度的增加而增大，如右圖所示。一般K采用50％～200％。生物顆粒粒徑與膨脹率的關(guān)系流化床的類型

根據(jù)生物流化床的供氧、脫膜和床體結(jié)構(gòu)的不同，好氧生物流化床主要有兩種類型：兩相生物流化床三相生物流化床兩相生物流化床三相生物流化床三相流化床設(shè)備較簡單，操作亦較容易，此外，能耗也較二相流化床低。三相生物流化床是氣、液、固三相直接在流化床體內(nèi)進(jìn)行生化反應(yīng)，不另設(shè)充氧設(shè)備和脫膜設(shè)備，載體表面的生物膜依靠氣體的攪動作用，使顆粒之間劇烈摩擦而脫落。三相生物流化床的設(shè)計應(yīng)注意防止氣泡在床內(nèi)合并成大氣泡而影響充氧效率。充氧方式減壓釋放空氣充氧射流曝氣充氧三相生物流化床生物流化床的優(yōu)缺點生物流化床的主要優(yōu)點濾床具有巨大的表面積容積負(fù)荷高，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)微生物活性強(qiáng)傳質(zhì)效果好生物流化床每單位體積表面積比其他生物膜大，單位床體的生物量很高（10～14g/L），傳質(zhì)速度快，廢水一進(jìn)入床內(nèi)，很快被混合稀釋。對同類廢水，在相同處理條件下，其生物膜的呼吸速率約為活性污泥的兩倍，可見其反應(yīng)速率快，微生物的活性較強(qiáng)。由于載體顆粒在床體內(nèi)處于劇烈運(yùn)動狀態(tài)，氣－固－液界面不斷更新，因此傳質(zhì)效果好，這有利于微生物隨污染物的吸附和降解，加快了生化反應(yīng)速率。生物流化床的優(yōu)缺點生物流化床的主要缺點防堵塞曝氣方法進(jìn)水配水系統(tǒng)的選用生物顆粒流失設(shè)備的磨損較固定床嚴(yán)重，載體顆粒在湍動過程種會被磨損變小。設(shè)計時存在著生產(chǎn)放大方面的問題：四、厭氧生物處理工藝4.1厭氧生物法的基本原理

大分子有機(jī)物(碳水化合物，蛋白質(zhì)，脂肪等)水解細(xì)菌的胞外酶水解的和溶解的有機(jī)物酸化產(chǎn)酸細(xì)菌有機(jī)酸醇類醛類等乙酸化乙酸細(xì)菌乙酸甲烷化甲烷細(xì)菌CH41、三階段理論水解酸化階段產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫階段產(chǎn)甲烷階段2、厭氧生物法的影響因素

pH和溫度污泥停留時間攪拌和混合有毒物質(zhì)產(chǎn)甲烷菌增長速率慢，需要較長污泥停留時間。連續(xù)劇烈攪拌會破壞產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)乙酸菌的共生關(guān)系。重金屬、H2S、NH3等。營養(yǎng)BOD：N：P=200：5：13、厭氧生物處理工藝

厭氧接觸法

對于懸浮物較高的有機(jī)廢水，可以采用厭氧接觸法，它實際上是厭氧活性污泥法，不需要曝氣而需要脫氣。上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)

試驗結(jié)果證明，良好的污泥床，有機(jī)負(fù)荷率和去除率高，不需要攪拌設(shè)備，能適應(yīng)負(fù)荷沖擊和溫度與pH的變化。上流式厭氧污泥床反應(yīng)器厭氧生物濾池優(yōu)點：處理能力高；濾池內(nèi)可以保持很高的微生物濃度；不需另設(shè)泥水分離設(shè)備，出水SS較低；設(shè)備簡單、操作方便。

缺點：濾料費(fèi)用較高；濾料易堵塞，尤其是下部，生物膜很厚；堵塞后，沒有簡單有效的清洗方法。因此，懸浮物高的廢水不適用。分段厭氧處理法第一段：水解和液化有機(jī)物為有機(jī)酸；緩沖和稀釋負(fù)荷沖擊與有害物質(zhì)，并將截留難降解的固態(tài)物質(zhì)。

第二段：保持嚴(yán)格的厭氧條件和pH，以利于甲烷菌的生長；降解、穩(wěn)定有機(jī)物，產(chǎn)生含甲烷較多的消化氣，并截留懸浮固體，以改善出水水質(zhì)。五、好氧厭氧組合生物處理工藝5.1生物脫氮

污水生物處理過程中氮的轉(zhuǎn)化主要包括氨化、硝化和反硝化作用，其中氨化可在好氧或厭氧條件下進(jìn)行，硝化作用在好氧條件下進(jìn)行，反硝化作用在缺氧條件下進(jìn)行。氨化反應(yīng)：RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3

RCHNH2COOH+H2O→RCHOHCOOH+NH3硝化反應(yīng)：NH4++2O2→NO3-+2H++H2O反硝化反應(yīng)：NO3-→NO2-→NO→N2O→N2同化作用：生物處理過程中，一部分氮（氨氮或有機(jī)氮）被同化成微生物細(xì)胞的組成成分，并以剩余污泥的形式得以從污水中去除。1、基本原理好氧異養(yǎng)型微生物好氧自養(yǎng)型微生物兼性好氧異養(yǎng)型微生物2、主要工藝形式兩段脫氮工藝工藝特征：（1）除碳和硝化在同一反應(yīng)器中進(jìn)行，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷不能過高，水力停留時間和泥齡相對較長；（2）反硝化階段碳源不足，須人工投加碳源。三段脫氮工藝工藝特征：（1）除碳、硝化和反硝化在各自的反應(yīng)器中進(jìn)行；（2）反硝化階段碳源不足，須人工投加碳源。前置缺氧-好氧生物脫氮工藝工藝特征：（1）反硝化過程設(shè)在除碳和硝化過程之前，彌補(bǔ)了碳源不足的問題，另外可以節(jié)省后續(xù)階段曝氣量、克服污泥膨脹；（2）反硝化階段產(chǎn)生的堿可以彌補(bǔ)后續(xù)硝化階段缺失的50%的堿度。（3）二沉池易發(fā)生污泥上浮。Bardenpho生物脫氮工藝工藝特征：（1）設(shè)定兩個反硝化過程，反應(yīng)較為徹底；（2）后續(xù)曝氣兼顧吹脫水中殘存氮?dú)猓纳莆勰喑两敌阅?。?）比三段脫氮工藝減少投資和運(yùn)行費(fèi)用。

在同樣的處理條件及同一處理空間內(nèi)，硝化和反硝化反應(yīng)同時發(fā)生的現(xiàn)象被稱為同步硝化/反硝化(SND)。同步硝化反硝化脫氮工藝

同一個反應(yīng)器中，在時間上造成交替缺氧和好氧環(huán)境的工藝，如SBR。

在空間上造成交替缺氧和好氧環(huán)境的工藝，如氧化溝。反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)器內(nèi)溶解氧的不均勻分布同一反應(yīng)器中溶解氧在空間或時間上的不均勻分布；缺氧微環(huán)境理論污泥絮體表面和內(nèi)部氧濃度差異；同步硝化反硝化脫氮工藝微生物學(xué)解釋好氧反硝化細(xì)菌和異養(yǎng)硝化細(xì)菌同步硝化反硝化脫氮工藝工藝性能影響因素溶解氧有機(jī)物含量

pH值硝化細(xì)菌8.0-8.4，反硝化細(xì)菌6.5-8.0，平均7.5左右。溫度10-20℃短程硝化反硝化脫氮工藝

NH4+-N被氧化為NO2-

-N后直接還原成N2的現(xiàn)象被稱為短程硝化/反硝化。氨氧化細(xì)菌亞硝化細(xì)菌反應(yīng)機(jī)理短程硝化